CN116512234A - 一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软体机器人技术领域，更具体地，涉及一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂。包括多层气囊模块、刚性骨架以及气嘴；所述的刚性骨架包括上底板、下底板以及约束板；所述的多层气囊模块的层与层之间相互连通，多层气囊模块的两端端部均设置有用于通气的气嘴；所述的多层气囊模块设有多列，多列多层气囊模块围着同一中轴线环绕设置，且每一列多层气囊模块的一端均与上底板连接，另一端均与下底板连接；所述的约束板安装在每相邻两层气囊模块之间，通过约束板将多列多层气囊模块连接在一起。本发明提供的一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂，空间弯曲效果好，活动范围大，动作灵活多变，负载量高。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，更具体地，涉及一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂。
背景技术
软体机器人是刚性机器人发展成熟下的产物，由于其不同于刚性机器人的特征，可适应极度的作业环境以及在人机交互时体现出更好的适应性，其中软体驱动器又是软体机器人一部分，软体驱动器是软体机器人的核心部件，为软体机器人提供变形、操纵和动力，由于其高度的灵巧性、以及环境适应性和安全交互等优势，被广泛用于工业、农业、医学、救护和公共服务等领域。
随着软体机器人研究的深入，通过对生物的模仿制造出了各种类型的软体驱动器，其中国内也针对软体驱动器做了很多研究，如依靠电驱动的蠕动爬行驱动器。这些软体驱动器可组装成不同的软体机器人，能够执行攀爬、管道检测等任务。然而，电驱动的软体驱动器需要依靠电力驱动，且弯曲角度有限，对于构型复杂的软体机器人，驱动器的设计显得十分困难，构型后的效果得不到保证，同时由于其受电力驱动控制，在面对通电介质时也会对驱动器造成一定影响。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂，空间弯曲效果好，活动范围大。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种连续气囊耦合气动软体驱动器，包括多层气囊模块、刚性骨架以及气嘴；所述的刚性骨架包括上底板、下底板以及约束板；所述的多层气囊模块的层与层之间相互连通，多层气囊模块的两端端部均设置有用于通气的气嘴；所述的多层气囊模块设有多列，多列多层气囊模块围着同一中轴线环绕设置，且每一列多层气囊模块的一端均与上底板连接，另一端均与下底板连接；所述的约束板安装在每相邻两层气囊体之间，通过约束板将多列多层气囊模块连接在一起。在本发明中，通过给一列或者多列多层气囊模块相同的气压来达到空间弯曲与伸长的耦合运动；对一列或者多列多层气囊模块进行抽气也能得到空间弯曲与收缩的耦合运动。通过调节通入气压的正负或者负压值，可以改变驱动器的输出力，从而改变多层气囊模块的弯曲量与伸长量，达到空间的运动变化，且能实现保持变形形变的刚度控制。可以通过增加多层气囊模块的层数以增加其工作的空间，通过保证多列多层气囊模块的气压两两不相同，达到空间弯曲和调节刚度的运动效果。
在其中一个实施例中，所述的多层气囊模块由多个气囊体串联组成，相邻两个气囊体之间通过气道连通。多层气囊模块的最上端和最下端均设置有气嘴，该气嘴作为多层气囊模块的充气或者抽气口，在充气时，各层的气囊体膨胀类似一个又一个的气泡累积起来，从而实现伸长运动；对同一侧的一列或者多列多层气囊模块进行充气，另一侧不做处理或者适当抽气、或者充气气压小于另一侧时，则能够实现驱动器的弯曲；通过控制两侧多层气囊模块的气压差，从而控制驱动器的弯曲角度。需要说明的是，多层气囊模块中，相邻两个气囊体之间无需气路连接件，只需要通过气道连通；每一列的多层气囊模块在充气或者抽气时，将一端的气嘴堵塞，连接另一端气嘴，实现抽气或者充气。
在其中一个实施例中，所述的约束板上间隔设置有多个限位孔，所述的多层气囊模块的气道穿设于限位空中。约束板作为驱动器的刚性骨架，一方面增加了驱动器的刚性强度，另一方面，约束板实现对多列多层气囊模块的约束限位，使多列多层气囊模块能够绑定在一起，以便于实现驱动器的弯曲动作，气囊体由高压橡胶制作而成，负载的质量可以达到自身重量的29倍多；在每一层都设置一个约束板，可以进一步保证驱动器动作的灵敏性与精度。作为优选的，限位孔为圆形通孔，气道也为圆形气道，且通孔的直径与气道的直径的大小值相同，确保气囊体在运动过程时不会晃动；当然，气道和限位孔的形状也可以是其他任意形状，只需要确保气道卡在限位孔中后，不会晃动即可。
在其中一个实施例中，所述的约束板包括中间连接板、限位板以及连接件；所述的中间连接板的边缘间隔设置有多个第一缺孔；所述的限位板的边缘间隔设置有多个第二缺孔；所述的第一缺孔与第二缺孔的位置一一对应；所述的限位板通过连接件与中间连接板可拆卸连接；当所述的限位板与中间连接板连接后，所述的第一缺孔与第二缺孔一一对应连接，以构成限位孔。约束板分为中间连接板和限位板，方便安装多层气囊模块；在安装时，首先将多层气囊模块一一卡在中间连接板的第一缺孔中，然后再安装限位板，使限位板的第二缺孔与第一缺孔一一对应连接；最后再装上连接件，通过连接件将中间连接板与限位板连接固定。为了方便安装，限位板可以设置为多块独立的限位板；也可以是一整块环形结构的限位板，将环形分段位多节，相邻两节铰接。
在其中一个实施例中，所述的上底板和下底板上均设置有多个螺纹孔，所述的气嘴为直立螺纹气嘴，所述的多层气囊模块通过直立螺纹气嘴与螺纹孔连接；所述的直立螺纹气嘴与螺纹孔之间通过螺母连接固定。
在其中一个实施例中，所述的上底板和下底板上还间隔设置有多个安装孔；且所述上底板上的安装孔的位置与所述下底板上的安装孔的位置一一对应。上底板和下底板上设置多个安装孔，一方面，可以将多个驱动器串联，通过安装孔以及螺栓实现连接；另一方面，可以在上底板或者下底板上安装其他结构，比如吸附模块、夹持模块等等。
在其中一个实施例中，所述的中间连接板为镂空结构。中间连接板设置为镂空结构，可以减轻驱动器的整体重量，使得驱动器更加轻便、灵活。
在其中一个实施例中，所述的多层气囊模块设置有四列，四列多层气囊模块呈中心对称分布。
在其中一个实施例中，可以通过改变多层气囊模块的气囊体的个数，从而改变多层气囊模块的长度。约束板可以通过尼龙材料通过3D打印得到。
本发明还提供一种机械臂，包括至少一个以上所述的连续气囊耦合气动软体驱动器、气路控制系统；所述的气路控制系统分别与每一个多层气囊模块的气嘴连接，通过所述的气路控制系统控制多层气囊模块充气或者放气，以实现机械臂的运动。气路控制系统进行正负压的调节，进而产生大伸缩或者弯曲的效果。利用多列多层气囊模块的单独气道控制，只需要给予不同的气压便可以达到空间中任意一点；同时多列多层气囊模块通过约束板进行约束为一个整体，气囊体由高压橡胶制作而成，负载的质量可以达到自身重量的29倍多，同时，机械臂采用分段式结构，其自身重量不高，自重比因此很大，可轻松实现大负载的效果。在机械臂末端安装各种不同的模块，从而可实现攀爬、抓取、搬运等各种作业；因为，有效增加了软体机械臂的伸缩量和负载，同时避免增加整体结构的尺寸和重量；结构轻便、灵活。
在其中一个实施例中，当所述的驱动器设置有两个及以上时，所述的驱动器与驱动器之间串联连接，驱动器与驱动器之间通过上底板或下底板连接。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂，空间弯曲效果好，活动范围大，动作灵活多变，负载量高。
附图说明
图1是本发明驱动器结构示意图。
图2是本发明驱动器收缩时结构示意图。
图3是本发明刚性骨架结构示意图。
图4是本发明上底板和下底板结构示意图。
图5是本发明约束板结构示意图。
图6是本发明多层气囊模块结构示意图。
图7是本发明多层气囊模块与约束板安装示意图。
图8是本发明驱动器第一弯曲状态示意图。
图9是本发明驱动器第二弯曲状态示意图。
图10是本发明实施例3结构示意图。
图11是实施例3第一弯曲状态示意图。
图12是实施例3机械臂位于管道中时的弯曲状态示意图。
图13是实施例3实施抓取动作的示意图。
附图说明：1、多层气囊模块；11、气囊体；12、气道；2、刚性骨架；21、上底板；211、安装孔；212、螺纹孔；22、下底板；23、约束板；231、中间连接板；232、限位板；233、连接件；234、限位孔；3、气嘴；4、气管连接件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合具体实施方式对本发明作在其中一个实施例中说明。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。
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。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。
实施例1：
如图1至图9所示，一种连续气囊耦合气动软体驱动器，包括多层气囊模块1、刚性骨架2以及气嘴3；刚性骨架2包括上底板21、下底板22以及约束板23；多层气囊模块1的层与层之间相互连通，多层气囊模块1的两端端部均设置有用于通气的气嘴3；多层气囊模块1设有多列，多列多层气囊模块1围着同一中轴线环绕设置，且每一列多层气囊模块1的一端均与上底板21连接，另一端均与下底板22连接；约束板23安装在每相邻两层气囊体11之间，通过约束板23将多列多层气囊模块1连接在一起。在本发明中，通过给一列或者多列多层气囊模块1相同的气压来达到空间弯曲与伸长的耦合运动；对一列或者多列多层气囊模块1进行抽气也能得到空间弯曲与收缩的耦合运动。通过调节通入气压的正负或者负压值，可以改变驱动器的输出力，从而改变多层气囊模块1的弯曲量与伸长量，达到空间的运动变化，且能实现保持变形形变的刚度控制。可以通过增加多层气囊模块1的层数以增加其工作的空间，通过保证多列多层气囊模块1的气压两两不相同，达到空间弯曲和调节刚度的运动效果。
具体的，如图6所示，多层气囊模块1由多个气囊体11串联组成，相邻两个气囊体11之间通过气道12连通。多层气囊模块1的最上端和最下端均设置有气嘴3，该气嘴3作为多层气囊模块1的充气或者抽气口，在充气时，各层的气囊体11膨胀类似一个又一个的气泡累积起来，从而实现伸长运动；对同一侧的一列或者多列多层气囊模块1进行充气，另一侧不做处理或者适当抽气、或者充气气压小于另一侧时，则能够实现驱动器的弯曲；通过控制两侧多层气囊模块1的气压差，从而控制驱动器的弯曲角度。需要说明的是，多层气囊模块1中，相邻两个气囊体11之间无需气路连接件233，只需要通过气道12连通；每一列的多层气囊模块1在充气或者抽气时，将一端的气嘴3堵塞，连接另一端气嘴3，实现抽气或者充气。
其中，如图5所示，约束板23上间隔设置有多个限位孔234，多层气囊模块1的气道12穿设于限位空中。约束板23作为驱动器的刚性骨架2，一方面增加了驱动器的刚性强度，另一方面，约束板23实现对多列多层气囊模块1的约束限位，使多列多层气囊模块1能够绑定在一起，以便于实现驱动器的弯曲动作，气囊体11由高压橡胶制作而成，负载的质量可以达到自身重量的29倍多；在每一层都设置一个约束板23，可以进一步保证驱动器动作的灵敏性与精度。作为优选的，限位孔234为圆形通孔，气道12也为圆形气道12，且通孔的直径与气道12的直径的大小值相同，确保气囊体11在运动过程时不会晃动；当然，气道12和限位孔234的形状也可以是其他任意形状，只需要确保气道12卡在限位孔234中后，不会晃动即可。
如图5所示，约束板23包括中间连接板231、限位板232以及连接件233；中间连接板231的边缘间隔设置有多个第一缺孔；限位板232的边缘间隔设置有多个第二缺孔；第一缺孔与第二缺孔的位置一一对应；限位板232通过连接件233与中间连接板231可拆卸连接；当限位板232与中间连接板231连接后，第一缺孔与第二缺孔一一对应连接，以构成限位孔234。约束板23分为中间连接板231和限位板232，方便安装多层气囊模块1；在安装时，首先将多层气囊模块1一一卡在中间连接板231的第一缺孔中，然后再安装限位板232，使限位板232的第二缺孔与第一缺孔一一对应连接；最后再装上连接件233，通过连接件233将中间连接板231与限位板232连接固定。为了方便安装，限位板232可以设置为多块独立的限位板232；也可以是一整块环形结构的限位板232，将环形分段位多节，相邻两节铰接。
如图4所示，上底板21和下底板22上均设置有多个螺纹孔212，气嘴3为直立螺纹气嘴3，多层气囊模块1通过直立螺纹气嘴3与螺纹孔212连接；直立螺纹气嘴3与螺纹孔212之间通过螺母连接固定。上底板21和下底板22上还间隔设置有多个安装孔211；且所述上底板21上的安装孔211的位置与所述下底板22上的安装孔211的位置一一对应。上底板21和下底板22上设置多个安装孔211，一方面，可以将多个驱动器串联，通过安装孔211以及螺栓实现连接；另一方面，可以在上底板21或者下底板22上安装其他结构，比如吸附模块、夹持模块等等。
具体地，如图3和图5所示，中间连接板231为镂空结构。中间连接板231设置为镂空结构，可以减轻驱动器的整体重量，使得驱动器更加轻便、灵活。另外，可以通过改变多层气囊模块1的气囊体11的个数，从而改变多层气囊模块1的长度。约束板23可以通过尼龙材料通过3D打印得到。
作为优选的，如图1、2、7、8、9所示，多层气囊模块1设置有四列，四列多层气囊模块1呈中心对称分布。
实施例2
本发明还提供一种机械臂，包括实施例1连续气囊耦合气动软体驱动器、以及气路控制系统；气路控制系统通过气管连接件4233分别与每一个多层气囊模块1的气嘴3连接，通过气路控制系统控制多层气囊模块1充气或者放气，以实现机械臂的运动。气路控制系统进行正负压的调节，进而产生大伸缩或者弯曲的效果。利用多列多层气囊模块1的单独气道12控制，只需要给予不同的气压便可以达到空间中任意一点；同时多列多层气囊模块1通过约束板23进行约束为一个整体，气囊体11由高压橡胶制作而成，负载的质量可以达到自身重量的29倍多，同时，机械臂采用分段式结构，其自身重量不高，自重比因此很大，可轻松实现大负载的效果。在机械臂末端安装各种不同的模块，从而可实现攀爬、抓取、搬运等各种作业；因为，有效增加了软体机械臂的伸缩量和负载，同时避免增加整体结构的尺寸和重量；结构轻便、灵活。
实施例3
本实施例与实施例2其他结构相同，不同的是，如图10至图13所示，驱动器设置有两个或者两个以上，驱动器与驱动器之间串联连接，驱动器与驱动器之间通过上底板21或下底板22连接固定。
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)
1.一种连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，包括多层气囊模块(1)、刚性骨架(2)以及气嘴(3)；所述的刚性骨架(2)包括上底板(21)、下底板(22)以及约束板(23)；所述的多层气囊模块(1)的层与层之间相互连通，多层气囊模块(1)的两端端部均设置有用于通气的气嘴(3)；所述的多层气囊模块(1)设有多列，多列多层气囊模块(1)围着同一中轴线环绕设置，且每一列多层气囊模块(1)的一端均与上底板(21)连接，另一端均与下底板(22)连接；所述的约束板(23)安装在每相邻两层气囊体(11)之间，通过约束板(23)将多列多层气囊模块(1)连接为一个整体。
2.根据权利要求1所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的多层气囊模块(1)由多个气囊体(11)串联组成，相邻两个气囊体(11)之间通过气道(12)连通。
3.根据权利要求2所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的约束板(23)上间隔设置有多个限位孔(234)，所述的多层气囊模块(1)的气道(12)穿设于限位空中。
4.根据权利要求3所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的约束板(23)包括中间连接板(231)、限位板(232)以及连接件(233)；所述的中间连接板(231)的边缘间隔设置有多个第一缺孔；所述的限位板(232)的边缘间隔设置有多个第二缺孔；所述的第一缺孔与第二缺孔的位置一一对应；所述的限位板(232)通过连接件(233)与中间连接板(231)可拆卸连接；当所述的限位板(232)与中间连接板(231)连接后，所述的第一缺孔与第二缺孔一一对应连接，以构成限位孔(234)。
5.根据权利要求1所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的上底板(21)和下底板(22)上均设置有多个螺纹孔(212)，所述的气嘴(3)为直立螺纹气嘴(3)，所述的多层气囊模块(1)通过直立螺纹气嘴(3)与螺纹孔(212)连接；所述的直立螺纹气嘴(3)与螺纹孔(212)之间通过螺母连接固定。
6.根据权利要求1所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的上底板(21)和下底板(22)上还间隔设置有多个安装孔(211)；且所述上底板(21)上的安装孔(211)的位置与所述下底板(22)上的安装孔(211)的位置一一对应。
7.根据权利要求4所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的中间连接板(231)为镂空结构。
8.根据权利要求1至7任一项所述的连续气囊耦合气动软体驱动器，其特征在于，所述的多层气囊模块(1)设置有四列，四列多层气囊模块(1)呈中心对称分布。
9.一种机械臂，其特征在于，包括至少一个权利要求1至8任一项所述的连续气囊耦合气动软体驱动器、以及气路控制系统；所述的气路控制系统分别与每一个多层气囊模块(1)的气嘴(3)连接，通过所述的气路控制系统控制多层气囊模块(1)充气或者放气，以实现机械臂的运动。
10.根据权利要求9所述的机械臂，其特征在于，当所述的驱动器设置有两个及以上时，所述的驱动器与驱动器之间串联连接，驱动器与驱动器之间通过上底板(21)或下底板(22)连接。
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| CN202310385307.7A Pending CN116512234A (zh) | 2023-04-11 | 2023-04-11 | 一种连续气囊耦合气动软体驱动器及其机械臂 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116512234A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4784042A (en) * | 1986-02-12 | 1988-11-15 | Nathaniel A. Hardin | Method and system employing strings of opposed gaseous-fluid inflatable tension actuators in jointed arms, legs, beams and columns for controlling their movements |
| WO1996035877A1 (de) * | 1995-05-09 | 1996-11-14 | Ati Alternative Technische Innovation Ag | Fluidisches betätigungsorgan |
| DE29822583U1 (de) * | 1998-07-24 | 1999-03-04 | Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe | Wurmförmiger Arbeitsmechanismus |
| WO2001017731A1 (en) * | 1999-09-09 | 2001-03-15 | Heriot-Watt University | Fluid operated actuator for robots |
| CN108943010A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-12-07 | 中国人民解放军国防科技大学 | 气控型刚柔耦合模块化软体机械臂 |
| CN110293581A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-10-01 | 北京航空航天大学 | 一种仿生软体机械臂及抓持系统 |
| CN115070748A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-09-20 | 广东工业大学 | 一种可变刚度的双向弯曲型气动软体驱动器 |
-
2023
- 2023-04-11 CN CN202310385307.7A patent/CN116512234A/zh active Pending
Patent Citations (7)
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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