CN111212709B - 柔性驱动器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种驱动器(1),其具有第一部分(4)、第二部分(2)和在第一部分和第二部分之间的主体部分(3),其中主体部分包括至少一个配置为被加压的腔室(14),并且主体部分具有纵向轴;和多个线缆(6、7、8、9),其中所述多个线缆中的每一个相对于主体部分(3)的纵向轴布置成相应的至少部分的螺旋;且其中所述多个线缆被布置成使得将选定的力施加到所述线缆中的至少一个会引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。

Description

柔性驱动器
技术领域
本发明涉及一种驱动器和驱动所述驱动器的方法。
背景技术
在过去的几十年里,机器人学家已经从设计刚性和重型机器人转向设计柔性和轻型机器人。刚度是众多需求之一,主要涉及高精度和高机械带宽,对于一些工业应用是必要的。正如Sciavicco和Siciliano所描述的,工业机器人被定义为刚性连接的组合[1]。
由于需要与人进行安全的交互并避免附带的损害,柔性机器人通过使用主动控制和刚性连接,或使用实质上柔顺的材料被开发[2]。从大自然中汲取灵感,一种基于章鱼[4]、[5]、[6]、象鼻[7]、[8]、[9]或毛虫[10]的生理和生物力学的不同的方法为所谓的柔性机器人(SR)[3]铺平了道路。采用柔性材料设计了新型高柔顺的驱动器和传感器。与刚性机器人形成鲜明对比的是,柔性机器人具有连续可变形的柔性结构,具有高度的适应性和灵活性。它们可以由具有不同度的材料构成。仿生控制也已经被研究[11],[12]。
最早的气动驱动器之一是由McKibben在20世纪50年代报道的,提出了一种能够像人体肌肉一样提供拉力的设计[13]。它由带有编织聚酯网套的内橡胶管组成。这种设计已经用于对抗性配置中,获得了通过控制每个驱动器[14]、[15]中的空气压力以改变其刚度的系统。
与该方法不同,柔性驱动器的新设计可以产生不同的运动,即推动力、弯曲力或扭曲力。在东芝公司(Toshiba Corporation)的Suzumori等人开发了一种由三个腔室组成的3自由度(DOF)气动微驱动器,其外径为12mm,总长度为120mm[16]。该驱动器由纤维增强橡胶制成并且由电-气驱动或电-液压系统驱动。
Connoly等人提出了一种使用纤维增强的机械可编程柔性驱动器[18]。通过1个运动自由度,借助于改变纤维角度展示了大范围的运动:i)伸展,ii)弯曲,iii)扭曲,以及iv)收缩。通过使用模拟器来演示性能,并通过实验表征驱动器来验证性能。
增加单个柔性驱动器可利用的自由度的数量将是有利的,从而在构造柔性机器人系统时提供更宽范围的设计选择。进一步有利的是,提供具有可变运动阻力或刚度的柔性驱动器,从而提供产生特定应用所需的相对快速、低精度运动或相对较慢、高精度运动的能力。还有利的是,提供一种驱动器,其在其整个运动范围内具有基本上均匀的横截面,从而避免了众所周知的与柔性气动驱动器相关的“膨胀(ballooning)”和随后的疲劳问题。
本发明的目的是提供一种具有一个或多个上述优点的柔性驱动器。
发明内容
根据本发明的第一方面,提供了一种驱动器,包括:
第一部分、第二部分和在所述第一和所述第二部分之间的主体部分,其中所述主体部分包括配置为被加压的至少一个腔室,并且所述主体部分具有纵向轴;和
多个线缆,其中所述多个线缆中的每一个相对于所述主体部分的纵向轴布置成相应的至少部分的螺旋;且
其中所述多个线缆被布置成使得将选定的力施加到所述线缆中的至少一个会引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。
在操作中,可以将选定的力施加到至少一个线缆上,使第一部分相对于第二部分移动。选定的力可以包括例如张紧线缆、拉动线缆或推动线缆。
本发明的驱动器有利地结合气动和机械驱动以提供具有精确运动控制的驱动器。
相对于主体部分的纵向布置成至少部分的螺旋的多个线缆意味着,当选定的力施加到线缆中的至少一个时,所施加的力将具有轴向分量和切向分量。这为驱动器提供了例如当与具有基本上平行于主体部分的纵向轴布置的多个线缆的驱动器相比时的在另外的方向上运动的可能性。
如本文所定义的,部分的螺旋可令线缆包围纵向轴盘绕,相对于纵向轴保持恒定的直径。部分的螺旋还可以以相对于纵向轴递增或递减的直径令线缆包围纵向轴盘绕,例如,线缆可以以圆锥形的方式绕纵向轴盘绕。
例如,布置为形成至少部分的螺旋的线缆可以包括在其长度的至少一部分中至少部分地围绕纵向轴盘绕的线缆,使得对于在其长度的所述至少一部分的每个点,线缆在该点处的与纵向轴垂直的平面中距纵向轴的距离基本上相同。可选地,布置为形成至少部分的螺旋的线缆可以包括在其长度的至少一部分中至少部分地围绕纵向轴盘绕的线缆,使得当沿着其长度的所述至少一部分的位置变化时,线缆在垂直于纵向轴的平面中距纵向轴的距离发生变化。
所述至少一个腔室可经过配置以使得控制所述至少一个腔室的压力引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动,和/或向所述主体部分提供期望的刚度,使得还可通过控制所述至少一个腔室的压力来实现所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。例如,腔室可以被加压到期望的压力,使得第一部分相对于第二部分运动。或者,腔室可被加压到期望的压力,并且选定的力可被施加到至少一个线缆,使得第一部分相对于第二部分运动。或者,例如,所述至少一个腔室的压力可以保持在大气压力,同时将选定的力施加到所述多个线缆中的至少一个以引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。
多个线缆可以布置成相对于主体部分的纵向轴保持它们的至少部分的螺旋,而无论主体部分的方向如何。
多个线缆可以布置成使得所述多个线缆中的至少一个线缆至少部分螺旋方向与所述多个线缆中的至少另一个线缆不同。例如,一些线缆可以相对于纵向轴至少部分按顺时针的方向螺旋,并且一些线缆可以相对于纵向轴至少部分按逆时针的方向螺旋。在另一示例中,驱动器可包括四根线缆,其中两根线缆至少部分按顺时针方向螺旋,而两根线缆至少部分按逆时针方向螺旋。
多个线缆中的每一个可以对向(subtend)相应的弧,其中弧的角度可以在大约20度到90度之间,优选地大约为60度。
多个线缆可以被布置成对抗地操作以引起所述第一部分相对于所述第二部分的运动。例如,可以将第一选定的力施加到一些线缆,并且可以将第二选定的力施加到其余线缆,使得第一部分相对于第二部分运动。
多个线缆可以布置为成对对抗地操作,以引起第一部分相对于第二部分的运动。例如,驱动器可包括四根线缆,其中,第一选定的力可施加到两根线缆,第二选定的力可施加到另外的两根线缆。
所述多个线缆可以操作地连接到所述驱动器的所述第一部分,其中向所述线缆中的至少一个施加选定的力引起所述第一部分相对于所述第二部分的运动。
所述多个线缆可以操作地连接到所述驱动器的所述第二部分,其中向所述线缆中的至少一个施加选定的力导致所述第一部分相对于所述第二部分运动。
所述多个线缆可以操作地连接到所述驱动器的所述主体部分,其中向所述线缆中的至少一个施加选定的力导致所述第一部分相对于所述第二部分运动。
在多个线缆中的一些示例中,一些线缆可以操作地连接到第一部分,一些线缆可以操作地连接到第二部分,一些线缆可以操作地连接到主体部分。本领域的技术人员可以了解的是,所述多个线缆可以操作地以任何组合连接到所述驱动器的所述第一部分、所述第二部分及所述主体部分中的任意一个,以便引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。
所述驱动器可以包括多个线缆壳体,其中所述多个线缆中的每一个被容纳在线缆壳体中。线缆壳体可以延伸穿过驱动器的第一部分和/或第二部分和/或主体部分。线缆壳体可构造成向多个线缆相应地提供至少部分的螺旋,例如,线缆壳体可以相对于主体部分的纵向轴以至少部分的螺旋延伸穿过第一部分和/或第二部分和/或主体部分。多个线缆中的一个或多个可以容纳在线缆壳体内。多个线缆可以在它们各自的线缆壳体内自由运动。
控制所述至少一个腔室的压力可包括将压力增加到选定的值或将压力降低到选定的值。还可以包括将所述至少一个腔室的压力保持在大气压力。控制所述压力还可包括将所述至少一个腔室的压力维持在选定的压力。
控制驱动器的所述至少一个腔室的压力的能力可以使得能够调节驱动器的刚度。例如,通过将所述至少一个腔室加压到期望的压力,可使驱动器的刚性增强。这可以使得驱动器的第一部分相对于第二部分能够更精确的运动。
所述至少一个腔室可定位在主体部分内。这可以使得能够调节主体部分的刚度。
所述至少一个腔室可经配置以接收气体供应。
驱动器可以包括至少两个腔室,每个腔室配置为被加压。所述至少一个腔室可以包括两个腔室。这可以使得能够更精确地控制驱动器的刚度和运动稳定性。两个腔室可定位在主体部分内。每个腔室可以被配置为接收气体供应。
所述多个腔室可经配置以使得所述腔室中的至少一个其它腔室可相对于所述腔室中的至少一个其它腔室加压。
驱动器还可包括用于控制至少一个腔室相对于至少另一个腔室的压力的装置。
多个腔室和多个线缆可以布置成使得相对于至少一个其它腔室向至少一个腔室施加期望的压力以使得例如至少部分地补偿由于对线缆施加力而施加到驱动器部分上的力,和/或减少由于对线缆施加力而导致的驱动器的部分的变形。
两个腔室中的每个腔室中的压力可以增加以引起沿着第一部分的纵向轴相对于第二部分的平移和/或控制驱动器的刚度。
每个腔室可相对于另一个腔室加压以控制驱动器的刚度。每个腔室可相对于另一个腔室加压,以引起第一部分相对于第二部分的运动。例如,一个腔室的压力可以增加,而另一腔室中的压力减小或保持在选定的压力,以引起第一部分相对于第二部分的弯曲运动。
提供各自配置为被加压的两个腔室可以允许与驱动器横截面积相比增加了的腔室横截面积,并且这可以得到更低的腔室激活压力的结果。
驱动器还可包括驱动器的至少一部分,该驱动器的至少一部分包括端面或端盖。
根据任意一项前述权利要求的驱动器,其中所述主体部分包括外表面,所述外表面包括柔性材料。驱动器可以是可以允许与外部环境的安全交互的柔性驱动器。柔性材料可以是有弹性的。柔性材料可以是有韧性的。
柔性材料可以包括聚合物。例如,柔性材料可以是天然橡胶或合成橡胶,或任何合适的合成聚合物。
驱动器的主体部分可构造成在将选定的力施加到多个线缆中的至少一个和/或对所述至少一个腔室加压时保持沿着纵向轴的横截面积基本恒定。当所述至少一个腔室的压力增加时,该构造可以防止驱动器的主体部分的膨胀(ballooning)。这又可以防止主体部分遭受疲劳影响。
驱动器可以包括至少一个加强构件,该加强构件被配置为比主体部分基本上刚度更大。提供基本上比主体部分刚度更大的加强构件使得在将选定的力施加到多个线缆中的至少一个和/或对所述至少一个腔室加压时,该加强构件可有助于保持主体部分的沿着纵向轴的横截面积基本恒定。
所述至少一个加强构件可以包括例如围绕主体部分延伸的护套。
所述至少一个加强构件可包括纤维或线材,或多个纤维或多个线材。纤维或线材可以缠绕在主体部分周围。
驱动器的第一部分和第二部分可包括基本上比主体部分刚度更大的端部。例如,端部可以包括盖,例如具有刚度的聚合物盖和/或已经被增强的使得它们基本上是具有刚度的盖。
具有刚度的端部使根据本发明的一个驱动器与另一个驱动器的简单连接变得容易。例如,端部可以以任何合适的方式结合在一起。另外,提供具有刚度的端部可允许额外的硬件(例如电子器件)容纳在端部内,而基本上不影响驱动器的运动。
驱动器还可包括至少延伸穿过主体部分的中空构件。中空构件可用于容纳额外的驱动器硬件,例如线缆或其它电子器件。中空构件还可使根据本发明的驱动器的连接变得容易。
根据任意前述权利要求的驱动器可以被配置为使得在将选定的力施加到所述多个线缆中的至少一个并且控制所述至少一个腔室的压力时,所述第一部分相对于所述第二部分具有至少四个自由度。
第一部分可以相对于第二部分沿着z轴运动,例如第一部分可以沿着z轴平移,其中z轴基本上平行于主体的纵向轴。这可以通过向至少一根线缆施加选定的力和增加所述至少一个腔室的压力来实现。
第一部分可以相对于第二部分运动,使得在向多个线缆中的至少一个施加选定的力时,第一部分相对于第二部分绕z轴旋转。例如,可以将选定的力施加到至少两个线缆上,以在第一部分上产生相反的弯曲力矩,从而引起第一部分相对于第二部分的旋转。例如,可以布置至少四根线缆,使得可以向一对线缆施加选定的力,并且可以向另一对线缆施加另一选定的力,以产生相反的弯曲力矩,从而引起第一部分相对于第二部分的旋转。
第一部分可以同时相对于第二部分绕z轴旋转并沿z轴平移。
通过向所述多个线缆中的至少一个施加选定的力,所述第一部分可以相对于所述第二部分运动,使得所述第一部分围绕y轴旋转。y轴可以被认为是垂直于z轴的轴。围绕y轴的旋转可以被认为是第一部分沿着xz平面的弯曲。例如,可以将选定的力施加到多个线缆中的至少一个,使得第一部分在xz平面中相对于第二部分弯曲。例如,可以布置至少四根线缆,使得可以向一对线缆施加选定的力,并且可以向另一对线缆施加另一选定的力,以在xz平面中产生弯曲力矩。
通过向所述多个线缆中的至少一个施加选定的力,所述第一部分可以相对于所述第二部分运动,使得所述第一部分绕x轴旋转。x轴可以被认为是与z轴和y轴正交的轴。围绕x轴的旋转可以被认为是第一部分沿着yz平面的弯曲。例如,可以将选定的力施加到多个线缆中的至少一个,使得第一部分在yz平面中相对于第二部分弯曲。例如,可以布置至少四根线缆,使得可以向一对线缆施加选定的力,并且可以向另一对线缆施加另一选定的力,以在yz平面中产生弯曲力矩。
根据所需的任务,本发明的驱动器可以具有不同的形状和尺寸。
本发明的驱动器可以具有例如数mm的外部尺寸,例如外径为5mm至30mm。这种驱动器可在医疗应用中具有特定应用,例如在用于小切口手术的装置中,以及在内窥镜中使用。
本发明的驱动器可以具有例如达到数cm的外部尺寸,例如外径达到10cm、20cm或30cm,或者用于驱动器的期望的用途的任何适当尺寸。这种驱动器可特别用于工业应用。
本发明的驱动器可以作为单个部件生产,或者可以作为多个部件生产,所述多个部件例如通过任何合适的粘合剂或连接(例如熔接连接)结合在一起。本发明的驱动器可以是3D打印的。
根据本发明的另一方面,提供一种蛇形机器人,其包括如所附权利要求所述的至少一个驱动器。
根据本发明的另一实施例,提供了一种蛇形机器人,其包括多个连接在一起的如本文所要求保护的驱动器。
多个驱动器可以串联连接。
蛇形机器人中的多个驱动器中的每一个可独立地驱动。例如,通过向第一驱动器的至少一个线缆施加选定的力,一个驱动器的第一部分可以在一个方向上相对于驱动器的第二部分移动,同时,通过向第二驱动器的至少一个线缆同时施加选定的力,第二驱动器的第一部分可相对于第二驱动器的第二部分沿另一方向移动。
第一驱动器的第一部分可以连接到第二驱动器的第二部分,使得移动第一驱动器的第一部分也引起第二驱动器的第二部分的运动。任何数量的驱动器可以以这种方式连接在一起。
驱动器可以通过任何合适的连接工艺连接,例如通过任何合适的粘合剂。可选地,驱动器可以使用连接件连接。连接件可以枢转地或刚性地连接到驱动器。
根据本发明的另一方面,描述了一种驱动器设备,包括:
根据所附权利要求中任一项的至少一个驱动器;
用于向所述至少一个腔室施加压力的装置;
用于向每根线缆施加力的装置;
控制器,控制器用于控制施加到所述至少一个腔室的一个或多个压力和施加到所述线缆的一个或多个力,从而获得所述驱动器的所述第一部分相对于所述驱动器的所述第二部分的期望的运动和/或提供所述驱动器的期望的刚度。
本发明的另一方面还涉及一种驱动驱动器的方法,该方法包括:
向多个线缆中的至少一个施加选定的力,所述多个线缆相对于驱动器的主体部分的纵向轴分别布置为至少部分的螺旋,以引起驱动器的第一部分相对于驱动器的第二部分的期望的运动,其中驱动器包括配置为被加压的至少一个腔室。
该方法还可以包括控制至少一个腔室的压力,以便调节驱动器的刚性。
该方法还可以包括控制所述至少一个腔室的压力,以便引起驱动器的第一部分相对于驱动器的第二部分的期望的运动。
该驱动器可以是根据本发明实施例的驱动器。
该方法可以包括将多个驱动器连接在一起,例如将多个驱动器串联连接在一起。
应当理解,在本发明的任何其它方面中,可以单独地或与任何其它定义的特征组合地利用根据本发明的任何方面或以下关于本发明的任何特定实施例所定义的特征。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的这些和其它方面,其中:
图1示出了根据本发明实施例的驱动器的等轴投影的外侧视图;
图2示出了图1的驱动器的横向截面图;
图3示出了图1的驱动器的纵向截面图;
图4示出了图1的驱动器的等轴投影的内侧视图;
图5示出了根据本发明的驱动器处于中性位置;
图6示出了根据本发明的驱动器沿着z轴延伸;
图7示出了根据本发明的驱动器处于中性位置的的平面视图;
图8示出了根据本发明的驱动器的平面视图,其中一端相对于另一端旋转;以及
图9示出了根据本发明的驱动器执行弯曲运动的侧视图。
具体实施方式
转到图1,本发明的驱动器1包括基部2和远端盖4,基部2和远端盖4由柔性且可膨胀的圆柱形壁连接。圆柱形壁由圆柱形护套3包围。壁和护套都由柔性、弹性的和有韧性的材料构成,例如天然橡胶或合成橡胶或合适的聚合物材料。护套3可包括加强件5,加强件5例如可包括两个螺旋形缠绕的线材加强件,两个螺旋形具有相反的旋向。如下面将更详细地描述的,驱动器由线缆或线材6、7、8和9以及空气供应管10和11控制。
图2示出了穿过驱动器的横向截面。护套3围绕圆柱形壁12,圆柱形壁12被分隔件13分成两个腔室,即腔室14和腔室15。分隔件13包括一个中央空心圆筒20。每个腔室14和腔室15包括一对螺旋形子腔室16、17、18、19。每个子腔室沿该子腔室对应的主腔室的长度延伸,同时对向大约60度的弧。圆柱形壁12、分隔件13以及可选地,子腔室16-19可以通过合适的模制工艺或通过增材制造工艺(例如所谓的3D打印)制造为单个部件。可选地,子腔室16-19可以被制造为单独的部件并且通过粘合剂或熔接连接到腔室14和腔室15。
如图3和4所示,线缆6、7、8、9中的每一个穿过基部2中的孔,穿过子腔室16、17、18、19中的一个,并且在其远端处固定到远端盖4。线缆可以包括鲍登线(Bowden cable)或类似物,线缆包括线材芯6、7、8、9以及护套。空气/气体供应管10、11分别通过基部2与腔室14和腔室15形成流体连接。可以理解的是,在使用中,空气供应管10、11连接到压缩的空气/气体源(未示出),使得腔室14和腔室15内的压力能够被独立地控制。
现在将描述驱动器的三个轴、四个自由度的控制。为了方便起见,z轴被定义为驱动器1的长轴,并且可以被设想为从基部2到远端盖4并穿过中央空心圆筒20的线。y轴被定义为经过分隔件13并与z轴正交的线。x轴与y轴和z轴都正交。如图5所示,驱动器关于每个轴的中性点被定义为在没有任何外部气动或机械力的情况下的静止位置。在图5中,没有通过四根线缆6、7、8、9中的任何一根施加张力,并且腔室14和腔室15内的压力处于大气压力。
如对本领域技术人员而言显然的,驱动器能够使远端盖4相对于基部2绕x轴、y轴或z轴中的任一个旋转,并且能够使远端盖4相对于基部2沿z轴平移。在本文中,围绕y轴的旋转可以被定义为在xz平面中的弯曲,而围绕x轴的旋转可以被定义为在yz平面中的弯曲。参照图4,yz平面可以被定义为与限定两个腔室14和腔室15的分隔件13重合的平面。
气动控制
在图6中示出了驱动器沿z轴远离其中性点的伸展,其可以通过同时增加腔室14和腔室15中的空气/气体压力来实现,同时可以减小施加到线缆6、7、8、9上的力。相反地,可以通过释放腔室14和腔室15中的压力来实现收缩,因此驱动器1的弹性结构将确保其返回到中性位置,同时可以增加施加到线缆6、7、8、9的力。通过进一步降低腔室14和腔室15中的压力,从而在其中产生部分真空,可以实现收缩到中性点或超过中性点。
如图6所示,当腔室14和腔室15中的空气压力同时增加时,驱动器1的侧壁扩张,但是外护套3的线材加强件5确保驱动器直径保持恒定。特别地,侧壁不膨胀超过端盖2、端盖4。
围绕y轴的旋转(在xz平面内的弯曲)可以通过对作为对抗对的腔室14和腔室15进行充气和/或放气来实现。对腔室13充气而使腔室14处于大气压力下或在真空下将在一个方向上产生扭矩。对腔室14充气并使腔室13处于大气压力或真空下将产生相反方向的扭矩。
机械控制
参照图1和图4,线缆6、7、8、9分别容纳在子腔室16、17、18、19内,并且可以根据以下方案以对抗对的形式操作线缆6、7、8、9,以驱动围绕任何期望的轴或轴的组合的旋转:
运动 作动
绕y轴旋转(在xz平面内弯曲) 线缆6和线缆8成对,与线缆7和线缆9相对
绕x轴旋转(在yz平面内弯曲) 线缆6和线缆7成对,与线缆8和线缆9相对
绕z轴旋转 线缆7和线缆8成对,与线缆6和线缆9相对
图7和8示出了驱动器绕z轴的旋转。通过对线缆7和线缆8施加张力,驱动器从图7的中性位置顺时针旋转。图6中的标记25在图7中顺时针旋转,突出表示端盖4的顺时针旋转。为了实现逆时针旋转,在向线缆6和线缆9施加张力的同时放松线缆7和线缆8。
由于线缆6、7、8、9在子腔室16、17、18、19内的螺旋形路径,通过张紧线缆6、7、8、9中的任一个施加的力将具有轴向分量(沿z轴)和切向分量。因此,当命令驱动器1执行如图7所示的绕z轴的旋转时,为了实现平衡地旋转(即没有弯曲),必须成对地操作线缆,使得施加到每对线缆,例如线缆7和线缆8以及线缆6和线缆9的力将产生相反的弯曲力矩以防止驱动器弯曲。此外,在没有通过腔室14和腔室15施加的任何反作用力的情况下,对线缆施加如所描述的张力将导致驱动器既绕z轴旋转又沿z轴平移。
可以理解的是,可通过组合以上使线缆活动的组合并改变由每一线缆施加的拉力来实现围绕多个轴的同时旋转。
沿z轴的收缩可以通过在所有四根线缆6、7、8、9上同时施加相等的拉力来实现。
参照图9,示出了驱动器1在yz平面中执行弯曲运动。该弯曲通过相对于线缆8和线缆9对抗地操作线缆6和线缆7来实现。
类似地,但未示出的是,驱动器在xz平面中的弯曲可以通过相对于线缆7和线缆9对抗地操作线缆6和线缆8来执行。
可以通过改变腔室13和腔室14中的压力,同时增加施加到线缆6、7、8、9上的力来控制驱动器刚度,即,驱动器对运动的阻力。在增加腔室压力的同时增加线缆力将增加驱动器刚度,反之亦然。可以理解的是,腔室纵向膨胀(沿z轴)将由线缆6、7、8、9限制,横向膨胀(沿x或y轴)由护套3和护套加强件5限制。弯曲驱动器以使其对向一期望角度所需的力将取决于驱动器刚度。
通常,当驱动器在使用中时,腔室13和14至少部分地膨胀。发明人的实验已经发现,需要部分充气来提供最佳定位控制。
本领域技术人员将可以理解的是,上述气动和机械控制方案可以单独地或协同地使用,以便实现期望的驱动器运动。
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Claims (24)

1.一种驱动器,包括:
第一部分、第二部分和在所述第一和所述第二部分之间的主体部分,其中所述主体部分包括配置为被加压的至少一个腔室,并且所述主体部分具有纵向轴;和
多个线缆,其中所述多个线缆中的每一个相对于所述主体部分的纵向轴布置成相应的至少部分的螺旋;且
其中所述多个线缆被布置成使得将选定的力施加到所述线缆中的至少一个会引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动;
所述至少一个腔室被配置为被一气体源加压,所述主体部分配置为在向所述多个线缆中的至少一个施加选定的力和/或对所述至少一个腔室加压时保持沿着所述纵向轴的横截面积基本恒定。
2.根据权利要求1所述的驱动器,其中所述至少一个腔室被配置为使得控制所述至少一个腔室的压力引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动,和/或为所述主体部分提供期望的刚度。
3.根据权利要求1所述的驱动器,其中所述多个线缆中的至少一个线缆至少部分螺旋方向与所述多个线缆中的至少另一个线缆不同。
4.根据权利要求3所述的驱动器,其中所述多个线缆中的至少一个线缆至少部分顺时针螺旋,并且所述多个线缆中的至少另一个至少部分逆时针螺旋。
5.根据前述权利要求中任一项所述的驱动器,其中所述多个线缆中的每一个对向一相应的弧,所述弧为20度至90度。
6.根据权利要求5所述的驱动器,其中所述多个线缆中的每一个对向一相应的弧,所述弧为60度。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,其中所述多个线缆被布置成对抗地操作以引起所述第一部分相对于所述第二部分的运动。
8.根据权利要求7所述的驱动器,其中所述多个线缆布置为成对对抗地操作,以引起所述第一部分相对于所述第二部分的运动。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,其中a)、b)或c)中的至少一个:
a)所述多个线缆可操作地连接到所述第一部分;
b)所述多个线缆可操作地连接到所述第二部分;
c)所述多个线缆可操作地连接到主体部分。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,其中所述驱动器包括多个腔室,每个所述腔室配置为被加压。
11.根据权利要求10所述的驱动器,其中所述多个腔室被配置成使得所述腔室中的至少一个腔室是能够相对于所述腔室中的至少一个其它腔室被加压的。
12.根据权利要求11所述的驱动器,还包括用于控制所述腔室中至少一个相对于所述腔室中至少另一个的压力的装置。
13.根据权利要求11所述的驱动器,其中所述多个腔室和所述线缆布置成使得向所述腔室中的至少一个腔室相对于所述腔室中的至少一个另一个腔室施加期望的压力以使得至少部分地补偿由于向所述线缆施加力而施加到所述驱动器的一部分上的力和/或减小由于向所述线缆施加力而产生的所述驱动器的一部分的变形。
14.根据权利要求13所述的驱动器,其中所述驱动器的所述一部分至少包括端面或端盖。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,其中所述主体部分包括外表面,所述外表面包括柔性材料。
16.根据权利要求15所述的驱动器,其中所述柔性材料包括聚合物。
17.根据权利要求1所述的驱动器,其中所述驱动器包括至少一个加强构件,所述加强构件被配置为基本比所述主体部分刚度更大。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,其中所述第一部分和所述第二部分包括基本上比所述主体部分的刚度更大的端部。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,还包括至少延伸穿过所述主体部分的中空构件。
20.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器,所述驱动器被配置为使得在将选定的力施加到所述多个线缆中的至少一个并且控制所述至少一个腔室的压力时,所述第一部分相对于所述第二部分具有至少四个自由度。
21.一种蛇形机器人,包括至少一个根据权利要求1至20所述的驱动器。
22.一种蛇形机器人,包括多个根据权利要求1至20中任一项所述的驱动器,多个所述驱动器连接在一起。
23.一种驱动器设备,包括:
至少一个根据权利要求1至20中任一项所述的驱动器;
用于向所述至少一个腔室施加压力的装置;
用于向每根线缆施加力的装置;
控制器,所述控制器用于控制施加到所述至少一个腔室的一个或多个压力和施加到所述多个线缆的一个或多个力,从而获得所述驱动器的所述第一部分相对于所述驱动器的所述第二部分的期望的运动和/或提供所述驱动器的期望的刚度。
24.一种驱动根据权利要求1至20所述的驱动器的方法,包括:
向所述多个线缆中的至少一个施加选定的力,所述多个线缆相对于所述驱动器的主体部分的纵向轴分别布置为至少部分地螺旋,以引起所述驱动器的所述第一部分相对于所述驱动器的所述第二部分的期望的运动,其中所述驱动器包括配置为被一气体源加压的至少一个腔室,且所述主体部分配置为在向所述多个线缆中的至少一个施加选定的力和/或对所述至少一个腔室加压时保持沿着所述纵向轴的横截面积基本恒定。
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