CN111300400A - 气动软体驱动器及其组合结构和具有其的软体机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气动软体驱动器及其组合结构和具有其的软体机器人；气动软体驱动器包括软体驱动器本体；软体驱动器本体的一端具有进气口，另一端或其侧壁具有至少一个出气口；进气口与出气口的截面积比值大于50；进气口和出气口之间通过孔径逐渐减小的变径孔道连通。气体通过变径孔道释放气体降压时，变径孔道的较小截面积的出气口使得气腔内气压下降至标准大气压状态的时间延长，因此会产生一定的形状锁定效果；依此原理，本发明提供了相应的气动软体驱动器的组合结构、软体机器人及其控制方法，有效减少了部分低精度控制应用场景下控制繁琐的问题，提高了软体驱动器的一体性，简化控制的难度，节约了成本。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，更具体的说是涉及一种气动软体驱动器及其组合结构和具有其的软体机器人和控制方法。
背景技术
软体机器人以其适应性和人机交互环境中的安全性成为了机器人研究领域中的一个新的热点。随时可以获取的空气作为动力源有效降低了研究人员和企业的准入门槛，因此气动驱动的软体机器人成为目前相关研究的主流。
大多数的气动软体机器人和驱动器的研究目标都是为了能够实现复杂运动，而软体机器人和驱动器因为软材料构成的原因，产生了影响较为明显的迟滞现象，难以实现精确控制。多数情况下只能通过提高对气压的控制精度和增加气源数量控制更多的腔室来提高控制的精度，以上两种方法增加控制的投入，提高了生产成本。
但是并不是所有的软体机器人和驱动器都追求一个更加精确的控制。例如，目前应用最为广泛的软体驱动器——气动抓手，由于抓取对象的形状和体积充满了不确定性，其只需要充气使气动手爪到达一定的弯曲程度，其控制就较为简略。为了提高气动抓手抓取的兼容性和稳定性，研究人员将一根软体手爪分为两段或者更多段，加入多个输入气源来控制每一段，模拟人手指的结构。但是，如果能通过一种特殊结构设计，通过一个气源就能实现人手指多关节的动作模拟，就能节约不小的成本。
因此，如何在控制精度要求不高的情况下，提出一种特殊的结构来简化软体驱动器驱动，提高驱动器应用效率和降低生产成本，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种气动软体驱动器，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气动软体驱动器，包括软体驱动器本体；所述软体驱动器本体的一端具有进气口，另一端或其侧壁具有至少一个出气口；所述进气口与所述出气口的截面积比值大于50；所述进气口和所述出气口之间通过孔径逐渐减小的变径孔道连通。
通过上述技术方案，本发明提供的软体驱动器本体的变径孔道整体的截面积从大到小不断减小，因此气体通过变径孔道时，气体的流速因为不断减小的孔道而衰减，通过相同体积的气体时，所需时间与未变径结构相比大幅增加；相应的，当气体从小面积的出气口流出时，其气体流速会被大为减小，即气体通过变径孔道后，释放气体降压时，变径孔道的较小截面积的出气口，使得气腔内气压下降至标准大气压状态的时间延长，因此会产生一定的形状锁定效果。
优选的，在上述一种气动软体驱动器中，所述进气口和所述出气口为圆形、或多边形、或不规则形状；所述变径孔道的内表面为曲面、或平面、或阶梯面、或数学函数形成面、或不规则面；所述变径孔道的形状为直通型、或S型、或折线型。不同的形状设计能够适应不同的使用需求和特定的使用条件。
本发明还提供了一种具有气动软体驱动器的组合结构，多个所述软体驱动器本体同方向顺次布置，且每两个相邻的所述软体驱动器本体之间通过软体空腔结构将所述出气口和所述进气口连通。
通过上述技术方案，本发明通过多个软体驱动器本体顺次布置，可以实现对多个软体空腔结构的顺序控制：气体按顺序从软体驱动器本体流入软体空腔结构，然后再流入软体驱动器本体，气体按照气路不断往后流入后面的软体空腔结构和软体驱动器本体，各个软体空腔结构因变径结构的效果使气腔按通气顺序产生依次膨胀的效果；有效减少了部分低精度控制应用场景下控制繁琐的问题，使用软材料制成的变径孔道，减少了气管和气源数量，提高了软体驱动器的一体性，简化控制的难度，节约了成本。
本发明还提供了一种具有气动软体驱动器的软体机器人，包括：固定盘、正六边形外框、软体气动机构、正六边形内框、导流框架、转换腔体、软体驱动器本体和连通软管；
所述固定盘为正六边形盘体；
所述正六边形外框同心固定在所述固定盘的表面，且各边同转向向外部延伸并形成直角折板后与所述固定盘的边沿折点相交，形成六个安装槽；
所述软体气动机构位于所述安装槽内，且一端固定在所述直角折板上，所述软体气动机构通过充气能够向所述固定盘外部弯曲变形；
所述正六边形内框同心固定在所述固定盘的表面，且位于所述正六边形外框内部；
所述导流框架为中空的正六边形框架，且固定在所述正六边形内框外侧；
所述转换腔体的数量为6个，且分别固定在所述导流框架的折点处内部；其中一个所述转换腔体的顶面具有总进气孔；
所述软体驱动器本体的数量为5个，以具有所述总进气孔的所述转换腔体为起点，沿所述导流框架的各边在其内部同方向依次连通所述转换腔体；
所述连通软管分别连通所述转换腔体和与其靠近的所述软体气动机构。
通过上述结构，本发明利用气动软体驱动器组合结构的工作原理，将其应用在软体机器人上，通过转换腔体、软体驱动器本体和软体气动机构的结合形成一个正六边形环绕的软体机器人，在充气时，软体气动机构产生了顺序膨胀，这种顺序膨胀使软体机器人的重心不断在左上移和回复之间发生变化，最终使其产生连续的翻滚运动，结构简单有效，有效减少了部分低精度控制应用场景下控制繁琐的问题，提高了软体机器人的一体性，简化控制的难度，节约了成本。
优选的，在上述一种具有气动软体驱动器的软体机器人中，所述软体气动机构为规则的齿状长条空腔结构，且一端具有导气孔；所述软体气动机构的齿状结构朝向所述安装槽的内侧。通过齿状结构，在对其充气膨胀时，能够产生弯曲运动。
优选的，在上述一种具有气动软体驱动器的软体机器人中，所述导流框架为两块环形的正六边形硅胶板与所述固定盘和所述正六边形内框围成的空腔结构。结构简单易搭建，且节约成本，控制重量。
优选的，在上述一种具有气动软体驱动器的软体机器人中，所述正六边形外框和所述直角折板上开设有用于所述连接软管穿过的软管通道。有利于软管通道的布置。
优选的，在上述一种具有气动软体驱动器的软体机器人中，所述总进气孔连接有总进气管。用于连接外部气源。
优选的，在上述一种具有气动软体驱动器的软体机器人中，所述转换腔体为矩形体结构。转换腔体可以为任意形状的结构，以能够满足转换充气的需求。
本发明在具有气动软体驱动器的软体机器人的基础上，还提供了相应的控制方法：对总进气孔充气，使气体通过转换腔体和软体驱动器本体依次充满软体气动机构，当最末端的软体气动机构即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，能够实现软体机器人进行一个周期性的翻滚运动。
通过上述技术方案，本发明在充气时，六个软体气动机构顺次膨胀，当最末端的软体气动机构即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，软体气动机构依次恢复，在此控制下，软体机器人实现了一个周期性的翻滚运动，控制简单有效，方便快捷。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种气动软体驱动器及其组合结构和具有其的软体机器人，具有以下有益效果：
1、本发明提供的软体驱动器本体的变径孔道整体的截面积从大到小不断减小，因此气体通过变径孔道时，气体的流速因为不断减小的孔道而衰减，通过相同体积的气体时，所需时间与未变径结构相比大幅增加；相应的，当气体从小面积的出气口流出时，其气体流速会被大为减小，即气体通过变径孔道后，释放气体降压时，变径孔道的较小截面积的出气口，使得气腔内气压下降至标准大气压状态的时间延长，因此会产生一定的形状锁定效果。
2、本发明通过多个软体驱动器本体顺次布置，可以实现对多个软体空腔结构的顺序控制：气体按顺序从软体驱动器本体流入软体空腔结构，然后再流入软体驱动器本体，气体按照气路不断往后流入后面的软体空腔结构和软体驱动器本体，各个软体空腔结构因变径结构的效果使气腔按通气顺序产生依次膨胀的效果；有效减少了部分低精度控制应用场景下控制繁琐的问题，使用软材料制成的变径孔道，减少了气管和气源数量，提高了软体驱动器的一体性，简化控制的难度，节约了成本。
3、本发明利用气动软体驱动器组合结构的工作原理，将其应用在软体机器人上，通过转换腔体、软体驱动器本体和软体气动机构的结合形成一个正六边形环绕的软体机器人，在充气时，软体气动机构产生了顺序膨胀，这种顺序膨胀使软体机器人的重心不断在左上移和回复之间发生变化，最终使其产生连续的翻滚运动，结构简单有效，有效减少了部分低精度控制应用场景下控制繁琐的问题，提高了软体机器人的一体性，简化控制的难度，节约了成本。
4、本发明在具有气动软体驱动器的软体机器人的基础上，还提供了相应的控制方法，在充气时，六个软体气动机构顺次膨胀，当最末端的软体气动机构即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，软体气动机构依次恢复，在此控制下，软体机器人实现了一个周期性的翻滚运动，控制简单有效，方便快捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的具有一个进气口和一个出气口的气动软体驱动器的结构示意图；
图2附图为本发明提供的具有一个进气口和三个出气口的气动软体驱动器的结构示意图；
图3附图为本发明提供的三种不同形状的进气口和出气口的结构示意图；
图4附图为本发明提供的三种不同形状的变径孔道内壁的结构示意图；
图5附图为本发明提供的三种不同形状的变径孔道的结构示意图；
图6附图为本发明提供的气动软体驱动器的组合结构的结构示意图；
图7附图为本发明提供的具有气动软体驱动器的软体机器人的结构示意图；
图8附图为本发明提供的固定盘、正六边形外框和正六边形内框组合的结构示意图；
图9附图为本发明提供的导流框架及其内部的转换腔体和软体驱动器本体连接的结构示意图；
图10附图为本发明提供的软体气动机构的结构示意图；
图11附图为本发明提供的软体气动机构的剖视图；
图12附图为本发明提供的控制软体机器人进行翻滚动作的结构示意图。
其中：
1-软体驱动器本体；
11-进气口；
12-出气口；
13-变径通道；
2-软体空腔结构；
3-固定盘；
4-正六边形外框；
41-直角折板；
42-安装槽；
43-软管通道；
5-软体气动机构；
51-导气孔；
6-正六边形内框；
7-导流框架；
8-转换腔体；
81-总进气孔；
82-总进气管；
9-连通软管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参见附图1，本发明实施例公开了一种气动软体驱动器，包括软体驱动器本体1；软体驱动器本体1的一端具有一个进气口11，另一端或其侧壁具有一个出气口12；进气口11与出气口12的截面积比值大于50；进气口11和出气口12之间通过孔径逐渐减小的变径孔道13连通。
参见附图3至附图5，进气口11和出气口12为圆形、或多边形、或不规则形状；变径孔道13的内表面为曲面、或平面、或阶梯面、或数学函数形成面、或不规则面；变径孔道13的形状为直通型、或S型、或折线型。
实施例2：
参见附图2，本发明实施例公开了一种气动软体驱动器，包括软体驱动器本体1；软体驱动器本体1的一端具有一个进气口11，另一端和其侧壁具有三个出气口12；进气口11与出气口12的截面积比值大于50；进气口11和出气口12之间通过孔径逐渐减小的变径孔道13连通。
参见附图3至附图5，进气口11和出气口12为圆形、或多边形、或不规则形状；变径孔道13的内表面为曲面、或平面、或阶梯面、或数学函数形成面、或不规则面；变径孔道13的形状为直通型、或S型、或折线型。
实施例3：
参见附图6，本发明实施例公开了一种具有气动软体驱动器的组合结构，多个软体驱动器本体1同方向顺次布置，且每两个相邻的软体驱动器本体1之间通过软体空腔结构2将出气口12和进气口11连通。能够实现对多个软体空腔结构2的顺序控制。
实施例4：
参见附图7至附图11，本发明实施例公开了一种具有气动软体驱动器的软体机器人，包括：固定盘3、正六边形外框4、软体气动机构5、正六边形内框6、导流框架7、转换腔体8、软体驱动器本体1和连通软管9；
固定盘3为正六边形盘体；
正六边形外框4同心固定在固定盘3的表面，且各边同转向向外部延伸并形成直角折板41后与固定盘3的边沿折点相交，形成六个安装槽42；
软体气动机构5位于安装槽42内，且一端固定在直角折板41上，软体气动机构5通过充气能够向固定盘3外部弯曲变形；
正六边形内框6同心固定在固定盘3的表面，且位于正六边形外框4内部；
导流框架7为中空的正六边形框架，且固定在正六边形内框6外侧；
转换腔体8的数量为6个，且分别固定在导流框架7的折点处内部；其中一个转换腔体8的顶面具有总进气孔81；
软体驱动器本体1的数量为5个，以具有总进气孔81的转换腔体8为起点，沿导流框架7的各边在其内部同方向依次连通转换腔体8；
连通软管9分别连通转换腔体8和与其靠近的软体气动机构5。
为了进一步优化上述技术方案，软体气动机构5为规则的齿状长条空腔结构，且一端具有导气孔51；软体气动机构5的齿状结构朝向安装槽42的内侧。
为了进一步优化上述技术方案，导流框架7为两块环形的正六边形硅胶板与固定盘3和正六边形内框6围成的空腔结构。
为了进一步优化上述技术方案，正六边形外框4和直角折板41上开设有用于连接软管9穿过的软管通道43。
为了进一步优化上述技术方案，总进气孔81连接有总进气管82。
为了进一步优化上述技术方案，转换腔体8为矩形体结构。
实施例5：
参见附图12，本发明实施例公开了一种具有气动软体驱动器的软体机器人的控制方法，对总进气孔81充气，使气体通过转换腔体8和软体驱动器本体1依次充满软体气动机构5，当最末端的软体气动机构5即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，能够实现软体机器人进行一个周期性的翻滚运动。
本实施例的具体控制原理为：
六个软体气动机构5分别固定在安装槽42的直角折板41上。软体气动机构5为由若干个气动网格构成的规则的齿状结构，气动网格间用内气道连接，气体经由连接软管9从导流框架7内的转换腔体8的总进气孔81流入，从导气孔51流入气动软体机构5。当气压达到一定程度，气动软体机构5向内侧弯曲。
软体机器人上的六个气动软体机构5通过导流框架7内的五个软体驱动器本体1的气体调整，实现对六个气动软体机构5的顺序控制。气体通入转换腔体8后，通过第一个转换腔体8，经连接软管9导入相应的气动软体机构5，其后气动软体机构5产生弯曲膨胀反应。在气压达到设定最大值时，气动软体机构5达到膨胀弯曲最大状态后，不再改变。软体驱动人的重心因为气动软体机构5的弯曲膨胀反应向左上偏移，因此软体驱动人发生了翻滚运动，软体机器人整体向左产生了位移。当完成翻滚动作后，软体机器人的重心将会往右下进行一定回复。
导流框架7上的软体驱动器本体1使得气体通入五个气动软体机构5的时间产生偏差，五个气动软体机构5产生了顺序膨胀。这种顺序膨胀使软体机器人的重心不断在左上移和回复之间发生变化，最终产生连续的翻滚运动。
在最后一个气动软体机构5即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，气动软体机构5迅速恢复原状，五个气动软体机构5依次恢复，因其软体驱动器本体1具有变径的特殊结构，气体释放同样需要按顺序实现，因此软体机器人实现了一个周期性的翻滚运动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种气动软体驱动器，其特征在于，包括软体驱动器本体(1)；所述软体驱动器本体(1)的一端具有进气口(11)，另一端或其侧壁具有至少一个出气口(12)；所述进气口(11)与所述出气口(12)的截面积比值大于50；所述进气口(11)和所述出气口(12)之间通过孔径逐渐减小的变径孔道(13)连通。
2.根据权利要求1所述的一种气动软体驱动器，其特征在于，所述进气口(11)和所述出气口(12)为圆形、或多边形、或不规则形状；所述变径孔道(13)的内表面为曲面、或平面、或阶梯面、或数学函数形成面、或不规则面；所述变径孔道(13)的形状为直通型、或S型、或折线型。
3.一种具有权利要求1或2任一项所述的气动软体驱动器的组合结构，其特征在于，多个所述软体驱动器本体(1)同方向顺次布置，且每两个相邻的所述软体驱动器本体(1)之间通过软体空腔结构(2)将所述出气口(12)和所述进气口(11)连通。
4.一种具有权利要求1或2任一项所述的气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，包括：固定盘(3)、正六边形外框(4)、软体气动机构(5)、正六边形内框(6)、导流框架(7)、转换腔体(8)、软体驱动器本体(1)和连通软管(9)；
所述固定盘(3)为正六边形盘体；
所述正六边形外框(4)同心固定在所述固定盘(3)的表面，且各边同转向向外部延伸并形成直角折板(41)后与所述固定盘(3)的边沿折点相交，形成六个安装槽(42)；
所述软体气动机构(5)位于所述安装槽(42)内，且一端固定在所述直角折板(41)上，所述软体气动机构(5)通过充气能够向所述固定盘(3)外部弯曲变形；
所述正六边形内框(6)同心固定在所述固定盘(3)的表面，且位于所述正六边形外框(4)内部；
所述导流框架(7)为中空的正六边形框架，且固定在所述正六边形内框(6)外侧；
所述转换腔体(8)的数量为6个，且分别固定在所述导流框架(7)的折点处内部；其中一个所述转换腔体(8)的顶面具有总进气孔(81)；
所述软体驱动器本体(1)的数量为5个，以具有所述总进气孔(81)的所述转换腔体(8)为起点，沿所述导流框架(7)的各边在其内部同方向依次连通所述转换腔体(8)；
所述连通软管(9)分别连通所述转换腔体(8)和与其靠近的所述软体气动机构(5)。
5.根据权利要求4所述的一种具有气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，所述软体气动机构(5)为规则的齿状长条空腔结构，且一端具有导气孔(51)；所述软体气动机构(5)的齿状结构朝向所述安装槽(42)的内侧。
6.根据权利要求4所述的一种具有气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，所述导流框架(7)为两块环形的正六边形硅胶板与所述固定盘(3)和所述正六边形内框(6)围成的空腔结构。
7.根据权利要求4所述的一种具有气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，所述正六边形外框(4)和所述直角折板(41)上开设有用于所述连接软管(9)穿过的软管通道(43)。
8.根据权利要求4所述的一种具有气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，所述总进气孔(81)连接有总进气管(82)。
9.根据权利要求4所述的一种具有气动软体驱动器的软体机器人，其特征在于，所述转换腔体(8)为矩形体结构。
10.一种权利要求4-9任一项所述的具有气动软体驱动器的软体机器人的控制方法，其特征在于：对总进气孔(81)充气，使气体通过转换腔体(8)和软体驱动器本体(1)依次充满软体气动机构(5)，当最末端的软体气动机构(5)即将达到最大设定气压值和最大膨胀变形时，释放气体降低气压，能够实现软体机器人进行一个周期性的翻滚运动。
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