CN111906811A - 一种全柔性气动式执行器 - Google Patents

Abstract

一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳和多根平行布置于柔性圆柱状外壳内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳的封闭端内壁固定连接；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳的开口端与充气装置密封连接；柔性圆柱状外壳具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔，螺旋形柔性气腔的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔的气压单独控制。本发明具有较强的形变能力，较好的使用灵活性，兼具结构简单和易于操作的优点。

Description

一种全柔性气动式执行器

技术领域

本发明涉及一种气动式执行器，尤其是一种全柔性气动式执行器，属于 柔性执行器设计领域。

背景技术

传统机器人虽已广泛应用于工业、医学、建筑业等领域，但仍存在电机 驱动惯性大、运动笨重以及刚体与全柔性互动很难控制等一些无法克服的技 术难题。这些缺点限制了传统机器人应用范围，如易碎物品的抓取、水下作 业、狭窄空间等等。

随着计算机技术、控制技术、人工智能技术的不断发展，机器人在智能 制造、医疗技术、航空航天等领域扮演者越来越重要的角色，智能机器人正 朝着自然交互、仿生技术、人机协同的方向飞速发展。

近年来，随着仿生技术与智能材料的兴起，科学家们使用柔性智能材料， 模仿生物结构和基于生物运动原理研发出全柔性机器人。通过改变原有的形 状和尺寸实现爬行、扭转，在非结构化环境下具有广泛的应用前景，弥补了 传统机器人在狭窄空间运动受限等方面的不足。

抓取操作是机器人执行各种复杂任务所必须具备的重要能力。柔性执行 器驱动方式主要分为两种：智能材料驱动和气动驱动。其中，气动驱动的柔 性执行器主要结合3D打印技术打印驱动器模具，注入超弹性硅胶材料制成 全柔性执行器，通过施加气压使驱动器变形。相比于智能材料驱动的柔性执 行器，气动驱动的柔性执行器变形更大、相应更快、运动更加灵活，适用于 更广泛的场景。

已知的一种多自由度气动柔性机械手。包括多自由度柔性执行器、圆形 底座和密封底座，圆形底座沿周向等间隔设有三个固定端，每个固定端开有 三个气管通孔和一个导线放置孔，每个固定端端口向外延伸形成凸缘，密封 底座嵌装于凸缘内，每个固定端通过密封底座安装有多自由度柔性执行器， 多自由度柔性执行器内部设有三个气道，三个气道中间设有柱形空腔；密封 底座的三个进气道分别插入三个气道，密封底座的柱形座插入柱形空腔；多 自由度柔性执行器内部安装有两个通过弯曲导线相连的惯性传感器。该多自由度气动柔性机械手，结构紧凑，多充气组件充气时可进行多个自由度的指 定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法进行多自由度操作与角度反馈 的问题。此一种多自由度气动柔性机械手存在以下不足：

1、结构较复杂，涉及多个刚性连接部件，不易操作。

2、气道仅在靠近外表面的一侧设置了增大拉伸面积的梯形弯曲结构， 导致对于每个气道，充气只能提供一个方向的力，从而大大限制了执行器的 的自由度。

还已知一种多功能柔性机械手，包括至少一组的三腔连体柔性臂，所述 三腔连体柔性臂由三根软管和三只独立的柔性抓手组成，各所述柔性抓手的 内腔均呈空心结构，各所述软管的一端与相对应的所述柔性抓手的内腔连接， 且另一端连接有用于向所述软管送气的第一驱动装置。本实用新型通过第一 驱动装置对相对应的软管进行不同程度的充气，实现三腔连体柔性臂的柔性 抓手弯曲变形，并可形成类似人手的关节弯曲柔性臂，通过第一驱动装置对 相对应的软管进行不同程度的放气/抽气，实现柔性抓手可以恢复到初始位 置。通过设置多组三腔连体柔性臂完成物品的抓放动作、提升动作、拧紧/ 松开动作以及多向扭动，且能减轻人工负担及提升生产效率。该“一种多功 能柔性机械手”中的“三腔连体柔性臂”(以下简称连体臂)结构，具有以 下不足：

1、连体臂中的柔性抓手的内腔和柔性抓手的外壁只是普通的圆管结构， 其伸缩变形能力比较差，形变量小。

2、存在较多刚性辅助结构，比如实现“拧瓶盖”这一操作时，需要用 到旋转电机等复杂刚性机械，使用不便。

又已知，一种用于深井救援的气动柔性机械手，包括柔性伸缩臂、机械 抓手、充放气装置和控制装置；柔性伸缩臂为采用软质弹性材料的长条形气 管，内沿管长度方向设有三条平行的且各自独立封闭的长条形气囊腔；气囊 腔的一端封闭，另一端开口，同充放气装置对接；控制装置同充放气装置控 制连接；机械抓手包括若干机械爪和铰链，机械爪一端同铰链连接，铰链过 转动电机转动，以此带动机械爪摆动；铰链与柔性伸缩臂一端固定连接。本 实用新型体积小、操作方便、性能可靠和成本低，能代替救援人员进入狭窄 深井内执行救援作业。该“一种用于深井救援的气动柔性机械手”存在的问 题如下：

采用电机驱动的刚性机械抓手作为抓取方式，不能实现柔性操作，且结 构较复杂。

综上，现有技术的柔性气动驱动结构，在全柔性方面始终存在不足，与 真正做到能适应各种复杂任务及狭小特殊空间的全柔性的变形程度还存在 距离，结构复杂程度方面也有待改进。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种全柔性气动式执行器， 该执行器不仅具有较强的形变能力以及较好的使用灵活性，同时兼具结构简 单和易于操作的优点，能够真正意义上全面性地适用于各种复杂操作场合与 狭小特殊空间作业。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括至少一个执行器单元， 每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括 柔性圆柱状外壳和多根平行布置于柔性圆柱状外壳内的柔性气腔，二者的两 个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱 状外壳的封闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳在未充气前不 相接触；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个 柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳的开口端与充气装置密封连接；所 述的柔性圆柱状外壳具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔， 螺旋形柔性气腔的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔的气压单独控制。

有益效果：本发明的一种全柔性气动式执行器，将作为执行机构的柔性 圆柱状外壳，其侧面设计为波纹管状结构，同时将其内部的柔性气腔设计为 螺旋形的构造，再与驱动机构相连，通过气动驱动机构来驱动，仅仅需要通 过控制不同充气管道的气压值，便可以实现柔性执行器的伸缩、弯曲，结构 上很简单，操作起来也非常方便。特别是，基于以上构造设计，本发明的使 用灵活度方面显著改善：对不同的螺旋形柔性气腔充以不同的气压，能够使 柔性执行器实现复杂的姿态变换。对各螺旋形柔性气腔匀速充以气体时，能 够实现柔性外壳匀速伸长；对部分螺旋形柔性气腔充气，余下的不作处理， 这样会造成柔性圆柱状外壳顶部受力不均，与充气的螺旋形柔性气腔相连处 受力而与未充气的相连处不受力，从而实现柔性执行器的多自由度弯曲。利 用其多自由度的特点，能够胜任各种复杂任务的执行。同时，尤其是，本发 明所采用的螺旋形柔性气腔结构，能够最大限度利用柔性圆柱状外壳的空间， 从而在空间有限的柔性外壳内布置多根螺旋形柔性气腔，大幅提高执行器的 形变能力。综上，故本发明的执行器能够真正意义上全面性地适用于各种复 杂操作场合与狭小特殊空间作业。

与现有技术具体对比起来说，本发明的改进优势如下：

与现有的“一种多自由度气动柔性机械手”相比，一方面，本发明申请 中执行器理论上可以实现向各个方向弯曲，灵活性更高。

与现有的“一种多功能柔性机械手”相比，一是，本发明采用波纹管结 构设计柔性圆柱状外壳和螺旋形柔性气腔，保证了较大的形变量；二是，本 发明在实现诸如“拧瓶盖”的操作时，可以通过多个柔性执行器组合的方式 完成，便捷高效。

与现有的“一种用于深井救援的气动柔性机械手”相比，本发明中不同 螺旋形柔性气腔均可单独控制，充以不通气压后执行器将实现不同的姿态变 换，因而充气后能获得更多自由度。再者，本发明中执行器单元采用全柔性 材料制成，在组合使用能够实现多种功能，如软抓取操作，安全且简单易行。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的立体图。

图2是图1的仰视图。

图3a是本发明一个实施例的半剖立体图。

图3b是本发明一个实施例的半剖主视图。

图4是本发明一个实施例的透视图。

图5是本发明一个实施例中柔性圆柱状外壳的半剖立体图。

图6是本发明一个实施例中螺旋形柔性气腔的结构示意图。

图7是本发明一个实施例中柔性长方体状连接板的结构示意图。

图8a和图8b是本发明一个实施例在气压激励下的仿真结果图。

图中，1、柔性圆柱状外壳，2、螺旋形柔性气腔，3、柔性长方体状连 接板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。

优选实施例一：

图1至图7示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种 全柔性气动式执行器，包括一个执行器单元，所述的执行器单元由柔性执行 机构和气动驱动机构组成；其中，柔性执行机构包括一个柔性圆柱状外壳1 和四根平行布置于柔性圆柱状外壳1内的柔性气腔，二者的两个端部均分别 为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳1的封 闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳1在未充气前不相接触； 柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔 的开口端相连，柔性圆柱状外壳1的开口端通过夹具等常规连接结构与充气 装置实现密封连接。

参见图4、图5和图6，在本发明实施例中，所述的柔性圆柱状外壳1 具有波纹管状结构的侧面，这种结构能够提升其形变能力；柔性气腔为螺旋 形柔性气腔2，这种形状结构可以使柔性气腔能够充分利用柔性圆柱状外壳 1内的空间，便于置入多根柔性气腔，提升执行器的整体形变能力；螺旋形 柔性气腔2的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔2的气压单独控制。当 螺旋形柔性气腔2内部气压增大时，螺旋形柔性气腔2在纵向整体伸长，从而使柔性圆柱状外壳1受力发生形变。柔性圆柱状外壳1的弯曲姿态取决于 内部螺旋形柔性气腔2内的气压值，变形规律是，当柔性圆柱外壳受到来自 形变后的气腔的压力后，将因受力而伸长，且柔性圆柱外壳各部位距形变后 的柔性气腔距离越远，伸长量越小。

作为进一步的改进设计是，在材质方面，所述柔性执行机构的制作材质 选用聚二甲基硅氧烷或者AB胶。即内部的螺旋形柔性气腔2和外部的柔性 圆柱状外壳1均采用3D打印技术，以聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)制成， 或由固化后是柔性的其他材质代替，比如AB胶；从而保证了整体结构的柔 性和环境友好性，使执行器能够很好地适应周围环境，快速完成较大形变， 进而实现软抓取。

参见图3a、3b和图4，在本发明实施例的一个优选方案中，每根所述的 螺旋形柔性气腔2都通过一块柔性长方体状连接板3与柔性圆柱状外壳1相 连，即螺旋形柔性气腔2的封闭端的外壁与柔性长方体状连接板3粘接在一 起，柔性长方体状连接板3顶部再与柔性圆柱状外壳1顶部内侧面粘接在一 起，除粘接处外，螺旋形柔性气腔2与柔性圆柱状外壳1、螺旋形柔性气腔 与螺旋形柔性气腔2之间在初始状态均不相接触。因而便于根据需要调整螺 旋形柔性气腔2的数量，具体个数可以根据不同的使用场景需求，在最大化 节约成本的前提下配置，满足特定的需求。

在本发明实施例的进一步改进方案中，为了实现更好的整体柔性效果， 所述的螺旋形柔性气腔2与柔性长方体状连接板3之间、柔性长方体状连接 板3与柔性圆柱状外壳1之间的粘接均优选采用硅橡胶或PDMS作粘接剂连 接在一起。而硅橡胶的型号可以是GD401，或者PDMS(聚二甲基硅氧烷)。

参见图2和图4，在本发明实施例的另一个优选方案中，所述的螺旋形 柔性气腔2最好是分布于柔性圆柱外壳内部空间的正中位置。所有的所述螺 旋形柔性气腔2以夹角平分圆周的方式排布。所述各螺旋形柔性气腔2的顶 部与柔性圆柱状外壳1的中轴线间的垂直距离都相等。以上优选设计的优点， 都便于在螺旋形柔性气腔2数目一定的条件下，执行器自由度的可控性最佳。

如图8a所示，采用Abaqus作为仿真软件，对优选实施例一的全柔性气 动式执行器进行试验，仿真模型中螺旋形柔性气腔2的数量为四个，向其中 两个螺旋形柔性气腔2通入气体，使其内部气压由0MPa增加至0.1MPa；向 另外两个螺旋形柔性气腔2抽气，使其内的气压由0MPa减少至-0.1MPa，这 时执行器在整体上将呈现弯曲的姿态。而如果同时等量向四个螺旋形柔性气 腔2通气和放气，那么执行器在整体上将呈上下伸缩的姿态，参见图8b。

本优选实施例一中螺旋形柔性气腔2的数量还可以是大于四的其他数目， 相配套的，气动驱动装置则配有相同数目的充气管道。

本优选实施例一的工作原理如下：

当向螺旋形柔性气腔2内充入气体时，螺旋形柔性气腔2内的气压会逐 渐增大，整个螺旋形柔性气腔2将在长度方向发生形变，整体长度增加；又 由于螺旋形柔性气腔2与柔性圆柱状外壳1相连，因此当气腔伸长时会使柔 性圆柱状外壳1的连接处受力，进而使柔性圆柱状外壳1伸长，且柔性圆柱 状外壳1各部位与形变后的螺旋形柔性气腔2距离越远，伸长量越小。不同 的气腔压力组合可以使该全柔性气动式执行器呈现不同的姿态。例如，当各 螺旋形柔性气腔2均充入等量相同气体时，执行器整体将向正前方伸长，可 以实现靠近目标物等目的。当仅向其中若干螺旋形柔性气腔2充入气体，而 余下的螺旋形柔性气腔2不做充气操作，此时由于柔性圆柱状外壳1受各螺 旋形柔性气腔2传来的压力不均，将使执行器整体向未充入气体的螺旋形柔 性气腔2方向弯曲。利用以上原理特性，在执行器单元前端配置图像采集设 备如摄像头后，可以完成狭小管道内的探测等任务；还可以利用其可伸缩的 特性完成物品的托举、推拉等行为。

本发明的一种全柔性气动式执行器既可以由单个执行器单元组成，也可 以由多个执行器单元组成，每个执行器单元单独控制，多个执行器单元之间 组合使用，以夹取的方式实现抓取操作。例如上述优选实施例一就是执行器 单元为一个时的结构方案，而下面优选实施例二和三则分别是执行器单元的 数量分别为三个和四个的结构方案。

优选实施例二：

在本实施例提供的一种全柔性气动式执行器中，所述的全柔性气动式执 行器由三个执行器单元构成，三个执行器单元组合使用，分别占于等边三角 形三个角的位置，每个执行器单元独立控制。将三个执行器单元组合，可以 实现“拧”这一动作。以圆形瓶盖为例，此时将三个执行器单元分占于等边 三角形三个角的位置，且每个执行器单元的内侧紧靠瓶盖；然后改变各执行 器单元内螺旋形柔性气腔2的气压，使得每个执行器单元均沿瓶盖切线方向 弯曲；在摩擦力的作用下，瓶盖将被拧动；将螺旋形柔性气腔2内的气压恢 复初始状态，各执行器单元将恢复到初始位置；重复上述操作，最终完成“拧 瓶盖”这一动作行为。

优选实施例三：

在该实施例提供的一种全柔性气动式执行器中，所述的全柔性气动式执 行器由四个执行器单元构成，四个执行器单元组合使用，分别占于正方形四 个角位置，每个执行器单元独立控制。通过控制每个执行器单元内的不同螺 旋形柔性气腔2的气压，使四个执行器单元均向正方形的中心弯曲，从而能 够夹住放置于中心的物体。

本发明各优选实施例的全柔性气动式执行器，可以参照下面的方法进行 制备。主要基于3D打印技术和硅橡胶流体成型技术，具体操作步骤如下：

首先，利用Abaqus有限元仿真软件，分析螺旋形柔性气腔2的螺距和 柔性圆柱状外壳1的波纹个数、大小，螺旋形柔性气腔2的数目及分布，及 柔性圆柱状外壳1的厚度等，逐步优化尺寸参数，综合考虑多角度因素，最 终确定下结构。确定好相关结构及参数后，利用三维建模软件(如SolidWorks、 AutoCAD、3D MAX等)设计气腔的模具，接着设计圆柱外壳的模具。待模具 设计完毕，转换文件格式，在3D打印机中将这些模具一一打印出来，为防止模具在注入材料及凝固的过程中发生变形，需要将每个模具都打印多份。 模具打印结束，需对模具的表面进行细磨，以防止在3D打印过程中出现的 瑕疵对执行器样品成型的影响。各部件固化并脱模后，采用硅橡胶等做粘接 剂，将螺旋形柔性气腔2的封闭端Ⅱ与柔性圆柱状外壳1的内表面直接相连 或者中间通过柔性长方体状连接板3进行粘接，并与相关的气动驱动机构进 行组装，最终得到本发明的全柔性气动式执行器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限 制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等 变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳(1)和多根平行布置于柔性圆柱状外壳(1)内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳(1)的封闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳(1)在未充气前不相接触；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳(1)的开口端与充气装置密封连接；其特征是：所述的柔性圆柱状外壳(1)具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔(2)，螺旋形柔性气腔(2)的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔(2)的气压单独控制。

2.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：每根所述的螺旋形柔性气腔(2)都通过一块柔性长方体状连接板(3)与柔性圆柱状外壳(1)相连。

3.根据权利要求2所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的螺旋形柔性气腔(2)与柔性长方体状连接板(3)之间、柔性长方体状连接板(3)与柔性圆柱状外壳(1)之间的粘接均采用硅橡胶或PDMS作粘接剂连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述柔性执行机构的制作材质选用聚二甲基硅氧烷或者AB胶。

5.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的螺旋形柔性气腔(2)分布于柔性圆柱外壳内部空间的正中位置。

6.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所有的所述螺旋形柔性气腔(2)以夹角平分圆周的方式排布。

7.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述各螺旋形柔性气腔(2)的顶部与柔性圆柱状外壳(1)的中轴线间的垂直距离都相等。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的全柔性气动式执行器由一个执行器单元构成。

9.根据权利要求1至7任一项所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的全柔性气动式执行器由三个执行器单元构成，三个执行器单元组合使用，分别占于等边三角形三个角的位置，每个执行器单元独立控制。

10.根据权利要求1至7任一项所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的全柔性气动式执行器由四个执行器单元构成，四个执行器单元组合使用，分别占于正方形四个角位置，每个执行器单元独立控制。

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