CN111618839A - 一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于软体机器人技术领域，提供了一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器。通过外部气路连接装置向并列排布的长圆柱驱动器充气，串联的驱动单元在压强的作用下会产生膨胀收缩，与此同时，限制层将驱动单元的膨胀和收缩传递给了平面驱动器外平面，从而带动平面驱动器的收缩。本发明的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器具有安全舒适、变形大、改造性好等功能特点；采用扁平式软体结构，实现一定范围内平面直线收缩；采用长扁平结构，可折卷成一定空间构型，实现三维空间的伸缩、扭转功能；采用若干气动单元串联连接和并联排布，实现驱动器的灵活设计组合；可应用于仿生运动、医疗保健等领域。

Description

一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，涉及一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器。
背景技术
具有类似生物骨骼肌运动特性的软体驱动器越来越得到研究者的关注。相比电机、液压缸等传统刚性驱动器，软体驱动器具有顺应性好、安全性高等优点，可以实现收缩、弯曲、扭转等动作。软体机器人与自然界生物的弹性模量比较接近、结构柔软度高、环境适应性好、安全性高、功能多样，在机器人驱动、医疗康复、柔性抓取等诸多领域有着广阔的应用前景。
气动软体驱动器具有质量轻、变形大、反应速度快等特点，相较于形状记忆合金等智能材料驱动，其技术发展相对成熟且应用潜力大。彭光正等在专利 CN101306535A公开了一种气动人工肌肉，主要由外层编织网、内层膨胀管、密封组件和带通气孔密封组件组成，充气后气动人工肌肉沿径向膨胀，沿轴向收缩，并输出一定的拉力。姚建涛等在专利CN106426146B中公开了一种一种双作用气动人工肌肉，该气动人工肌肉由多个气囊组成，分别对推程气囊、拉程气囊充气可实现双作用气动人工肌肉的推拉功能。杨卫民等在专利CN103753524A中公开了一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，主要包括触手、气管、电气比例阀、应变片和电磁阀，触手内部均匀分布有成组的椭球形调压型腔，通过对球形调压型腔通入气压产生形状变化，从而控制触手弯曲，实现对物体缠绕。现有伸缩型气动软体驱动器多为圆柱型/矩形结构、采用缠绕纤维线的方式实现变形约束，空间弯折能力较差。目前，对于平面收缩结构的气动驱动器研究较少。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服上述装置的不足，提出一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器。该驱动器采用扁平式软体结构，实现一定范围内平面直线收缩；可折卷成一定空间构型，实现三维收缩；采用若干气动单元串联连接和并联排布，实现驱动器的灵活设计组合；采用PU规格气管作为外部气路连接装置，实现与外部气路便捷快速连接。
本发明的技术方案：
一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，包括驱动模块1、外平面模块2和外气路连接模块3；
所述的驱动模块1由若干长圆柱驱动器101并联排列；所述的长圆柱驱动器101由若干驱动单元102串联组成，驱动单元102按照预设方向连接；所述的驱动单元102包括限制层103、气路通道104和驱动空腔105；所述的限制层 103在驱动单元102最外层由圆周排列的长条组成，连接驱动单元102和外平面模块2，不仅限制长圆柱驱动器101径向膨胀，还连接长圆柱驱动器101和外平面模块2；驱动空腔105为圆柱型空腔，充入气体后径向膨胀轴向收缩；不同驱动单元102之间通过气路通道104连接传递气体；所述的驱动单元102外轮廓两侧为圆台结构，在相邻驱动单元102轴向相接后向内凹陷产生更大轴向收缩；所述驱动模块1由硅橡胶制成；
所述的外平面模块2包括上下面201、侧面202和前后面203；所述的上下面201为主要面，通过限制层103与驱动单元102连接，限制驱动空腔105的径向膨胀；所述的侧面202与驱动单元102通过限制层103连接；前后面203 两端与长圆柱驱动器101的两端相接，主要起密封包覆作用；所述的外平面模块2由硅橡胶制成；
所述的外气路连接模块3为PU管，通过快速气动接头与外部气源相接；所述的外气路连接模块3由PU材质制成；
通过外气路连接模块3对长圆柱驱动器101进行充气，充气驱动单元102 在压强的作用下会产生膨胀收缩，驱动单元之间通过气路通道104传递高压气体，并且限制层103和外平面模块2限制了径向膨胀，与此同时，限制层103 将驱动单元102的径向膨胀和收缩传递给了平面软体气动驱动器外平面，从而带动平面软体气动驱动器的收缩。
所述的长圆柱驱动器101之间并联排列，充气后同步收缩；长圆柱驱动器 101的方向、数量可按照需求灵活变化。
所述的驱动单元102的数量、大小按照需求阵列。
所述的平面软体气动驱动器的外轮廓为平面结构，收缩时整体平面收缩，将平面软体气动驱动器折卷成一定空间构型实现三维伸缩驱动功能。
本发明的有益效果：本发明采用软体材质，具有与人接触安全舒适、柔顺性好等功能特点；采用扁平平面结构，可以实现驱动器直线平面收缩；采用长条状同材质作为限制层，实现一体化制造；采用气动单元串联连接和并联排布结构，驱动单元数量、尺寸、方向可灵活设计组合，实现多场合应用；采用长扁平结构，可折卷成一定空间构型，实现三维空间的伸缩、扭转功能。
附图说明
图1为本发明所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器结构示意图。
图2为本发明所述的驱动模块结构示意图。
图3为本发明所述的驱动单元结构示意图。
图4为本发明所述的长圆柱驱动器内部示意图。
图5为本发明所述的外平面模块结构示意图。
图6为本发明所述的径向收缩驱动器结构示意图。
图中：1驱动模块；2外平面模块；3外气路连接模块；4径向收缩驱动器； 101长圆柱驱动器；102驱动单元；103限制层；104气路通道；105驱动空腔；201上下面；202侧面；203前后面；401内表面；402外表面。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不限于此。
一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其按功能结构划分为以下三部分：驱动模块1、外平面模块2、外气路连接模块3，三部分通过胶合固定，如图1所示。其中，所述的驱动模块1包括若干并联排列的长圆柱驱动器101，如图2所示；外平面模块2包括上下面201、侧面202、前后面203，如图5所示；外气路连接模块3位于长圆柱驱动器101一端。所述的长圆柱驱动器101 由若干驱动单元102串联组成，驱动单元102包括限制层103、气路通道104、驱动空腔105。本发明各部分尺寸可根据需求修改，长圆柱驱动器101的数量和方向可根据需求设计。下面以三根并列排布的长圆柱驱动器101为例，进行设计说明。阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器整体的长为101mm，宽为 34mm，高为9.8mm。
如图2所示，所述的驱动模块1由三根长圆柱驱动器101并联排列。所述的长圆柱驱动器101由若干驱动单元102串联组成，驱动单元102可按照预设方向连接。所述的驱动单元102包括限制层103、气路通道104、驱动空腔105，如图3、图4所示。驱动单元102的长为10mm，外径为7.6mm，内部驱动空腔 105直径为6mm；气路通道104的气道直径为2mm，长1mm；限制层103长为 10mm，宽为0.8mm，高为0.8mm。7个驱动单元102串联相接组成长圆柱驱动器101，三根长圆柱驱动器101并列排布组成阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器。其中，两个长圆柱驱动器101之间的中心间距为12mm。所述限制层 103在驱动单元102最外层由圆周排列的长条组成，连接驱动单元102和外平面模块2，不仅限制驱动器径向膨胀，还连接长圆柱驱动器101和外平面模块2。驱动空腔105为圆柱型空腔，充入气体后径向膨胀轴向收缩。不同气动单元102 之间通过气路通道104连接传递气体。所述的驱动单元102外轮廓两侧为圆台结构，在相邻驱动单元101轴向相接后向内凹陷产生更大轴向收缩。所述驱动模块1由硅橡胶制成。
如图5所示，所述的外平面模块2包括上下面201、侧面202、前后面203。其中，上下面201、侧面202、前后面203的厚度均为0.8mm，环绕包围三根长圆柱驱动器101构成平面结构。所述的前后面201为主要面，通过限制层103 与驱动单元102连接，限制驱动空腔105的径向膨胀。所述的侧面202与驱动单元102通过限制层103连接。前后面203两端与长圆柱驱动器101的两端相接，主要起密封包覆作用。所述的外平面模块2由硅橡胶制成。
如图1所示，外气路连接模块3为PU管，为渐变尺寸PU管。与长圆柱驱动器101相接端外径为7.6mm，内径为6mm，远端外径为8mm，内径为5mm。可通过快速气动接头与外部气源相接。所述外气路连接模块3由PU材质制成。
以下对上述实施例的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器的收缩驱动进行具体描述：当通过外气路连接模块3向长圆柱驱动器101进行充气时，驱动单元102的驱动空腔105在压强的作用下会进行膨胀，通过气路通道104将压强传到每一个驱动单元102，并且限制层103和外平面模块2一定程度上限制了驱动单元102的径向膨胀。每个驱动单元102的收缩形成了长圆柱驱动器101 的收缩，多根长圆柱驱动器101的收缩带动了气动平面软体驱动器1的整体收缩。通过增加驱动单元102数量可增加阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器的收缩率。该驱动器在ABAQUS中的仿真变形收缩，采用一种软体硅胶作为仿真材料，该驱动器有较大收缩率。
如图6所示，阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器还可通过预先的串并联设计和制造后空间折卷缠绕，形成具有特殊功能的空间径向收缩驱动器。径向收缩驱动器4由制造后的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器空间缠绕而成，其中内表面401较薄、外表面402较厚，通气后，径向收缩驱动器4 的内表面401径向膨胀大而外表面402的径向膨胀小，可对径向产生挤压收缩效果，可用作径向挤压收缩驱动器。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，该阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器包括驱动模块(1)、外平面模块(2)和外气路连接模块(3)；
所述的驱动模块(1)由若干长圆柱驱动器(101)并联排列；所述的长圆柱驱动器(101)由若干驱动单元(102)串联组成，驱动单元(102)按照预设方向连接；所述的驱动单元(102)包括限制层(103)、气路通道(104)和驱动空腔(105)；所述的限制层(103)在驱动单元(102)最外层由圆周排列的长条组成，连接驱动单元(102)和外平面模块(2)，不仅限制长圆柱驱动器(101)径向膨胀，还连接长圆柱驱动器(101)和外平面模块(2)；驱动空腔(105)为圆柱型空腔，充入气体后径向膨胀轴向收缩；不同驱动单元(102)之间通过气路通道(104)连接传递气体；所述的驱动单元(102)外轮廓两侧为圆台结构，在相邻驱动单元(102)轴向相接后向内凹陷产生更大轴向收缩；
所述的外平面模块(2)包括上下面(201)、侧面(202)和前后面(203)；所述的上下面(201)为主要面，通过限制层(103)与驱动单元(102)连接，限制驱动空腔(105)的径向膨胀；所述的侧面(202)与驱动单元(102)通过限制层(103)连接；前后面(203)两端与长圆柱驱动器(101)的两端相接，主要起密封包覆作用；
所述的外气路连接模块(3)为PU管，通过快速气动接头与外部气源相接；
通过外气路连接模块(3)对长圆柱驱动器(101)进行充气，充气驱动单元(102)在压强的作用下会产生膨胀收缩，驱动单元之间通过气路通道(104)传递高压气体，并且限制层(103)和外平面模块(2)限制了径向膨胀，与此同时，限制层(103)将驱动单元(102)的径向膨胀和收缩传递给了平面软体气动驱动器外平面，从而带动平面软体气动驱动器的收缩。
2.根据权利要求1所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的驱动模块(1)和外平面模块(2)由硅橡胶制成；所述的外气路连接模块(3)由PU材质制成。
3.根据权利要求1或2所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的长圆柱驱动器(101)之间并联排列，充气后同步收缩；长圆柱驱动器(101)的方向、数量可按照需求灵活变化。
4.根据权利要求1或2所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的驱动单元(102)的数量、大小按照需求阵列。
5.根据权利要求3所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的驱动单元(102)的数量、大小按照需求阵列。
6.根据权利要求1、2或5所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的平面软体气动驱动器的外轮廓为平面结构，收缩时整体平面收缩，将平面软体气动驱动器折卷成一定空间构型实现三维伸缩驱动功能。
7.根据权利要求3所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的平面软体气动驱动器的外轮廓为平面结构，收缩时整体平面收缩，将平面软体气动驱动器折卷成一定空间构型实现三维伸缩驱动功能。
8.根据权利要求4所述的阵列式串并联结构的平面软体气动驱动器，其特征在于，所述的平面软体气动驱动器的外轮廓为平面结构，收缩时整体平面收缩，将平面软体气动驱动器折卷成一定空间构型实现三维伸缩驱动功能。
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