CN213005311U - 一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器 - Google Patents

Abstract

一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，旨在解决现有技术中气动柔性驱动器无法贴合仿生设计实现刚度的可变调节，驱动器本身的承载能力较差，以及刚度调节过程的响应速率较低的技术问题。本实用新型包括驱动器本体，驱动器本体的一端设有沿其长度方向布置的安装槽，安装槽中嵌设有变刚度模块，变刚度模块包括液态金属、防护壳和加热件，液态金属封装在防护壳内部，驱动器本体内部开设有若干个气腔，气腔沿驱动器本体的长度方向布置，插设在驱动器本体上的气管的一端与所述气腔连通，气管的另一端延伸至驱动器本体外部。

Description

一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器

技术领域

本实用新型涉及柔性机器人或仿生机器人技术领域，特别是涉及一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器。

背景技术

随着人类生产生活的不断进步和发展，机器人技术、自动控制技术的不断进步，机器人已经广泛应用于人类社会的各个方面，尤其在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。从机器人驱动器的类型看，早期的机械臂采用液压驱动，液压驱动的特点是控制相对简单，可以获得很高的功率/重量比，但存在油液泄漏、成本高、安全性差等问题，并且需要压力油供应系统；电机的出现给机器人提供了新的驱动方式，并逐步取代了液压驱动方式，电机驱动的优点是控制简单、洁净、噪音低、成本相对较低，不足之处在于功率/体积重量比小，而且在某些（如易燃易爆）场合同样存在安全隐患。由电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成的传统的刚性机器人具备可承受外载荷大，作业精确度高、动力足、功率大及性能成熟等多种优点，但是随着机器人应用从工业领域向社会服务、环境勘测等领域扩展，机器人的作业环境从简单、固定、可预知的结构化环境变为复杂、动态、不确定的非结构化环境，机器人需要向智能化、柔性化及协作化发展。在高端制造、医疗康复、国防安全等领域，传统刚性机器人已不能满足要求，基于此，近年来研究人员尝试将软体动物有关生物学原理应用到机器人系统研究与设计中，提出了柔性机器人的概念。

柔性机器人与传统的刚性机器人相比具有很多优势，它可以更好适应各种环境，在空间狭小、非结构的环境下都可以完成复杂的任务。目前,研究柔性机器人都具有多自由度和连续变换的能力，可在大范围内任意改变自己身形和尺寸，因为主动变形与被动变形能力的结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。研究的技术难点在于，柔性机器人所具备的多自由度和连续变换的能力均得益于其驱动器，柔性机器人的设计需要大量的柔性驱动器，而传统的液压驱动、电机驱动方式不能满足要求；基于此，研究人员将目光转向一些新的驱动技术，如：微型电机、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、聚合材料人工肌肉驱动器、磁致伸缩驱动器以及气动柔性驱动器。

申请号为CN201410406261.3的中国专利公开了一种仿生软体机器人的变刚度模块，所述变刚度模块包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件；所述中心约束件包括中心约束弹簧和中心约束环，所述中心驱动腔的内壁安装中心约束弹簧，所述中心驱动腔的外壁安装中心约束环，所述侧约束件包括侧约束弹簧和侧约束环，所述侧驱动腔的内壁安装侧约束弹簧，所述侧驱动腔的外壁安装侧约束环。

上述专利提出的仿生软体机器人的变刚度模块可以根据工作任务的需求组合成各种最佳的构形，并且可以使软体机器人能够实时的控制和改变自身的刚度、保持稳定的抓取动作；其问题在于，上述实用新型通过向中心腔注入不同压力的压缩气体实现变刚度调节，当所需刚度较大时，需要注入高压强的压缩气体且所需气量较大，在注气加压过程中，一方面气体注入需要一定时间，所述变刚度模块自低刚度变换到高刚度需要一定的过渡时间，即该刚度模块无法实现刚度变化的快速响应，另一方面气压过大时存在安全风险，基于使用安全性的考量，实际应用过程中所述变刚度模块的刚度调节上限较小，导致其应用范围较窄。

申请号为CN201811236251.4的中国专利公开了一种变刚度机器人，包括变刚度装置、密封装置和流体充入装置，所述变刚度装置包括外管体、内管体、弹性填充体和膨胀袋体，所述外管体套设于所述内管体外且所述外管体与所述内管体之间形成填充腔，所述密封装置包括第一密封装置和第二密封装置，所述第一密封装置连接所述外管体的一端和所述内管体的一端并封闭所述填充腔的一端，所述第二密封装置连接所述外管体的另一端和所述内管体的另一端并封闭所述填充腔的另一端；所述填充腔内填充有所述弹性填充体，所述膨胀袋体嵌置于所述弹性填充体内；所述流体充入装置的输出端穿过所述第一密封装置或第二密封装置并与所述膨胀袋体连通以向所述膨胀袋体内充入压力流体。

上述专利通过改变充入的压力流体的压强可调节机器人的刚度，便于控制机器人的刚度，相较于上一篇对比专利中单纯气压调节的变刚度调节方式，这一对比文件拓展了刚度调节范围，其问题在于，上述专利中的变刚度装置不具备三自由度运动能力，应用在柔性机器人上时无法满足仿生设计的需要。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术中气动柔性驱动器无法贴合仿生设计实现刚度的可变调节，驱动器本身的承载能力较差，以及刚度调节过程的响应速率较低的技术问题，提供一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，所述驱动器可根据环境状况实现自身的刚度变化，刚度变化可实现快速响应，且具备三自由度运动能力，应用在柔性机器人上时满足仿生设计的需要。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种可变刚度三自由度气动柔性驱动器，包括驱动器本体，驱动器本体的一端设有沿其长度方向布置的安装槽，安装槽中嵌设有变刚度模块，变刚度模块包括液态金属、防护壳和加热件，液态金属封装在防护壳内部，驱动器本体内部开设有若干个气腔，气腔沿驱动器本体的长度方向布置，插设在驱动器本体上的气管的一端与所述气腔连通，气管的另一端延伸至驱动器本体外部。本实用新型所述驱动器工作时，通过加热件对液态金属进行加热，液态金属吸收热量后从固态过渡变化至液态，当液态金属液化后，驱动器刚度可以近似认为是驱动器本身的刚度，此时可通过压缩气体进行驱动，压缩气体经气管注入气腔中并作用于硅胶本体前端，随着气腔内部气体压力的上升，气腔发生径向膨胀，表面拉簧的布置一方面可限制气腔的膨胀趋势，避免气腔形变超出材料的弹性回复上限导致驱动器报废，另一方面允许进行轴向拉伸的拉簧可实现气腔的径向膨胀力朝轴向拉伸力转变，本实用新型在气腔中通入高压气源使得气腔产生一定的伸长量，通过控制若干个气腔内部的压力大小，实现不同气腔的伸长量控制，进而使得柔性驱动器能够作弯曲、偏转或伸长运动，具体的，以气腔的数目为三个为例，当两个气腔通入相同气压，另一个气腔通入与之不同压力的气源时，由于气腔的长度差异和约束迫使柔性驱动器朝相对伸长量小（气腔气压低）的腔体一侧作纯弯曲运动；当三个气腔通入各不相同压力的气源时，则会使柔性驱动器产生偏转以及弯曲运动，且围绕相对伸长量小（内腔气压低）的气腔一侧作偏转；本实用新型通过液态金属的液化降低气腔辅助姿态调整时的阻力，应用在柔性机器人上时可保证机器人的姿态快速调整到位，且具备三自由度运动能力，满足仿生设计的需要；进一步的，当驱动器到达工作点时，加热件断电截止，由于驱动器本体采用铂催化硅橡胶和石墨烯的混合材料制备，液态金属可快速散热，故而液态金属可实现液态至固态的快速相变，此时驱动器刚度就是驱动器本体与液态金属的刚度叠加，由于液态金属固化后的刚度远远大过一些塑性材料，故而本实用新型可实现驱动器自小刚度朝大刚度的快速响应，在为驱动器提供较大承载力的同时可依照环境需求实现刚度向上的快速调节。

作为优选，安装槽的轴线与驱动器本体的轴线倾斜布置，安装槽的开口端的中心在驱动器本体的轴线上，防护壳内部设有用以填装液态金属的安装腔，安装腔的轮廓由安装槽的轮廓按比例缩放而成。液态金属由固态变至液态时，其体积增大，若在初始布置时将安装腔布设在驱动器本体的轴线上，液态金属由固态至液态的相变过程中，防护壳会因液态金属的体积膨胀而受到来自安装腔的不平衡载荷，在该不平衡载荷的驱动下变刚度模块会偏离驱动器本体的轴线，为避免这一现象的出现，本实用新型在安装腔的初始布置时留有一定的偏移裕量，即安装槽的开口端的中心在驱动器本体的轴线上，安装槽的轴线与驱动器本体的轴线倾斜布置，当液态金属由固态相变至液态时，随着液态金属体积的增大，安装腔的轴线会逐渐朝驱动器本体的轴线靠拢，从而可保证三自由度调节时变刚度模块各位置承受载荷均匀。

作为优选，驱动器本体包括封装件和第一封装层，呈柱状的封装件的外周面上绕设有拉簧，拉簧位于封装件和呈环形柱状的第一封装层之间，变刚度模块、气腔和气管均布设在封装件上。本实用新型中封装件表面拉簧的布置一方面可限制气腔的膨胀趋势，避免气腔形变超出材料的弹性回复上限导致驱动器报废，另一方面允许进行轴向拉伸的拉簧可实现气腔的径向膨胀力朝轴向拉伸力转变，辅助实现三自由度运动能力。

作为优选，所述加热件为电阻丝，电阻丝螺旋绕设在安装腔的周面上，电阻丝埋设在防护壳内部，电阻丝与布设在驱动器本体外部的电源通过导线相连。

作为优选，气腔的数目为三个且沿安装槽的周向等夹角布置，气管的数目与气腔的数目相等，气管与气腔逐一对应连通。当两个气腔通入相同气压，另一个气腔通入与之不同压力的气源时，由于气腔的长度差异和约束迫使柔性驱动器朝相对伸长量小（气腔气压低）的腔体一侧作纯弯曲运动；当三个气腔通入各不相同压力的气源时，则会使柔性驱动器产生偏转以及弯曲运动，且围绕相对伸长量小（内腔气压低）的气腔一侧作偏转。

作为优选，驱动器本体由铂催化硅橡胶和石墨烯的混合材料浇筑成型。驱动器本体的浇筑硅胶混合有石墨烯，增强了导热功能，从而可以使变刚度模块更快的进行散热，实现液态金属液-固相变的快速响应。

作为优选，拉簧由304不锈钢制成。

作为优选，气管由PU管制成，气管与驱动器本体之间填装有用以密封的硅胶粘接剂。

作为优选，防护壳由铂催化硅橡胶制成。铂催化硅橡胶固化后非常柔软，抗拉撕性能好，具有很好的弹性以及伸长率，可伸长数倍而不会撕裂，并能够不变形地回弹到原来尺寸，选用上述铂催化硅橡胶可保证防护壳多次变形后仍可复位至原形状，从而提升防护壳的耐用性和使用寿命；此外，采用铂催化的超弹性硅胶使得驱动气压低，提高了能源的利用率。

综上所述，本实用新型具有如下有益效果：（1）所述驱动器可根据环境状况实现自身的刚度变化，刚度变化可实现快速响应；（2）驱动器具备三自由度运动能力，满足仿生设计的需求，可以为后续柔性机器人的研制提供有效的驱动器保障；（3）通过液态金属的固液相变特性，实现了驱动器刚度变化控制，大幅度提高了气动柔性驱动器的刚度；（4）驱动器本体的浇筑硅胶混合有石墨烯，增强了导热功能，从而可以使变刚度模块更快的进行散热，实现液-固相变；（5）柔性驱动器采用铂催化的超弹性硅胶使得驱动气压低，提高了能源的利用率。

附图说明

图1是本实用新型的轴测图。

图2是本实用新型的剖视图。

图3是本实用新型中变刚度模块的剖视图。

图中：

安装槽1，变刚度模块2，液态金属3，防护壳4，加热件5，气腔6，气管7，安装腔8，封装件9，第一封装层10，拉簧11，导线12。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例：

如图1至图3所示，一种可变刚度三自由度气动柔性驱动器，包括驱动器本体，驱动器本体的一端设有沿其长度方向布置的安装槽1，安装槽中嵌设有变刚度模块2，变刚度模块包括液态金属3、防护壳4和加热件5，液态金属封装在防护壳内部，驱动器本体内部开设有若干个气腔6，气腔沿驱动器本体的长度方向布置，插设在驱动器本体上的气管7的一端与所述气腔连通，气管的另一端延伸至驱动器本体外部；安装槽的轴线与驱动器本体的轴线倾斜布置，安装槽的开口端的中心在驱动器本体的轴线上，防护壳内部设有用以填装液态金属的安装腔8，安装腔的轮廓由安装槽的轮廓按比例缩放而成；驱动器本体包括封装件9和第一封装层10，呈柱状的封装件的外周面上绕设有拉簧11，拉簧位于封装件和呈环形柱状的第一封装层之间，变刚度模块、气腔和气管均布设在封装件上；所述加热件为电阻丝，电阻丝螺旋绕设在安装腔的周面上，电阻丝埋设在防护壳内部，电阻丝与布设在驱动器本体外部的电源通过导线12相连；气腔的数目为三个且沿安装槽的周向等夹角布置，气管的数目与气腔的数目相等，气管与气腔逐一对应连通；驱动器本体由铂催化硅橡胶和石墨烯的混合材料浇筑成型；拉簧由304不锈钢制成；气管由PU管制成，气管与驱动器本体之间填装有用以密封的硅胶粘接剂；防护壳由铂催化硅橡胶制成。

一种可变刚度的三自由度柔性驱动器包括变刚度模块和驱动器本体，所述变刚度模块包括液态金属、铂催化硅橡胶、电阻丝和导线，所述液态金属布置在由铂催化硅橡胶制作的腔体内，所述电阻丝以螺旋的形式缠绕在腔体表面，所述电阻丝通过所述导线进行通电，所述电阻丝缠绕完毕后用所述铂催化硅橡胶进行表面浇筑封装，并对布置由所述液态金属的腔体进行密封，所述驱动器本体内部含有三个气腔，并成120°均布，所述驱动器本体浇筑材料采用混有石墨烯的铂催化硅橡胶，浇筑分为两次，第一次浇筑时把所述变刚度模块放置在中心区域，和三个气腔一起制作完成，第二次浇筑时，首先在第一次浇筑的硅胶体表面缠绕拉簧，然后进行浇筑，最后插入气管，用硅胶粘接剂进行密封固定。所述变刚度模块的主要任务是实现驱动器在运动过程中的刚度变化，从而提高其承载能力，原理是，液态金属在常温的情况下为固态，当驱动器需要运动时，通过导线给缠绕在液态金属腔体表面的电阻丝通电，使电阻发热，进而使液态金属腔体内部温度高于常温，使得液态金属可以转变为液态，进而可以使驱动器被压缩气体所驱动，通过控制三个气腔内的气压力大小，并借助拉簧的径向约束促使气腔发生轴向变形，可以实现驱动器的伸长、弯曲和扭转，当驱动器到达目标位置需要承载时，可以立刻切断电阻丝电源，使其降温，由于驱动器本体浇筑的硅胶中混合有石墨烯，这相对于普通硅胶大大提高了导热的速度，从而可以促使液态金属更快的凝固，提高驱动器刚度。

如图2所示，虚线外侧为第一封装层，虚线内部为封装件，第一封装层是在封装件的基础上二次浇筑成型得到的，第一封装层与封装件之间设有拉簧，封装件呈柱状，封装件的右端面上开设有安装槽，安装槽自右向左布置，安装槽呈左低右高排布，安装槽的轴线与封装件的轴线相倾斜，安装槽中嵌设有变刚度模块，变刚度模块包括外轮廓与安装槽的内轮廓一致的防护壳，防护壳内部设有用以填装液态金属的安装腔，安装腔的轮廓由安装槽的轮廓按比例缩放而成，防护壳内部设有沿液态金属长度方向螺旋绕设的电阻丝，电阻丝的右端与导线的左端相连，导向的右端延伸至驱动器本体外部，本实施例中，封装件内部设有三个气腔，气腔的布置方向与封装件的轴线平行，气腔与外部环境通过气管连通，气管水平插接在封装件中，气管的左端与气腔连通，气管的右端延伸至封装件的外部，三个气腔沿变刚度模块的周向等夹角布设，相邻两个气腔之间的夹角为120°。

本实用新型所述可变刚度三自由度气动柔性驱动器的制备过程如下：

（1）变刚度模块制备：首先在模具中注入一定量的铂催化硅橡胶，浇筑出图3中防护壳左端的实心部分，将电阻丝螺旋缠绕在处于固态的液态金属表面，电阻丝的一端与导线的一端相连，待模具中的防护壳实心部分冷却完成后，将绕设有电阻丝的液态金属放入模具中，将导线的另一端延伸至模具外部，使用铂催化硅橡胶对液态金属进行表面浇筑封装，对浇筑成型的变刚度模块进行静置冷却，冷却后进行脱模得到变刚度模块；

（2）封装件制备：在模具中注入一定量的石墨烯和铂催化硅橡胶混合材料，浇筑出图2中封装件左端的实心部分，待模具中的封装件实心部分冷却完成后，将步骤（1）得到的变刚度模块倾斜放入模具中，保证变刚度模块的上端与模具的开口端同心，变刚度模块的下端偏离模具的轴线，将用以制备气腔的型芯等夹角布置在变刚度模块的周向，该型芯的制备材料加热后成液态，型芯的熔点需远低于封装件制备材料的熔点，使用石墨烯和铂催化硅橡胶混合材料对封装件进行二次浇筑，待封装件冷却后，将气管的一端插设在封装件中，保证气管与气腔逐一对应连通，气管的另一端延伸至封装件外部，对封装件稍稍加热，将液化的型芯导出后，在气管与封装件之间填装硅胶粘接剂进行密封，然后进行封装件脱模；

（3）驱动器本体制备：在封装件的表面上缠绕拉簧，将绕有拉簧的封装件放入模具中，使用石墨烯和铂催化硅橡胶混合材料对绕有拉簧的封装件进行浇筑，待第一封装层与封装件冷却固连后脱模即可。

Claims (9)

1.一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，包括驱动器本体，其特征在于，驱动器本体的一端设有沿其长度方向布置的安装槽，安装槽中嵌设有变刚度模块，变刚度模块包括液态金属、防护壳和加热件，液态金属封装在防护壳内部，驱动器本体内部开设有若干个气腔，气腔沿驱动器本体的长度方向布置，插设在驱动器本体上的气管的一端与所述气腔连通，气管的另一端延伸至驱动器本体外部。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，安装槽的轴线与驱动器本体的轴线倾斜布置，安装槽的开口端的中心在驱动器本体的轴线上，防护壳内部设有用以填装液态金属的安装腔，安装腔的轮廓由安装槽的轮廓按比例缩放而成。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，驱动器本体包括封装件和第一封装层，呈柱状的封装件的外周面上绕设有拉簧，拉簧位于封装件和呈环形柱状的第一封装层之间，变刚度模块、气腔和气管均布设在封装件上。

4.根据权利要求2所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，所述加热件为电阻丝，电阻丝螺旋绕设在安装腔的周面上，电阻丝埋设在防护壳内部，电阻丝与布设在驱动器本体外部的电源通过导线相连。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，气腔的数目为三个且沿安装槽的周向等夹角布置，气管的数目与气腔的数目相等，气管与气腔逐一对应连通。

6.根据权利要求1所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，驱动器本体由铂催化硅橡胶和石墨烯的混合材料浇筑成型。

7.根据权利要求3所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，拉簧由304不锈钢制成。

8.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，气管由PU管制成，气管与驱动器本体之间填装有用以密封的硅胶粘接剂。

9.根据权利要求1或2或3或5或6所述的一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，其特征在于，防护壳由铂催化硅橡胶制成。

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