CN113878563B - 一种基于自激振荡原理的气动软体致动器驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于自激振荡原理的气动软体致动器驱动系统，包括气源，调节阀和双稳态输出反馈式射流振荡器。双稳态输出反馈式射流振荡器，包括设置在上游的入口，设置在下游的输出口，在入口和输出口之间依次设置有与入口喷管、振荡腔和两个输出通道；入口喷管，包括喷管收缩段和喷管喉部；振荡腔，从前到后逐渐扩张，振荡腔的后部分为两路，一路与第一输出通道相连通，另一路与第二输出通道相连通，在第一输出通道和喷管喉部之间设置有第一反馈回路出口；在第二输出通道和喷管喉部之间设置有第二反馈回路出口；在两个输出通道上分别设置有排气口。

Description

一种基于自激振荡原理的气动软体致动器驱动系统
技术领域
本发明涉及气动软体机器人驱动领域，具体涉及一种基于流体自激振荡原理的无电子元件且无运动部件的驱动气动软体致动器。
背景技术
软体机器人本体结构由柔韧性材料制成，相比于刚性机器人，软体机器人具有可任意变形、吸收振动的特点，在不确定环境的适应性和人机接触上有刚性机器人无法比拟的优点，因此软体机器人在探测、医疗及救援等领域拥有广阔的应用前景。
目前，大多数气动或液动软体机器人由刚性的电子元件和换向阀驱动的方法，因此还需要携带电源。这些刚性的电子元件、换向阀及电源往往具有较大的重量，且在运动时会产生较大的振动，导致软体机器人缺乏足够的灵活性和适应性，限制了软体机器人的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明在提供的双稳态输出反馈式射流振荡器的基础上，还提供了一种基于流体自激振荡原理的无电子元件且无运动部件的驱动气动软体致动器，其目的是克服传统气动软体机器人需要用单片机和换向阀等电子元器件驱动的方式，与传统的方法相比，降低了软体机器人的负载，简化软体机器人的结构，并且提升了软体致动器的动作频率。技术方案如下：
一种双稳态输出反馈式射流振荡器，包括设置在上游的入口31，设置在下游的输出口36，在入口31和输出口36之间依次设置有与入口喷管32、振荡腔34和两个输出通道35；其中，
入口喷管32，包括喷管收缩段321和喷管喉部322；
振荡腔34，从前到后逐渐扩张，振荡腔34的后部分为两路，一路与第一输出通道351相连通，另一路与第二输出通道352相连通，在第一输出通道351和喷管喉部322之间设置有第一反馈回路出口341；在第二输出通道352和喷管喉部322之间设置有第二反馈回路出口342；在两个输出通道上分别设置有排气口33。
本发明同时提供一种基于自激振荡原理的气动软体致动器驱动系统，包括气源1，调节阀2和双稳态输出反馈式射流振荡器3，其中，
双稳态输出反馈式射流振荡器3，包括设置在上游的入口31，设置在下游的输出口36，在入口31和输出口36之间依次设置有与入口喷管32、振荡腔34和两个输出通道35；入口喷管32，包括喷管收缩段321和喷管喉部322；振荡腔34，从前到后逐渐扩张，振荡腔34的后部分为两路，一路与第一输出通道351相连通，另一路与第二输出通道352相连通，在第一输出通道351和喷管喉部322之间设置有第一反馈回路出口341；在第二输出通道352和喷管喉部322之间设置有第二反馈回路出口342；
在两个输出通道上分别设置有排气口33；
气源1通过调节阀2连通到双稳态输出反馈式射流振荡器3的入口31。
本发明与现有技术相比的优势在于：
(1)除了气源外无需再携带其他电子电路元件。本发明通过流体内部相互作用实现射流的切换，无需单片机、换向阀、电源等刚性电子元器件，使系统结构简单，抗干扰能力强，重量轻。
(2)驱动系统没有运动部件。本发明是通过射流振荡器内部流体的相互作用实现射流的切换，从而给不同的致动器充气，因此整个系统没有运动的部件，因此有较长的寿命，使系统更可靠，并消除了因为运动部件而产生的振动。
(3)气动软体致动器具有较高的频率。传统驱动方法依靠换向阀切换射流方向，致动器的运动频率受电磁阀本身的性能限制，一般在2-3HZ之间。而本发明是基于自激振荡原理实现气动软体致动器的周期性运动，完全依靠流体自身的作用和反馈，不受运动部件的限制，因此有较高的运动频率。
附图说明
图1为本发明提供的气动软体致动器及其驱动系统的整体结构示意图。
图2为图1中双稳态输出反馈式射流振荡器的入口喷管和振荡腔的局部结构图。
图3为图1中双稳态输出反馈式射流振荡器的正视图。
图4为图1中双稳态输出反馈式射流振荡器的侧视图。
图5为图4的A向剖视图。
图6为射流一开始附着第二附壁面的示意图。
图7为第二气动软体致动器内部达到一定压力，一部分射流通过反馈回路通路推动射流偏向第一附壁面前一瞬间的示意图。
图8为射流开始附着第一附壁面，第二气动软体致动器内部气体通过第二排气口放气的示意图。
附图标记说明
1-气源；2-调压阀；3-双稳态输出反馈式射流振荡器；31-双稳态输出反馈式射流振荡器入口；32-入口喷管；321-喷管收缩段；322-喷管喉部；33-排气口；331-第一排气口；332-第二排气口；34-振荡腔；341-第一反馈回路出口；342-第二反馈回路出口；343-第一附壁面；344-第二附壁面；35-输出通道；351-第一输出通道；352-第二输出通道；36-输出口；361-第一输出口；362-第二输出口；37-反馈回路入口；371-第一反馈回路入口；372-第二反馈回路入口；38-反馈回路通路；381-第一反馈回路通路；382-第二反馈回路通路；4-气动软体致动器；41-第一气动软体致动器；42-第二气动软体致动器。
具体实施方式
本发明提供的基于自激振荡原理的气动软体致动器及其驱动系统，包括：空气压缩机、调压阀、双稳态输出反馈式射流振荡器、气动软体致动器。
所述空气压缩机输出口与调压阀相连，由调压阀调节合适的输出气压。
所述调压阀输出口与双稳态输出反馈式射流振荡器进气口相连。
所述双稳态输出反馈式射流振荡器的两个输出口可各连接一个气动软体致动器。
连接好上述结构后，打开空气压缩机放气口，压缩气体通过调压阀调压后，进入双稳态输出反馈式射流振荡器入口，气体在入口喷管中加速后进入振荡腔，由于射流的卷吸和康达效应(Coanda Effect)，射流会随机附着一侧的壁，并从这一侧壁的下游输出口流出，进而给连接在这一侧下游的气动软体致动器充气，当下游输出口气压也就是气动软体致动器内部气压达到一定程度时，积累的压力会通过这一侧的反馈回路作用在振荡腔的入口处，推动射流附着另一侧壁面，给另一侧的气动软体致动器充气，同时先前充气的气动软体致动器会通过壁上的排气口放气，以此循环往复，在射流振荡器内部形成交替变换的射流，进而实现下游输出口气动软体致动器的周期性动作。
气动软体致动器的周期性运动属于自激振荡，其运动频率由气动软体致动器及双稳态输出反馈式射流振荡器组成的系统决定，是一个固定频率，双稳态输出反馈式射流振荡器下游输出口连接不同的气动软体致动器就会产生不同的运动频率。
调压阀调节的压力应当与气动软体致动器匹配，从而防止压力过大导致软体致动器破裂或压力太小导致软体致动器运动效果不明显。
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1：如图1所示，本发明提供的一种基于自激振荡原理的驱动气动软体致动器的方法，包括气源1；调压阀2；双稳态输出反馈式射流振荡器3；气动软体致动器。其中气源1与调压阀2相连，调压阀2与双稳态输出反馈式射流振荡器入口31相连，双稳态输出反馈式射流振荡器下游输出口36连接气动软体致动器4。调压阀2调节合适的压力，并打开气源1后，气动软体致动器41、42就会产生交替动作。
双稳态输出反馈式射流振荡器3，主要由双稳态输出反馈式射流振荡器入口31、入口喷管32、排气口33、振荡腔34、输出通道35、输出口36、反馈回路入口37、反馈回路通路38构成。在图2中展示了双稳态输出反馈式射流振荡器3的入口喷管32主要由喷管收缩段321和喷管喉部322组成，振荡腔34主要由第一反馈回路出口341、第二反馈回路出口342、第一附壁面343和第二附壁面344组成。双稳态输出反馈式射流振荡器3的主视图，侧视图以及侧视图的A向剖视图分别如图3、4、5所示。
本发明中，双稳态输出反馈式射流振荡器入口31应当具有足够的直径，以便在入口喷管32处形成足够的压力(本实例中双稳态输出反馈式射流振荡器入口2直径为6mm)；调压阀2调节的压力与气动软体致动器41、42的变形程度应当匹配，以便形成合适的运动幅度和运动频率(本实例中调压阀2调节的压力为50kpa，气动软体致动器41、42的硅胶材料硬度为25Shore A，气腔个数为4个)。
从双稳态输出反馈式射流振荡器入口31进入的气体通过入口喷管32的收缩段321使气体加速形成射流，射流通过喷管喉部322进入振荡腔34，由于康达效应(CoandaEffect)和卷吸效应，射流会随机附着第一附壁面343或第二附壁面344，假设射流先附着如图6所示的第二附壁面344，射流沿着第二输出通道352，通过第二输出口362进入第二气动软体致动器42。当第二气动软体致动器42内部压力越来越大时，如图7所示，压力会通过第二输出通道352中的第二反馈回路入口372进入第二反馈回路通路382，随后通过第二反馈回路出口342作用于从喷管喉部322出来的射流，从而推动射流偏向并吸附第一附壁面343。如图8所示，射流吸附第一附壁面343以后通过第一输出通道351给第一气动软体致动器41充气，同时第二气动软体致动器42中的气体经过第二输出通道352从第二排气口332放气，当第一气动软体致动器41内部压力达到一定程度时，压力又会通过第一输出通道351上的第一反馈回路入口371进入第一反馈回路通路381，随后从第一反馈回路出口341作用于从喷管喉部322出来的射流，推动射流偏向并吸附第二附壁面344。如此往复，射流会在两个附壁面之间来回切换，进而形成射流的自激振荡，同时气动软体致动器4也会产生周期性的充放气。
以上所述，仅是本发明的实施例子，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明原理和技术实质对以上实施例子所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (2)

1.一种双稳态输出反馈式射流振荡器，包括设置在上游的入口(31)，设置在下游的输出口(36)，在入口(31)和输出口(36)之间依次设置有与入口喷管(32)、振荡腔(34)和两个输出通道(35)；其中，
入口喷管(32)，包括喷管收缩段(321)和喷管喉部(322)；
振荡腔(34)，从前到后逐渐扩张，振荡腔(34)的后部分为两路，一路与第一输出通道(351)相连通，另一路与第二输出通道(352)相连通，在第一输出通道(351)和喷管喉部(322)之间设置有第一反馈回路出口(341)；在第二输出通道(352)和喷管喉部(322)之间设置有第二反馈回路出口(342)；在两个输出通道上分别设置有排气口(33)。
2.一种基于自激振荡原理的气动软体致动器驱动系统，包括气源(1)，调节阀(2)和双稳态输出反馈式射流振荡器(3)，其中，
双稳态输出反馈式射流振荡器(3)，包括设置在上游的入口(31)，设置在下游的输出口(36)，在入口(31)和输出口(36)之间依次设置有与入口喷管(32)、振荡腔(34)和两个输出通道(35)；入口喷管(32)，包括喷管收缩段(321)和喷管喉部(322)；振荡腔(34)，从前到后逐渐扩张，振荡腔(34)的后部分为两路，一路与第一输出通道(351)相连通，另一路与第二输出通道(352)相连通，在第一输出通道(351)和喷管喉部(322)之间设置有第一反馈回路出口(341)；在第二输出通道(352)和喷管喉部(322)之间设置有第二反馈回路出口(342)；在两个输出通道上分别设置有排气口(33)；
气源(1)通过调节阀(2)连通到双稳态输出反馈式射流振荡器(3)的入口(31)。
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