CN112549013A - 一种化学放能反应驱动的柔性执行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人领域，具体涉及一种化学放能反应驱动的柔性执行器，包括执行器主体、执行终端、底座，所述执行器主体包括执行骨架和柔性执行膜，柔性执行膜内部具有中空流体通道，执行骨架沿中空流体通道长度方向设置于其内并将中空流体通道分隔成前后两部分，所述执行终端用以完成所要执行的命令，所述底座用以对执行器主体的下端进行固定，其内部设置气源模块和激励模块。本发明创新性地将化学放能反应与变刚度结构设计结合起来，实现了化学放能反应驱动的柔性执行末端运动，通过变刚度制造与叠覆设计，实现执行末端的仿生；本发明创新性地使用变刚度结构模拟执行末端骨骼结构，采用柔性膜结构包覆骨骼。

Description

一种化学放能反应驱动的柔性执行器

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种化学放能反应驱动的柔性执行器。

背景技术

自动化执行末端作为已广泛发展的自动化执行设备，可在程控模式下执行预期运动目标，其中以机械臂为代表，具有高速、准确以及负载能力强的优点。但因其体积与重量过于庞大，刚性执行末端在携带、设置和装配上均有较大缺陷，因此柔性执行末端成为自动化执行末端的极具潜力的发展方向。柔性执行末端（如柔性抓手、柔性手指或柔性吸盘等）因其自由度高、质量其以及用户交互性好等优点，近年来成为机器人领域的热门研究方向。柔性执行末端的驱动方式主要有：气动驱动、形状记忆材料驱动、介电高弹体驱动和绳驱动等；其特点均为以柔性接触的方法，精准控制柔性材料变形，以实现执行末端的整体运动或部分关节运动。但目前现有的各类柔性执行末端，均不能产生较快的运动表现，同时由于其部分或全部由柔性材料制成，在负载能力方面存在较大缺陷。因此，使用瞬变速驱动方法可有效解决柔性材料无法产生高速、大负载运动的技术难题。

瞬变速驱动方法具体是指在极短时间内，通过高放能现象做功，作用于柔性材料上以产生极大加速度的，具有可重复性的启动、制动方法。化学放能反应作为一种瞬变速驱动方法是瞬时启动、制动的重要实现方法，使用化学放能反应实现柔性末端高速运动的方法，既是符合仿生原则的较优解决方案，又是对化学放能反应驱动方法的重要完善。

与现有技术相比：化学放能反应的优点在于其响应速度极快、输出力大和恢复迅速，化学放能反应更符合执行末端抛物运动的仿生原理，可解决现存执行末端的响应速度慢、负载能力低、驱动速度慢的行业难题。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种化学放能反应驱动的柔性执行器技术方案。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于包括

执行器主体，所述执行器主体包括执行骨架和柔性执行膜，柔性执行膜内部具有中空流体通道，执行骨架沿中空流体通道长度方向设置于其内并将中空流体通道分隔成前后两部分；

执行终端，所述执行终端设置于执行器主体上端，其用以完成所要执行的命令；以及

底座，所述底座用以对执行器主体的下端进行固定，其内部设置气源模块和激励模块，气源模块用以为中空流体通道提供燃料气体，激励模块用以点燃输入中空流体通道内的燃料气体，使点燃后产生的气压驱动执行器主体活动。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行骨架包括柔性骨干和设置于柔性骨干尾端的刚性支架，刚性支架和柔性骨干左右两侧对称布置若干柔性骨分支，刚性支架与底座固定配合，柔性骨干头端与执行终端固定。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述柔性骨干采用变刚度柔性材料制成，从其远离刚性支架一端到接近刚性支架一端，刚度逐渐变大。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述底座的顶部设置用以与刚性支架固定配合的连接端口。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述柔性执行膜为变刚度柔性材料制成，其前侧部表面刚度和后侧部表面刚度一个大一个小，且两者的表面刚度各自均匀。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述气源模块可以同时为中空流体通道的前后两部分提供燃料气体，也可在中空流体通道的前后两部分中择一为其提供燃料气体。

述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行器主体包括依次相连的固定段、支撑段和载物段，支撑段和载物段均为圆弧结构，两个圆弧结构外切，支撑段的圆弧结构开口朝下，载物段的圆弧结构开口朝上，支撑段的圆弧结构直径大于载物段的圆弧结构直径，支撑段和载物段在燃料气体点燃后会发生形变从而促进执行器主体的活动。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述中空流体通道末端设置有单向阀。

所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行终端为真空吸盘、抓手机构、压块、切割机构中的一种。

本发明创新性地将化学放能反应与变刚度结构设计结合起来，实现了化学放能反应驱动的柔性执行末端运动，通过变刚度制造与叠覆设计，实现执行末端的仿生；本发明创新性地使用变刚度结构模拟执行末端骨骼结构，采用柔性膜结构包覆骨骼；本发明较其他柔性执行末端驱动力更高、响应时间更快且平均速度更高；本发明较其他刚性执行末端质量更小、自由度更高且仿生程度更高。

附图说明

图1为实施例1结构示意图；

图2为实施例1截面结构示意图；

图3为实施例1中执行骨架结构示意图；

图4为实施例1做抛射运动前的结构示意图；

图5为实施例1做抛射运动时的结构示意图；

图6为实施例2做物体接触运动前的结构示意图；

图7为实施例2做物体接触运动时的结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、 “另一端”、 “外侧”、 “上”、 “内侧”、 “水平”、 “同轴”、 “中央”、 “端部”、 “长度”、 “外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，一种化学放能反应驱动的柔性执行器，包括

执行器主体，所述执行器主体包括执行骨架2和柔性执行膜1，柔性执行膜1内部具有中空流体通道4，执行骨架2沿中空流体通道4长度方向设置于其内并将中空流体通道4分隔成前后两部分；

执行终端6，所述执行终端6设置于执行器主体上端，其用以完成所要执行的命令；以及

底座5，所述底座5用以对执行器主体的下端进行固定，其内部设置气源模块501和激励模块502，气源模块501用以为中空流体通道4提供燃料气体，激励模块502用以点燃输入中空流体通道4内的燃料气体，使点燃后产生的气压驱动执行器主体活动。

作为优化：所述执行骨架2包括柔性骨干202和设置于柔性骨干202尾端的刚性支架203，刚性支架203和柔性骨干202均左右两侧对称布置若干柔性骨分支201，刚性支架203与底座5固定配合，柔性骨干202头端与执行终端6固定。其中，柔性执行膜1上下两端分别与执行终端6和底座5连接，柔性执行膜1还与柔性骨干202和刚性支架203左右两侧的柔性骨分支201连接，柔性执行膜1与上述部件的连接方式具体可选用粘接。

进一步地，所述柔性骨干202采用变刚度柔性材料制成，从其远离刚性支架203一端到接近刚性支架203一端，刚度逐渐变大。

进一步地，所述底座5的顶部设置用以与刚性支架203固定配合的连接端口503。

作为优化：所述柔性执行膜1为变刚度柔性材料制成，其前侧部表面刚度较后侧部表面刚度大，且两者的表面刚度各自均匀。

作为优化：所述气源模块501可以同时为中空流体通道4的前后两部分提供燃料气体，也可在中空流体通道4的前后两部分中择一为其提供燃料气体。

作为优化：所述执行器主体包括依次相连的固定段7、支撑段8和载物段9，支撑段8和载物段9均为圆弧结构，两个圆弧结构外切，支撑段8的圆弧结构开口朝下，载物段9的圆弧结构开口朝上，支撑段8的圆弧结构直径大于载物段9的圆弧结构直径，支撑段8和载物段9在燃料气体点燃后会发生形变从而促进执行器主体的活动。

作为优化：所述中空流体通道4末端设置有单向阀。

作为优化：所述执行终端6为真空吸盘、抓手机构、压块、切割机构中的一种。

对上述结构的补充说明：所述气源模块501包括燃料气瓶和助燃气瓶，也可以是燃料气体与助燃气体的混合瓶，燃料可选用烷烃，助燃剂选用氧气，气瓶均具有调压阀，能够控制气体输出，所述激励模块502为电火花激励装置，气源模块501通过两根管道穿过连接端口503分别接入中空流体通道4的前后两部分，激励模块502同样有两个激励点火头穿过连接端口503分别接入中空流体通道4的前后两部分，连接端口503上通过常规的密封结构进行密封，防止气体反流至底座5。

以图4、5所示为例解释一种基于化学反应技术的柔性执行器的抛射运动原理。柔性执行膜1的后侧部表面刚度设置为较前侧部表面刚度低，通过气源模块501向中空流体通道4前后两部分均持续输入燃料气体，并通过激励模块502点燃通入的燃料气体，瞬间产生极大压强，气体压强作用于柔性执行膜1内表面，由于刚度差异，柔性执行膜1的后侧部表面产生的形变要远大于其前侧部表面，后侧部表面的大变形使得执行器主体由图4的形状变形为图5的形状，即实现物体的抛射运动。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：所述柔性执行膜1的前侧部表面刚度较后侧部表面刚度小。

以图6、7所示为例解释一种基于化学反应技术的柔性执行器的接触运动原理。柔性执行膜1的后侧部表面刚度设置为较前侧部表面刚度高，通过气源模块501向中空流体通道4前后两部分均持续输入燃料气体，并通过激励模块502点燃通入的燃料气体，瞬间产生极大压强，气体压强作用于柔性执行膜1内表面，由于刚度差异，柔性执行膜1的前侧部表面产生的形变要远大于其后侧部表面，前侧部表面的大变形使得执行器主体由图6的形状变形为图7的形状，即实现柔性执行器的接触运动，通过柔性执行器的执行终端6执行相应的命令，例如吸取物体、抓取物体等。

实施例3

本实施例与实施例1、2的区别在于：所述柔性执行膜1的前侧部表面刚度与后侧部表面刚度相同。

本实施例做抛射动作时，通过气源模块501向中空流体通道4的后侧部分通入更多的燃料气体两部分均持续输入燃料气体，并通过激励模块502点燃通入的燃料气体，使柔性执行膜1的后侧部产生更大的变形，带动执行器主体做出抛射动作；本实施例做物体接触动作时，通过气源模块501向中空流体通道4的前侧部分通入更多的燃料气体两部分均持续输入燃料气体，并通过激励模块502点燃通入的燃料气体，使柔性执行膜1的前侧部产生更大的变形，带动执行器主体做出接触动作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于包括

执行器主体，所述执行器主体包括执行骨架（2）和柔性执行膜（1），柔性执行膜（1）内部具有中空流体通道（4），执行骨架（2）沿中空流体通道（4）长度方向设置于其内并将中空流体通道（4）分隔成前后两部分；

执行终端（6），所述执行终端（6）设置于执行器主体上端，其用以完成所要执行的命令；以及

底座（5），所述底座（5）用以对执行器主体的下端进行固定，其内部设置气源模块（501）和激励模块（502），气源模块（501）用以为中空流体通道（4）提供燃料气体，激励模块（502）用以点燃输入中空流体通道（4）内的燃料气体，使点燃后产生的气压驱动执行器主体活动。

2.根据权利要求1所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行骨架（2）包括柔性骨干（202）和设置于柔性骨干（202）尾端的刚性支架（203），刚性支架（203）和柔性骨干（202）左右两侧对称布置若干柔性骨分支（201），刚性支架（203）与底座（5）固定配合，柔性骨干（202）头端与执行终端（6）固定。

3.根据权利要求2所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述柔性骨干（202）采用变刚度柔性材料制成，从其远离刚性支架（203）一端到接近刚性支架（203）一端，刚度逐渐变大。

4.根据权利要求2所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述底座（5）的顶部设置用以与刚性支架（203）固定配合的连接端口（503）。

5.根据权利要求1-4中任一所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述柔性执行膜（1）为变刚度柔性材料制成，其前侧部表面刚度和后侧部表面刚度一个大一个小，且两者的表面刚度各自均匀。

6.根据权利要求1-4中任一所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述气源模块（501）可以同时为中空流体通道（4）的前后两部分提供燃料气体，也可在中空流体通道（4）的前后两部分中择一为其提供燃料气体。

7.根据权利要求1-4中任一所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行器主体包括依次相连的固定段（7）、支撑段（8）和载物段（9），支撑段（8）和载物段（9）均为圆弧结构，两个圆弧结构外切，支撑段（8）的圆弧结构开口朝下，载物段（9）的圆弧结构开口朝上，支撑段（8）的圆弧结构直径大于载物段（9）的圆弧结构直径，支撑段（8）和载物段（9）在燃料气体点燃后会发生形变从而促进执行器主体的活动。

8.根据权利要求1-4中任一所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述中空流体通道（4）末端设置有单向阀。

9.根据权利要求1-4中任一所述的一种化学放能反应驱动的柔性执行器，其特征在于所述执行终端（6）为真空吸盘、抓手机构、压块、切割机构中的一种。

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