弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器制造技术

一种弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器，包括：带有多个气室的气动驱动器、弹性传感器和锁紧机构，其中：多个气室等距排布于气动驱动器的长边上且通过通道连接，弹性传感器依次穿过气室两侧的通孔并由锁紧机构固定，通过弹性传感器测量的变形量获得气动驱动器的变形量以实现自传感。本发明专利技术体积小且耗能低；用弹性传感器的弹力代替气源输出力作为气动驱动器的弯曲驱动来源，仅在驱动器伸直时需要气源提供压缩气体，通过调节弹性传感器的预紧力直接改变驱动器的刚度，提高驱动性能的同时节省了能源的消耗；通过弹性传感器获知气动驱动器的变形程度，实现自传感，达到气动驱动器精确控制。

Bending type variable stiffness self sensing pneumatic soft driver

【技术实现步骤摘要】
弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器
本专利技术涉及的是一种机器人及工业自动化领域的技术，具体是一种弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器。
技术介绍
探索柔性部件已成为近些年机器人研究领域的热点之一，尤其是基于弹性材料的启动驱动器。该驱动器凭借其高度的柔顺性以及可变形性，大幅提高了机器工作过程中的安全性和灵活性，同时降低了对控制精度的需求，适用于抓取易碎或精密的物体。然而弹性材料刚度较低的特点导致启动驱动器的强度不足，限制了该驱动器的适用范围。利用压缩气体使驱动器变形的驱动方式带来了较低的能量利用率，而且为了维持驱动器的工作状态，一般需要在驱动器内部封存压力恒定的压缩气体，使得控制系统复杂化。传统的变刚度驱动器虽然可以提高软体抓手对较大质量物体的承载能力，但是还需要额外提供能量实现变刚度，增加了能量的消耗。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器，将弯曲状态固定为驱动器的自然状态，仅在伸直的过程中需要供给压缩气体，降低了能耗；通过改变驱动器的预紧力就能够改变驱动器的刚度，简化了控制系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：带有多个气室的气动驱动器、弹性传感器和锁紧机构，其中：多个气室等距排布于气动驱动器的长边上且通过通道连接，弹性传感器依次穿过气室两侧的通孔并由锁紧机构固定，通过弹性传感器测量的变形量获得气动驱动器的变形量以实现自传感。所述的气动驱动器的外侧设有用于限制其变形的纤维层。所述的锁紧机构包括：挡板和锁紧螺钉，其中：锁紧螺钉压紧弹性传感器并固定于挡板上，挡板依靠弹性传感器提供的弹力与气动驱动器接触。技术效果与现有技术相比，本专利技术体积小且耗能低；用弹性传感器的弹力代替气源输出力作为气动驱动器的弯曲驱动来源，仅在驱动器伸直时需要气源提供压缩气体，通过调节弹性传感器的预紧力直接改变驱动器的刚度，提高驱动性能的同时节省了能源的消耗；通过弹性传感器获知气动驱动器的变形程度，实现自传感，达到气动驱动器精确控制。附图说明图1为本专利技术的三维示意图；图2为本专利技术的爆炸图；图3为气动驱动器的结构示意图；图4为气动驱动器的主体示意图；图5为本专利技术的弯曲状态示意图；图6为实际驱动力与驱动器内部气压关系的测试结果图；图7为实际弯曲角度与驱动器内部气压关系的测试结果图；图中：气动驱动器1、主体101、第一弹性层102、纤维层103、第二弹性层104、气室105、通孔106、弹性传感器2、锁紧机构3、挡板301、锁紧螺钉302。具体实施方式如图1至图4所示，本实施例包括：带有多个气室105的气动驱动器1、弹性传感器2和锁紧机构3，其中：多个气室105等距排布于气动驱动器1的长边上且通过通道连接，弹性传感器2依次穿过气室105两侧的通孔106并由锁紧机构3固定，通过弹性传感器2在将气动驱动器的自然状态通过预紧力拉紧为弯曲状态的同时又能与气动驱动器同步变形，通过弹性传感器自身的形变实时测量驱动器的形变大小，实现自传感功能。所述的气动驱动器1包括：主体101和依次设置于主体101外的第一弹性层102、纤维层103和第二弹性层104以用于限制气动驱动器1变形。所述的气动驱动器1为网格型驱动器，主体101、第一弹性层102、纤维层103和第二弹性层104均采用硅胶浇注而成。所述的锁紧机构3包括：挡板301和锁紧螺钉302，其中：弹性传感器2的两端分别穿过挡板301上的两个螺纹孔，锁紧螺钉302旋入螺纹孔以固定弹性传感器2。当气动驱动器1内部通入压缩气体时，气动驱动器1的主体101受到压力膨胀，而第一弹性层102和第二弹性层104在变形相对小的纤维层103的限制作用下形变受到限制，从而使得气动驱动器1整体发生变形。如图5所示，弹性传感器2施加预紧力将锁紧机构3固定于气动驱动器1的末端。弹性传感器2通过气动驱动器1两侧的通孔106并产生沿着气动驱动器1的长度方向的弹力以使其弯曲，通过调节弹性传感器2的预紧力以改变气动驱动器1的弯曲程度及刚度。理论上弹力能够使各气室105接触，克服弹性传感器2的限制将气动驱动器1反向弯曲成环形。如图1所示，向气动驱动器1内部通入压缩气体，各气室105在内部压力的作用下膨胀凸起导致气室105之间的相互作用力，该作用力抵抗弹性传感器2在气动驱动器1的两侧施加的弹力以拉开气室105之间的距离，从而降低气动驱动器1的弯曲程度。当内部气压达到约60kPa时，气动驱动器1能够伸展至拉直的状态或开始反向弯曲。在气动驱动器1的内部气压作用下发生形变的过程中，弹性传感器2的变形量与气动驱动器1的变形量始终一致，故通过实时监测传感器的变形量即得到气动驱动器1的变形量，实现自传感，据此调节气动驱动器1内部的压力大小，形成反馈调节回路，有利于实现相对精确的驱动器变形量控制。如图6所示，使用力传感器测试本实施例在弹性传感器2不同预紧力以及不同内部气压下产生的实际驱动力大小。测试结果表示驱动力大小随气动驱动器1的内部气压增加而增加，两者呈现近似线性的关系。而弹性传感器2的预紧力会限制本专利技术充气伸展时的输出力，二者呈现负相关，在预紧力较大的情况下其限制作用尤为明显。如图7所示，测量本实施例在弹性传感器2不同预紧力以及不同内部气压下产生的实际角度变化。测试结果表示本实施例的伸展角度与其内部气压大小呈现线性关系，预紧力越小，本实施例在内部充入压缩气体时的伸展角度越大，弹性传感器2的变形量与气动驱动器1的变形量在80kPa之内可达接近200°。本装置利用弹性传感器的预紧力实现与驱动器充气后方向相反的预弯曲状态，在驱动器充气后可实现反向弯曲，实现了单侧气室仅在充气条件下可实现双向弯曲的功能，同时每个气室两侧的通孔限制弹性传感器的姿态，使其变形始终与驱动器同步，保证传感器测量结果的准确性。经过具体实际实验，在80kPa以内的气压驱动以及不同的弹性传感器预紧力作用下，能够得到的实验数据是：驱动器在预紧力为1N，驱动气压80kPa的条件下最大可达到3.5N左右的输出力，且输出力与预紧力之间呈现负相关关系；在80kPa的驱动气压作用下，驱动器的弯曲角度可达到接近200°。与现有技术相比，本装置不仅依靠单侧气室实现驱动器的双向弯曲，还能实现驱动器弯曲程度的自传感功能，通过调节弹性驱动器的预紧力大小，可以改变驱动器预弯曲时以及反向弯曲时的刚度大小以及输出力大小，实现驱动器的变刚度功能，提高驱动器性能。上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本专利技术原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本专利技术的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本专利技术之约束。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器，其特征在于，包括：带有多个气室的气动驱动器、弹性传感器和锁紧机构，其中：多个气室等距排布于气动驱动器的长边上且通过通道连接，弹性传感器依次穿过气室两侧的通孔并由锁紧机构固定，通过弹性传感器在将气动驱动器的自然状态通过预紧力拉紧为弯曲状态的同时又能与气动驱动器同步变形，通过弹性传感器自身的形变实时测量驱动器的形变大小，实现自传感功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器，其特征在于，包括：带有多个气室的气动驱动器、弹性传感器和锁紧机构，其中：多个气室等距排布于气动驱动器的长边上且通过通道连接，弹性传感器依次穿过气室两侧的通孔并由锁紧机构固定，通过弹性传感器在将气动驱动器的自然状态通过预紧力拉紧为弯曲状态的同时又能与气动驱动器同步变形，通过弹性传感器自身的形变实时测量驱动器的形变大小，实现自传感功能。


2.根据权利要求1所述的弯曲型变刚度自传感式气动软体驱动器，其特征是，所述的气动驱动器的外侧依次设有第一弹性层、纤维层和第二弹性层以...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭欣宇，张文明，李汶柏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31