一种折叠式柔性弯曲执行机构及其应用的制作方法

本发明属于柔性结构设计领域，具体涉及一种折叠式柔性弯曲执行机构及其应用。

背景技术：

现有技术中，各类机械臂、人形机器人、外骨骼等机械装置都需要多个弯曲自由度来完成给定任务。目前弯曲自由度的执行机构大都由电机及刚体传动装置组成，这类机构结构复杂，成本高，重量大，阻碍了机械结构轻量化、实用化的发展；限制了各类柔性机器人的发展及弯曲执行机构在各领域的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种折叠式柔性弯曲执行机构及其应用。该执行机构通过向可折叠气囊内通入流体，控制流体在可折叠气囊内的流量及含量，进而控制可折叠气囊的展开程度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种折叠式柔性弯曲执行机构，包括可折叠气囊与流体管道，可折叠气囊内设置有流体腔；流体管道的一端与提供流体装置连通，另一端在可折叠气囊内和流体腔连通，流体从提供流体装置通过流体管道充入流体腔内；未充入流体时，可折叠气囊呈折叠状；充入流体后，可折叠气囊在折叠方向呈展开扇形状。

本发明的进一步改进在于：

优选的，流体管道上设置有总阀，用于控制流体腔内流体的流量与流向。

优选的，可折叠气囊由若干个单独的气囊依次连接组成，所有气囊底端被串连成一体。

优选的，流体腔在可折叠气囊内的布置方式为并联或树状结构；流体腔的每一个支路贯穿每一个气囊；流体管道和任意一个气囊上的流体腔连通；流体管道依据与其连通气囊流体腔的布置方式设置有支路，流体管道的支路和与其连通气囊的流体腔的支路相互对接连通。

优选的，每一个气囊设置有单独的流体腔，彼此不连通；流体腔在每一个气囊的布置方式为并联或树状结构；流体管道在每一个气囊内设置有支路，每一个支路和一个气囊流体腔的流体输入端连通。

优选的，流体管道的每一个支路设置有支路阀门，用于控制流体管道支路连接的流体腔支路内流体的流量或流向。

优选的，支路阀门选用电控阀门。

优选的，流体腔内通入的流体选用液体、气体或气液混合物。

一种折叠式柔性弯曲执行机构在设置有弯曲自由度的机械机构中转动部分的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种折叠式柔性弯曲执行机构，包括可折叠气囊及与其连通的流体管道。可折叠气囊内部设置有多个流体腔，外部流体通过流体管道通入可折叠气囊内的流体腔内。未充入流体时，可折叠气囊在折叠方向呈折扇状，充入流体时，可折叠气囊在折叠方向呈展开扇形状。通过将流体充入或排出流体腔内，可实现对弯曲执行机构伸展和收缩运动的控制；本发明公开的折叠式柔性弯曲执行机构刚度可调、制作简单、成本低、重量轻；单位质量的输出力矩和功率密度较传统弯曲执行机构大大提高；适合各类可穿戴机器人或机械系统的弯曲关节。

进一步的，流体管道上设置有总阀，用于控制流体腔内流体的流量，从而精准控制弯曲执行机构伸展和收缩运动的执行速度及执行程度，从而实现对各类机电结构弯曲自由度任意角度的精准辅助。

进一步的，可折叠气囊由若干个单独的气囊组成，所有气囊的底端被固定连接，使可折叠气囊展开时呈扇形状。

进一步的，所有气囊的流体腔呈连通状态。外部流体通过任意一个气囊内的流体管道流入整个可折叠气囊内，实现可折叠气囊的伸展或收缩；流体腔在可折叠气囊内有多种布置方式，具体布置方式能够根据弯曲执行机构的服役条件制定或调整，为该弯曲执行机构的应用奠定基础；流体管道的支路单独为流体腔的支路提供流体，方便控制每一个支路快速充入或排出流体。

进一步的，可折叠气囊内流体腔的另一种布置方式为每一个气囊设置有单独的流体腔，每一个气囊的流体腔之间为隔离状态；每一个气囊的流体腔单独由一个流体管道的支路供给流体。该种布置方式可实现部分气囊通入流体，部分气囊不通入流体，增加该弯曲执行机构使用时的灵活性。

进一步的，流体管道的每一个支路设置有支路阀门，用于精确控制各个支路连接的流体腔内流体的流量，实现对该弯曲执行机构的弯曲角度和结构刚度的调节。

进一步的，本发明的支路阀门能够选用电磁阀、比例阀或伺服阀等电控阀门；具体阀门类型能够根据该弯曲执行机构的使用情况进行选择。

进一步的，腔体内充入的流体可以是液体、气体或气液混合物，具体流体类型能够根据该弯曲执行机构的服役条件进行选择。

本发明公开了一种折叠式柔性弯曲执行机构在设置有弯曲自由度的机械机构中的应用。所述折叠式柔性弯曲执行机构通过调整腔体内通入流体的流量，可实现对弯曲角度和结构刚度的调节；通过气囊内部流体腔的多种布置方式，使得该气囊内的流体有多种充入形式；从而可应用于其他各类有弯曲自由度的机械结构，如可穿戴机器人、软体机器人和柔性外骨骼等。

【附图说明】

图1为本发明折叠式柔性弯曲执行机构排空内部流体时的示意图；

图2为本发明折叠式柔性弯曲执行机构内部充入流体时的示意图；

图3为本发明折叠式柔性弯曲执行机构的流体腔一种布置方式示意图；

图4为本发明折叠式柔性弯曲执行机构的流体腔另一种布置方式示意图；

图5为本发明折叠式柔性弯曲执行机构应用于手指运动康复外骨骼的示意图；

图6为本发明折叠式柔性弯曲执行机构应用于工业机械臂的示意图；

其中：1-可折叠气囊；2-流体管道；3-总阀；4-手指运动康复外骨骼；5-工业机械臂；6-流体腔；7-分支阀门；8-气囊。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明公开了一种折叠式柔性弯曲执行机构，包括可折叠气囊1与流体管道2，可折叠气囊1内设置有流体腔6；流体管道2的一端与外部提供流体装置连接，另一端在可折叠气囊1内和流体腔6连接；流体从提供流体装置通过流体管道2流入至可折叠气囊1的流体腔6内。可折叠气囊1由若干个单独的气囊8组成，所有气囊8底端被固定连接；参见图1，未充入流体时，可折叠气囊1在折叠方向呈折叠扇形；参见图2，充入流体时，可折叠气囊1呈展开扇形状态；外部流体通过流体管道2充入流体腔6内，流体管道2上设置有总阀3，用于控制流体腔6内流体的流量。

流体腔6在可折叠气囊1内的布置方式有以下两种：

(1)参见图3，流体腔6贯穿每一个气囊8，流体腔6在可折叠气囊1内的布置方式为并联、串联或树状结构；流体管道2能够与任意一个气囊8内的流体腔6连通，流体管道2依据与其连通气囊8的流体腔6的布置方式设置有支路，流体管道2的每一个支路和与其连通气囊8的流体腔6的一个支路连通；当向可折叠气囊1内充入流体时，流体通过流体管道2流入至与其连通的气囊8，因每一个气囊8之间的流体腔6互通，进而整个可折叠气囊1通入流体。

(2)参见图4，每一个气囊8设置有单独的流体腔6，流体腔6在每一个气囊8的布置方式为并联、串联或树状结构；流体管道2在每一个气囊8内设置有支路，每一个支路和流体腔6的流体输入端连通。

不同的流体腔6及流体管道2的布置方式，可实现对各流体腔的整体和局部流量控制。上述两种情况，每一种情况的流体管道2的每一个支路设置有支路阀门7，从而使流体管道2的流量调节和输入排放方向可由相应的阀门控制。通过控制总阀3和每一个支路阀门7，可实现对弯曲执行机构伸展和收缩运动的控制，从而实现对各类机电结构弯曲自由度任意角度的精准辅助。为实现精准控制，流体腔内还可安装各类传感器，如压力传感器、流量传感器等。

流体腔6内通入的流体选用液体、气体或气液混合物；折叠气囊1的材料应是与流体腔内流体不相容且不发生流体泄露的材料，具体可根据需要及服役条件选择，如形状记忆合金、热塑性聚氨酯、硅胶、橡胶、塑料或其他各类柔性智能材料；总阀3或支路阀门7选用电磁阀、比例阀或伺服阀等电控阀门。

参见图5与图6，示意了折叠式柔性弯曲执行机构的两种应用实例。图5为手指运动康复外骨骼4，该外骨骼通过本发明提出的折叠式柔性弯曲机构可为中风后手部运动功能衰退的患者提供辅助力，帮助患者完成康复训练。折叠式柔性弯曲执行机构不仅重量轻、成本低，还可与患者主动交互，提高患者康复几率。图6为工业机械臂5，工业机械臂应用本发明提出的折叠式柔性弯曲机构可大大减轻自重和用电负担，提高功率密度和运动的灵活性。本发明提出的折叠式柔性弯曲机构还可应用于其他各类有弯曲自由度的机械结构，如可穿戴机器人、软体机器人和柔性外骨骼等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。