CN115122314A - 一种多变形模式软体驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多变形模式软体驱动器，具体涉及一种基于剪纸结构的平面型多变形模式气动软体驱动器，属于软体机器人技术领域，主要应用于软体机械手、软体机械臂、软体四足爬行机器人、软体康复机器人等领域。本发明的软体驱动器通过在主体内设置两条气道，使得软体驱动器在气压驱动下产生伸长变形、收缩变形、双向弯曲变形、伸长/弯曲耦合变形以及收缩/弯曲耦合变形等多种变形模式。

Description

一种多变形模式软体驱动器
技术领域
本发明涉及一种多变形模式软体驱动器，具体涉及一种基于剪纸结构的平面型多变形模式气动软体驱动器，属于软体机器人技术领域，主要应用于软体机械手、软体机械臂、软体四足爬行机器人、软体康复机器人等领域。
背景技术
与传统的刚性机器人相比，气动软体机器人在人-机、机-环境之间交互安全性、自适应性等方面具有与生俱来的优势。气体的可压缩性配合机器人自身软材料与生俱来的柔韧性与顺应性，使得气动软体机器人非常适用于复杂非结构化环境中。气动软体驱动器作为驱动气动软体机器人产生运动的动力来源，具有功率质量比高、安全性高以及成本低等优点，在工业制造、环境检测、农业生产、医疗康复等领域拥有广阔的应用前景。
目前现有的平面型气动软体驱动器结构主要包括：哈佛大学Walsh科研团队提出的纤维增强型气动软体驱动器，该种类型的气动软体驱动器可以通过调整凯夫拉纤维线缠绕的角度、方式与密集程度使驱动器产生多种不同的变形模式以及变形范围。哈佛大学Whitesides科研团队提出了一种基于气腔网格型气动弯曲软体驱动器，当压缩气体充入到内部气腔时，驱动器顶部的褶皱层膨胀且相互挤压，在底部限制层的约束下产生快速弯曲运动。新加坡国立大学Yeow科研团队采用热塑性聚氨酯材料(Ninjaflex)，结合3D打印技术，研制了一种基于气腔网格型气动双向弯曲软体驱动器以及一种基于褶皱层/限制层驱动原理的气动单向弯曲软体驱动器，此外，该科研团队采用热塑性织物基于褶皱层/ 限制层驱动原理提出一种可单向弯曲、可伸展的气动软体驱动器，中国香港大学 Chen科研团队提出一种基于波纹管结构的气动软体驱动器，能够产生伸长和收缩变形。伍伦贡大学Alici科研团队提出两种负气压驱动的气动软体驱动器，分别是一种基于波纹管结构的收缩软体驱动器和一种基于网格气腔的弯曲软体驱动器。
现有的平面型气动软体驱动器具有变形模式较少的缺点，通常只具有1～2 种变形模式。尽管纤维增强型气动软体驱动器加工前可以通过改变纤维的布局产生多种变形模式，但是该驱动器制备完成后，通常也只具有一种或者两种变形模式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种多变形模式软体驱动器，该软体驱动器能够在平面内产生伸长、收缩、双向弯曲、伸长/ 弯曲耦合以及收缩/弯曲耦合等多种变形模式，该软体驱动器的弯曲变形通过输入压差进行控制，通过可输入的压差变化形式使得该软体驱动器具有多种弯曲变形模式。
本发明的技术解决方案是：
一种多变形模式软体驱动器，该软体驱动器的驱动方式为气压或液压，当该软体驱动器的驱动方式为气压时，在软体驱动器主体内布置两条气道，当两条气道中输入等值正气压时，该软体驱动器产生伸长变形；当其中一条气道输入正气压，另外一条气道无气压输入时，该软体驱动器向着无气压输入气道方向产生弯曲变形；当两条气道内输入不等值的正气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生伸长/弯曲耦合变形；当两条气道内输入等值负气压时，该软体驱动器产生收缩变形；当两条气道内输入不等值的负气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形；当两条气道内分别输入正气压和负气压时，该软体驱动器向着输入负气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形。当该软体驱动器的驱动方式为液压时，在软体驱动器主体内布置两条液道；该软体驱动器的驱动方式为液压，软体驱动器主体内布置有两条液道；当两条液道中输入等值正液压时，该软体驱动器产生伸长变形；当其中一条液道输入正液压，另外一条液道无液压输入时，该软体驱动器向着无液压输入液道方向产生弯曲变形；当两条液道内输入不等值的正液压时，该软体驱动器向着输入较小液压值液道方向产生伸长/弯曲耦合变形；当两条液道内输入等值负液压时，该软体驱动器产生收缩变形；当两条液道内输入不等值的负液压时，该软体驱动器向着输入较小液压值液道方向产生收缩/弯曲耦合变形；当两条液道内分别输入正液压和负液压时，该软体驱动器向着输入负液压值液道方向产生收缩/弯曲耦合变形。
所述的软体驱动器通过增材制造的方法进行制备，进行增材制造时材质为 TPU软材料；软体驱动器还可以通过硅胶材料通过模具铸造的方法进行制备。
有益效果
(1)本发明的软体驱动器通过在主体内设置两条气道，使得软体驱动器在气压驱动下产生伸长变形、收缩变形、双向弯曲变形、伸长/弯曲耦合变形以及收缩/弯曲耦合变形等多种变形模式。
(2)本发明的软体驱动器能够集成在多种软体机器人应用中，拓展现有软体机器人的功能和应用范围。
(3)本发明的两个以上的软体驱动器组成软体机械手，用于抓取物品，相比较于现有的软体机械手，本发明的软体驱动器组成的机械手指具有伸长弯曲能力，可以抓取受限环境中的物品；
(4)本发明的四个软体驱动器能够构成四足爬行机器人，该四足爬行机器人的优点是四肢可以伸长，能够跨越障碍物继续前进；
(5)本发明的多个软体驱动器可以构成软体机械臂，相比较现有的软体机械臂，本发明的软体驱动器能够用于在复杂受限环境中通过吸盘吸取物品，现有技术中的软体驱动器很难实现吸盘吸取的功能，因为现有驱动器变形模式较少，很难调整吸盘的姿态，使其垂直吸附在物品表面；
(6)本发明的单个或者多个软体驱动器能够实现机器人的翻转步态，用于在两个面之间翻转过渡。
(7)本发明旨在解决现有气动软体驱动器变形模式较少的缺点，提出一种新型的软体驱动器设计方法，在气压或者液压的驱动下能够产生伸长变形、收缩变形、双向弯曲变形、伸长/弯曲耦合变形以及收缩/弯曲耦合变形等多种变形模式。本发明提出的软体驱动器应用面比较广，能够很便利的集成在软体机器人中，拓展现有软体机器人的功能，例如集成了本发明提出的软体驱动器后，能够使得软体机械手具备了抓取受限环境中的物品(抓草莓那个实验)；能够使得四足爬行机器人具备跨越障碍的能力；能够使得软体机械臂进入到受限环境中，吸取出某种物品；能够实现平面内0度～360度的翻转运动步态。本发明申请的具有多种变形模式的软体驱动器能够带来的这些功能，是现有的、变形模式较少的软体驱动器不能具备的。
附图说明
图1为本发明的软体驱动器的结构示意图；
图2为本发明的软体驱动器的弯曲变形示意图；
图3为本发明的软体驱动器的伸长变形示意图；
图4为本发明的软体驱动器的伸长/弯曲耦合变形示意图；
图5为本发明的软体驱动器的收缩/弯曲耦合变形示意图；
图6为本发明的软体驱动器的收缩/弯曲耦合变形示意图；
图7为本发明的软体驱动器的收缩变形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种多变形模式软体驱动器，该软体驱动器的驱动方式为气压或液压，当该软体驱动器的驱动方式为气压时，在软体驱动器主体内布置两条气道，分别为气道-1和气道-2，当两条气道中输入等值正气压时，该软体驱动器产生伸长变形；当其中一条气道输入正气压，另外一条气道无气压输入时，该软体驱动器向着无气压输入气道方向产生弯曲变形；当两条气道内输入不等值的正气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生伸长/弯曲耦合变形；当两条气道内输入等值负气压时，该软体驱动器产生收缩变形；当两条气道内输入不等值的负气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形；当两条气道内分别输入正气压和负气压时，该软体驱动器向着输入负气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形。当该软体驱动器的驱动方式为液压时，在软体驱动器主体内布置两条液道。
所述的软体驱动器通过增材制造的方法进行制备，进行增材制造时材质为 TPU软材料；软体驱动器还可以通过硅胶材料通过模具铸造的方法进行制备。
采用增材制造的方法制备气动软体驱动器，增材制造时采用的材质为TPU 软材料，所制备的气动软体驱动器的结构如图1所示；
实施例1
在气道-2输入正气压，气道-1无气压输入，该软体驱动器向着无气压输入气道即气道-1方向产生弯曲变形，如图2所示,。
实施例2
在气道-1和气道-2中均输入等值正气压，该软体驱动器产生伸长变形；如图3所示。
实施例3
在气道-2中输入大于气道-1的正气压，该软体驱动器向着输入较小气压值气道即气道-1的方向产生伸长/弯曲耦合变形，如图4所示。
实施例4
在气道-1中输入负气压，在气道-2中输入正气压，该软体驱动器向着输入负气压值气道即气道-1的方向产生收缩/弯曲耦合变形，如图5所示。
实施例5
在气道-2中输入大于气道-1的负气压，该软体驱动器向着输入较小气压值气道即气道-1的方向产生收缩/弯曲耦合变形，如图6所示。
实施例6
在气道-1和气道-2中均输入等值负气压，该软体驱动器产生收缩变形，如图7所示。
上述的实施例1-6中所得到的软体驱动器能够应用在多个软体机器人领域，拓展现有软体机器人的功能和应用范围：
两个以上的软体驱动器组成软体机械手，用于抓取物品，相比较于现有的软体机械手，本发明的软体驱动器组成的机械手指具有伸长弯曲能力，可以抓取受限环境中的物品；
四个软体驱动器能够构成四足爬行机器人，该四足爬行机器人的优点是四肢可以伸长，能够跨越障碍物继续前进；
多个软体驱动器可以构成软体机械臂，相比较现有的软体机械臂，本发明的软体驱动器能够用于在复杂受限环境中通过吸盘吸取物品，现有技术中的软体驱动器很难实现吸盘吸取的功能，因为现有驱动器变形模式较少，很难调整吸盘的姿态，使其垂直吸附在物品表面；
单个或者多个软体驱动器能够实现机器人的翻转步态，用于在两个面之间翻转过渡。

Claims (10)

1.一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
该软体驱动器的驱动方式为气压，软体驱动器主体内布置有两条气道；
当两条气道中输入等值正气压时，该软体驱动器产生伸长变形；
当其中一条气道输入正气压，另外一条气道无气压输入时，该软体驱动器向着无气压输入气道方向产生弯曲变形；
当两条气道内输入不等值的正气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生伸长/弯曲耦合变形；
当两条气道内输入等值负气压时，该软体驱动器产生收缩变形；
当两条气道内输入不等值的负气压时，该软体驱动器向着输入较小气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形；
当两条气道内分别输入正气压和负气压时，该软体驱动器向着输入负气压值气道方向产生收缩/弯曲耦合变形。
2.根据权利要求1所述的一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
所述的软体驱动器通过增材制造的方法进行制备，进行增材制造时材质为TPU软材料。
3.根据权利要求1所述的一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
所述的软体驱动器使用硅胶材料通过模具铸造的方法进行制备。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种多变形模式软体驱动器的应用，其特征在于：
所述的软体驱动器应用于软体机器人。
5.根据权利要求4所述的一种多变形模式软体驱动器的应用，其特征在于：
两个以上的软体驱动器组成软体机械手，用于抓取物品；
四个软体驱动器构成四足爬行机器人；
多个软体驱动器构成软体机械臂，通过吸盘吸取物品；
单个或者多个软体驱动器用于实现机器人的翻转步态。
6.一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
该软体驱动器的驱动方式为液压，软体驱动器主体内布置有两条液道；
当两条液道中输入等值正液压时，该软体驱动器产生伸长变形；
当其中一条液道输入正液压，另外一条液道无液压输入时，该软体驱动器向着无液压输入液道方向产生弯曲变形；
当两条液道内输入不等值的正液压时，该软体驱动器向着输入较小液压值液道方向产生伸长/弯曲耦合变形；
当两条液道内输入等值负液压时，该软体驱动器产生收缩变形；
当两条液道内输入不等值的负液压时，该软体驱动器向着输入较小液压值液道方向产生收缩/弯曲耦合变形；
当两条液道内分别输入正液压和负液压时，该软体驱动器向着输入负液压值液道方向产生收缩/弯曲耦合变形。
7.根据权利要求6所述的一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
所述的软体驱动器通过增材制造的方法进行制备，进行增材制造时材质为TPU软材料。
8.根据权利要求6所述的一种多变形模式软体驱动器，其特征在于：
所述的软体驱动器使用硅胶材料通过模具铸造的方法进行制备。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种多变形模式软体驱动器的应用，其特征在于：
所述的软体驱动器应用于软体机器人。
10.根据权利要求9所述的一种多变形模式软体驱动器的应用，其特征在于：
两个以上的软体驱动器组成软体机械手，用于抓取物品；
四个软体驱动器构成四足爬行机器人；
多个软体驱动器构成软体机械臂，通过吸盘吸取物品；
单个或者多个软体驱动器用于实现机器人的翻转步态。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116460836A (zh) * 2023-03-06 2023-07-21 西湖大学 一种软体驱动器及其制作方法

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