CN114083527B - 一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于软体机器人技术领域，具体涉及一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，包括内层驱动波纹管和外层被动波纹管，所述内层驱动波纹管为中空结构，所述外层被动波纹管的内表面贴合在内层驱动波纹管的外壁上，且所述外层被动波纹管与内层驱动波纹管之间可相对转动，在所述内层驱动波纹管的端面上设置有进气头，在所述外层被动波纹管的端面上设置有连接头，所述进气头和连接头分别位于软体驱动器的两侧，本发明内层驱动波纹管与外层被动波纹管之间可以相对转动，因此在软体驱动器受到外力作用导致软体驱动器的两端产生相对扭转时，内层驱动波纹管与外层被动波纹管之间可以产生被动扭转，从而保证软体驱动器不会产生变形。

Description

一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器
技术领域
本发明属于软体机器人技术领域，具体涉及一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器。
背景技术
近年来，机器人被广泛应用于工业、医疗等各个领域。软体机器人作为一种连续体机器人受到广泛关注。传统刚性机器人的灵活度较低，不具备连续变形的能力，环境适应能力差，不能被应用于较复杂的环境中。软体机器人由于其质量轻、灵活度高、环境适应性强等特点受到了广泛关注。软体驱动器作为软体机器人的核心部件也受到了广泛研究。
目前，软体驱动器大多被应用于开环的软体机器人中或与刚性运动副串联作为支链应用于闭环的刚柔耦合并联机器人中。当软体驱动器单独作为刚柔耦合并联机器人的支链时，该分支的软体驱动器则会在单条或多条分支驱动的情况下产生被动变形，而现有的软体驱动器若在产生被动变形特别是被动扭转之后进行驱动，驱动产生的效果会发生改变。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，包括内层驱动波纹管和外层被动波纹管，所述内层驱动波纹管为中空结构，构成波纹状的内腔，所述内层驱动波纹管上的波纹为径向波纹，所述外层被动波纹管上的波纹与内层驱动波纹管上波纹相同，且相互重叠，所述内层驱动波纹管和外层被动波纹管均为弹性材料，所述外层被动波纹管的内表面贴合在内层驱动波纹管的外壁上，且所述外层被动波纹管与内层驱动波纹管之间可相对转动，所述内层驱动波纹管和外层被动波纹管的轴线重合，在所述内层驱动波纹管的端面上设置有进气头，在所述外层被动波纹管的端面上设置有连接头，所述进气头和连接头分别位于软体驱动器的两侧，所述进气头用于与定平台相连，在所述进气头上设置有进气孔，所述进气孔的一端与内层驱动波纹管的内腔连通，另一端用于与定平台上的气泵连接，所述内层驱动波纹管内腔压力由气泵和减压阀控制，通过调节气泵和减压阀，进而调节内腔压力，进而改变内层驱动波纹管的变形量，所述连接头与动平台相连。
进一步，所述内层驱动波纹管和外层被动波纹管上波纹的波形为正弦波或三角波。
再进一步，从定平台开始，所述内层驱动波纹管的第N个波谷与外层被动波纹管的第一个波谷重合，且外层波纹管的第一个波谷为该侧的结构边界，M＞N≥1，M为内层驱动波纹管的波谷总数。
更进一步，从动平台开始，内层驱动波纹管的第一个波谷为内层驱动波纹管该侧的结构边界，且内层驱动波纹管的第一个波谷位置到第一个波峰位置之间为内层波纹管在该侧的封闭端。
更进一步，所述内层驱动波纹管与定平台的连接位置为内层驱动波纹管的波谷位置，从定平台开始，内层驱动波纹管的第一个波谷到第一个波峰之间为内层驱动波纹管在该侧与进气头相连且中间留有进气孔的封闭端。
更进一步，所述外层被动波纹管与动平台的连接位置为外层被动波纹管的波峰位置，该位置为外层被动波纹管的另一侧结构边界，从动平台开始，外层被动波纹管的第一个波峰位置到第一个波谷位置之间为外层被动波纹管在该侧的封闭端。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
相比于气压导致的径向的膨胀，波纹管的波纹使波纹管更容易发生长度方向的伸长，本发明向内层驱动波纹管通入气体时，内层驱动波纹管在气压的作用下实现伸长，同时依靠内层驱动波纹管与外层被动波纹管重叠部分凹槽面之间的相互作用力带动外层被动波纹管进行同步伸长，内外层凹槽面之间的配合也可以起到提高软体驱动器承载力的作用；本发明内层驱动波纹管与外层被动波纹管之间可以相对转动，因此在软体驱动器受到外力作用导致软体驱动器的两端产生相对扭转时，内层驱动波纹管与外层被动波纹管之间可以产生被动扭转，从而保证软体驱动器不会产生变形；
本发明可以保证在产生被动变形，如被动伸长、被动弯曲、被动扭转后进行驱动产生的驱动效果不变，能够自适应被动变形。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的剖视图；
图中，内层驱动波纹管—1、外层被动波纹管—2、进气头—3、连接头—4、进气孔—5。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
如图1至图3所示，一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，包括内层驱动波纹管1和外层被动波纹管2，所述内层驱动波纹管1为中空结构，构成波纹状的内腔，所述内层驱动波纹管1上的波纹为径向波纹，所述外层被动波纹管2上的波纹与内层驱动波纹管1上波纹相同，且相互重叠，所述内层驱动波纹管1和外层被动波纹管2上波纹的波形为正弦波或三角波，所述内层驱动波纹管1和外层被动波纹管2均为弹性材料，所述外层被动波纹管2的内表面贴合在内层驱动波纹管1的外壁上，且所述外层被动波纹管2与内层驱动波纹管1之间可相对转动，所述内层驱动波纹管1和外层被动波纹管2的轴线重合，在所述内层驱动波纹管1的端面上设置有进气头3，在所述外层被动波纹管2的端面上设置有连接头4，所述进气头3和连接头4分别位于软体驱动器的两侧，所述进气头3用于与定平台相连，在所述进气头3上设置有进气孔5，所述进气孔5的一端与内层驱动波纹管1的内腔连通，另一端用于与定平台上的气泵连接，所述连接头4与动平台相连。
从定平台开始，所述内层驱动波纹管1的第N个波谷与外层被动波纹管2的第一个波谷重合，且外层波纹管的第一个波谷为该侧的结构边界，M＞N≥1，M为内层驱动波纹管1的波谷总数；从动平台开始，内层驱动波纹管1的第一个波谷为内层驱动波纹管1该侧的结构边界，且内层驱动波纹管1的第一个波谷位置到第一个波峰位置之间为内层波纹管在该侧的封闭端；所述内层驱动波纹管1与定平台的连接位置为内层驱动波纹管1的波谷位置，从定平台开始，内层驱动波纹管1的第一个波谷到第一个波峰之间为内层驱动波纹管1在该侧与进气头3相连且中间留有进气孔5的封闭端；所述外层被动波纹管2与动平台的连接位置为外层被动波纹管2的波峰位置，该位置为外层被动波纹管2的另一侧结构边界，从动平台开始，外层被动波纹管2的第一个波峰位置到第一个波谷位置之间为外层被动波纹管2在该侧的封闭端。
在进行受力分析及计算时，软体驱动器可被看作三段变刚度且刚度随长度的变化有确定关系的柔性弹簧，即内层驱动波纹管1与外层被动波纹管2的重叠部分、内层驱动波纹管1去除重叠部分的剩余部分、外层被动波纹管2去除重叠部分的剩余部分，且当伸长量相同时，重叠部分的变刚度系数等于其余两段的变刚度系数之和，即内层驱动波纹管1与外层被动波纹管2的重叠部分在受力分析及计算时相当于两个变刚度系数不同的柔性弹簧并联。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，其特征在于：包括内层驱动波纹管（1）和外层被动波纹管（2），所述内层驱动波纹管（1）为中空结构，构成波纹状的内腔，所述内层驱动波纹管（1）上的波纹为径向波纹，所述外层被动波纹管（2）上的波纹与内层驱动波纹管（1）上波纹相同，且相互重叠，从定平台开始，所述内层驱动波纹管（1）的第N个波谷与外层被动波纹管（2）的第一个波谷重合，且外层波纹管的第一个波谷为该侧的结构边界，M＞N≥1，M为内层驱动波纹管（1）的波谷总数，所述内层驱动波纹管（1）和外层被动波纹管（2）均为弹性材料，所述外层被动波纹管（2）的内表面贴合在内层驱动波纹管（1）的外壁上，且所述外层被动波纹管（2）与内层驱动波纹管（1）之间可相对转动，所述内层驱动波纹管（1）和外层被动波纹管（2）的轴线重合，在所述内层驱动波纹管（1）的端面上设置有进气头（3），在所述外层被动波纹管（2）的端面上设置有连接头（4），所述进气头（3）和连接头（4）分别位于软体驱动器的两侧，所述进气头（3）用于与定平台相连，在所述进气头（3）上设置有进气孔（5），所述进气孔（5）的一端与内层驱动波纹管（1）的内腔连通，另一端用于与定平台上的气泵连通，所述连接头（4）与动平台相连。
2.根据权利要求1所述的一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，其特征在于：所述内层驱动波纹管（1）和外层被动波纹管（2）上波纹的波形为正弦波或三角波。
3.根据权利要求1所述的一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，其特征在于：从动平台开始，内层驱动波纹管（1）的第一个波谷为内层驱动波纹管（1）该侧的结构边界，且内层驱动波纹管（1）的第一个波谷位置到第一个波峰位置之间为内层波纹管在该侧的封闭端。
4.根据权利要求1所述的一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，其特征在于：所述内层驱动波纹管（1）与定平台的连接位置为内层驱动波纹管（1）的波谷位置，从定平台开始，内层驱动波纹管（1）的第一个波谷到第一个波峰之间为内层驱动波纹管（1）在该侧与进气头（3）相连且中间留有进气孔（5）的封闭端。
5.根据权利要求1所述的一种被动扭转与主动伸缩解耦的软体驱动器，其特征在于：所述外层被动波纹管（2）与动平台的连接位置为外层被动波纹管（2）的波峰位置，该位置为外层被动波纹管（2）的另一侧结构边界，从动平台开始，外层被动波纹管（2）的第一个波峰位置到第一个波谷位置之间为外层被动波纹管（2）在该侧的封闭端。
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