CN112976031B - 气动柔性驱动器及网捕式气动抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气动柔性驱动器，包括中空的外壳、弹簧和气泵，所述外壳包括伸缩段，所述伸缩段为可伸缩的螺旋褶皱式结构，所述弹簧位于所述伸缩段内且所述弹簧与所述伸缩段的内壁相抵靠，所述气泵与所述外壳相连，所述气泵用于抽取所述外壳内的气体或向所述外壳内充气，从而使所述伸缩段沿轴向收缩或伸长。本发明还提供一种网捕式气动抓取装置。

Description

气动柔性驱动器及网捕式气动抓取装置

技术领域

本发明涉及柔性机器人技术领域，特别是涉及一种气动柔性驱动器及网捕式气动抓取装置。

背景技术

柔性机器人由于其良好的灵巧性、柔顺性和人机交互性等特性，被越来越多地应用于智能制造、医疗护理等众多领域。柔性机器人均由柔性驱动器构成，现有的柔性驱动器包括电机驱动、气液驱动和功能材料驱动等驱动方式，其中电机驱动机械手的控制性能较好；气液驱动柔性机械手的柔顺性较好，并且气动气源安装方便、重量轻，气动驱动在轻型柔性机械手中的应用最为广泛；功能材料驱动是采用形状记忆合金、超声波、高分子聚合物和功能性液体进行驱动，其在要求机械手小巧轻便的场合中具有独特的优势。

专利CN201690001162.X提供了一种由流体压力而膨胀和收缩的McKibben人工肌肉，其包括弹性管和编织管。弹性管是中空筒形弹性体，编织管由被以可移动方式在弹性管的周边上扭曲的具有预定针织角度的圆形编织线构成。CN201911322023.3公开了一种软体驱动器，特别涉及一种扭转收缩人工肌肉，该软体驱动器包括外封装层、纤维绕组及弹性体；弹性体为中空结构，通过中空腔体内部充入驱动介质实现径向膨胀和轴向收缩；纤维绕组设置于弹性体的外表面上，纤维绕组为螺旋结构，通过螺旋扭力驱动弹性体扭动；外封装层套设于弹性体的外侧，用于限制弹性体轴向伸出，并且可随弹性体进行轴向收缩及径向膨胀。这类柔性驱动器具有良好的灵巧性和柔顺性，但是普遍存在收缩率小且收缩力不足的问题，性能良好的人工肌肉收缩率仅有30％多，所以设计制造出收缩率大且收缩力强的柔性驱动器具有重要的应用价值。

发明内容

本发明提供的气动柔性驱动器，旨在解决上述背景技术存在的不足，该气动柔性驱动器基于负压原理和可伸缩的螺旋褶皱式结构，具有收缩率大和收缩力强等特性，解决了目前柔性驱动器收缩率小且收缩力不足的问题。

本发明提供一种气动柔性驱动器，包括中空的外壳、弹簧和气泵，所述外壳包括伸缩段，所述伸缩段为可伸缩的螺旋褶皱式结构，所述弹簧位于所述伸缩段内且所述弹簧与所述伸缩段的内壁相抵靠，所述气泵与所述外壳相连，所述气泵用于抽取所述外壳内的气体或向所述外壳内充气，从而使所述伸缩段沿轴向收缩或伸长。

进一步地，所述伸缩段的侧壁沿径向向外凸出形成外褶皱，所述外褶皱为螺旋形结构，所述伸缩段内于对应所述外褶皱的位置形成凹槽，所述弹簧卡在所述凹槽内。

进一步地，所述伸缩段为弹性结构，所述弹簧的直径大于或等于所述外褶皱的内径。

进一步地，所述弹簧的螺距与所述外褶皱的螺距相等，所述弹簧的总圈数与所述外褶皱的总圈数相等。

进一步地，所述外壳还包括第一固定段和第二固定段，所述第一固定段和所述第二固定段分别与所述伸缩段的两端相连，所述第一固定段和所述第二固定段均分别与所述气泵相连，或者所述第一固定段和所述第二固定段中的其中一者与所述气泵相连，所述第一固定段和所述第二固定段中的另一者为密封结构。

进一步地，所述伸缩段弯折形成环形结构，所述第一固定段与所述第二固定段相靠近，所述气动柔性驱动器还包括三通装置和气管，所述气管的一端与所述三通装置的一端相连，所述气管的另一端与所述气泵相连，所述三通装置的另外两端分别与所述第一固定段和所述第二固定段相连。

进一步地，所述气动柔性驱动器还包括通气接头、气管和密封接头，所述通气接头与所述第一固定段相连，所述气管的一端与所述通气接头相连，所述气管的另一端与所述气泵相连，所述密封接头与所述第二固定段相连，所述密封接头用于密封所述第二固定段。

本发明还提供一种网捕式气动抓取装置，包括以上所述的气动柔性驱动器。

进一步地，所述网捕式气动抓取装置还包括顶座和环形网状装置，所述环形网状装置的顶部与所述顶座相连，所述环形网状装置的底部与所述外壳相连，所述外壳弯折形成环形结构，使所述环形网状装置的底部形成用于抓取物品的开口。

进一步地，所述气动柔性驱动器还包括三通装置和气管，所述气管的一端与所述三通装置的一端相连，所述气管的另一端与所述气泵相连，所述三通装置的另外两端分别与所述外壳的两端相连。

本发明提供的气动柔性驱动器，其外壳为中空结构，且外壳具有可伸缩的螺旋褶皱式结构的伸缩段，当气泵抽取外壳内的气体时，伸缩段能够沿轴向收缩；当气泵向外壳内充气时，伸缩段又能够沿轴向伸长，使得外壳具有伸缩功能。同时该伸缩段内设有弹簧，弹簧作为伸缩段的骨架，既增加了伸缩段整体的韧性，也可以防止在负压情况下伸缩段的径向收缩。

本发明的气动柔性驱动器基于负压原理和可伸缩的螺旋褶皱式结构，具有收缩率大和收缩力强等特性，能够将收缩率从30％多提升到50％，且收缩力也得到进一步增强，使此类柔性驱动器的力学性能得到质的提升，解决了目前柔性驱动器收缩率小且收缩力不足的问题。同时通过在外壳的伸缩段内设置弹簧，提高了伸缩段整体的韧性，使得外壳可搭配不同功率大小的气泵使用(即外壳可承受一定范围内的抽吸力而不径向收缩变形，以适应不同功率大小的气泵)。

附图说明

图1为本发明实施例中气动柔性驱动器的立体结构示意图。

图2为图1的局部剖视图。

图3为图1中通气接头的立体结构示意图。

图4为图1中密封接头的立体结构示意图。

图5为本发明实施例中网捕式气动抓取装置的立体结构示意图。

图6为图5的部分***结构示意图。

图7为图5中三通装置的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明的说明书和权利要求书中所涉及的上、下、左、右、前、后、顶、底等方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

如图1至图4所示，本发明实施例提供的气动柔性驱动器1，包括中空的外壳11、弹簧12和气泵13，外壳11包括伸缩段113，伸缩段113为可伸缩的螺旋褶皱式结构，弹簧12位于伸缩段113内且弹簧12与伸缩段113的内壁相抵靠。气泵13与外壳11相连，气泵13用于抽取外壳11内的气体或向外壳11内充气，从而使伸缩段113沿轴向收缩或伸长。

具体地，在本实施例中，外壳11采用橡胶材质制成，从而使得伸缩段113不仅具有良好的伸缩性能，还能够弯折，以适用不同的使用场景。整个外壳11通过模压一体成型，使得整个外壳11具有良好的气密性。同时使用弹簧12作为伸缩段113的骨架，增加了伸缩段113的韧性，防止气泵13在抽取外壳11内的气体时伸缩段113在负压情况下的径向收缩，而且使得外壳11可搭配不同功率大小的气泵13使用，即外壳11可承受一定范围内的抽吸力而不径向收缩变形；若不设置弹簧12作为骨架，则伸缩段113可能在较小的抽吸力下就发生径向收缩变形，影响伸缩段113的轴向收缩，即减小了外壳11的额定抽吸力工作范围。本实施例通过以弹簧12作为伸缩段113的骨架，提高了外壳11可承受的最大抽吸力，即提高了气动柔性驱动器1收缩力。同时在伸缩段113由收缩状态恢复到伸长状态时，弹簧12的回复弹力可协助伸缩段113伸长。

进一步地，伸缩段113的侧壁沿径向向外凸出形成外褶皱114，外褶皱114为螺旋形结构，伸缩段113内于对应外褶皱114的位置形成凹槽115，弹簧12卡在凹槽115内，从而使得弹簧12与凹槽115完全贴合，防止伸缩段113在沿轴向收缩或伸长时弹簧12与伸缩段113的内壁之间发生偏移，影响使用效果。

进一步地，伸缩段113为弹性结构，弹簧12的直径大于或等于外褶皱114的内径。

具体地，弹簧12的直径等于或略大于外褶皱114的内径，使得弹簧12能够很好地对伸缩段113起到支撑作用，从而防止气泵13在抽取外壳11内的气体时伸缩段113在负压情况下的径向收缩。

进一步地，弹簧12的螺距与外褶皱114的螺距相等，弹簧12的总圈数与外褶皱114的总圈数相等。

进一步地，外壳11还包括第一固定段111和第二固定段112，第一固定段111和第二固定段112分别与伸缩段113的两端相连，第一固定段111和第二固定段112均分别与气泵13相连，或者第一固定段111和第二固定段112中的其中一者与气泵13相连，第一固定段111和第二固定段112中的另一者为密封结构。

具体地，在本实施例中，第一固定段111和第二固定段112为圆柱形薄壳结构，伸缩段113为螺旋褶皱式薄壳结构。

如图1至图4所示，在一种使用场景中，第一固定段111与气泵13相连，第二固定段112为密封结构，即气泵13通过与外壳11的一端相连抽取外壳11内的气体或向外壳11内充气，从而使伸缩段113沿轴向收缩或伸长。

具体地，气动柔性驱动器1还包括通气接头16、气管14和密封接头17，通气接头16与第一固定段111相连，气管14的一端与通气接头16相连，气管14的另一端与气泵13相连，密封接头17与第二固定段112相连，密封接头17用于密封第二固定段112。

进一步地，通气接头16包括第一气管接头161和第一转换接头162，第一气管接头161内沿轴向设有第一通孔163和第二通孔164，第一通孔163与第二通孔164相连通。气管14***在第一通孔163内，第二通孔164的内壁以及第一转换接头162的一端的外侧壁均设有螺纹(图未示)，第一转换接头162的一端***在第二通孔164内并与第一气管接头161螺纹连接，第一转换接头162的另一端***在第一固定段111内。

进一步地，密封接头17包括管堵接头171和第二转换接头172，管堵接头171设有接头槽173。接头槽173的内壁以及第二转换接头172的一端的外侧壁均设有螺纹(图未示)，第二转换接头172的一端***在接头槽173内并与管堵接头171螺纹连接，第二转换接头172的另一端***在第二固定段112内。

进一步地，第一转换接头162和第二转换接头172的外侧壁均设有凸缘165/174，第一转换接头162上的凸缘165以及第二转换接头172上的凸缘174分别与第一固定段111的内壁和第二固定段112的内壁相抵靠，同时第一固定段111的外表面和第二固定段112的外表面均套设有起锁紧作用的第一卡箍19，以防止第一转换接头162与第一固定段111之间以及第二转换接头172与第二固定段112之间脱落。

如图5至图7所示，在另一种使用场景中，第一固定段111和第二固定段112均分别与气泵13相连，即气泵13通过与外壳11的两端相连抽取外壳11内的气体或向外壳11内充气，从而使伸缩段113沿轴向收缩或伸长。

具体地，伸缩段113弯折形成环形结构，第一固定段111与第二固定段112相靠近，气动柔性驱动器1还包括三通装置15和气管14，气管14的一端与三通装置15的一端相连，气管14的另一端与气泵13相连，三通装置15的另外两端分别与第一固定段111和第二固定段112相连。

进一步地，三通装置15包括三通接头152和第二气管接头151，第二气管接头151与气管14相连。三通接头152的一端与第二气管接头151相连，三通接头152的另外两端分别与第一固定段111和第二固定段112相连。同时，第一固定段111的外表面和第二固定段112的外表面均套设有起锁紧作用的第二卡箍18，以防止三通接头152与第一固定段111和第二固定段112之间脱落。

该气动柔性驱动器1的工作过程为：在工作时，气泵13通过气管14抽取外壳11内部的气体，使其内部处于负压状态，伸缩段113和弹簧12一同收缩，伸缩段113的螺旋褶皱式结构使其易于轴向收缩，弹簧12骨架限制其径向收缩，使得气动柔性驱动器1能够产生更大的收缩率和更强的收缩力；结束时，气泵13通过气管14充气，使外壳11内部恢复常压，伸缩段113在弹簧12骨架的回复力作用下以及气泵13充气的作用下恢复初始状态。

如图5至图7所示，本发明实施例还提供一种网捕式气动抓取装置2，包括以上的气动柔性驱动器1。

具体地，该网捕式气动抓取装置2还包括顶座21和环形网状装置22，环形网状装置22的顶部与顶座21相连，环形网状装置22的底部与外壳11相连，外壳11弯折形成环形结构，使环形网状装置22的底部形成用于抓取物品的开口221。在抓取物品时，先将物品从开口221处套入环形网状装置22内，然后气泵13抽取外壳11内的气体，使伸缩段113沿轴向收缩，此时开口221缩小，使得物品不能从开口221处掉落，实现对物品的抓取；在放置物品时，气泵13向外壳11内充气，使伸缩段113沿轴向伸长，此时开口221扩大，使得物品可从开口221处脱出，即能够放置物品。

进一步地，气动柔性驱动器1还包括三通装置15和气管14，气管14的一端与三通装置15的一端相连，气管14的另一端与气泵13相连，三通装置15的另外两端分别与外壳11的两端相连。

具体地，该网捕式气动抓取装置2为柔性抓取装置，相较于其它带夹爪的刚性抓取装置，该网捕式气动抓取装置2可实现抓取质地较脆或容易损坏的物品，例如抓取花瓶、瓷碗瓷盆等，而其它带夹爪的刚性抓取装置在抓取此类容易损坏的物品时容易对物品造成磕碰，或者抓取力度不容易把握，从而造成对物品的损坏。

具体地，环形网状装置22的材质可根据不同的需求决定，比如塑胶、尼龙绳等。例如，当使用该网捕式气动抓取装置2抓取物品并实现物品的转移时，可采用具有一定硬度的塑胶作为环形网状装置22的材料，不仅能够减小环形网状装置22对物品的磕碰损坏，还能够使得环形网状装置22不容易变形，实现对物品的转移。比如，当使用该网捕式气动抓取装置2抓取花瓶并实现花瓶的转移时，先将花瓶从开口221处套入环形网状装置22内，然后气泵13抽取外壳11内的气体，使伸缩段113沿轴向收缩，此时开口221缩小，使得花瓶不能从开口221处掉落，实现对物品的抓取，然后对花瓶进行转移；在放置花瓶时，由于环形网状装置22没有发生变形，故花瓶还是原来的姿态，可直接放置花瓶(若环形网状装置22为尼龙绳等柔性材料，花瓶的姿态在转移过程中可能会发生变化，从而无法直接放置花瓶)，此时气泵13向外壳11内充气，使伸缩段113沿轴向伸长，此时开口221扩大，使得花瓶可从开口221处脱出，即能够放置花瓶。

进一步地，顶座21上还固定有法兰24，用于该网捕式气动抓取装置2与机械臂或机器人的连接。

本发明实施例提供的气动柔性驱动器1，其外壳11为中空结构，且外壳11具有可伸缩的螺旋褶皱式结构的伸缩段113，当气泵13抽取外壳11内的气体时，伸缩段113能够沿轴向收缩；当气泵13向外壳11内充气时，伸缩段113又能够沿轴向伸长，使得外壳11具有伸缩功能。同时该伸缩段113内设有弹簧12，弹簧12作为伸缩段113的骨架，既增加了伸缩段113整体的韧性，也可以防止在负压情况下伸缩段113的径向收缩。

本发明实施例提供的气动柔性驱动器1基于负压原理和可伸缩的螺旋褶皱式结构，具有收缩率大和收缩力强等特性，与现有的气动人工肌肉相比，该气动柔性驱动器1能够将收缩率从30％多提升到50％，且收缩力也得到进一步增强，使此类柔性驱动器的力学性能得到质的提升，解决了目前柔性驱动器收缩率小且收缩力不足的问题。同时通过在外壳11的伸缩段113内设置弹簧12，提高了伸缩段113整体的韧性，使得外壳11可搭配不同功率大小的气泵13使用。本发明实施例提供的气动柔性驱动器1属于柔性机器人的范畴，具有柔性机器人的柔顺性、灵巧性、人机协作性等优良特性。在以收缩型气动肌腱为驱动器的仪器中，均可以采用本发明实施例的气动柔性驱动器1进行性能方面的优化和改善，本发明实施例的气动柔性驱动器1应用广泛，适用于运输装配、医疗护理等众多领域，尤其在工厂智能化装配方面有突出优势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种气动柔性驱动器，其特征在于，包括中空的外壳(11)、弹簧(12)和气泵(13)，所述外壳(11)包括伸缩段(113)，所述伸缩段(113)为可伸缩的螺旋褶皱式结构，所述弹簧(12)位于所述伸缩段(113)内且所述弹簧(12)与所述伸缩段(113)的内壁相抵靠，所述气泵(13)与所述外壳(11)相连，所述气泵(13)用于抽取所述外壳(11)内的气体或向所述外壳(11)内充气，从而使所述伸缩段(113)沿轴向收缩或伸长；

所述伸缩段(113)的侧壁沿径向向外凸出形成外褶皱(114)，所述外褶皱(114)为螺旋形结构，所述伸缩段(113)内于对应所述外褶皱(114)的位置形成凹槽(115)，所述弹簧(12)卡在所述凹槽(115)内；

所述伸缩段(113)为弹性结构，所述弹簧(12)的直径大于或等于所述外褶皱(114)的内径。

2.如权利要求1所述的气动柔性驱动器，其特征在于，所述弹簧(12)的螺距与所述外褶皱(114)的螺距相等，所述弹簧(12)的总圈数与所述外褶皱(114)的总圈数相等。

3.如权利要求1所述的气动柔性驱动器，其特征在于，所述外壳(11)还包括第一固定段(111)和第二固定段(112)，所述第一固定段(111)和所述第二固定段(112)分别与所述伸缩段(113)的两端相连，所述第一固定段(111)和所述第二固定段(112)均分别与所述气泵(13)相连，或者所述第一固定段(111)和所述第二固定段(112)中的其中一者与所述气泵(13)相连，所述第一固定段(111)和所述第二固定段(112)中的另一者为密封结构。

4.如权利要求3所述的气动柔性驱动器，其特征在于，所述伸缩段(113)弯折形成环形结构，所述第一固定段(111)与所述第二固定段(112)相靠近，所述气动柔性驱动器(1)还包括三通装置(15)和气管(14)，所述气管(14)的一端与所述三通装置(15)的一端相连，所述气管(14)的另一端与所述气泵(13)相连，所述三通装置(15)的另外两端分别与所述第一固定段(111)和所述第二固定段(112)相连。

5.如权利要求3所述的气动柔性驱动器，其特征在于，所述气动柔性驱动器(1)还包括通气接头(16)、气管(14)和密封接头(17)，所述通气接头(16)与所述第一固定段(111)相连，所述气管(14)的一端与所述通气接头(16)相连，所述气管(14)的另一端与所述气泵(13)相连，所述密封接头(17)与所述第二固定段(112)相连，所述密封接头(17)用于密封所述第二固定段(112)。

6.一种网捕式气动抓取装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的气动柔性驱动器。

7.如权利要求6所述的网捕式气动抓取装置，其特征在于，所述网捕式气动抓取装置(2)还包括顶座(21)和环形网状装置(22)，所述环形网状装置(22)的顶部与所述顶座(21)相连，所述环形网状装置(22)的底部与所述外壳(11)相连，所述外壳(11)弯折形成环形结构，使所述环形网状装置(22)的底部形成用于抓取物品的开口(221)。

8.如权利要求7所述的网捕式气动抓取装置，其特征在于，所述气动柔性驱动器(1)还包括三通装置(15)和气管(14)，所述气管(14)的一端与所述三通装置(15)的一端相连，所述气管(14)的另一端与所述气泵(13)相连，所述三通装置(15)的另外两端分别与所述外壳(11)的两端相连。

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