CN112372667A

CN112372667A - 内充压单向伸缩柔性驱动器

Info

Publication number: CN112372667A
Application number: CN202010717407.1A
Authority: CN
Inventors: 周丽; 白浩; 邱涛
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2021-02-19

Abstract

本发明提供了一种内充压单向伸缩柔性驱动器，包括固定支撑端、活动端头、充气管嘴、密封腔体和纤维增强网，其中，所述的固定支撑端为一圆环状结构，用来支撑或固定柔性驱动器，所述的活动端头为与固定支撑端对应的圆环状结构，端头上开有与被驱动结构连接的连接孔，密封腔体和纤维增强网一端与固定支撑端环状结构的一个端面固定连接，另一端与活动端头环状结构的一个端面固定连接，连接处保持气密性且不变形；所述的充气管嘴从固定支撑端圆环的侧壁引出，伸入密封腔体内部，向密封腔体内充放气体。本发明结构简洁、重量轻、安装使用方便、驱动行程大。

Description

内充压单向伸缩柔性驱动器

技术领域

本发明涉及柔性驱动器技术领域，具体是一种内充压单向伸缩柔性驱动器。

背景技术

目前电驱动和液压驱动系统的发展已经比较成熟，但在安装空间、安装精度、功率需求、复杂程度等方面都有相应的要求；随着新型材料的发展，利用形状记忆效应、压电效应、电致伸缩效应以及磁致伸缩效应的新型材料驱动装置相继出现并取得很大进展，在驱动力、能量密度、变形能力等方面各有特点，也都受到一些限制，比如驱动行程较小，安装精确度需求较高等。本发明提供一种柔性驱动装置，随着内部压力和体积的变化，驱动装置的活动端头产生沿轴线方向的伸缩运动，并允许活动端头有一定的平面内位移和倾斜角的摆动，在被驱动结构或物体的姿态或轨迹有一些偏差时，驱动器可以自动协调，安装精确度需求较低。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种内充压单向伸缩柔性驱动器，结构简洁、重量轻、安装使用方便、驱动行程大。

本发明包括固定支撑端、活动端头、充气管嘴、密封腔体和纤维增强网，其中，所述的固定支撑端为一圆环状结构，用来支撑或固定柔性驱动器，所述的活动端头为与固定支撑端对应的圆环状结构，端头上开有与被驱动结构连接的连接孔，密封腔体和纤维增强网一端与固定支撑端环状结构的一个端面固定连接，另一端与活动端头环状结构的一个端面固定连接，连接处保持气密性且不变形；所述的充气管嘴从固定支撑端圆环的侧壁引出，伸入密封腔体内部，向密封腔体内充放气体。

进一步改进，所述的密封腔体由橡胶类材料制成，纤维增强网夹在橡胶类材料中间。

进一步改进，所述的纤维增强网是由两族对称铺设的纤维材料构成的网状结构，所用材料包括碳纤维、金属。

进一步改进，所述的驱动器不充压时，密封腔体的形状为扣在一起的碟形，外径D₀，长度L₀，其腔体纵截面切线与圆周径向夹角为仰角β，固定支撑端和活动端头的环状直径d，则

向密封腔体充压，随着压力增大，驱动器沿着轴向伸长，腔体仰角β逐渐变大，驱动器的形状逐渐变为纺锤形，当仰角为90°时，驱动器变为圆柱形，随着形状变化，驱动器形成沿轴向的伸缩运动。随着形状变化，驱动器形成沿轴向的伸缩运动，调节内部压力，可对结构进行驱动控制。

进一步改进，所述的纤维增强网中纤维材料铺设方向与圆周方向的夹角α小于35.26°，夹角越小，驱动行程越大。要得到尽量大的驱动行程及驱动力，驱动器初始形状下的纤维铺设角应尽量小。此外纤维的铺设还应保证驱动器密封腔体外径最大处纤维的连续性。网格密度需保证在工作压力时，密封腔体表面不出现明显鼓包或根据腔体实际大小保证网格空隙面积不超过某一数值。

本发明有益效果在于：

1、该新型单向伸缩柔性驱动器由于其独特的初始形状，可以在提供较大驱动力的同时保证足够的驱动行程；

2、双族对称纤维铺设方式可以保证驱动器变形过程中不会发生扭转变形，保证结构稳定性；

3、被驱动结构或物体的姿态或轨迹存在偏差时，柔性驱动器可以自动协调，安装精确度需求较低；

4、该新型单向伸缩柔性驱动器结构紧凑重量轻，安装使用便捷，适合多种条件下使用。

附图说明

图1为新型内充压单向伸缩柔性驱动器结构示意图；

图2为柔性驱动器受力示意图；

图3为柔性驱动器变形几何条件示意图；

图4为新型内充压单向伸缩柔性驱动器驱动过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明结构如图1所示，包括固定支撑端2、活动端头3、充气管嘴5、密封腔体1 和纤维增强网4，其中，所述的固定支撑端2为一圆环状结构，用来支撑或固定柔性驱动器，所述的活动端头3为与固定支撑端2对应的圆环状结构，端头上开有与被驱动结构连接的连接孔，密封腔体1和纤维增强网4一端与固定支撑端2环状结构的一个端面固定连接，另一端与活动端头3环状结构的一个端面固定连接，连接处保持气密性且不变形；所述的充气管嘴5从固定支撑端圆环的侧壁引出，伸入密封腔体内部，向密封腔体内充放气体。

密封腔体由橡胶类材料制成，纤维增强网夹在橡胶类材料中间，在内部压力作用下，密封腔体有足够的强度且气密性好。

纤维增强网是由两族对称铺设的纤维材料构成的网状结构，其制作材料可根据不同的受力条件选择碳纤维、金属或其他。纤维铺设方向与圆周方向的夹角(±α)小于某临界角度，夹角越小，驱动行程越大。网格密度需保证在工作压力时，密封腔体表面不出现明显鼓包或根据腔体实际大小保证网格空隙面积不超过某一数值。

驱动器不充压时，密封腔体的形状像扣在一起的碟形，外径D₀，长度L₀，其腔体纵截面切线与圆周径向夹角为仰角β(如图2所示)，固定支撑端和活动端头的环状直径 d，则

向密封腔体充压，由于纤维网特定的铺设角度，随着压力增大，驱动器沿着轴向伸长，腔体仰角β逐渐变大，驱动器的形状由扣在一起的碟形逐渐变为纺锤形，当仰角为90°时，驱动器变为圆柱形。随着形状变化，驱动器形成沿轴向的伸缩运动，调节内部压力，可对结构进行驱动控制。

受力分析：

下面结合图2分析柔性驱动器在充压变形过程中的受力特点。为简化推导过程仅选纤维增强网中一对纤维进行分析且假设纤维长度不变。附图2为充气后其横截面和纵截面上的作用力示意图，其中L为纤维绕密封腔体一周的轴向长度，D为所截取密封腔体的平均直径，α为纤维铺设方向与圆周方向夹角。由此可以得到密封腔体在纵截面上的受力平衡方程：

4F_n＝pLD (1)

其中Fn为纤维线截断处沿垂直于纵截面方向的分力，P为腔体内气体压强。腔体横截面上的受力平衡方程为：

式中Fq为纤维线截断处沿垂直于横截面方向的分力，且有：

F_q＝F_n·tanα (3)

根据式1、式2和式3可以得出柔性驱动器向外输出的驱动力F为：

式4可以看出，本发明设计的柔性驱动器的驱动力呈非线性变化。在驱动器开始充气后的较短的时间内，密封腔体内的气体压强较小，此时的驱动力不足以使被驱动物体产生位移，而是使密封腔体发生膨胀，使其外径增大，纤维角α和腔体仰角β都稍微变大，纤维所受拉力增加。伴随着气体的持续充入，当压强和纤维力增大到足以使物体沿轴向产生位移，驱动器开始沿轴向伸长，腔体外径D逐渐减小，纤维铺设角α和腔体仰角β持续增大，外形由最初的两个碟形逐渐变为纺锤形，当腔体仰角增大到90° 时，驱动器外形变为圆柱形，此过程中的驱动力F主要由增大的气体压强p提供。伴随着腔体外形的变化，纤维铺设角α逐渐增大，当铺设角接近某一临界值时，驱动器达到最大驱动行程，发生自锁。

纤维铺设角度：

该新型柔性驱动器的驱动变形特性主要与纤维增强网的纤维铺设角度有关，在纤维长度不变的假设下，驱动器密封腔体伸长变形前后的几何条件如附图3所示，则有：

其中ε为柔性驱动器的伸长率，D₀、L₀、α₀分别为变形前纤维环绕一周密封腔体的平均直径、轴向长度和纤维铺设角。

将式5代入式4可得驱动器的驱动力表达式：

推广到n对纤维时，只需在上面推导中在Fn和Fq前均乘以n，最后的驱动力表达式与式6相同。可以看出，在其他因素固定的情况下，随着纤维铺设角α增大，柔性驱动器的驱动力逐渐减小。假设在某一角度下驱动器在充气过程中不发生变形，则此时的伸长率ε＝0，其提供的驱动力也为0，可得：

1-3sin²α₀＝0 (7)

得α₀＝35.26°，由此得出使驱动器充压伸长的纤维铺设角应满足：

0＜α＜35.26°。所以要得到尽量大的驱动行程及驱动力，驱动器初始形状下的纤维铺设角应尽量小。此外纤维的铺设还应保证驱动器密封腔体外径最大处纤维的连续性。

本发明一种具体实施方式如下：

以驱动质量为M＝50kg的物体产生垂直方向大小为200mm的位移为例(附图4)，其具体设计方法如下：

a、柔性驱动器结构设计

本例的目的是驱动物块产生垂直位移，所以驱动器的固定支撑端可以直接与一刚体紧固连接，保证其在驱动过程中保持稳定，其侧壁引出一个充气管嘴用于向密封腔体内充放气体，另一端的活动端头与物块紧密连接，保证在驱动过程中不发生相对位移。设计密封腔体未充气时外径最大处值为Dm₀＝100mm，固定支撑端与活动端头环状直径为 d＝50mm，厚度为30mm，密封腔体的初始长度L₀设计为100mm。为实现200mm的驱动位移，密封腔体的伸长率至少为0.67。密封腔体材料选择橡胶类，纤维增强网的材料需保证纤维可承受足够的拉力，本例选择碳纤维材料，保证腔体至少可承受一倍大气压。两族纤维对称铺设，铺设密度需保证纤维网格支撑下的腔体在承受最大气体压强时不产生鼓包或根据腔体实际大小保证网格空隙面积不超过某一数值。密封腔体的初始形状为两个相扣的碟形，其两端分别与固定支撑端和活动端头的一个端面固定连接，并保证连接的气密性。在初始形状下，纤维增强网中纤维的铺设方向与圆周方向夹角设为10°。根据式 6可以估算出该初始形状下的柔性驱动器理论最大输出驱动力为605N，可以驱动质量为 50kg的物块。

b、柔性驱动器驱动过程

在不考虑驱动器自身质量的情况下，根据上述结构设计柔性驱动器，向初始形状下的腔体内持续充入气体，腔体内气体压强逐渐增大，但是开始时压强较小，驱动力小于物块重力，驱动器不能发生轴向伸长，但气体在持续充入，所以密封腔体沿径向膨胀，导致其外径增大，纵截面仰角以及纤维铺设角变大。随着压强增大，驱动力持续增加，当增大到F＞Mg时，驱动器开始沿着轴向伸长，驱动物块产生垂直位移。在驱动器伸长的过程中，由于纵截面仰角的变化，导致驱动器外形发生改变。初始时Dm₀＝100mm， d＝50mm，L₀＝100mm，仰角为63°，纤维角为10°。当驱动器伸长200mm后，根据几何关系可以得到，此时的最大外径Dm＝85mm，L＝300mm，仰角为83°，纤维角为31°，腔体形状由相扣的碟形变为纺锤形，并未到达变形极限。在驱动器腔体对外放气时，驱动器发生轴向缩短位移，并逐渐由纺锤形变为初始形状。

本发明具体应用途径很多，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种内充压单向伸缩柔性驱动器，其特征在于：包括固定支撑端、活动端头、充气管嘴、密封腔体和纤维增强网，其中，所述的固定支撑端为一圆环状结构，用来支撑或固定柔性驱动器，所述的活动端头为与固定支撑端对应的圆环状结构，端头上开有与被驱动结构连接的连接孔，密封腔体和纤维增强网一端与固定支撑端环状结构的一个端面固定连接，另一端与活动端头环状结构的一个端面固定连接，连接处保持气密性且不变形；所述的充气管嘴从固定支撑端圆环的侧壁引出，伸入密封腔体内部，向密封腔体内充放气体。

2.根据权利要求1所述的内充压单向伸缩柔性驱动器，其特征在于：所述的密封腔体由橡胶类材料制成，纤维增强网夹在橡胶类材料中间。

3.根据权利要求1所述的内充压单向伸缩柔性驱动器，其特征在于：所述的纤维增强网是由两族对称铺设的纤维材料构成的网状结构，所用材料包括碳纤维、金属。

4.根据权利要求1所述的内充压单向伸缩柔性驱动器，其特征在于：所述的驱动器不充压时，密封腔体的形状为扣在一起的碟形，外径D₀，长度L₀，其腔体纵截面切线与圆周径向夹角为仰角β，固定支撑端和活动端头的环状直径d，则

向密封腔体充压，随着压力增大，驱动器沿着轴向伸长，腔体仰角β逐渐变大，驱动器的形状逐渐变为纺锤形，当仰角为90°时，驱动器变为圆柱形，随着形状变化，驱动器形成沿轴向的伸缩运动。

5.根据权利要求1所述的内充压单向伸缩柔性驱动器，其特征在于：所述的纤维增强网中纤维材料铺设方向与圆周方向的夹角α小于35.26°，夹角越小，驱动行程越大。