CN113858169A - 一种多功能柔性执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能柔性执行器。包括：执行器主体、顶面、底面、硅胶管；整个执行器是一个圆筒结构，执行器主体、顶面、底面形成一个密封结构，顶面上方安装八根硅胶管，用来控制执行器各个气室的压强；执行器主体内部有八个大小相同的倾斜气室，气室之间通过倾斜的挡板隔开；控制执行器每个气室的内部压强可以实现伸缩、弯曲、扭转运动；多个柔性执行器串联成一个柔性机械臂，相邻两个执行器的挡板倾斜方向相反，控制每个执行器的变形就能实现柔性机械臂的伸缩、扭转、弯曲以及组合运动等多种变形模式。多功能柔性执行器和机械臂在医疗健康、智能制造等领域应用前景广阔。

Description

一种多功能柔性执行器
技术领域
本发明涉及医疗健康、智能制造领域的柔性执行器装置，具体涉及一种多功能柔性执行器。
背景技术
现有的柔性执行器大多数都是针对特定任务而设计的，功能单一，灵活度受限，在一些资源有限的特殊环境中，需要利用现有的资源快速制造出能满足任务需求的软体机器人。针对以上情况，有必要研究一种多功能柔性执行器，以适应不同工作场景的需求。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种多功能柔性执行器，采用多气室、预扭转结构使柔性执行器的变形更加灵活，功能更加多样，提升了软体机器人的灵活性。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种多功能柔性执行器
柔性执行器包括执行器主体、顶面、底面和硅胶管，执行器主体为圆环柱状结构，圆环柱状结构内部中空形成环形腔室，环形腔室内沿周向均布有八个大小相同且朝同一方向倾斜的气室，相邻气室之间通过倾斜的挡板相隔；顶面和底面分别密封连接到环形腔室的上下端面；环形腔室中的每个气室均插装有硅胶管，硅胶管下端插入腔室内，上端经顶面穿出后与外部气源相连；
外部气源对环形腔室中其中几个相邻气室抽真空后，相邻气室发生塌陷变形，执行器主体朝塌陷方向弯曲；外部气源对环形腔室中所有气室抽真空，执行器主体朝气室倾斜方向顺时针扭转或逆时针扭转。
外部气源对右侧四个气室抽真空，执行器主体右侧发生塌陷变形，右侧气室的顶面与底面之间的距离变近，执行器主体整体向右倾斜；外部气源对左侧四个气室抽真空，执行器主体左侧发生塌陷变形，执行器主体整体向左倾斜；外部气源对前侧四个气室抽真空，执行器主体前侧发生塌陷变形，执行器主体整体向前倾斜；外部气源对后侧四个气室抽真空，执行器主体后侧发生塌陷变形，执行器主体整体向后倾斜。
柔性执行器包括顺时针柔性执行器和逆时针柔性执行器，顺时针柔性执行器中的所有气室朝顺时针方向倾斜，逆时针柔性执行器中的所有气室朝逆时针方向倾斜。
外部气源对环形腔室中所有气室抽真空，所有挡板均朝倾斜方向塌陷，带动顶面旋转的同时顶面与底面之间的距离变近，顺时针柔性执行器朝顺时针方向扭转，逆时针柔性执行器朝逆时针方向扭转；外部气源对环形腔室充气变成大气压后，顺时针柔性执行器朝逆时针方向扭转直至恢复原状，逆时针柔性执行器的执行器主体朝顺时针方向扭转直至恢复原状。
二、一种多功能柔性机械臂
多功能柔性机械臂主要由多个上述柔性执行器上下对接组成，上下相邻的两个柔性执行器的挡板倾斜方向相反且对接；通过控制柔性机械臂中柔性执行器的气室气压，实现柔性机械臂的伸缩运动、扭转运动、弯曲运动或组合运动；
伸缩运动：柔性机械臂中所有柔性执行器的所有气室同时接入负压，柔性执行器扭转的同时降低高度，上下相邻的两个柔性执行器扭转方向相反，相反方向的扭转运动在对接处抵消，整个机械臂向下收缩；柔性机械臂中所有柔性执行器的所有气室同时接入大气压，柔性执行器逐渐恢复原状，整个机械臂逐渐伸长；从而实现通过控制气室气压实现柔性机械臂的伸缩运动；
扭转运动：柔性机械臂中的所有顺时针柔性执行器的气室同时接入负压，整个机械臂沿顺时针方向转动；柔性机械臂中的所有逆时针柔性执行器的气室同时接入负压，整个机械臂沿逆时针方向转动；
弯曲运动：柔性机械臂中所有柔性执行器的左侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向左弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的右侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向右弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的前侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向前弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的后侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向后弯曲；
对于弯曲运动，驱动任意指定方向的多个相邻气室，机械臂朝指定方向弯曲；
组合运动：通过单独控制每个柔性执行器的气室气压，使整个柔性机械臂呈现出伸缩、扭转和弯曲的复合运动，且均通过改变气室压强调节伸缩量、扭转角度和弯曲角度。
本发明的有益效果是：
多功能柔性执行器可以呈现多种变形模式，将其用于组装软体机器人，可使软体机器人运动更加灵活，具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明去除顶面后的内部结构图；
图3是执行器顺时针扭转；
图4是执行器逆时针扭转；
图5是执行器向左弯曲；
图6是执行器向右弯曲；
图7是执行器向前弯曲；
图8是执行器向后弯曲；
图9是机械臂伸缩示意图；
图10是机械臂扭转示意图；
图11是机械臂弯曲示意图；
图12是机械臂的多种运动组合示意图。
图中，1为执行器主体，2为顶面，3为底面，4为硅胶管，5为挡板。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的柔性执行器包括：执行器主体1、顶面2、底面3、硅胶管4；整个执行器是一个圆筒结构，执行器主体1、顶面2、底面3形成一个密封结构，顶面2上方安装八根硅胶管4，用来控制执行器各个气室的压强。执行器主体1内部有八个大小相同的倾斜气室，气室之间通过倾斜的挡板5隔开。
工作原理如下：
如图3和图4所示，如果八个气室同时接入负压，八个挡板5均沿着其倾斜的方向塌陷，从而带动顶面2旋转，执行器呈现出旋转运动，同时高度降低。如果挡板5在未驱动状态沿顺时针方向倾斜，驱动后执行器顶面2沿顺时针方向扭转，则该执行器为顺时针执行器；反之，如果挡板5在未驱动状态沿逆时针方向倾斜，驱动后执行器顶面2沿逆时针方向扭转，则该执行器为逆时针执行器。
如图5所示，如果执行器左边的四个气室接入负压，顶面左侧塌陷，执行器向左弯曲；如图6所示，如果执行器右边的四个气室接入负压，顶面右侧塌陷，执行器向右弯曲；如图7所示，如果执行器前边的四个气室接入负压，顶面前侧塌陷，执行器向前弯曲；如图8所示，如果执行器后边的四个气室接入负压，顶面后侧塌陷，执行器向后弯曲。
多个柔性执行器上下对接可以串联成一个柔性机械臂，相邻两个柔性执行器的挡板5倾斜方向相反。
如图9所示，如果柔性机械臂的所有执行器的气室同时接入负压，上下相邻柔性执行器方向相反的扭转运动在连接处相互抵消，整个机械臂呈现伸缩运动，控制执行器的内部压强就可以控制机械臂的伸缩量。
如图10所示，柔性机械臂中如果只有顺时针执行器的气室接入负压，整个机械臂沿顺时针方向转动；柔性机械臂中如果只有逆时针执行器的气室接入负压，整个机械臂沿逆时针方向转动。控制执行器的内部压强就可以控制机械臂的扭转角度。
如图11所示，柔性机械臂中如果所有柔性执行器均向左弯曲，整个机械臂就向左弯曲；如果所有柔性执行器均向右弯曲，整个机械臂就向右弯曲；如果所有柔性执行器均向前弯曲，整个机械臂就向前弯曲；如果所有柔性执行器均向后弯曲，整个机械臂就向后弯曲。控制执行器的内部压强就可以控制机械臂的弯曲角度。
单独控制每个执行器的气室气压，整个柔性机械臂就可以实现伸缩运动、扭转运动、弯曲运动中两种或三种的组合，或者使同一机械臂上的柔性执行器呈现不同方向的弯曲状态。具体如图12所示：柔性机械臂上部和下部的柔性执行器弯曲方向相反；或者上部的柔性执行器呈现弯曲状态，下部呈现扭转状态。

Claims (7)

1.一种多功能柔性执行器，其特征在于，柔性执行器包括执行器主体(1)、顶面(2)、底面(3)和硅胶管(4)，执行器主体(1)为圆环柱状结构，圆环柱状结构内部中空形成环形腔室，环形腔室内沿周向均布有八个大小相同且朝同一方向倾斜的气室，相邻气室(5)之间通过倾斜的挡板(5)相隔；顶面(2)和底面(3)分别密封连接到环形腔室的上下端面；环形腔室中的每个气室均插装有硅胶管(4)，硅胶管(4)下端插入腔室内，上端经顶面穿出后与外部气源相连；
外部气源对环形腔室中其中几个相邻气室抽真空后，相邻气室发生塌陷变形，执行器主体(1)朝塌陷方向弯曲；外部气源对环形腔室中所有气室抽真空，执行器主体(1)朝气室倾斜方向顺时针扭转或逆时针扭转。
2.根据权利要求1所述的一种多功能柔性执行器，其特征在于，
外部气源对右侧四个气室抽真空，执行器主体(1)右侧发生塌陷变形，右侧气室的顶面(2)与底面(3)之间的距离变近，执行器主体(1)整体向右倾斜；外部气源对左侧四个气室抽真空，执行器主体(1)左侧发生塌陷变形，执行器主体(1)整体向左倾斜；外部气源对前侧四个气室抽真空，执行器主体(1)前侧发生塌陷变形，执行器主体(1)整体向前倾斜；外部气源对后侧四个气室抽真空，执行器主体(1)后侧发生塌陷变形，执行器主体(1)整体向后倾斜。
3.根据权利要求1所述的一种多功能柔性执行器，其特征在于，柔性执行器包括顺时针柔性执行器和逆时针柔性执行器，顺时针柔性执行器中的所有气室朝顺时针方向倾斜，逆时针柔性执行器中的所有气室朝逆时针方向倾斜。
4.根据权利要求3所述的一种多功能柔性执行器，其特征在于，外部气源对环形腔室中所有气室抽真空，所有挡板(5)均朝倾斜方向塌陷，带动顶面(2)旋转的同时顶面(2)与底面(3)之间的距离变近，顺时针柔性执行器朝顺时针方向扭转，逆时针柔性执行器朝逆时针方向扭转；外部气源对环形腔室充气变成大气压后，顺时针柔性执行器朝逆时针方向扭转直至恢复原状，逆时针柔性执行器的执行器主体(2)朝顺时针方向扭转直至恢复原状。
5.一种多功能柔性机械臂，其特征在于，多功能柔性机械臂主要由多个权利要求1～4任一所述的柔性执行器上下对接组成，上下相邻的两个柔性执行器的挡板(5)倾斜方向相反且对接；通过控制柔性机械臂中柔性执行器的气室气压，实现柔性机械臂的伸缩运动、扭转运动、弯曲运动或组合运动。
6.根据权利要求5所述的一种多功能柔性机械臂，其特征在于，
伸缩运动：柔性机械臂中所有柔性执行器的所有气室同时接入负压，柔性执行器扭转的同时降低高度，上下相邻的两个柔性执行器扭转方向相反，相反方向的扭转运动在对接处抵消，整个机械臂向下收缩；柔性机械臂中所有柔性执行器的所有气室同时接入大气压，柔性执行器逐渐恢复原状，整个机械臂逐渐伸长；从而实现通过控制气室气压实现柔性机械臂的伸缩运动；
扭转运动：柔性机械臂中的所有顺时针柔性执行器的气室同时接入负压，整个机械臂沿顺时针方向转动；柔性机械臂中的所有逆时针柔性执行器的气室同时接入负压，整个机械臂沿逆时针方向转动；
弯曲运动：柔性机械臂中所有柔性执行器的左侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向左弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的右侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向右弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的前侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向前弯曲；柔性机械臂中所有柔性执行器的后侧四个气室同时接入负压，整个机械臂向后弯曲；
组合运动：通过单独控制每个柔性执行器的气室气压，使整个柔性机械臂呈现出伸缩、扭转和弯曲的复合运动，且均通过改变气室压强调节伸缩量、扭转角度和弯曲角度。
7.根据权利要求6所述的一种多功能柔性机械臂，其特征在于，对于弯曲运动，驱动任意指定方向的多个相邻气室，机械臂朝指定方向弯曲。
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