CN111306324B - 一种快速切换流体通路的软体阀 - Google Patents

一种快速切换流体通路的软体阀 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速切换流体通路的软体阀，包括阀体、顶部通道、上隔板、平衡腔、隔膜、控制腔、下隔板和底部通道。顶部通道与平衡腔通过上隔板分开，平衡腔与控制腔通过隔膜分开，底部通道与控制腔通过下隔板分开；隔膜为双稳态柔性膜，具有两个稳定位置，常态时隔膜保持下凹状态，通过挤压下隔板上的凸台使其产生弹性变形进而使底部通道常闭，顶部通道常开；隔膜受外力激发时，迅速向上弹起并保持上凸状态，通过挤压上隔板上的凸台使其产生弹性变形封闭顶部通道，此时底部通道实现导通。本发明提出的软体阀可实现不同流体通道中流体的快速切换导通与截止控制，软体阀由柔性材料制成，具有柔顺性好、灵敏度高等优点。

Description

一种快速切换流体通路的软体阀
技术领域
本发明涉及智能仿生器械与软体机器人领域，具体涉及一种快速切换流体通路的软体阀。
背景技术
传统刚性机器人在工业、农业、医疗、建筑、教育等各领域已得到广泛应用，且已部分取代了人类工作，大大提高了操作精准性和工作效率。然而，刚性机器人在与自然环境交互时，由于刚性元件只能平移或旋转运动，存在马达驱动惯性大、体型笨重、人机交互危险等问题，因此刚性机器人对环境的适应能力非常有限，难以满足复杂环境所需的柔顺性操作需求，很大程度上限制了刚性机器人的应用范围。
随着机器人应用需求和领域的不断扩大，康复医疗、复杂地形救援与勘探、智能制造等新兴领域对机器人的柔性提出了更高的要求。得益于智能材料与仿生技术的飞速发展，一些学者采用柔性材料（如形状记忆合金、聚合物等），通过模仿生物结构和运动行为开发了一系列软体机器人，代表性的成果有蠕虫、毛毛虫、蝠鲼等仿生机器。与传统刚性机器人不同，软体机器人理论上具有无限多个自由度，可以实现任意角度的连续弯曲、扭转、伸缩等动作，成为近年来新兴的一个热门研究方向。由于软体机器人材质柔软、动作柔顺、人机交互安全性高，克服了传统刚性机器人在柔顺性方面的本质缺陷，因此在很多新兴领域具有巨大的研究价值与广泛的应用前景。
气压驱动是软体机器人最常用的一种驱动方式。为实现软体机器人运动，一些学者采用刚性阀对软体机器人进行控制，如利用工业上广泛使用的各类方向控制阀，通过气压或电信号启动刚性阀，并调节气压回路实现软体机器人运动控制。然而，即使刚性阀可以与软体机器人进行集成，其刚性本质也会使软体机器人的柔顺性大大降低。因此，从保障软体机器人的柔顺性角度而言，刚性阀并不是一个好的选择。为解决上述问题，有些学者基于微流控技术研制了一些软体阀、软体逻辑回路与软体信号处理器等。代表性的研究有哈佛大学的Whitesides课题组研制了一种微流控振荡器芯片，通过将该芯片集成至一个软体仿生章鱼体内，并利用化学物在芯片内反应产生大量压力气体驱动章鱼，成为世界上第一个无需外界能源控制即可自行运动的软体机器人。虽然微流控技术在软体机器人应用方面具有显而易见的集成度高、体积小等优势，然而微流控芯片复杂的制造工艺使得微流控软体驱动器的性能稳定性大大降低，不利于软体机器人的长时间连续使用。鉴于上述原因，有必要开发一种可实现软体机器人流体回路精确操控的软体驱动器，且易与软体机器人实现可靠集成应用。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种快速切换流体通路的软体阀。该阀由软体材料制成，体积小巧、灵敏度高，可以满足软体机器人及智能仿生器械的一体化集成应用需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种快速切换流体通路的软体阀，由软体材料组成，包括阀体、顶部通道、上隔板、平衡腔、隔膜、控制腔、下隔板和底部通道；
所述顶部通道设有流体入口一、流体出口一和扩展流道一，所述底部通道设有流体入口二、流体出口二和扩展流道二；所述平衡腔设有气孔，控制腔设有控制口；所述上隔板的中间设有向下的凸台一，所述下隔板的中间设有向上的凸台二；
所述顶部通道与平衡腔通过上隔板分开，平衡腔与控制腔通过隔膜分开，底部通道与控制腔通过下隔板分开；
所述隔膜为双稳态柔性膜，具有两个稳定位置，常态时保持下凹状态，受力激发时迅速向上弹起，并保持上凸状态。
优选的，所述上隔板和下隔板均具有良好的弹性，可在外力作用下产生弹性变形。
优选的，所述平衡腔通过气孔连通至大气环境，所述控制腔通过控制口连接至外部控制设备。
优选的，所述隔膜的截面为弧面或半球面。
优选的，所述隔膜常态时挤压凸台二使下隔板朝下变形并堵住扩展流道二，使底部通道常闭，顶部通道常开；隔膜激发时挤压凸台一使上隔板朝上变形并堵住扩展流道一，使顶部通道封闭，下隔板则回弹至平整状态，使底部通道导通。
优选的，所述扩展流道一比顶部通道的宽度大，所述扩展流道二比底部通道的宽度大。
优选的，所述隔膜的激发源为压缩气体、电场、磁场、热量外部物理场的一种，所述软体材料为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种。
优选的，所述隔膜为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、形状记忆材料的一种。
本发明提供的快速切换流体通路的软体阀，相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提出的快速切换流体通路的软体阀内设有一个双稳态柔性隔膜，该隔膜由于其自身特殊的力学结构具有两个稳定位置。常态时隔膜仅受到下隔板对其施加的向上的反作用力，该反作用力较小，此时隔膜保持下凹状态。当隔膜下表面受到超过一定阈值的外力激发时，隔膜会瞬间向上弹起，并保持上凸状态。基于该双稳态柔性隔膜的力学特性，隔膜的动作特征可以视为一个信号激励响应开关。通过将隔膜设置在软体阀内，利用隔膜受外界激发时的响应动作来挤压软体阀中的流体通道，可实现流体通道中流体的快速切换导通与截止控制。相比目前工业上使用的刚性阀而言，本发明提出的软体阀由柔性材料制作，可以与软体机器人实现柔性化集成应用，解决刚性阀的柔顺性缺陷。此外，本发明中的软体阀相比微流控阀在制作工艺上更为简单，可采用软材料倒模或3D打印进行快速制作，且制成的软体阀可靠性更好。
附图说明
图1是软体阀在常态时的剖面结构示意图；
图2是软体阀受外部信号激发时的剖面结构示意图；
图3是顶部通道被隔膜挤压封闭时的流道结构示意图；
图4是软体阀与软体机械手集成应用的结构示意图；
图5是软体阀驱动软体机械手弯曲的结构示意图。
其中，1为阀体，2为顶部通道，21为流体入口一，22为流体出口一，23为扩展流道一，3为上隔板，31为凸台一，4为平衡腔，41为气孔，5为隔膜，6为控制腔，61为控制口，7为下隔板，71为凸台二，8为底部通道，81为流体入口二，82为流体出口二，83为扩展流道二，9为软体机械手，91为气道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-图3所示，一种快速切换流体通路的软体阀，包括阀体1、顶部通道2、上隔板3、平衡腔4、隔膜5、控制腔6、下隔板7和底部通道8。软体阀除隔膜5的材料为硅胶外，其余元件均由聚二甲基硅氧烷制作而成。
顶部通道2设有流体入口一21、流体出口一22和扩展流道一23，底部通道8设有流体入口二81、流体出口二82和扩展流道二83；平衡腔4设有气孔41，控制腔6设有控制口61；上隔板3的中间设有向下的凸台一31，下隔板7的中间设有向上的凸台二71；扩展流道一23的宽度为顶部通道2的1.5倍，扩展流道二83的宽度为底部通道8的1.5倍。
顶部通道2与平衡腔4通过上隔板3分开，平衡腔4与控制腔6通过隔膜5分开，底部通道8与控制腔6通过下隔板7分开；平衡腔4通过气孔41连通至大气环境，控制腔6通过控制口61连接至外部控制气源（50kPa）,流体入口一21、流体入口二81均连接外部工作气源（70kPa）。
隔膜5为双稳态柔性膜，截面为半球面，具有两个平衡位置，常态时保持下凹状态，受外力激发时保持上凸状态，激发压力为30kPa。隔膜5常态时向下弯曲，挤压凸台二71使下隔板7朝下变形并堵住扩展流道二83，使底部通道8常闭，顶部通道2在常态下为常开。此时，工作气源由流体入口一21进入阀体1，并由流体出口一22流出阀外，用于软体机器人某一通路的控制需求。将控制口61的控制气源打开，压缩空气充入控制腔6中，并作用于隔膜5的下表面上。当控制腔6中的气压达到30kPa时，隔膜5受力激发瞬间向上弹起弯曲，挤压凸台一31使上隔板3朝上变形并堵住扩展流道一23，使顶部通道2封闭，下隔板7则回弹至平整状态。此时，底部通道8导通，工作气源由流体入口二81进入阀体1，并由流体出口二82流出阀外，用于软体机器人另一通路的控制需求。对控制腔6中的气压实施通断控制，即可使隔膜5具有下弯或上弯两个稳态位置。隔膜5的这种双稳态工作机制可将其视为对控制气压的一种激励响应，通过调节控制气压，即可快速切换顶部通道和底部通道中气体的导通与截止控制。
实施例2
如图4和图5所示，将软体阀与软体机械手9集成组装在一起，软体阀中的顶部通道2及底部通道8与软体机械手中的气道91连通。流体入口一21和气孔41均连通大气环境，流体入口二81与外部工作气源Ps连接，工作气源的压力为70kPa。控制口61连接至外部控制气源Pc，控制气源的压力为50kPa。软体阀不工作时（常态），隔膜5挤压下隔板7使底部通道8常闭，顶部通道2常开。由于无压缩气体进入软体机械手气道9中，因此软体机械手9保持伸展状态。开启控制气源，将压缩空气充入软体阀的控制腔6中，当控制腔6中的气压达到30kPa时，软体阀开始工作，隔膜5受气压作用瞬间弹起上弯挤压上隔板3使顶部通道2封闭，底部通道8导通工作气源。此时，压缩空气进入软体机械手的气道91中，驱动软体机械手9弯曲并抓持工件。由于软体机械手9具有良好的柔顺性，因此可以抓取一些形状复杂或易碎、易脆的工件，如各类水果、玻璃杯等。软体机械手9完成各类工件的抓取、移动后，可以切断控制气源，使软体阀的顶部通道2导通，底部通道8封闭。此时，工作气体无法进入软体机械手9中，同时软体机械手气道91中储存的气体通过软体阀的顶部通道2进行快速释放，使软体机械手9再次恢复到原始状态。按上述流程调节外部控制气源，即可实现软体阀与软体机械手9的协同工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：由软体材料组成，包括阀体（1）、顶部通道（2）、上隔板（3）、平衡腔（4）、隔膜（5）、控制腔（6）、下隔板（7）和底部通道（8）；
所述顶部通道（2）设有流体入口一（21）、流体出口一（22）和扩展流道一（23），所述底部通道（8）设有流体入口二（81）、流体出口二（82）和扩展流道二（83）；所述平衡腔（4）设有气孔（41），控制腔（6）设有控制口（61）；所述上隔板（3）的中间设有向下的凸台一（31），所述下隔板（7）的中间设有向上的凸台二（71）；
所述顶部通道（2）与平衡腔（4）通过上隔板（3）分开，平衡腔（4）与控制腔（6）通过隔膜（5）分开，底部通道（8）与控制腔（6）通过下隔板（7）分开；
所述隔膜（5）为双稳态柔性膜，具有两个稳定位置，常态时保持下凹状态，受力激发时迅速向上弹起，并保持上凸状态。
2.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述上隔板（3）和下隔板（7）均具有弹性，能在外力作用下产生弹性变形。
3.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述平衡腔（4）通过气孔（41）连通至大气环境，所述控制腔（6）通过控制口（61）连接至外部控制设备。
4.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述隔膜（5）的截面为弧面。
5.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述隔膜（5）常态时挤压凸台二（71）使下隔板（7）朝下变形并堵住扩展流道二（83），使底部通道（8）常闭，顶部通道（2）常开；隔膜（5）激发时挤压凸台一（31）使上隔板（3）朝上变形并堵住扩展流道一（23），使顶部通道（2）封闭，下隔板（7）则回弹至平整状态，使底部通道（8）导通。
6.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述扩展流道一（23）比顶部通道（2）的宽度大，所述扩展流道二（83）比底部通道（8）的宽度大。
7.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述隔膜（5）的激发源为压缩气体、电场、磁场、热量外部物理场的一种。
8.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述软体材料为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种。
9.根据权利要求1所述的快速切换流体通路的软体阀，其特征在于：所述隔膜（5）为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、形状记忆材料的一种。
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