一种全柔性气动式执行器制造技术

一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳和多根平行布置于柔性圆柱状外壳内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳的封闭端内壁固定连接；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳的开口端与充气装置密封连接；柔性圆柱状外壳具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔，螺旋形柔性气腔的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔的气压单独控制。本发明专利技术具有较强的形变能力，较好的使用灵活性，兼具结构简单和易于操作的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种全柔性气动式执行器
本专利技术涉及一种气动式执行器，尤其是一种全柔性气动式执行器，属于柔性执行器设计领域。
技术介绍
传统机器人虽已广泛应用于工业、医学、建筑业等领域，但仍存在电机驱动惯性大、运动笨重以及刚体与全柔性互动很难控制等一些无法克服的技术难题。这些缺点限制了传统机器人应用范围，如易碎物品的抓取、水下作业、狭窄空间等等。随着计算机技术、控制技术、人工智能技术的不断发展，机器人在智能制造、医疗技术、航空航天等领域扮演者越来越重要的角色，智能机器人正朝着自然交互、仿生技术、人机协同的方向飞速发展。近年来，随着仿生技术与智能材料的兴起，科学家们使用柔性智能材料，模仿生物结构和基于生物运动原理研发出全柔性机器人。通过改变原有的形状和尺寸实现爬行、扭转，在非结构化环境下具有广泛的应用前景，弥补了传统机器人在狭窄空间运动受限等方面的不足。抓取操作是机器人执行各种复杂任务所必须具备的重要能力。柔性执行器驱动方式主要分为两种：智能材料驱动和气动驱动。其中，气动驱动的柔性执行器主要结合3D打印技术打印驱动器模具，注入超弹性硅胶材料制成全柔性执行器，通过施加气压使驱动器变形。相比于智能材料驱动的柔性执行器，气动驱动的柔性执行器变形更大、相应更快、运动更加灵活，适用于更广泛的场景。已知的一种多自由度气动柔性机械手。包括多自由度柔性执行器、圆形底座和密封底座，圆形底座沿周向等间隔设有三个固定端，每个固定端开有三个气管通孔和一个导线放置孔，每个固定端端口向外延伸形成凸缘，密封底座嵌装于凸缘内，每个固定端通过密封底座安装有多自由度柔性执行器，多自由度柔性执行器内部设有三个气道，三个气道中间设有柱形空腔；密封底座的三个进气道分别插入三个气道，密封底座的柱形座插入柱形空腔；多自由度柔性执行器内部安装有两个通过弯曲导线相连的惯性传感器。该多自由度气动柔性机械手，结构紧凑，多充气组件充气时可进行多个自由度的指定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法进行多自由度操作与角度反馈的问题。此一种多自由度气动柔性机械手存在以下不足：1、结构较复杂，涉及多个刚性连接部件，不易操作。2、气道仅在靠近外表面的一侧设置了增大拉伸面积的梯形弯曲结构，导致对于每个气道，充气只能提供一个方向的力，从而大大限制了执行器的的自由度。还已知一种多功能柔性机械手，包括至少一组的三腔连体柔性臂，所述三腔连体柔性臂由三根软管和三只独立的柔性抓手组成，各所述柔性抓手的内腔均呈空心结构，各所述软管的一端与相对应的所述柔性抓手的内腔连接，且另一端连接有用于向所述软管送气的第一驱动装置。本技术通过第一驱动装置对相对应的软管进行不同程度的充气，实现三腔连体柔性臂的柔性抓手弯曲变形，并可形成类似人手的关节弯曲柔性臂，通过第一驱动装置对相对应的软管进行不同程度的放气/抽气，实现柔性抓手可以恢复到初始位置。通过设置多组三腔连体柔性臂完成物品的抓放动作、提升动作、拧紧/松开动作以及多向扭动，且能减轻人工负担及提升生产效率。该“一种多功能柔性机械手”中的“三腔连体柔性臂”(以下简称连体臂)结构，具有以下不足：1、连体臂中的柔性抓手的内腔和柔性抓手的外壁只是普通的圆管结构，其伸缩变形能力比较差，形变量小。2、存在较多刚性辅助结构，比如实现“拧瓶盖”这一操作时，需要用到旋转电机等复杂刚性机械，使用不便。又已知，一种用于深井救援的气动柔性机械手，包括柔性伸缩臂、机械抓手、充放气装置和控制装置；柔性伸缩臂为采用软质弹性材料的长条形气管，内沿管长度方向设有三条平行的且各自独立封闭的长条形气囊腔；气囊腔的一端封闭，另一端开口，同充放气装置对接；控制装置同充放气装置控制连接；机械抓手包括若干机械爪和铰链，机械爪一端同铰链连接，铰链过转动电机转动，以此带动机械爪摆动；铰链与柔性伸缩臂一端固定连接。本技术体积小、操作方便、性能可靠和成本低，能代替救援人员进入狭窄深井内执行救援作业。该“一种用于深井救援的气动柔性机械手”存在的问题如下：采用电机驱动的刚性机械抓手作为抓取方式，不能实现柔性操作，且结构较复杂。综上，现有技术的柔性气动驱动结构，在全柔性方面始终存在不足，与真正做到能适应各种复杂任务及狭小特殊空间的全柔性的变形程度还存在距离，结构复杂程度方面也有待改进。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术提供一种全柔性气动式执行器，该执行器不仅具有较强的形变能力以及较好的使用灵活性，同时兼具结构简单和易于操作的优点，能够真正意义上全面性地适用于各种复杂操作场合与狭小特殊空间作业。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳和多根平行布置于柔性圆柱状外壳内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳的封闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳在未充气前不相接触；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳的开口端与充气装置密封连接；所述的柔性圆柱状外壳具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔，螺旋形柔性气腔的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔的气压单独控制。有益效果：本专利技术的一种全柔性气动式执行器，将作为执行机构的柔性圆柱状外壳，其侧面设计为波纹管状结构，同时将其内部的柔性气腔设计为螺旋形的构造，再与驱动机构相连，通过气动驱动机构来驱动，仅仅需要通过控制不同充气管道的气压值，便可以实现柔性执行器的伸缩、弯曲，结构上很简单，操作起来也非常方便。特别是，基于以上构造设计，本专利技术的使用灵活度方面显著改善：对不同的螺旋形柔性气腔充以不同的气压，能够使柔性执行器实现复杂的姿态变换。对各螺旋形柔性气腔匀速充以气体时，能够实现柔性外壳匀速伸长；对部分螺旋形柔性气腔充气，余下的不作处理，这样会造成柔性圆柱状外壳顶部受力不均，与充气的螺旋形柔性气腔相连处受力而与未充气的相连处不受力，从而实现柔性执行器的多自由度弯曲。利用其多自由度的特点，能够胜任各种复杂任务的执行。同时，尤其是，本专利技术所采用的螺旋形柔性气腔结构，能够最大限度利用柔性圆柱状外壳的空间，从而在空间有限的柔性外壳内布置多根螺旋形柔性气腔，大幅提高执行器的形变能力。综上，故本专利技术的执行器能够真正意义上全面性地适用于各种复杂操作场合与狭小特殊空间作业。与现有技术具体对比起来说，本专利技术的改进优势如下：与现有的“一种多自由度气动柔性机械手”相比，一方面，本专利技术申请中执行器理论上可以实现向各个方向弯曲，灵活性更高。与现有的“一种多功能柔性机械手”相比，一是，本专利技术采用波纹管结构设计柔性圆柱状外壳和螺旋形柔性气腔，保证了较大的形变量；二是，本专利技术在实现诸如“拧瓶盖”的操作时，可以通过多个柔性执行器组合的方式完成，便捷高效。与现有的“一种用于深井救援的气动柔性机械手”相比，本专利技术中不同螺旋形柔性气腔均可单独控制，充以不通气压后执行器将实现不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳(1)和多根平行布置于柔性圆柱状外壳(1)内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳(1)的封闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳(1)在未充气前不相接触；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳(1)的开口端与充气装置密封连接；其特征是：所述的柔性圆柱状外壳(1)具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔(2)，螺旋形柔性气腔(2)的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔(2)的气压单独控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳(1)和多根平行布置于柔性圆柱状外壳(1)内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳(1)的封闭端内壁固定连接，且柔性气腔与柔性圆柱状外壳(1)在未充气前不相接触；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳(1)的开口端与充气装置密封连接；其特征是：所述的柔性圆柱状外壳(1)具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔(2)，螺旋形柔性气腔(2)的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔(2)的气压单独控制。


2.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：每根所述的螺旋形柔性气腔(2)都通过一块柔性长方体状连接板(3)与柔性圆柱状外壳(1)相连。


3.根据权利要求2所述的一种全柔性气动式执行器，其特征是：所述的螺旋形柔性气腔(2)与柔性长方体状连接板(3)之间、柔性长方体状连接板(3)与柔性圆柱状外壳(1)之间的粘接均采用硅橡胶或PDMS作粘接剂连接在一起。


4.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，徐旭，王晨，李翠翠，郭小辉，曾玮，黄林生，屈磊，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34