CN112894785B - 基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器 - Google Patents

基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，包括腔体、顶部法兰、底部端盖以及连接杆，其中：顶部法兰上设置有与腔体顶部轮廓面相匹配的顶部安装槽；底部端盖上设置有与腔体底部轮廓面相匹配的底部安装槽；腔体的顶部、底部分别与顶部法兰、底部端盖契合连接；所述连接杆穿过所述腔体内部，连接杆的两端分别连接底部端盖和顶部法兰。本发明基于气腔几何形状的设计，通过端盖、气管、法兰等零件结合成一体，提高了现有软体扭转驱动器的性能。具有单位长度的扭转角度大、负载能力强的特点。

Description

基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，具体地，涉及一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器。
背景技术
软体气动驱动器指由弹性模量较低的软材料构成、具有较高柔性、由气体驱动的驱动器。因其制备材料具有很好的柔性，可承受较大应变，顺应性、环境适应性强。同时，其在人机交互的过程中具有较好的安全性，因此具备很好的应用前景，如采用软体驱动器的微型机械手进行手术等。
现有的软体扭转驱动器大多难以实现较大的单位扭转(每单位长度产生的扭转)和较大的输出力矩，难以满足负载要求较高的应用场景，相对于传统的电机驱动还有较大差距。因此，需要开发一种输出力矩、扭转角度较大的软体扭转驱动器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器。
根据本发明提供的一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，包括腔体、顶部法兰、底部端盖以及连接杆，其中：
顶部法兰上设置有与腔体顶部轮廓面相匹配的顶部安装槽；
底部端盖上设置有与腔体底部轮廓面相匹配的底部安装槽；
腔体的顶部、底部分别与顶部法兰、底部端盖契合连接；
所述连接杆穿过所述腔体内部，连接杆的两端分别连接底部端盖和顶部法兰。
优选地，所述腔体由多个弧形板围合而成，所述多个弧形板向腔体的轴线方向凹陷。
优选地，所述弧形板包括凹型板和凸型板，所述凹型板和凸型板交替连接并围合形成腔体。
优选地，所述凹型板和凸型板为半圆形板。
优选地，由弧形板的两端向中间方向，所述弧形板向腔体的轴线方向凹陷的距离递增。
优选地，弧形板向腔体的轴线方向凹陷的轮廓呈抛物线状。
优选地，所述腔体的上部分区域和下部分区域相对旋转错位设置。
优选地，所述连接杆设置在所述腔体的轴线上，所述连接杆与所述腔体不接触。
优选地，所述连接杆上设置有孔道。
优选地，顶部端盖和顶部法兰上均设置有连接孔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明基于气腔几何形状的设计，通过端盖、气管、法兰等零件结合成一体，提高了现有软体扭转驱动器的性能。
2、本发明结构巧妙、设计紧凑，具有单位长度的扭转角度大、负载能力强的特点。
3、本发明体积能量密度较高，设计方法鲁棒性好，从几何形状参数化设计出发，提供了较大的设计空间。
4、本发明便于集成到复杂的机械手、机器人中；其易于加工制造且成本低，可快速制造原型。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明提供的扭转驱动器的整体外观图。
图2是驱动器的腔体结构和几何参数示意图。
图3是驱动模块的装配爆炸图。
图4是轴向限制模块的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，根据本发明提供的一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，包括腔体、顶部法兰、底部端盖以及连接杆，其中：顶部法兰上设置有与腔体顶部轮廓面相匹配的顶部安装槽；底部端盖上设置有与腔体底部轮廓面相匹配的底部安装槽；腔体的顶部、底部分别与顶部法兰、底部端盖契合连接；所述连接杆穿过所述腔体内部，连接杆的两端分别连接底部端盖和顶部法兰。腔体由多个弧形板围合而成，所述多个弧形板向腔体的轴线方向凹陷。弧形板包括凹型板和凸型板，所述凹型板和凸型板交替连接并围合形成腔体。所述凹型板和凸型板为半圆形板。由弧形板的两端向中间方向，所述弧形板向腔体的轴线方向凹陷的距离递增。弧形板向腔体的轴线方向凹陷的轮廓呈抛物线状。腔体的上部分区域和下部分区域相对旋转错位设置。连接杆设置在所述腔体的轴线上，所述连接杆与所述腔体不接触。连接杆上设置有孔道。顶部端盖和顶部法兰上均设置有连接孔。
下面对本发明的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器进一步说明，如图2所示，本发明的软材料腔体通过马蹄形横截面1、弧形侧边2和上下扭转角度3确定。马蹄形截面由六段半径相等的圆弧首尾相接而成，其半径大小和外径大小均可自由变化；侧边由三段半径相等的圆弧组成，其首尾相接并两两相切，同时两端圆弧与上下端面垂直；通过两者的组合可得基本的驱动腔体，而后通过加厚操作得到驱动器；上下扭转一定的角度实现方式为底部端面固定，顶部端面相对其产生扭转的角度，且在任意处截面的扭转角度通过线性的插值得到。得到驱动器的基本结构之后，需要用底部端盖4和顶部法兰6进行组装。驱动器底部中空，可通过密封胶、密封环等嵌入到底部端盖上；底部端盖中心留有气孔，可安装气动接头进行驱动，四周设置了通孔便于固定和安装；驱动器顶部5进行密封，再通过密封胶安装到顶部法兰上，其形式较为自由，可根据工况灵活设计法兰。
对于本发明的使用条件，可作如下说明：其驱动形式为气动驱动，规定其正压驱动下扭转为正方向，则加载负压时可实现反方向的扭转；实际使用中可实现从负压到正压的连续驱动。
上述展示的配置可实现驱动器的自由扭转并伴有轴向方向的伸长现象，适用于人直接交互或操作；此外，还可通过固定两端距离实现驱动器的纯扭转运动。底部端盖和顶部法兰均留有较小的连接孔7，可使用线绳等纤维材料进行连接，此种配置在不妨碍扭转的前提下能够有效地限制轴向运动。通过设计的连接杆8将两端固连，可有效限制其轴向伸长或收缩，其与顶部法兰通过轴承连接，保证驱动器输出端可自由旋转。其中部留有孔道9，可使输入气体充满整个腔体。
本发明的驱动器采用聚氨酯材料进行制作，通过复膜的工艺，加工的驱动器表面质量好、材料分布均匀、鲁棒性好。通过改变聚氨酯成分的配比，可方便地改变其硬度邵氏。其余部件如底部端盖、顶部法兰等均通过3D打印制作而成。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，包括腔体、顶部法兰、底部端盖以及连接杆，其中：
顶部法兰上设置有与腔体顶部轮廓面相匹配的顶部安装槽；
底部端盖上设置有与腔体底部轮廓面相匹配的底部安装槽；
腔体的顶部、底部分别与顶部法兰、底部端盖契合连接；
所述连接杆穿过所述腔体内部，连接杆的两端分别连接底部端盖和顶部法兰；所述腔体由多个弧形板围合而成，所述多个弧形板向腔体的轴线方向凹陷；
所述弧形板包括凹型板和凸型板，所述凹型板和凸型板交替连接并围合形成腔体。
2.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，所述凹型板和凸型板为半圆形板。
3.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，由弧形板的两端向中间方向，所述弧形板向腔体的轴线方向凹陷的距离递增。
4.根据权利要求3所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，弧形板向腔体的轴线方向凹陷的轮廓呈抛物线状。
5.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，所述腔体的上部分区域和下部分区域相对旋转错位设置。
6.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，所述连接杆设置在所述腔体的轴线上，所述连接杆与所述腔体不接触。
7.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，所述连接杆上设置有孔道。
8.根据权利要求1所述的基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，其特征在于，底部端盖和顶部法兰上均设置有连接孔。
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