CN116652909A - 一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，包括：驱动组件，该驱动组件包括第一气囊件、与第一气囊件粘贴设置的弹性基板、与弹性基板粘贴设置的第二气囊件及设置与第一气囊件与第二气囊件两端的固定组件，弹性基板的一端固接有空心管；该固定组件包括第一固定块、与第一固定块固定设置的第二固定块、第一夹具、与第一夹具固定设置的第二夹具及固定设置于第一夹具上的支撑块；第一夹具与第二夹具之间夹持有弹力带，该弹力带远离第一夹具一端夹持与第一固定块与第二固定块之间。根据本发明，实现基板的预弯曲和储能，驱动器能够在两个稳态间进行迁跃，从而获得高变形量和强输出力。
Description
技术领域
本发明涉及软体驱动器的技术领域，特别涉及一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置。
背景技术
在传统的驱动器中，刚性驱动器占主导，其在反驱动力、设计布局优化及装拆方面具有优势。不过，由于刚性驱动器整体设计上的限制，其功率密度较难达到生物肌肉水平，且难以解决零部件强度受损的问题。近年来，仿生技术为驱动器带来了新的发展机遇，针对人类与动物的运动能力研究将驱动器从刚性结构转向柔性结构。
但目前的柔性驱动器多基于形状记忆合金驱动和介电高弹体驱动等，响应时间和输出功率方面存在不足，而且对环境的要求很高，限制了其在软体机器人等相关领域中的应用效果。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，实现基板的预弯曲和储能，驱动器能够在两个稳态间进行迁跃，从而获得高变形量和强输出力。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，包括：
驱动组件，该驱动组件包括第一气囊件、与第一气囊件粘贴设置的弹性基板、与弹性基板粘贴设置的第二气囊件及设置与第一气囊件及第二气囊件两端的固定组件，弹性基板的一端固接有空心管；
该固定组件包括第一固定块、与第一固定块固定设置的第二固定块、第一夹具、与第一夹具固定设置的第二夹具及固定设置于第一夹具上的支撑块；
空心管的两端均分别延伸至第一固定块与第二固定块之间且空心管固定于第一固定块及第二固定块之间；
弹性基板远离空心管的一端延伸至第一夹具与第二夹具中且弹性基板固定于第一夹具与第二夹具之间；
第一夹具与第二夹具之间夹持有弹力带，该弹力带远离第一夹具一端夹持与第一固定块与第二固定块之间。
优选的，第一气囊件与弹性基板之间通过双面胶粘接，第二气囊件与弹性基板之间通过双面胶粘接，且第一气囊件与弹性基板之间及第二气囊件与弹性基板之间通过双面胶形成粘结层。
优选的，第一气囊件远离第二气囊件的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线，每两个密封线之间形成一薄膜气腔；第二气囊件远离第一气囊的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线，每两个密封线之间形成一薄膜气腔。
优选的，还包括样机器人外壳、均匀设置于样机器人外壳外周一圈的多个驱动组件及设置于样机器人外壳内部的集成元器件，驱动组件通过支撑块固定于样机器人外壳上，每两个驱动组件之间设置有伞状蒙皮。
优选的，集成元器件包括Arduino控制板、设置于Arduino控制板下方的锂电池、设置于锂电池下方的多个气泵与多个电磁阀、与Arduino控制板相邻设置的电机调速模块、蓝牙模块及电压调节模块。
优选的，第一气囊件与第二气囊件的材料均为透明TPU薄膜，弹性基板的材料为FR-4环氧树脂，伞状蒙皮材料为尼龙薄膜。
一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置运行过程，包括以下步骤：
S1、通过固定组件安装弹力带，使得弹力带位于弹性基板的一侧；
S2、通过弹力带拉住弹性基板的两端，使得对弹性基板及第一气囊件与第二气囊件施加预弯曲的力，成为弯曲状态使其储存能量；
S3、通过控制电磁阀控制气泵的通断，使得对第一气囊件进行充气，第二气囊件不充气，弹性基板受到两侧气压差造成的挤压力不断增大，挤压力达到临界值，通过弹力带跳变到稳定状态I；
S4、弹性基板跳变方向后，第一气囊件放气，第二气囊件充气，再次形成反向的气压差使得弹性基板向另一端跳变，由弹力带达到稳定状态II，使整个驱动模块向下侧拱起；
S5、通过步骤S3与步骤S4交替实现，该驱动装置来回循环摆动，产生周期性运动，产生稳定推进力，实现软体机器人的前进。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：通过弹力带拉伸预弯曲驱动装置能够克服软材料本身响应速度慢的特点，使用弹力带极大地提升了驱动器的响应速度和输出力。软基板两端由弹力带连接，保证了基板弯曲达到稳态的精准性。二者间得有机配合，使得双稳态驱动器实现能量得最大化利用。从能量的角度而言，弹力带伸长量最小的两个位置恰好对应双稳态驱动器能量的两个极小值点，双稳态装置仅需在状态切换时输入能量，这进一步提高了软体机器人的工作效率。此外，流通的气体可循环利用，近乎零排放的驱动方式有助于解决现行驱动器能耗高的问题，且整个驱动组件、固定组件均符合软材料界定。可在外界与作用对象发生碰撞时，产生相对于作用对象更大的形变量，有助于解决现有刚性驱动器在外部冲击时零部件强度受损问题。
由于气体易于在自然界获取，若以整机形式，还可在水等液体环境通过水的自流入、自流出实现较低能耗的驱动。因此可以进一步实现清洁型驱动器。
可以实现多级并联同时工作，从而增强软体驱动器的驱动功率。
附图说明
图1为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的整体基本结构示意图；
图2为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的3D模型图；
图3为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的工作原理图；
图4为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的驱动控制时序图；
图5为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的一个周期驱动过程的示意图；
图6为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的应用到机器人的流程图；
图7为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的水母机器人基本结构图；
图8为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的集成元器件基本结构整体图；
图9为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的样机的运动状态图；
图10为根据本发明的弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置的气泵驱动控制板设计示意图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-10，一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，包括驱动组件、用于支撑该驱动组件的固定组件及用于给驱动组件供气的电源模块，固定组件对驱动组件起支撑作用以及拉伸弹力带为基板提供预紧力，而且通过电源模块的供气模块实现气囊件通断气；通过电源模块的控制模块实现驱动装置的跳变循环运动。经过实验对比，驱动装置的尺寸为105*15*0.3mm。
该驱动组件7包括第一气囊件、与第一气囊件粘贴设置的弹性基板3、与弹性基板3粘贴设置的第二气囊件及设置与第一气囊件及第二气囊件两端的固定组件，弹性基板3的一端固接有空心管4；
如图2，该固定组件包括第一固定块11、与第一固定块11固定设置的第二固定块12、第一夹具9、与第一夹具9固定设置的第二夹具10及固定设置于第一夹具9上的支撑块8；空心管4的两端均分别延伸至第一固定块11与第二固定块12之间且空心管4固定于第一固定块11及第二固定块12之间；弹性基板3远离空心管4的一端延伸至第一夹具9与第二夹具10中且弹性基板3固定于第一夹具9与第二夹具10之间；第一夹具9与第二夹具10之间夹持有弹力带6，该弹力带6远离第一夹具9一端夹持与第一固定块11与第二固定块12之间。通过弹力带6的特性，保证驱动组件7跳变时处于的两个稳定状态为能量极小值，因此双稳态装置在状态转变时输入能量，保证软体机器人有效运动。通过驱动组件7与固定组件间的预紧力以不同程度的过紧配合设计达到可控状态，实现驱动装置的固定以及为弹性基板3预弯曲储能提供结构条件。
进一步的，第一气囊件与弹性基板3之间通过双面胶粘接，第二气囊件与弹性基板3之间通过双面胶粘接，且第一气囊件与弹性基板3之间及第二气囊件与弹性基板3之间通过双面胶形成粘结层5，第一气囊件远离第二气囊件的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线2，每两个密封线2之间形成一薄膜气腔1；第二气囊件远离第一气囊的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线2，每两个密封线2之间形成一薄膜气腔1。第一气囊件与第二气囊件的结构相同，且第一气囊件包括外框主干以及设置于外框主干相对的两个内侧上的多个分支部分，相对分支部分之间间隔设置，第一气囊件通过分支部分使气囊层的各薄膜气腔1进行膨胀，从而产生张紧力，牵引弹性基板3弯曲，未通气体时，整体结构处于初始稳定状态；第一气囊件与第二气囊件尾部的通气管与外接气管构成，设置气孔与气泵相连。第一气囊件充气的同时第二气囊件进行放气，构造弹性基板3两侧的气压差。当第一气囊件与第二气囊件造成的挤压力达到临界值后，双稳态基板会进入不稳定状态向另一侧的稳定状态跳变，使整个驱动组件向上侧拱起，下侧方式同理。
进一步的，还包括样机器人外壳13、均匀设置于机器人外壳13外周一圈的多个驱动组件7及设置于机器人外壳13内部的集成元器件16，驱动组件7通过支撑块8固定于机器人外壳13上，每两个驱动组件7之间设置有伞状蒙皮15，机器人外壳13通过硅胶堵头14进行密封设置。集成元器件16包括Arduino控制板19、设置于Arduino控制板19下方的锂电池20、设置于锂电池20下方的多个气泵21与多个电磁阀22、与Arduino控制板19相邻设置的电机调速模块23、蓝牙模块24及电压调节模块25。Arduino控制板19控制电磁阀22的通断从而控制气腔的充放气，如图3、图4所示，A侧与B侧气腔间断式充放气，保证弹性基板两侧存在气压差从而弯曲。供气模块为气泵21通过气管组件17向驱动装置7提供气体，如图5所示，双稳态装置初始位于稳态位置Ⅰ，使用弹力带拉伸使其向A侧预弯曲，如图5a。然后对A侧气腔进行充气，A侧的弹性基板表面产生挤压载荷使PBA向B侧切换，如图5b。当挤压载荷接近基板的临界跳变力时，双稳态装置会出现如图5c中水平伸直的状态，此时弹力带的拉伸位移也会达到最大，弹力带积聚的弹性势能也变为最大。随着A侧气压逐渐增加，当弹性基板受到的载荷超过临界跳变力时，弹性基板会发生跳变进入到稳态位置Ⅱ图5d，然后A侧气腔通过充气口向外泄气。同理，图5e中位于稳态位置Ⅱ的驱动装置向A侧跳变，需要对B侧的气腔进行充气，如图5f，进而B侧弹性基板表面受载荷挤压，使弹性基板突破双稳态装置的势能极大值点，如图5g，再次进入到稳态位置Ⅰ，如图5h。
进一步的，第一气囊件与第二气囊件的材料均为透明TPU薄膜，弹性基板3的材料为FR-4环氧树脂，伞状蒙皮15材料为尼龙薄膜。
一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置运行过程，包括以下步骤：
S1、通过固定组件安装弹力带6，使得弹力带6位于弹性基板3的一侧；
S2、通过弹力带6拉住弹性基板3的两端，使得对弹性基板3及第一气囊件与第二气囊件施加预弯曲的力，成为弯曲状态使其储存能量；
S3、通过控制电磁阀22控制气泵21的通断，使得对第一气囊件进行充气，第二气囊件不充气，弹性基板3受到两侧气压差造成的挤压力不断增大，挤压力达到临界值，通过弹力带跳变到稳定状态I；
S4、弹性基板3跳变方向后，第一气囊件放气，第二气囊件充气，再次形成反向的气压差使得弹性基板3向另一端跳变，由弹力带达到稳定状态II，使整个驱动模块向下侧拱起；
S5、通过步骤S3与步骤S4交替实现，该驱动装置来回循环摆动，产生周期性运动，产生稳定推进力，实现软体机器人的前进。
图9中是利用所述双稳态驱动器搭建的仿生水母式排水运动样机在水中的运动状态。
图10是仿水母式气泵驱动控制板，包含主控芯片ESP12S(集成WIFI蓝牙模块)，用于控制泵的开关以及电磁阀的通断，实现双稳态跳变；其中泵的驱动芯片采用RZ7899，ESP12S给出PWM信号用于控制泵的进出气速度，从而控制乌贼的运动速度。LED灯表示设备的上电状态，左侧按键为ESP12S的复位按键，右侧按键为下载按键；该驱动板自带USB转TTL芯片CP2102，使用TYPE-C接口数据线连接电脑并安装CP2102相关驱动程序后，可对芯片内程序进行擦写和修改。
双稳态驱动装置应用到机器人过程如图6流程图所示，首先选择样机的驱动方式与样机的结构形状，对整体机器人进行测试，不断进行驱动优化与结构优化直到样机运动满足运动要求；随后建立力学模型进行仿真分析，包括ABAQUS有限元仿真、Fluent软件CFD仿真、MATLAB数据分析；最后将试验与仿真进行拟合分析，符合条件则结束否则继续优化相关试验。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，包括：
驱动组件(7)，该驱动组件(7)包括第一气囊件、与第一气囊件粘贴设置的弹性基板(3)、与弹性基板(3)粘贴设置的第二气囊件及设置与第一气囊件及第二气囊件两端的固定组件，弹性基板(3)的一端固接有空心管(4)；
该固定组件包括第一固定块(11)、与第一固定块(11)固定设置的第二固定块(12)、第一夹具(9)、与第一夹具(9)固定设置的第二夹具(10)及固定设置于第一夹具(9)上的支撑块(8)；
空心管(4)的两端均分别延伸至第一固定块(11)与第二固定块(12)之间且空心管(4)固定于第一固定块(11)及第二固定块(12)之间；
弹性基板(3)远离空心管(4)的一端延伸至第一夹具(9)与第二夹具(10)中且弹性基板(3)固定于第一夹具(9)与第二夹具(10)之间；
第一夹具(9)与第二夹具(10)之间夹持有弹力带(6)，该弹力带(6)远离第一夹具(9)一端夹持与第一固定块(11)与第二固定块(12)之间。
2.如权利要求1所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，第一气囊件与弹性基板(3)之间通过双面胶粘接，第二气囊件与弹性基板(3)之间通过双面胶粘接，且第一气囊件与弹性基板(3)之间及第二气囊件与弹性基板(3)之间通过双面胶形成粘结层(5)。
3.如权利要求2所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，第一气囊件远离第二气囊件的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线(2)，每两个密封线(2)之间形成一薄膜气腔(1)；第二气囊件远离第一气囊的端面上通过热熔密封的方式形成多个密封线(2)，每两个密封线(2)之间形成薄膜气腔(1)。
4.如权利要求1所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，还包括样机器人外壳(13)、均匀设置于机器人外壳(13)外周一圈的多个驱动组件(7)及设置于机器人外壳(13)内部的集成元器件(16)，驱动组件(7)通过支撑块(8)固定于机器人外壳(13)上，每两个驱动组件(7)之间设置有伞状蒙皮(15)，机器人外壳(13)使用硅胶堵头(14)过紧密封。
5.如权利要求4所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，集成元器件(16)包括Arduino控制板(19)、设置于Arduino控制板(19)下方的锂电池(20)、设置于锂电池(20)下方的多个气泵(21)与多个电磁阀(22)、与Arduino控制板(19)相邻设置的电机调速模块(23)、蓝牙模块(24)及电压调节模块(25)。
6.如权利要求4所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置，其特征在于，第一气囊件与第二气囊件的材料均为透明TPU薄膜，弹性基板(3)的材料为FR-4环氧树脂，伞状蒙皮(15)材料为尼龙薄膜。
7.如权利要求1所述的一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置运行过程，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过固定组件安装弹力带(6)，使得弹力带(6)位于弹性基板(3)的一侧；
S2、通过弹力带(6)拉住弹性基板(3)的两端，使得对弹性基板(3)及第一气囊件与第二气囊件施加预弯曲的力，成为弯曲状态使其储存能量；
S3、通过使用电磁阀(22)控制气泵(21)的通断，使得对第一气囊件进行充气，第二气囊件不充气，设置气管组件(17)进行气体输送，弹性基板(3)受到两侧气压差造成的挤压力不断增大，挤压力达到临界值，通过弹力带跳变到稳定状态I；
S4、弹性基板(3)跳变方向后，第一气囊件放气，第二气囊件充气，再次形成反向的气压差使得弹性基板(3)向另一端跳变，由弹力带达到稳定状态II，使整个驱动模块向下侧拱起；
S5、通过步骤S3与步骤S4交替实现，该驱动装置来回循环摆动，产生周期性运动，产生稳定推进力，实现软体机器人的前进。
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| CN202310675912.8A Pending CN116652909A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种弹力带拉伸预弯曲的双稳态驱动装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116652909A (zh) |
-
2023
- 2023-06-08 CN CN202310675912.8A patent/CN116652909A/zh active Pending
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Legal Events
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