CN115070748A - 一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，包括骨架、设于骨架上的若干相互独立的气囊、给气囊供气和放气的供气装置、以及与供气装置电连接的控制装置，气囊沿骨架的轴线依次平行排列在骨架的两侧上；骨架包括若干依次相连的骨节，骨节包括柔性件以及设于柔性件两侧的连接件，一个骨节中的连接件与相邻的骨节中的连接件固定连接。本发明的骨架通过柔性件实现的柔性弯曲，转动灵活且骨架的弯曲过程中不会产生摩擦力，零件之间不会磨损，同时，骨架两侧均设置气囊，能够实现变刚度的功能，且本发明结构简单，减少驱动器整体的质量。
Description
技术领域
本发明涉及柔性机器人技术领域，更具体地，涉及一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器。
背景技术
软体机器人是一种新型柔软机器人，其中现有的气动软体驱动器主要是由硅胶制作而成，通常分为膨胀层和限制层，膨胀层充气膨胀后各腔室会相互挤压，由于限制层的影响，软体驱动器将沿着限制层方向实现连续的弯曲变形，类似地，通过任意改变自身的尺寸和形状，实现弯折、扭曲等动作。气动软体驱动器可用于组成柔性夹爪，夹取体积小、质量轻、且容易损坏的物品。
有一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，包括仿生脊柱骨架和气动仿生肌肉；所述仿生脊椎骨架包括骨架件，所述骨架件设置有多个，相邻的两骨架件之间通过万向节相连接，以使得仿生脊椎骨架具有上下弯曲俯仰及左右弯曲侧摆两个自由度；所述气动仿生肌肉设置有两组，分别安装在所述仿生脊椎骨架长度方向相邻的两侧，以通过气动仿生肌肉的动作使得仿生脊椎骨架实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。通过利用万向节串联脊柱结构模拟动物脊柱的骨骼，利用两条气动肌肉模拟动物脊椎上附着的肌肉，能够较好的还原动物脊柱的运动形态，而且结构紧凑，拥有自感知功能，具有较好的仿生性、柔顺性及灵活性。
但上述方案中，骨架件之间通过万向节实现上下和左右弯曲，但是万向节由刚性材料制成的，且重量大，同时万向节转动时的往往伴随着零件与零件之间的摩擦与磨损，弯曲过程需要克服较大的摩擦力，使用寿命短。并且，上述方案中使用硅橡胶作为气动肌肉的材料，硅橡胶经反复充放气其表面容易产生气孔，从而发生漏气，且硅橡胶材料充气后承重时容易变形，制得的驱动器负载性能较差。同时，上述方案中的仿生脊椎骨架相对的两侧中的其中一侧才设有气动仿生肌肉，柔性脊柱没有变刚度的功能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的柔性脊柱中弯曲时零件之间的摩擦力大，容易磨损，且自身重量较大的不足，提供一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器。本发明的骨架通过柔性件实现的柔性弯曲，转动灵活且骨架的弯曲过程中不会产生摩擦力，零件之间不会磨损，同时，骨架两侧均设置气囊，能够实现变刚度的功能，且本发明结构简单，减少驱动器整体的质量。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，包括骨架、设于所述骨架上的若干相互独立的气囊、给所述气囊供气和放气的供气装置、以及与所述供气装置电连接的控制装置，所述气囊沿所述骨架的轴线依次平行排列在所述骨架的两侧上；
所述骨架包括若干依次相连的骨节，所述骨节包括柔性件以及设于所述柔性件两侧的连接件，一个骨节中的连接件与相邻的骨节中的连接件固定连接。
所述骨架至少朝两侧弯曲，所述气囊沿直线排列在骨架的两侧，供气装置给气囊供气时，通过控制两侧气囊的气压，可以改变骨架的弯曲角度以及改变可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器的刚度。所述控制装置控制所述供气装置给所述气囊泵入的气体气压。所述柔性件由柔性材料制成，利用柔性材料本身的变形能力使得骨架拥有弯曲的能力，从而使得若干骨节依次连接的骨架也拥有弯曲能力。此中结构的骨架在转动的过程中由于没有零件之间的相对位移，所以并不会产生摩擦力，且骨架的结构简单，整体重量低。
进一步的，所述柔性件为柔性片，所述柔性片的两侧设有第一贯穿部，所述连接件用于与所述柔性片连接的一侧设有供所述柔性片插入的对接槽，所述对接槽的内侧面上设有可插入所述第一贯穿部的固定部。
两个所述连接件中间设有一个所述柔性片，利用柔性片本身的形变能力，设于所述柔性片两侧的连接件便可行对弯折。所述柔性片插入所述对接槽后，所述柔性片上的第一贯穿部套设到所述固定部上，便可将所述柔性片固定。所述对接槽的宽度与柔性片的厚度接近，所述柔性片本具有一定的弹性可使得柔性片顺利插入对接槽中。所述柔性片可以拆卸替换。可以使用胶水将所述柔性片与对接件粘接或其他方式固定均不影响方案的实现。
进一步的，气囊2的材料为双层复合材料，双层复合材料的内层为TPU，外层为尼龙。所述柔性片的材质为TPU，所述连接件的材质为PLA。
TPU材料是一种柔性材料，质量轻，用来作为转动关节具有很好的灵活性。气囊内层的材质为TPU材料，气密性好，外层为尼龙，抗撕裂轻度高。复合材料制成的气囊，充气后不会产生很大的弹性变形具有较好的维持形态的能力，从而使得驱动器实现弯曲变形的同时还具备了更好的变刚度功能。PLA材料密度比起金属材料密度更低，降低装置的整体重量，拥有足够的强度作为柔性脊。
进一步的，所述连接件的两端设有卡接结构，所述卡接结构使得相邻的两个骨节中相邻的两个连接件固定连接，所述气囊设于相邻的两个骨节之间被夹持在相邻的两个连接件中。
所述连接件一侧与所述柔性件连接，所述连接件的另一侧与另一个骨节的连接件连接。两个连接件连接时，将所述气囊夹持在两个连接之间，然后通过设于连接件两端的卡接结构固定。所述连接件之间也可以通过其他结构，如粘接，如连接件的两端开设有螺纹孔，两个连接件对接后螺纹孔的轴线在同一直线上，使用螺栓和螺母即可将两个连接件固定连接，或其他连接方式均不影响本方案的实现。每个所述骨节和气囊一次拼接即可形成骨架并将气囊固定连接在骨架上，结构简单组装方便。
进一步的，所述卡接结构包括设于所述连接件两端的卡槽以及用于插设于所述卡槽中的扣合件，一个所述扣合件插入到两个相邻的所述连接件的卡槽中。
分别属于两个骨节的两个所述连接件对接后，所述扣合件插入到两个卡槽中卡接，所述扣合件与所述卡槽过盈配合。
进一步的，所述卡槽沿所述骨节的排列方向贯通，所述卡槽的内侧壁朝所述连接件与所述柔性件连接的一侧倾斜，所述扣合件的侧壁也设有与所述卡槽内侧壁对接的斜面。
本方案中，将榫卯结构中燕尾榫的结构或泡沫地板垫的拼接机构进行改进，使之适用于两个连接件之间的固定。
进一步的，所述气囊与所述骨架连接的一侧设有固定件，所述固定件上设有至少要一个第二贯穿部，同一个骨节中的其中一个连接件上设有凸起部而另一个连接件上设有凹陷部，分别属于相邻的两个骨节的连接件连接时，所述凸起部与所述第二贯穿部和凹陷部相匹配。
本方案中，两个连接件对接时所述凸起部和凹陷部的配合定位，使得两个连接件的卡槽对准，所述扣合件更容易插入卡槽中。而第二贯穿部与凸起部的配合可以进一步固定气囊，避免两个连接件的夹持力不够导致气囊掉出。所述第二贯穿部、凹陷部、凸起部的位置、截面形状以及数量相互匹配。所述第二贯穿部的截面形状可以为椭圆形、矩形等非正圆形状或者所述第二贯穿部的数量不少于两个，这样不仅能防止气囊掉出，还能避免气囊偏移。
进一步的，所述供气装置包括与所述气囊相连的气管、与所述气管相连的气泵、设于所述气管上电磁阀、以及设于所述气管或气囊内的气压传感器，所述气泵的输入端和电磁阀的输入端与所述控制装置的输出端电连接。
每个所述气囊可以由电磁阀单独控制气压，但此种结构成本较高。骨架上同一侧的气囊可连通成同一条气路，每条气路均由电磁阀单独控制其气压。这样便可通过控制装置分别控制骨架两侧的气囊的膨胀程度，从而控制骨架的弯曲角度以及驱动器整体的刚度。
进一步的，所述气管包括若干设于所述气囊之间的管段和三通气接头，所述三通气接头中的两个接头分别与所述管段连通，所述三通气接头的第三个接头与所述气囊相连通，所述管段为软管，所述管段的长度不小于相邻的两个所述气囊膨胀后两个三通气接头直接的距离。
由于气囊膨胀以及骨架弯曲，所述气囊上与三通气接头连接处的距离会变化，管段的长度需要足够长避免限制了驱动器的弯曲角度。
进一步的，所述骨架的两端设有底板，所述底板与所述连接件固定连接。
所述底板用于驱动器使用时与其他结构连接，承受载荷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)骨架通过柔性片实现的柔性弯曲，转动灵活且骨架的弯曲过程中不会产生摩擦力，零件之间不会磨损，使用寿命长。
(2)骨架两侧均设置气囊，通过控制两侧气囊的气压，能够实现变刚度的功能，且本发明结构简单，减少驱动器整体的质量。
(3)柔性片材质为TPU，连接件的材质为PLA，使得整个驱动器的重量轻，且TPU和尼龙复合的双层材料制成的气囊强度和刚度高，进一步实现变刚度的功能。
(4)柔性片与连接件安装方便，两个骨节之间的连接方式简单可靠，骨节和气囊组装方便快捷。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明骨架整体结构示意图；
图3为本发明骨节整体结构示意图；
图4为本发明骨节内部结构示意图；
图5为本发明卡槽内部结构示意图；
图6为本发明气囊整体结构示意图；
图7为本发明气囊与骨节连接结构示意图；
图8为本发明气囊与骨节连接结构爆炸图；
图9为本发明充气弯曲示意图；
图10为本发明弯曲动作示意图。
图示标记说明如下：
1-骨架，2-气囊，21-固定件，211-第二贯穿部，3-骨节，31-柔性件，311-第一贯穿部，32-连接件，321-对接槽，322-固定部，323-凸起部，324-凹陷部，41-卡槽，42-扣合件，5-气管，51-管段，52-三通气接头，6-底板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图8所示，一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，包括骨架1、设于骨架1上的若干相互独立的气囊2、给气囊2供气和放气的供气装置、以及与供气装置电连接的控制装置，气囊2沿骨架1的轴线依次平行排列在骨架1的两侧上；
骨架1包括若干依次相连的骨节3，骨节3包括柔性件31以及设于柔性件31两侧的连接件32，一个骨节3中的连接件32与相邻的骨节3中的连接件32固定连接。
骨架1至少朝两侧弯曲，气囊2沿直线排列在骨架1的两侧，供气装置给气囊2供气时，通过控制两侧气囊2的气压，可以改变骨架1的弯曲角度以及改变可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器的刚度。控制装置控制供气装置给气囊2泵入的气体气压。柔性件31由柔性材料制成，利用柔性材料本身的变形能力使得骨架1拥有弯曲的能力，从而使得若干骨节3依次连接的骨架1也拥有弯曲能力。此中结构的骨架1在转动的过程中由于没有零件之间的相对位移，所以并不会产生摩擦力，且骨架1的结构简单，整体重量低。
柔性件31为柔性片，柔性片的两侧设有第一贯穿部311，连接件32用于与柔性片连接的一侧设有供柔性片插入的对接槽321，对接槽321的内侧面上设有可插入第一贯穿部311的固定部322。
两个连接件32中间设有一个柔性片，利用柔性片本身的形变能力，设于柔性片两侧的连接件32便可行对弯折。柔性片插入对接槽321后，柔性片上的第一贯穿部311套设到固定部322上，便可将柔性片固定。对接槽321的宽度与柔性片的厚度接近，柔性片本具有一定的弹性可使得柔性片顺利插入对接槽321中。柔性片可以拆卸替换。可以使用胶水将柔性片与对接件粘接或其他方式固定均不影响方案的实现。
气囊2的材料为双层复合材料，双层复合材料的内层为TPU，外层为尼龙。柔性片的材质为TPU，连接件32的材质为PLA。
TPU材料是一种柔性材料，质量轻，用来作为转动关节具有很好的灵活性。气囊2内层的材质为TPU材料，气密性好，外层为尼龙，抗撕裂轻度高。复合材料制成的气囊2，充气后不会产生很大的弹性变形具有较好的维持形态的能力，从而使得驱动器实现弯曲变形的同时还具备了更好的变刚度功能。PLA材料密度比起金属材料密度更低，降低装置的整体重量，拥有足够的强度作为柔性脊。
本实施例中，气囊由两片TPU和尼龙双层复合矩形薄片密封而成，两片矩形薄片中TPU材质的一面对接且四边密封，当气囊充气时中间鼓起，气囊与气囊之间相互挤压，使得柔性脊弯曲。
连接件32的两端设有卡接结构，卡接结构使得相邻的两个骨节3中相邻的两个连接件32固定连接，气囊2设于相邻的两个骨节3之间被夹持在相邻的两个连接件32中。
连接件32一侧与柔性件31连接，连接件32的另一侧与另一个骨节3的连接件32连接。两个连接件32连接时，将气囊2夹持在两个连接之间，然后通过设于连接件32两端的卡接结构固定。每个骨节3和气囊2一次拼接即可形成骨架1并将气囊2固定连接在骨架1上，结构简单组装方便。
卡接结构包括设于连接件32两端的卡槽4以及用于插设于卡槽4中的扣合件42，一个扣合件42插入到两个相邻的连接件32的卡槽4中。
分别属于两个骨节3的两个连接件32对接后，扣合件42插入到两个卡槽4中卡接，扣合件42与卡槽4过盈配合。
卡槽4沿骨节3的排列方向贯通，卡槽4的内侧壁朝连接件32与柔性件31连接的一侧倾斜，扣合件42的侧壁也设有与卡槽4内侧壁对接的斜面。
本方案中，将榫卯结构中燕尾榫的结构或泡沫地板垫的拼接机构进行改进，使之适用于两个连接件32之间的固定。
气囊2与骨架1连接的一侧设有固定件21，固定件21上设有至少要一个第二贯穿部211，同一个骨节3中的其中一个连接件32上设有凸起部323而另一个连接件32上设有凹陷部324，分别属于相邻的两个骨节3的连接件32连接时，凸起部323与第二贯穿部211和凹陷部324相匹配。
本方案中，两个连接件32对接时凸起部323和凹陷部324的配合定位，使得两个连接件32的卡槽4对准，扣合件42更容易插入卡槽4中。而第二贯穿部211与凸起部323的配合可以进一步固定气囊2，避免两个连接件32的夹持力不够导致气囊2掉出。第二贯穿部211、凹陷部324、凸起部323的位置、截面形状以及数量相互匹配。第二贯穿部211的截面形状为圆形状，且第二贯穿部211的数量不少于两个，这样不仅能防止气囊2掉出，还能避免气囊2偏移。
供气装置包括与气囊2相连的气管5、与气管5相连的气泵、设于气管5上电磁阀、以及设于气管5或气囊2内的气压传感器，气泵的输入端和电磁阀的输入端与控制装置的输出端电连接。
每个气囊2可以由电磁阀单独控制气压，但此种结构成本较高。骨架1上同一侧的气囊2可连通成同一条气路，每条气路均由电磁阀单独控制其气压。这样便可通过控制装置分别控制骨架1两侧的气囊2的膨胀程度，从而控制骨架1的弯曲角度以及驱动器整体的刚度。
气管5包括若干设于气囊2之间的管段51和三通气接头52，三通气接头52中的两个接头分别与管段51连通，三通气接头52的第三个接头与气囊2相连通，管段51为软管，管段51的长度不小于相邻的两个气囊2膨胀后两个三通气接头52直接的距离。
由于气囊2膨胀以及骨架1弯曲，气囊2上与三通气接头52连接处的距离会变化，管段51的长度需要足够长避免限制了驱动器的弯曲角度。
如图9所述，通过对骨架1两侧的气囊2分别施加不同的气压使得两侧气囊2的膨胀程度不同，便可使驱动器进行弯曲。如图10所示，往骨架1两侧的气囊2施加不同的气压，左侧的气压大于右侧的气压，驱动器将往右侧方向弯曲，直至达到力矩平衡的状态，此时若底板6受到一个或多个外力，骨架1中的骨节3将发生转动，底板6的位姿也会随之发生变化，为了使底6板恢复至原有的朝向，需要增大左侧的气压，以求重新达到力矩平衡。当底板6恢复至原有状态，保持气压的大小，驱动器重新达到平衡状态。整个过程体现出驱动器对于受到外界干扰时，通过调节自身气压大小，重新恢复至原有状态，使驱动器具备一定的保形能力，是变刚度能力的体现。
实施例2
本实施例除了实施例1的特征之外，还包括如下特征：
骨架1的两端设有底板6，底板6与连接件32固定连接。底板6用于驱动器使用时与其他结构连接，承受载荷。
实施例3
本实施例与实施例1或2类似，所不同之处在于，本实施例中，连接件32的两端开设有螺纹孔，两个连接件32对接后螺纹孔的轴线在同一直线上，使用螺栓和螺母即可将两个连接件32固定连接。
实施例4
本实施例与实施例1至3任意一个实施例类似，所不同之处在于，本实施例中，骨节3通过3D打印一体成型，柔性片使用TPU-95A材料，连接件31使用PLA+1.75mm。固定部322与对接槽321的两侧内侧壁均连接，通过使用3D打印，不需要考虑柔性片与连接件31之间插接时固定部322如何插入第一贯穿部311，而是打印完成时第一贯穿部311已经套接在固定部322上，整个骨节3一体成型，加工精度高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，包括骨架(1)、设于所述骨架(1)上的若干相互独立的气囊(2)、给所述气囊(2)供气和放气的供气装置、以及与所述供气装置电连接的控制装置，所述气囊(2)沿所述骨架(1)的轴线依次平行排列在所述骨架(1)的两侧上；
所述骨架(1)包括若干依次相连的骨节(3)，所述骨节(3)包括柔性件(31)以及设于所述柔性件(31)两侧的连接件(32)，一个骨节(3)中的连接件(32)与相邻的骨节(3)中的连接件(32)固定连接。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述柔性件(31)为柔性片，所述柔性片的两侧设有第一贯穿部(311)，所述连接件(32)用于与所述柔性片连接的一侧设有供所述柔性片插入的对接槽(321)，所述对接槽(321)的内侧面上设有可插入所述第一贯穿部(311)的固定部(322)。
3.根据权利要求2所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述气囊(2)的材料为双层复合材料，所述双层复合材料的内层为TPU，外层为尼龙。
4.根据权利要求2或3所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述连接件(32)的两端设有卡接结构，所述卡接结构使得相邻的两个骨节(3)中相邻的两个连接件(32)固定连接，所述气囊(2)设于相邻的两个骨节(3)之间被夹持在相邻的两个连接件(32)中。
5.根据权利要求4所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述卡接结构包括设于所述连接件(32)两端的卡槽(41)以及用于插设于所述卡槽(41)中的扣合件(42)，一个所述扣合件(42)插入到两个相邻的所述连接件(32)的卡槽(41)中。
6.根据权利要求5所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述卡槽(41)沿所述骨节(3)的排列方向贯通，所述卡槽(41)的内侧壁朝所述连接件(32)与所述柔性件(31)连接的一侧倾斜，所述扣合件(42)的侧壁也设有与所述卡槽(41)内侧壁对接的斜面。
7.根据权利要求4所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述气囊(2)与所述骨架(1)连接的一侧设有固定件(21)，所述固定件(21)上设有至少要一个第二贯穿部(211)，同一个骨节(3)中的其中一个连接件(32)上设有凸起部(323)而另一个连接件(32)上设有凹陷部(324)，分别属于相邻的两个骨节(3)的连接件(32)连接时，所述凸起部(323)与所述第二贯穿部(211)和凹陷部(324)相匹配。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述供气装置包括与所述气囊(2)相连的气管(5)、与所述气管(5)相连的气泵、设于所述气管(5)上电磁阀、以及设于所述气管(5)或气囊(2)内的气压传感器，所述气泵的输入端和电磁阀的输入端与所述控制装置的输出端电连接。
9.根据权利要求8所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述气管(5)包括若干设于所述气囊(2)之间的管段(51)和三通气接头(52)，所述三通气接头(52)中的两个接头分别与所述管段(51)连通，所述三通气接头(52)的第三个接头与所述气囊(2)相连通，所述管段(51)为软管，所述管段(51)的长度不小于相邻的两个所述气囊(2)膨胀后两个三通气接头(52)直接的距离。
10.根据权利要求1所述的可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器，其特征在于，所述骨架(1)的两端设有底板(6)，所述底板(6)与所述连接件(32)固定连接。
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