CN113266617B - 一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体驱动领域，公开了一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，包括操作手柄、旋转套筒以及液压缸固定座，所述液压缸固定座上安装有多个液压缸；所述旋转套筒上端与操作手柄连接；旋转套筒下端与液压缸固定座连接；所述液压缸固定座中的液压缸通过液压管路与软体执行器连接；通过旋转旋转套筒和控制操作手柄可调整控制器内部三个液压缸的压缩量，从而改变软体执行器的长度、弯曲角度和方向角。本发明可以在空间受限、无能源供给或能量敏感环境中对软体执行器进行驱动控制，无需常规由电机、泵、阀等构成的流体动力系统，无需额外能源和电子元件，并自带机械解耦和力反馈功能中。

Description

一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器

技术领域

本发明属于流体驱动领域，尤其涉及一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器。

背景技术

随着工业自动化的发展和社会需求的增加，软体执行器开始应用在狭窄、非结构化环境中来替代传统刚性执行器以实现高效作业，其中流体驱动三容腔软体执行器被广泛应用在作业任务中，如特殊环境作业、深海采样、医疗手术及运动康复等。研究人员针对三容腔软体执行器驱动控制已开展了相关研究，目前的研究方案多集中于基于电机、泵、阀及压力传感器等电子设备构成的流体动力控制系统。受限于电子设备的能源需求及环境安全性等问题，在空间受限、能源受限或能量敏感环境中无法使用电子设备对软体执行器进行驱动控制，例如矿井、核磁环境及深海环境等，这极大地限制了流体驱动软体执行器的应用与发展。

发明内容

本发明要解决的问题是设计一种模块化主端控制器，为应用在医疗、水下、工业、服务中的流体驱动软体执行器的主从控制提供新型器件，可以在空间受限、无能源供给或危险的环境中替代人类开展作业任务，无需常规由电机、泵、阀等构成的流体动力系统，无需额外能源和电子元件，自带机械解耦和力反馈功能。

为解决上述技术问题，本发明的一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器的具体技术方案如下：

一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，包括操作手柄、旋转套筒以及液压缸固定座，所述液压缸固定座上安装有多个液压缸；所述旋转套筒上端与操作手柄连接；旋转套筒下端与液压缸固定座固定连接；所述液压缸固定座中的液压缸通过液压管路与软体执行器连接；通过控制操作手柄可调整控制器内部多个液压缸的压缩量，从而改变软体执行器的弯曲角度和方向角。

进一步地，所述操作手柄与液压缸活塞杆顶端紧密贴合，操作手柄自带力反馈功能，可将软体执行器的受外力情况传递给操纵者。

进一步地，所述旋转套筒包括旋转套筒主体以及旋转手柄，所述旋转套筒主体为空心圆柱状，旋转套筒主体内表面上端设计有半球台阶面，半球台阶面与操作手柄配合连接，旋转套筒主体下端与液压缸固定座固定连接，旋转套筒主体外表面上端对称设置有两平行切面，切面上各开有一个螺纹孔，旋转手柄通过螺纹孔与旋转套筒主体连接，通过旋转手柄来旋转旋转套筒实现同步调节内部液压缸的压缩量，从而实现对软体执行器的长度控制。

进一步地，所述旋转套筒主体内表面下端有内螺纹，液压缸固定座上端有与旋转套筒主体内表面下端的内螺纹匹配的外螺纹，旋转套筒主体与液压缸固定座螺纹连接。

进一步地，所述操作手柄的结构为一体化设计，包括球状握持结构、连杆以及半球状活塞结构，所述连杆的上端连接球状握持结构，下端连接半球状活塞结构。所述半球状活塞结构与液压缸活塞杆顶端紧密贴合。

进一步地，所述液压缸固定座包括液压缸活塞杆、液压缸、液压缸固定座、液压缸固定通孔、液压缸安装孔、液压缸固定座轴线通孔以及液压快接头；所述液压缸固定座整体设计为圆柱结构，沿圆柱轴线开有液压缸固定座轴线通孔，液压缸固定座轴线通孔外侧等角度间隔分布有多个液压缸安装孔，每个液压缸安装孔底部开有多个液压缸固定通孔，液压缸通过液压缸固定通孔装配在液压缸固定座上，液压缸出油口装配有液压快接头，液压快接头连接的液压管路统一经过液压缸固定座轴线通孔从液压缸固定座底部穿出。

进一步地，所述液压缸活塞杆上端还配有帽靴，液压缸活塞杆上端有外螺纹，帽靴内部有内螺纹，帽靴和液压缸活塞杆通过螺纹进行紧密连接。

进一步地，所述液压缸固定座底部等角度间隔分布有多个液压缸固定座安装螺纹孔，利用液压缸固定座安装螺纹孔可将模块化主端控制器安装固定在操作台面上。

进一步地，所述操作手柄或旋转手柄可以同时控制多个液压缸活塞杆的位移。

进一步地，所述液压缸的数量为三个。

本发明的一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器具有以下优点：

本发明中设计的模块化机械式主端控制器，为应用在医疗、水下、工业、服务中的流体驱动软体执行器的主从控制提供新型器件，可以在空间受限、无能源供给或危险的环境中替代人类开展作业任务，无需常规由电机、泵、阀等构成的流体动力系统，无需额外能源和电子元件，并自带机械解耦和力反馈功能，可在空间受限、能源受限或能量敏感环境中对软体执行器进行驱动控制。

附图说明

图1是本发明中的模块化机械式主端控制器整体结构示意图。

图2是本发明中的模块化机械式主端控制器的操作手柄的结构示意图。

图3是本发明中的模块化机械式主端控制器的旋转套筒的结构示意图。

图4是本发明中的模块化机械式主端控制器的液压缸固定座的结构示意图。

图5是本发明中的模块化机械式主端控制器的液压缸固定座的俯视图。

图中标记说明：1、操作手柄，2、旋转套筒，3、液压缸固定座，4、球状握持结构，5、连杆，6、半球状活塞结构，7、旋转套筒主体，8、旋转手柄，9、帽靴，10、液压缸活塞杆，11、液压缸，12、液压缸固定座，13、液压缸固定座安装螺纹孔，14、液压缸固定通孔，15、液压缸安装孔，16、液压缸固定座轴线通孔，17、液压快接头。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，包括操作手柄1、旋转套筒2以及液压缸固定座3三个部分。所述液压缸固定座3上安装有三个液压缸11；旋转套筒2为空心圆柱状，内表面上端与操作手柄1连接，内表面下端设计有内螺纹，液压缸固定座3上端有与旋转套筒主体7内表面下端的内螺纹匹配的外螺纹，旋转套筒主体7与液压缸固定座3螺纹连接，液压缸固定座3中的液压缸11通过液压管路与软体执行器连接。操作手柄1用于调整控制器内部三个液压缸的压缩量，从而改变软体执行器的弯曲角度和方向角，因操作手柄1直接驱动液压缸，软体执行器的受外力情况可以反应为内部腔道的压力情况，并由液压缸传递到操作手柄1，即当软体执行器运动受阻时，操作手柄1需要的驱动力会产生明显变化，因此操作手柄1可实现对软体执行器的解耦控制并自带力反馈功能，可将软体执行器的受外力情况传递给操纵者。旋转套筒2用于同步调整控制器内部三个液压缸的预压缩量，从而改变软体执行器的整体长度。此外，旋转套筒2作为整个控制器外壳的一部分分别与操作手柄1和液压缸固定座3相配合连接形成完整的控制器。液压缸固定座3用于固定控制器所使用的三个液压缸以及在其内部布置所有液压接头与管路。此外，液压缸固定座3还用于将控制器整体连接部署到操作台面上，便于操作及实现多软体执行器的串联控制。

如图2所示，操作手柄1的结构为一体化设计，包括球状握持结构4、连杆5以及半球状活塞结构6三个部分。连杆5的上端连接球状握持结构4，下端连接半球状活塞结构6。所述球状握持结构4为操纵者提供交互功能，在实现对软体执行器进行解耦控制的同时也作为机械式的力反馈传感器将软体执行器的受外力情况反馈给操纵者。半球状活塞结构6与液压缸活塞杆顶端的帽靴9紧密贴合，从而在操纵者操作时将操纵手柄1和旋转套筒2的动作转化为液压缸11的活塞压缩量，实现对软体执行器的弯曲角度、方向角以及长度的调整。

如图3所示，旋转套筒2包括旋转套筒主体7以及旋转手柄8。旋转套筒主体7设计为空心圆柱状，内表面上端设计有半球台阶面，与操作手柄1相配合。内表面下端设计有内螺纹，与液压缸固定座3相配合以实现整套装置的装配。外表面上端对称设计有两平行切面，切面上各开有一个螺纹孔，用于固定旋转手柄8，通过旋转手柄8来旋转旋转套筒2以实现同步调节内部三个液压缸的压缩量，从而实现对软体执行器的长度控制。

如图4图5所示，液压缸固定座3包括帽靴9、液压缸活塞杆10、液压缸11、液压缸固定座12、液压缸固定座安装螺纹孔13、液压缸固定通孔14、液压缸安装孔15、液压缸固定座轴线通孔16以及液压快接头17。液压缸固定座3整体设计为圆柱结构，沿圆柱轴线开有液压缸固定座轴线通孔16，液压缸固定座轴线通孔16外侧等角度间隔分布有三个液压缸安装孔15，每个液压缸安装孔15底部开有四个液压缸固定通孔14，液压缸11通过液压缸固定通孔14装配在液压缸固定座12上，液压缸11出油口装配有液压快接头17，快接头17连接的液压管路统一经过液压缸固定座轴线通孔16从液压缸固定座12底部穿出。液压缸活塞杆10上端有外螺纹，帽靴9设计有内螺纹，二者通过螺纹进行紧密连接，帽靴9主要起到减小控制过程中液压缸活塞杆10和半球状活塞结构6的摩擦的作用，通过操纵操作手柄1或旋转手柄8可以同时控制三个液压缸活塞杆10的位移，从而使液压缸11改变输出压力来调整软体执行器的位姿。液压缸固定座12底部等角度间隔分布有三个液压缸固定座安装螺纹孔13，利用液压缸固定座安装螺纹孔13可将模块化主端控制器安装固定在操作台面上，便于开展对软体执行器的驱动控制以及实现多软体执行器的串联控制。

本发明的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器的工作原理如下：

初始状态使用旋转手柄旋转旋转套筒将液压缸活塞杆与半球状活塞结构紧密贴合在一起，即对液压缸设置同步预压缩。沿某一方向推动操作手柄即可控制软体执行器的弯曲角度，沿半球状活塞结构的圆周转动操作手柄即可控制软体执行器的方向角，利用旋转手柄旋转旋转套筒同步改变三个液压缸的压缩量，即可控制软体执行器的长度，通过上述过程可实现对软体执行器的机械解耦控制。同时，由于操作手柄通过传动部件及液压管路直接与软体执行器相连，自带力反馈功能，操作者可通过操作手柄来感知软体执行器受外力情况。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，包括操作手柄（1）、旋转套筒（2）以及液压缸固定座（3），其特征在于，所述液压缸固定座（3）上安装有多个液压缸（11）；所述旋转套筒（2）上端与操作手柄（1）连接；旋转套筒（2）下端与液压缸固定座（3）螺纹连接；所述液压缸固定座（3）中的液压缸（11）通过液压管路与软体执行器连接；所述操作手柄（1）与液压缸活塞杆（10）顶端紧密贴合，操作手柄（1）自带力反馈功能，可将软体执行器的受外力情况传递给操纵者，通过控制操作手柄（1）可调整控制器内部多个液压缸（11）的压缩量，从而改变软体执行器的弯曲角度和方向角；所述操作手柄（1）的结构为一体化设计，包括球状握持结构（4）、连杆（5）以及半球状活塞结构（6），所述连杆（5）的上端连接球状握持结构（4），下端连接半球状活塞结构（6），所述半球状活塞结构（6）与液压缸活塞杆（10）顶端紧密贴合；所述旋转套筒（2）包括旋转套筒主体（7）以及旋转手柄（8），旋转套筒主体（7）内表面上端设计有半球台阶面，半球台阶面与操作手柄（1）配合连接，旋转套筒主体（7）下端与液压缸固定座（3）螺纹连接，通过旋转手柄（8）来旋转旋转套筒（2）实现同步调节内部液压缸的压缩量，从而实现对软体执行器的长度控制。

2.根据权利要求1所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述旋转套筒主体（7）为空心圆柱状，旋转套筒主体（7）外表面上端对称设置有两平行切面，切面上各开有一个螺纹孔，旋转手柄（8）通过螺纹孔与旋转套筒主体（7）连接。

3.根据权利要求2所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述旋转套筒主体（7）内表面下端有内螺纹，液压缸固定座（3）上端有与旋转套筒主体（7）内表面下端的内螺纹匹配的外螺纹，旋转套筒主体（7）与液压缸固定座（3）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述液压缸固定座（3）包括液压缸活塞杆（10）、液压缸缸体、液压缸安装座（12）、液压缸固定通孔（14）、液压缸安装孔（15）、液压缸固定座轴线通孔（16）以及液压快接头（17）；所述液压缸固定座（3）整体设计为圆柱结构，沿圆柱轴线开有液压缸固定座轴线通孔（16），液压缸固定座轴线通孔（16）外侧等角度间隔分布有多个液压缸安装孔（15），每个液压缸安装孔（15）底部开有多个液压缸固定通孔（14），液压缸缸体通过液压缸固定通孔（14）装配在液压缸安装座（12）上，液压缸缸体出油口装配有液压快接头（17），液压快接头（17）连接的液压管路统一经过液压缸固定座轴线通孔（16）从液压缸安装座（12）底部穿出。

5.根据权利要求4所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述液压缸活塞杆（10）上端还配有帽靴（9），液压缸活塞杆（10）上端有外螺纹，帽靴（9）内部有内螺纹，帽靴（9）和液压缸活塞杆（10）通过螺纹进行紧密连接。

6.根据权利要求4所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述液压缸安装座（12）底部等角度间隔分布有多个液压缸固定座安装螺纹孔（13），利用液压缸固定座安装螺纹孔（13）可将模块化主端控制器安装固定在操作台面上。

7.根据权利要求2所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述操作手柄（1）或旋转手柄（8）可以同时控制多个液压缸活塞杆（10）的位移。

8.根据权利要求1-7任一项所述的面向流体驱动软体执行器的模块化机械式主端控制器，其特征在于，所述液压缸（11）的数量为三个。

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