CN113172640A - 一种软体驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种软体驱动器，包括驱动器本体和包覆于软体驱动器本体外周的束缚层；软体驱动器本体包括由内至外依次叠设的多个弹性层以及封堵于多个弹性层两端的前端盖和后端盖；最外侧弹性层的硬度最大，其余弹性层的硬度由内至外依次递增或相等，在最内侧弹性层的内部形成用于容纳流体的空腔；后端盖为封闭端盖，前端盖上开设有向所述空腔内通入流体的第一通孔；束缚层包覆于最外侧弹性层的部分外侧壁上，为通过在由不可拉伸的弹性材料或弹塑性材料制成的薄片上切割若干个间隔排布的切口后形成的可拉伸薄片，在限制软体驱动器本体膨胀的同时实现其弯曲变形。本发明软体驱动器的输出力大、弯曲变形大且响应频率高，可用于工业和临床医学领域。

Description

一种软体驱动器

技术领域

本发明涉及一种流体驱动的软体驱动器，尤其涉及一种在产生足够弯曲变形的情况下同时产生更大的弯矩力的软体驱动器。属于软体驱动器技术领域。

背景技术

相比于传统的刚性驱动器，具有柔顺性好、自适应性强、灵活性高等特点的软体驱动器，在近几年受到了大量的国内外研究者的关注。通常而言，软体驱动器主要是由与生物有机类似的高顺应性、弹性模量较低的软体材料构成，具体包括硅橡胶、凝胶、介电弹性体、液晶弹性体等。现阶段，软体驱动器的驱动方式有很多种，包括气动驱动、液压驱动、电场驱动、光驱动、化学驱动、温度场驱动等。在这些驱动形式下，软体驱动器能够完成拉伸、扭转、弯曲等变形以实现特定的动作。相比于其它驱动方式，基于流体驱动(液压和气动)的软体驱动器在易碎物体的分拣、神经损伤的患者的康复，以及手术辅助等方面有了初步的应用。目前为止，国内外出现了很多不同的基于流体驱动的软体驱动器，它们拥有着不同的型腔结构和不同形式的束缚层，具体包括：形约束型驱动结构(如Pneu-Net软体结构、球形阵列软体结构、蜂巢气动网络结构、弹性波纹管驱动结构、旋转型气动驱动结构等)、纤维约束型驱动结构、织网约束型驱动结构和颗粒增强型驱动结构等。

现阶段，国内也出现了一些专利对软体驱动器进行了详细地描述，如王丽珍等人发明的“变刚度软体驱动器及使用该驱动器的手部康复训练机器人”(202010090722.6，公开日：2020年06月26日)，陈殿生等人发明的“一种基于新型变刚度结构的刚软耦合气动驱动器”(201810365694.7，公开日：2018年10月09日)，陈文斌等人发明的“一种用于辅助人手四指伸展运动的软体驱动器”(201810259807.5，公开日：2019年11月12日)，王翰飞等人发明的“一种仿鱼骨结构的软体康复手”(201811276358.1，公开日：2019年02月22日)，李育文等人发明的“一种具有硬质外壳强化的软体驱动器”(201910738195.2，公开日：2019年11月26日)等，这些软体驱动器主要是从软体驱动器的制造方式、变形形式的多样性、控制模式等方面出发，但是其驱动器具有弯曲力有限(无法抓取更重的物体，无法在康复训练过程中给患者提供更大的辅助力)，响应频率有限(难以对物体进行快速的分拣)，结构刚度差，与人手的贴合性差等不足之处。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有产品和技术的不足，针对机械手和神经康复的需求，提出了一款输出力大、弯曲变形大、以及响应频率高的软体驱动器，该软体驱动器设计安全、具有一定的刚性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种软体驱动器，其特征在于，包括驱动器本体和包覆于所述软体驱动器本体外周的束缚层；

所述软体驱动器本体，包括由内至外依次叠设的多个弹性层以及封堵于多个弹性层两端的前端盖和后端盖；最外侧弹性层的硬度最大，其余弹性层的硬度由内至外依次递增或相等，在最内侧弹性层的内部形成用于容纳流体的空腔；所述后端盖为封闭端盖，所述前端盖上开设有向所述空腔内通入流体的第一通孔；

所述束缚层，包覆于最外侧弹性层的部分外侧壁上，为通过在由不可拉伸的弹性材料或弹塑性材料制成的薄片上切割若干个间隔排布的切口后形成的可拉伸薄片，用于在束缚所述软体驱动器本体膨胀的同时能够使软体驱动器本体沿着未被束缚层包覆的外侧壁轴向弯曲，增加所述软体驱动器产生的弯曲力。

进一步地，各弹性层为两端开敞的非闭合结构，各弹性层的非闭合端由一底板封堵。

进一步地，所述底板的内侧面上贴设有底层束缚条，用于限制各弹性层底部的膨胀，并保证所述软体驱动器本体沿着所述底板中心轴进行弯曲。

进一步地，在最内侧弹性层的内侧壁上形成有若干分隔壁，将所述空腔分隔为若干腔室，且在各分隔壁上设有用于连通各腔室的第二通孔。

进一步地，所述软体驱动器能够通过并联的形式，形成一种组合式的驱动器来提升该软体驱动器的弯曲力。

本发明的软体驱动器，因为能够产生较大的弯曲变形、较大的弯曲力以及高于4Hz的响应频率，因此其具有以下几种用途：(1)工业领域，能够制造成工业机械手，完成对外形多变、表面易碎物体的快速分拣，而且可以通过并联多个软体驱动器提升驱动器的抓取力，实现对工业中重物的抓取；(2)临床医学领域，可以制造成假手，用于辅助患者进行一些日常的活动，如抓取筷子、水杯等等，也可以制造成康复手套，通过实现日常的牵拉或快速牵拉，活动患者的手指关节等，使其运动功能得到改善,因为其高的柔顺性和安全性，还可以制造成辅助手术等医疗器械。

本发明的核心构思在于，通过不同的硅橡胶层结合外周束缚层，使得软体驱动器本身在产生较大弯曲变形的同时产生较大的弯曲力，例如在1个大气压下能够达到5.3N左右，1.8个大气压下能够达到12N左右。

本发明的核心构思在于，通过采用多个切口(如同虾尾表面)将束缚层表面由刚性材料变成可以弯曲变形的柔性材料，使其能够适应软体驱动器的变形，在限制驱动器本身膨胀的同时实现软体驱动器的弯曲变形。

本发明的核心构思还在于，设计的软体驱动器本身在流体驱动作用下产生高于5Hz的屈曲/伸展、抓取/释放的频率，使其能够完成对物体的快速分拣、关节的快速牵拉。

本发明的核心构思还在于，设计的软体驱动器，可以通过并联的形式，产生更大的弯矩力，抓取更重的重物，适应于人体不同关节的屈曲和伸展运动，这种驱动器安全性高、舒适度高。

相较于现有技术，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明提出了一种软体驱动器，该软体驱动器一方面通过软体驱动器本体与外周束缚层结合，产生更大的弯曲力，另一方面通过采用多层硅橡胶形式的软体驱动器结构，产生更大的弯曲变形，更高的抓取/释放和屈曲/伸展频率。产生这种大的弯曲变形，具有如下优势：能够适应不同形状或形状复杂的物体，具有更强的抓取能力和适应性，特别是对于患者，能够实现更好的人机交互性能。产生这种大的弯曲力，具有如下优势：在同等液体压力输入下，能够抓取更重的物体，能够辅助患者特别是痉挛患者进行最大程度的关节伸展，能够辅助患者进行最大程度的主动训练。本发明将在特殊物体的抓取、分拣、以及神经康复领域等有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例的一种软体驱动器的整体结构示意图；

图2是图1所示软体驱动器的剖视图；

图3是图1所示软体驱动器中驱动器本体的结构示意图；

图4是图1所示软体驱动器中束缚层展开后的平面结构示意图；

图5的(a)和(b)分别是对图1所示软体驱动器进行弯曲力测试的测试平台和测试结果示意图；

图6是本发明实施例的软体驱动器本体的制造流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

参见图1～图4，本发明实施例的一种软体驱动器1，该软体驱动器1可以采用气动或液压驱动的方式，产生高于其他软体驱动器的输出力来辅助抓取或辅助患者的肢体训练。本实施例的软体驱动器1包括软体驱动器本体2和包覆于该软体驱动器本体2外周的束缚层3。软体驱动器本体2包括由内至外依次叠设的多个弹性层(23和24)和封堵于多个弹性层两端的前端盖22和后端盖28；最外侧弹性层的硬度最大，其余弹性层的硬度由内至外依次递增或相等，在最内侧弹性层的内部形成用于容纳流体的空腔；后端盖28为封闭端盖，前端盖22上开设有向最内侧弹性层内通入流体的通孔21。束缚层3包覆于最外侧弹性层的部分外侧壁上，由一种带有定位孔31和切口32的薄片弯曲而成，用于在束缚软体驱动器本体2膨胀的同时能够使驱动器本体2沿着未被束缚层3包覆的弹性层方向弯曲，增加驱动器本体2产生的弯曲力。

本发明实施例中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：

软体驱动器本体2作为本软体驱动器的主体结构，包括由内至外依次叠设的多个弹性层(23和24)和封堵于多个弹性层两端的前端盖22和后端盖28。其中，位于最外侧的弹性层23较于其他弹性层的硬度大，其余弹性层的硬度由内至外逐渐增大或者相等。本发明通过采用不同硬度的弹性层组成的驱动器本体2不仅可以保证驱动器本体具有一定的刚度、而且还能在流体的作用下产生合适的弯曲变形和弯矩。各弹性层的材料包括但不限于硅橡胶和橡胶等超弹性材料，各弹性层的形状根据实际的工业需求或临床需求进行设定(比如说临床中辅助患者手指屈曲和伸展的外骨骼式可以设计成半圆形)，包括但不限于半椭圆形、半圆形等。本实施例中设有内外两个弹性层，均采用硅橡胶制成，外侧弹性层23采用的硅橡胶的硬度高于内侧弹性层24采用的硅橡胶的硬度，分别为邵氏硬度30A和00-30，内外侧弹性层的厚度设置为1:1。前端盖22和后端盖28均由硬度高于软体驱动器本体2中最外侧弹性层的材料组成，如塑料等，其中前端盖22上设有供流体通入的通孔21，后端盖28为封闭端，在气压或液压作用下，保证后端盖28不产生变形，使驱动器本体2产生的弯曲作用力无耗散，增加驱动器本体2的弯矩力。

束缚层3包覆于软体驱动器本体2的部分外侧用于在束缚软体驱动器本体2膨胀的同时能够使驱动器本体2沿着没有包覆的弹性层方向弯曲，使软体驱动器本体2产生更大的弯曲力。参见图4，为束缚层3展开后的形状，束缚层3为通过在由不可拉伸的弹性材料或弹塑性材料制成的薄片上切割若干个间隔排布的切口32后形成的可拉伸薄片。束缚层3的两侧各设有两个定位孔31，在驱动器本体2最外侧弹性层的外表面底部设有四个定位销(该定位销在图中未示意出)，各定位孔31套设在相应的一个定位销上，并将各定位销于相应的定位孔31用胶水固定，以使束缚层3与驱动器本体2最外侧弹性层的外表面相贴合。当束缚层3中两侧的定位孔31弯曲对其时，束缚层3与驱动器本体2弯曲贴合，四个定位孔31位于驱动器本体2的底部，切口部分位于驱动器本体2最外侧弹性层的表面。束缚层3既能束缚软体驱动器本体2沿软体驱动器本体2径向的膨胀，又能使软体驱动器本体2沿着定位孔31的方向产生弯曲变形，束缚层3的硬度要高于软体驱动器本体2，且切口32的大小、排布和形状可以根据驱动体本体2实际的弯曲需求来决定，切口32越小，切口32的排布就越密集，驱动器本体2向外膨胀的能量耗散就越少，驱动器本体2产生的弯曲力越大；切口32的形状包括但不限于矩形、半圆形、半椭圆形和弧线形。不同切口的形状会产生不同的弯曲模式，例如螺旋状的切口，驱动器本体2会产生卷曲的弯曲模式。

进一步地，软体驱动器本体2的多个弹性层可以是两端开敞的闭合结构，也可以是两端开敞的非闭合结构。当各弹性层的厚度较大(一般大于1mm)时，多个弹性层可以采用两端开敞的闭合结构，如椭圆形、圆形和由多种形状围合而成的组合形状。当各弹性层的厚度较小且长度较长时(一般不大于1mm，长度超过10cm)时，在制作各弹性层时容易在弹性层内部产生气泡，从而导致软体驱动器本体2漏气，此时，可以将多个弹性层做成两端开敞的非闭合结构(如半椭圆形、半圆形和由多种形状组成的组合形状)形式，同时在各弹性层的非闭合端通过底板29将各弹性层的非闭合端进行封堵，形成一两端开敞的闭合结构；底板29采用靠进外侧(如最外层)弹性层的弹性材料制成，底板29需完全覆盖束缚层3底部的开敞端。

进一步地，在底板29的内侧面上贴设有底层束缚条27，用于限制弹性层底部的膨胀，保证软体驱动器本体2沿着底板29中心轴进行弯曲。底层束缚条27的硬度应高于组成驱动体本体2的硬度，底层束缚条27的形状包括但不限于锯齿状、长方体和鱼骨状等。

进一步地，在软体驱动器本体2最内侧的弹性层内侧壁上形成有若干分隔壁25，将最内侧弹性层内部形成的空腔分隔为若干腔室，且在各分隔壁25上设有用于连通各腔室的通孔26。本实施例中的分隔壁的厚度为分割的空腔室长度的1/5，将最内侧弹性层中的空腔分割成多个腔室，在各分隔壁25上设有孔道，使得各腔室相互连通，便于气体或液体的流动。各分隔壁25是由软体驱动器本体2中最外侧弹性层的弹性材料制成，以保证发生小的变形，减少软体驱动器本体2弯曲力的耗散。通过在软体驱动器本体2设置分隔壁25，进一步增加软体驱动器的弯曲力。

本实施例的软体驱动器的工作过程如下：

流体从前端盖22开设的通孔21流入，并沿着空腔中分割壁上的孔26，充满整个软体驱动器的空腔，软体驱动器本体2在外周束缚层3的束缚及流体的压力作用下使得软体驱动器产生弯曲变形，充入的流体压力越大弯曲变形越大，产生的弯曲力也就越大；待软体驱动器弯曲到一定程度后，从前端盖22开设的通孔21逐渐抽出里面的流体，在抽出流体的过程中，软体驱动器会慢慢地由弯曲变形恢复到原来的位置，待抽出里面的所有流体后，软体驱动器会恢复到充入流体前的状态，如果继续抽取，驱动器会产生反向弯曲的动作。

为了验证本发明软体驱动器的有效性，将本发明实施例的软体驱动器在如图5中(a)所示的实验平台下测试软体驱动器后端产生的弯曲力，实验平台包括设置于软体驱动器1后端的压力传感器41、位于软体驱动器1前端底部的固定台42、通过流体管路45给软体驱动器1充入流体或抽出流体的控制系统43、设置于流体管路45上的流体传感器44以及将软体驱动器1与固定台42固定的驱动器固定板46。该实验平台的流体传感器44至软体驱动器1前端盖22的距离为3m。通过实验平台的测试，发现该弯矩力要大于哈佛大学的Polygerinos等人(2013)，哈佛大学的Connolly等人(2015)和新加坡国立大学的Yap等人(2016)等研制的同类型的软体驱动器在同等气压或液压下产生的弯曲力，具体而言，在0.1MPa下，能够产生5.3N左右的弯曲力(空压机气体出口的位置距离软体驱动器3m左右)，在0.18MPa下，能够产生12N左右的弯曲力，测试结果参见图5中(b)。

本发明实施例的软体驱动器在不断地通过向前端盖孔21吹气和吸气作用下，能够不断地发生屈曲和伸展的运动，在保持稳定的力输出的同时输出力尽量大的情况下，这种往复动作的频率，即响应频率，能够达到5Hz以上，即在流体的作用下，屈曲和伸展或抓取和释放的切换频率，能够实现快速的货物分拣、机械手的抓取和患者的手指快速屈曲或伸展运动。

进一步地，本发明的软体驱动器可以平行于束缚条的方向并联的排布形式形成并联软体驱动器结构，产生更大的弯矩力，抓取更重的重物，适应身体不同关节的屈曲和伸展等。

本发明实施例的软体驱动器本体的制造流程参见图6，包括以下步骤：

(1)利用带有半圆柱形槽的模具A和半圆柱形的模具B，将硅橡胶材料注入到装配好的模具中，制造半圆柱形软体驱动器本体2的内侧弹性层24；

(2)利用模具A和模具C，将硅橡胶材料注入到装配好的模具中，制造软体驱动器本体最内侧弹性层24中各腔室的分隔壁25；

(3)利用带有半圆柱形槽的模具D和半圆柱形的模具E，将硅橡胶材料注入到装配好的模具中，制造半圆柱形的软体驱动器本体2的最外侧的弹性层23；

(4)利用模具F，制造半圆柱形的软体驱动器本体2的底板的内层，制造同时在底板29内侧加入的束缚条G或束缚条H；

(5)利用模具I，制造半圆柱形的软体驱动器本体2的底板29的外层。

按照上步骤能够制造与图3对应的软体驱动器本体，软体驱动器本体2还可以是半椭圆形等相似的结构。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种软体驱动器，其特征在于，包括驱动器本体和包覆于所述软体驱动器本体外周的束缚层；

所述软体驱动器本体，包括由内至外依次叠设的多个弹性层以及封堵于多个弹性层两端的前端盖和后端盖；最外侧弹性层的硬度最大，其余弹性层的硬度由内至外依次递增或相等，在最内侧弹性层的内部形成用于容纳流体的空腔；所述后端盖为封闭端盖，所述前端盖上开设有向所述空腔内通入流体的第一通孔；

所述束缚层，包覆于最外侧弹性层的部分外侧壁上，为通过在由不可拉伸的弹性材料或弹塑性材料制成的薄片上切割若干个间隔排布的切口后形成的可拉伸薄片，用于在束缚所述软体驱动器本体膨胀的同时能够使软体驱动器本体沿着未被束缚层包覆的外侧壁轴向弯曲，增加所述软体驱动器产生的弯曲力。

2.根据权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，所述束缚层内切口的形状包括矩形、半圆形、半椭圆形和弧线形等类似的形状。

3.根据权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，各弹性层为两端开敞的闭合结构。

4.根据权利要求3所述的软体驱动器，其特征在于，各弹性层的截面形状包括椭圆形、圆形和由多种形状围合而成的组合形状。

5.根据权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，各弹性层为两端开敞的非闭合结构，各弹性层的非闭合端由一底板封堵。

6.根据权利要求5所述的软体驱动器，其特征在于，各弹性层的截面形状包括半椭圆形、半圆形和由多种形状组成的组合形状。

7.根据权利要求5所述的软体驱动器，其特征在于，所述底板的内侧面上贴设有底层束缚条，用于限制各弹性层底部的膨胀，并保证所述软体驱动器本体沿着所述底板中心轴进行弯曲。

8.根据权利要求7所述的软体驱动器，其特征在于，所述底层束缚条的形状包括锯齿状、长方体和鱼骨状。

9.根据权利要求5～8中任一项所述的软体驱动器，其特征在于，在最内侧弹性层的内侧壁上形成有若干分隔壁，将所述空腔分隔为若干腔室，且在各分隔壁上设有用于连通各腔室的第二通孔。

10.根据权利要求1所述的软体驱动器，其特征在于，其能够通过并联的形式，形成一种组合式的驱动器来提升该软体驱动器的弯曲力。

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