CN112476413B - 一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器,属于真空驱动执行器技术领域，将传统机构中的剪刀机构引入软体执行器领域，有直线和曲线两种形式，可以根据不同的工作环境进行调整，从而适应多种工作环境。该执行器包括外薄膜和剪刀机构骨架，所述外薄膜包覆于剪刀机构骨架外部并与剪刀机构骨架固定连接，所述外薄膜上设置有气动接头。本发明具有较高的稳定性、收缩形和安全性。

Description

一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器

技术领域

本发明涉及真空驱动执行器技术领域，更具体地说，它涉及一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器。

背景技术

近年以来，软体机器人领域不断发展并吸引了一大批研究人员的关注与重视，针对不同的领域如服务机器人、医疗器械和可穿戴设备等领域有各种类型的软体执行器被设计发明出。软体执行器的主要特点有：比起传统机构与人类的交互过程相对安全，软体执行器的柔性、适应性高可以适应更加复杂的环境。目前的软体执行器可以通过热能、电能、气压、液压、真空等方式驱动，而真空驱动比起其他的驱动方式具有更高的稳定性、收缩形、安全性。

目前，已经有多个研究团队研究出多种典型的真空驱动软体执行器，但还没有将剪刀机构引入真空驱动软体执行器领域的例子。且现有的各类执行器基本都需在特定的条件下，针对特定的工作需求工作，对工作环境的适应能力不强。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，将传统机构中的剪刀机构引入软体执行器领域，提供了一种高效、可输出大输出力、可调整运动轨迹的真空驱动的基于剪刀机构的执行器。

本发明采用的技术方案如下：

一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，包括外薄膜和剪刀机构骨架，所述外薄膜包覆于剪刀机构骨架外部并与剪刀机构骨架固定连接，所述外薄膜上设置有气动接头。

进一步的，所述剪刀机构骨架可以是若干个铰接连接的剪刀单元组成，所述剪刀单元包括上下方各两块交叉设置的骨节板，上下方所述骨节板均平行对应，上方两块所述骨节板两端及交叉处与下方所述骨节板对应处之间均设置有碳纤维轴，所述骨节板上与碳纤维轴对应处均设置有铰接螺钉连接；前后相连的所述剪刀单元之间共用两根碳纤维轴连接。

进一步的，所述骨节板是薄片型板材。

进一步的，所述剪刀机构骨架还可以是两个多角折板插接组成，所述多角折板由矩形薄片弯折而成，且多角折板交接处设有互相配合的开口，两个所述多角折板通过开口交叉插接连接。

进一步的，所述外薄膜为柔性的不透气薄膜。

进一步的，所述气动接头向外插接设有气管。

与现有技术相比，本发明具有的优点为：

1.本发明将传统机构运用真空驱动，能在输出端产生大输出力，整体机构能通过调整剪刀机构的骨架结构来获得直线或曲线形式的运动轨迹来应对不同的工作需求，还能根据不同的使用条件选择包覆骨架的柔性薄膜的材料。

2.本发明采用真空驱动，抽气变形后机构整体体积减小，对于环境的适应能力更强，且比起其他驱动形式如气压式的安全性更高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明实施例一的剪刀单元结构示意图；

图3是本发明实施例一直线运动时剪刀机构骨架的结构连接示意图；

图4是本发明实施例一曲线运动时剪刀机构骨架的结构连接示意图；

图5是本发明实施例二的整体结构示意图；

图6是本发明的工作原理示意图。

图中，1-外薄膜；2-剪刀机构骨架；3-气管；4-气动接头；5-多角折板；6-铰接螺钉；7-骨节板；8-碳纤维轴；9-剪刀单元。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例一

参照图1-4所示，本实施例一的一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，其中外薄膜1对整个剪刀机构骨架2的外部进行包覆，且外薄膜1与剪刀机构骨架2固定连接，外薄膜1上设有气动接头。在对该执行器施加负压时，外薄膜1会先收缩并推动剪刀机构骨架2进行整体的收缩运动，在这个过程中，外薄膜1会始终贴紧剪刀机构骨架2，不会存在外薄膜1与剪刀机构骨架2相互分离的情况。而当执行器要复原到初始位置时，需要向执行器内部充气，此时，如果外薄膜1与剪刀机构骨架2之间没有约束作用，二者便会分离，使执行器失效。因此对剪刀机构骨架2和外薄膜1施加约束是必要的，由于回复过程作用于外薄膜1和剪刀机构骨架2的相互作用力并不大，对二者的约束并不需要十分高的强度。在本实施例一中，通常采用的固定方式为利用透明胶带穿过碳纤维轴8将剪刀机构骨架2固定在外薄膜上1。气动接头4用于连接外薄膜1内部的气腔与外部空气，控制气腔与外部的连通或阻断，进而控制气腔内空气的抽离与充气，达到真空驱动的效果。

在本实施例一中，剪刀机构骨架2由若干个剪刀单元9铰接连接组成，使剪刀机构骨架2形成厚壁型剪刀机构骨架。其中，剪刀单元9上下方各设置有两块交叉的骨节板7，且上下方的骨节板7均平行对应，多根碳纤维轴8位于上下方的骨节板7中间，依次设置在各骨节板7的两端和两根骨节板7交叉处，用于骨节板7间的连接。骨节板7与碳纤维轴8通过铰接螺钉6固定铰接，通过调节两块骨节板7交叉铰接点的位置，可以调节剪刀机构骨架2收缩与回复的轨线，进而影响执行器的运动轨线。铰接点在骨节板7中间位置时，执行器运动轨迹为直线；铰接点在骨节板7其他偏心位置时，执行器运动轨迹为曲线。前后相连的剪刀单元9之间共用两根碳纤维轴8连接，多个剪刀单元9连接形成整个剪刀机构骨架2。

在本实施例一中，剪刀机构骨架2受其特殊的结构限制，只有一个方向上的自由度，在其他方向上具有很高的刚度，因此执行器不仅可以在伸缩位移方向上受到负载，在其他方向上也可以耐住负载。为保证执行器在既定运动轨迹上不发生偏移，或因工作需要在非轨道方向上实现荷载功能，骨节板7选用刚度较高的薄片型材料制成。骨节板7的制作可以选用3D打印、压铸等方式制作，材料的选择上包括木板、塑料板、金属片等都可以选择。

在本实施例一中，外薄膜1为柔性的不透气薄膜。为实现真空驱动，外薄膜1需采用不透气的柔性薄膜，一般采用的材料有两类，透明的PVC薄膜和带TPU贴层的尼龙布，PVC膜针对小输出力的情况，尼龙布则针对大输出力的情况，可以根据具体的执行器使用环境进行选择。

在本实施例一中，气动接头4上插接有气管3，气管3与外部的抽充气设备连接，空气通过气管3抽离或充入外薄膜1内，实现执行器的驱动。

参照图6所示，本实施例一的工作原理为：以负压(真空)作为驱动源；当执行器受到负压的作用后，执行器内的空气被抽出，内外气压平衡被打破，执行器的体积变小，外薄膜1向内收缩，剪刀机构骨架2便被外薄膜1挤压着向一个方向收缩，同时在外薄膜1上产生张力，机构整体则向外输出大输出力；当向执行器内部充气，执行器则可由收缩位置回复到初始位置。通过调整剪刀单元9中两块骨节板7交叉连接的位置，可实现执行器在收缩与舒张时的直线轨迹或曲线轨迹的改变。

实施例二

参照图5所示，本实施例二与例一的区别在于，剪刀机构骨架2还可选用多角折板5交叉插接制作，使剪刀机构骨架2形成薄壁型剪刀机构骨架。本实施例的剪刀机构骨架2由两个多角折板5组成，每个多角折板5由一张矩形薄片多个部位弯折制成，薄片材料选用韧性好的材料，如纸、PVC塑料片等。分别在两个多角折板5的交接处剪开可互相配合的开口，交叉插接两部分组成剪刀机构骨架2，多角折板5弯折处与外薄膜1间用粘胶粘牢固定。本实施例二与例一工作原理相同，但只可作为直线驱动器，在直线方向上提供高输出力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，其特征在于：包括外薄膜(1)和剪刀机构骨架(2)，所述外薄膜(1)包覆于剪刀机构骨架(2)外部并与剪刀机构骨架(2)固定连接，所述外薄膜(1)上设置有气动接头(4)；所述剪刀机构骨架(2)由若干个铰接连接的剪刀单元(9)组成，所述剪刀单元(9)包括上下方各两块交叉设置的骨节板(7)，上下方所述骨节板(7)均平行对应，上方两块所述骨节板(7)两端及交叉处与下方所述骨节板(7)对应处之间均设置有碳纤维轴(8)，所述骨节板(7)上与碳纤维轴(8)对应处均设置有铰接螺钉(6)连接，前后相连的所述剪刀单元(9)之间共用两根碳纤维轴(8)连接。

2.根据权利要求1所述的一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，其特征在于：所述骨节板(7)是薄片型板材。

3.根据权利要求1所述的一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，其特征在于：所述外薄膜(1)为柔性的不透气薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种真空驱动的基于剪刀机构的执行器，其特征在于：所述气动接头(4)向外插接设有气管(3)。

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