CN112405589A - 基于波纹管的柔性驱动器 - Google Patents

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Abstract

基于波纹管的柔性驱动器，包括内部上底板、下底板、若干气管、内部波纹管、外部波纹管以及若干折叠隔板；外部波纹管套装在内部波纹管外部，折叠隔板设置在外部波纹管和内部波纹管之间连接外部波纹管和内部波纹管，并将外部波纹管和内部波纹管之间的空间分隔层若干腔室；上底板安装在外部波纹管和内部波纹管的上端，对外部波纹管和内部波纹管的上端进行密封，下底板安装在外部波纹管和内部波纹管的下端，对外部波纹管和内部波纹管的下端进行密封；上底板中心设置有通孔，与内部波纹管上端连通，下底板中心设置有通孔，与内部波纹管下端连通；若干气管设置在上底板上，分别与若干腔室连通。本发明可有效实现流体驱动器的多向弯曲和伸缩动作。

Description

基于波纹管的柔性驱动器
技术领域
本发明涉及软体机器人流体驱动器的领域，具体是一种基于波纹管的柔性驱动器。
背景技术
与传统刚性机器人相比，虽然很多工业机器人已经可以代替人完成大部分的生产工作，但是在人-机-环境交互方面还存在一些问题，而软体机器人由于在材料上采用了硅橡胶等柔性材料，所以其界面友好，在人-机-环境交互上更加安全。
软体机器人的驱动方式可分为流体驱动、线驱动、形状记忆合金驱动、电活性驱动等；目前，流体驱动因其形式的多样性、快速响应性等被广泛研究；并且在探索、抓取、医疗、养老助残等多个领域取得了一些进展。流体驱动是通过对一定形状的弹性腔施加正负压的流体从而产生变形与运动，其中流体可以是气体或液体，并且通过改变其结构，进而可以产生具有伸长、压缩、弯曲、扭转、弯曲+扭转等多种运动形式的驱动器，并且根据这些驱动器研制了许多类型的软体机器人。
现有流体驱动器的结构大多是基于气动人工肌肉(PAM)与Pneu-Net驱动器，由于采用了硅橡胶等柔性材料，其运动过程具有很强的非线性，然而，现有流体驱动器存在运动能力单一且输出力小的问题，例如中国专利201910274157.6提出了一种基于双层独立气室的柔性关节，利用气室外层与隔层之间的长度差来实现同平面内双向的屈伸；该驱动器主要实现弯曲运动，不能同时实现伸缩等运动。中国专利201910740410.2设计了软体机械臂，此申请只能实现单向收缩运动。
发明内容
为解决现有流体驱动器存在的运动能力单一且输出力小的问题，本发明提供一种基于波纹管的柔性驱动器，具体采用如下技术方案：
基于波纹管的柔性驱动器，包括内部上底板、下底板、若干气管、内部波纹管、外部波纹管以及若干折叠隔板；其中，
所述外部波纹管套装在所述内部波纹管外部，所述折叠隔板设置在所述外部波纹管和内部波纹管之间连接所述外部波纹管和内部波纹管，并将所述外部波纹管和内部波纹管之间的空间分隔层若干腔室；
所述上底板安装在所述外部波纹管和内部波纹管的上端，对所述外部波纹管和内部波纹管的上端进行密封，所述下底板安装在所述外部波纹管和内部波纹管的下端，对所述外部波纹管和内部波纹管的下端进行密封；
所述上底板中心设置有通孔，与所述内部波纹管上端连通，所述下底板中心设置有通孔，与所述内部波纹管下端连通；
若干所述气管设置在所述上底板上，分别与若干所述腔室连通。
优选地，所述折叠隔板的折展角为β，β＝30°～150°。
优选地，所述内部波纹管和外部波纹管的变形截面为三角形或半圆弧形。
优选地，所述折叠隔板的折叠距离为d，所述内部波纹管的变形截面的斜边宽度为c，其中d＝c。
优选地，所述腔室的数量为3个或4个。
优选地，所述内部波纹管、外部波纹管、折叠隔板的制作材料为硅橡胶。
优选地，所述柔性驱动器的采用3D打印一次成型。
进一步地，所述内部波纹管作为中心通道，内部放置线缆、气管或液管。
本发明有益效果：
(1)本发明设计的柔性驱动采用波纹管结构实现变形层的伸长变形，与气动人工肌肉与相比，其运动更稳定，并且在正压状态下，具有高收缩率，更大的输出力。
(2)本发明设计的柔性驱动器采用三个或四个折叠隔板将外部波纹管和内部波纹管形成的环形腔室分成三个或四个腔室，通过向不同的腔室内充放气，可以实现全向弯曲、伸缩的运动，还可以将本发明进行可重构得到柔性臂、爬行机器人、柔性抓手等，应用广泛。
(3)本发明设计的柔性驱动器采用3D打印一次成型，与依赖手工制作的柔性驱动器相比，减少了制作效率低、精度低、成品合格率不高等问题，并且更加高效快捷。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步地说明。
图1为本发明中三腔室结构的外部示意图；
图2为图1内部结构示意图；
图3为图1侧视图；
图4为图3中A-A截面图；
图5为图3中B-B截面图；
图6为本发明三腔室结构爆炸图；
图7为本发明三腔室结构的内部细节图；
图8为本发明中四腔室结构的示意图；
图9为本发明柔性驱动器伸长或完全状态示意图；
图中：1下底板，2外部波纹管，3上底板，4中心通道，5第一气管，6第二气管，7第三气管，8连接件，9第一腔室，10第二腔室，11第三腔室，12内部波纹管，13折叠隔板。
具体实施方式
实施例1，参见图1-7，基于波纹管分腔的柔性驱动器，包括内部上底板3、下底板1、若干气管、内部波纹管12、外部波纹管2以及若干折叠隔板13，所述上地板3与下底板1尺寸相同，所述外部波纹管12的内径大于所述内部波纹管12的外径，其套装在所述内部波纹管2外部形成以内部波纹管12为中心的环绕腔室，所述折叠隔板13有三个设置在所述外部波纹管2和内部波纹管12之间连接所述外部波纹管12和内部波纹管2，并将所述环绕腔室分隔成三个独立的腔室，分别为第一腔室9、第二腔室10和第三腔室11。
所述上底板3安装在所述外部波纹管2和内部波纹管12上端，对所述外部波纹管2和内部波纹管12上端进行密封，所述下底板1安装在所述外部波纹管2和内部波纹管12下端，对所述外部波纹管和内部波纹管下端进行密封。所述上底板3中心设置有通孔，与所述内部波纹管12上端连通，所述下底板1中心设置有通孔，与所述内部波纹管12下端连通，所述内部波纹管12上下贯通形成中心通道4。所述上底板3、下底板1上还设置有连接件8，用以连接机械臂或他设备。
所述气管有三根，分别为第一气管5、第二气管6、第三气管7，分别设置在所述上底板3上，且分别贯通所述上底板3与所述第一腔室9、第二腔室10、第三腔室11连通。所述气管分别连接相应的独立气泵源或负压源给所述独立的腔室充气或抽气。
所述折叠隔板13的初始角度与外部、内部波纹管初始角度一致，其中所述折叠隔板的折展角为β，β＝30°～150°，当β＝30°～90°时，柔性驱动器进行以充气为主的伸长和完全动作，当β＝90°～150°时，柔性驱动器进行以负压为主的收缩和弯曲动作；所述折叠隔板的折叠距离为d，所述内部波纹管的变形截面的斜边宽度为c，其中d＝c，也就是所述折叠隔板的外部轮廓与波纹管的变形截面相一致。
实施例2，在该实施例中所选用的内部波纹管12、外部波纹管2以及折叠隔板13与实施例1中一致，区别在于在此实施例中选用四个折叠隔板13将环形腔室分隔成四个独立的腔室。
优选地，所述内部波纹管和外部波纹管的变形截面为三角形或半圆弧形。
优选地，所述内部波纹管、外部波纹管、折叠隔板的制作材料为硅橡胶。
优选地，所述柔性驱动器的采用3D打印一次成型。
进一步地，所述内部波纹管作为中心通道，内部放置线缆、气管或液管。
工作原理：
如图9，在需要本发明的柔性驱动器伸长时：在初始状态下由气泵经第一软管5、第二软管6、第三软管7分别向第一腔室9、第二腔室10、第三腔室11内充入相等气压的压缩气体，所有的弹性腔室在充入气体的压力作用下发生膨胀变形，同时由于折叠隔层可伸长，从而实现驱动器整体向上的伸长变形，并提供一定的输出力。
在需要本发明的柔性驱动器弯曲时：在初始状态下由气泵源通过对第二气管6、第三气管7向第二个腔室10和第三腔室11内充入相等气压的压缩气体，第二个腔室10和第三腔室11在压强作用下从而膨胀伸长，同时由负压源经第一气管5向第一腔室9内施加负压，第一腔室9的大气压强小于外界大气压，从而是第一腔室9收缩，与第二腔室10与第三腔室11的伸长形成的拮抗作用，使得驱动器整体向第一腔室9的方向弯曲，并提供一定输出力。应当理解，此处仅为一种弯曲方式，当对不同腔室充气或抽气时可产生柔性驱动器不同方向的弯曲，同时应当理解当采用四腔室结构时同时向其中三个腔室充气，对一个腔室抽气而产生不同方向的弯曲。
尽管本发明说明书中已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：包括内部上底板、下底板、若干气管、内部波纹管、外部波纹管以及若干折叠隔板；其中，
所述外部波纹管套装在所述内部波纹管外部，所述折叠隔板设置在所述外部波纹管和内部波纹管之间连接所述外部波纹管和内部波纹管，并将所述外部波纹管和内部波纹管之间的空间分隔层若干腔室；
所述上底板安装在所述外部波纹管和内部波纹管的上端，对所述外部波纹管和内部波纹管的上端进行密封，所述下底板安装在所述外部波纹管和内部波纹管的下端，对所述外部波纹管和内部波纹管的下端进行密封；
所述上底板中心设置有通孔，与所述内部波纹管上端连通，所述下底板中心设置有通孔，与所述内部波纹管下端连通；
若干所述气管设置在所述上底板上，分别与若干所述腔室连通。
2.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述折叠隔板的折展角为β，β＝30°～150°。
3.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述内部波纹管和外部波纹管的变形截面为三角形或半圆弧形。
4.根据权利要求2所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述折叠隔板的折叠距离为d，所述内部波纹管的变形截面的斜边宽度为c，其中d＝c。
5.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述腔室的数量为3个或4个。
6.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述内部波纹管、外部波纹管、折叠隔板的制作材料为硅橡胶。
7.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述柔性驱动器的采用3D打印一次成型。
8.根据权利要求1所述的基于波纹管的柔性驱动器，其特征在于：所述内部波纹管作为中心通道，内部放置线缆、气管或液管。
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