一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性驱动技术领域，更具体的说，是涉及一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器。
【背景技术】
[0002]随着人们对机器人的能力要求以及工作场合的要求越来越高。柔性机器人在近年来得到了快速的发展。相比于传统的刚性机器人，柔性机器人具有高灵活性，高柔韧性等优势，可以在各种复杂危险的环境和人机共融的环境中进行工作。最近10年，欧美发达国家相继实施了多项关于柔性软体机器人的重大科研项目，从仿蛇形机器人到仿象鼻机器人，再到仿章鱼机器人，柔性机器人的本体结构越来越“软”，因此迫切需要开发相应的柔顺驱动器。
[0003]现有的柔顺驱动方式有记忆合金丝驱动、丝驱动、人工气动肌肉驱动以及电聚合物驱动等等。每一种驱动方式均有其优点和缺点:记忆合金驱动器结构轻巧，但输出力较小，冷却时间较长，动态性能不佳；丝驱动控制精确，但是丝本身不能承受压力，需要额外的支撑结构，难以同时实现弯曲和伸缩运动；人工气动肌肉驱动器承载能力强、动态性能好，但是控制精度，尤其是低压情况下的控制精度较差，存在死区、迟滞等非线性因素；电聚合物驱动器响应快，但是输出行程和力非常有限。目前尚无一种柔性驱动器可以完全满足高精度、高承载、大行程、快速响应等多样化的工程需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，本发明是在以往人工气动肌肉驱动器的基础上增加了丝驱动，综合了人工气动肌肉的高承载和丝驱动的高精度性能，且丝是放置在人工气动肌肉内部，在不改变体积的情况下提高了控制精度；此外，本发明改进了传统人工气动肌肉的结构，在硅胶管内部设置了一根弹簧，提高了人工气动肌肉在低气压条件下的刚度，使得其在在运动过程中更容易控制，且在气压撤除后能够自动恢复到初始的直线状态，完全满足高精度、高承载、大行程、快速响应等多样化的工程需求。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，由并联设置的三根人工气动肌肉、端盖和中央固定盘组成，每根人工气动肌肉由内置有弹簧的硅胶管构成，硅胶管的外部覆盖有尼龙编织套用以防止硅胶管充气后过度膨胀，所述硅胶管的两端分别设置有伸入硅胶管内的端头，其中一侧端头上设置有充放气接头，所述硅胶管内还设置有钢丝和用于将钢丝限制在硅胶管管道中轴线的限制片，所述限制片等间距的排列设置有至少三个；所述钢丝的一端固定连接于端头，另一端通过另一侧端头后穿出人工气动肌肉，该侧端头内设置有走丝通道和梯形槽，梯形槽内设置有橡胶塞用于密封，橡胶塞外还设置有密封端盖。
[0007]所述端头伸入硅胶管内部的一端设置有用于与弹簧相连接的螺旋槽。
[0008]与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是:
[0009]1.本发明驱动器由并联布置的三根人工气动肌肉，端盖和中央固定盘组成，通过对任意单根或多根人工气动肌肉充放气，可以实现驱动器任意方向弯曲和轴向伸缩等运动；驱动器整体为柔性结构，在弯、扭作用下具有自回中能力，通过气压产生力输出和初级位置控制，通过丝驱动的微调实现精确位置控制。
[0010]2.通过在人工气动肌肉内部设置钢丝进行丝驱动和内置有弹簧的硅胶管装置，通过丝驱动的微调实现精确位置控制，利用硅胶本身的弹性保护并限制弹簧的拉伸运动。相比于传统人工气动肌肉中使用的普通硅胶管，具有内置弹簧的硅胶管的刚度增强，改善了低气压情况下的控制精度，且在弯、扭力矩撤除后能够自行回中，具有极好的自恢复能力，提高了人工气动肌肉在低气压条件下的刚度，使得其在在运动过程中更容易控制，且在气压撤除后能够自动恢复到初始的直线状态，克服了传统气动肌肉控制精度低(尤其是低气压情况下)及放气后无法定位的缺点，提高了整体驱动器的稳定性及可控性，且不增加驱动器尺寸。
[0011]3.本发明硅胶管的两端设置有端头，其中一侧端头上设置有充放气接头，钢丝通过该侧端头后穿出人工气动肌肉，该侧端头内还设置有走丝通道和梯形槽，梯形槽内设置有橡胶塞用于密封，橡胶塞外还设置有密封端盖；这些设置具有以下作用:第一将硅胶管堵死以向里面充气；第二，由空气压缩机、气瓶提供气源，通过充放气接头进入硅胶管内部；第三，橡胶塞在保证钢丝能够自由运动的同时也起到了密封的作用。此外为了保证钢丝始终与硅胶管的中轴共线，在硅胶管内的钢丝上固定连接有限制片，其直径略小于硅胶管的内径，因此不影响丝的正常轴向运动。
[0012]4.本发明在人工气动肌肉内的硅胶管内等间距的排列设置有限制片，其作用是保证钢丝在运动过程中不发生偏移，使丝驱动和气压驱动的作用力基本共线，避免力偏移导致的控制误差，控制精度高，稳定可靠。
【附图说明】
[0013]图1是本发明的结构示意图。
[0014]图2是本发明的俯视结构示意图。
[0015]图3是本发明驱动器产生弯曲运动的状态图。
[0016]图4是本发明驱动器中人工气动肌肉的结构示意图。
[0017]附图标记:1-人工气动肌肉2-人工气动肌肉3-人工气动肌肉4-端盖5-端盖6-中央固定盘7-弹簧8-硅胶管9-尼龙编织套10-端头11-端头12-充放气接头
13-钢丝14-限制片15-橡I父塞16-密封端盖
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明作进一步的描述:
[0019]如图1、图2和图3所示，一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，由并联设置的三根人工气动肌肉1、2、3、端盖4、5和中央固定盘6组成，端盖4和端盖5分别设置在三根人工气动肌肉1、2、3的两端，中央固定盘6设置在三根人工气动肌肉1，2，3的中部用以固定三根人工气动肌肉1、2、3。通过对任意单根或两根人工气动肌肉充气，将导致三根人工气动肌肉的长度出现差异，于是本发明驱动器整体将向较短肌肉所在方向弯曲；若对三根人工气动肌肉充以同样气压，则可以实现驱动器整体的轴向伸缩；当充气压力减小时，气动肌肉在弹簧7的作用下，将逐渐回到初始的直线状态，由于气压驱动的分辨率较低，容易产生定位误差，可进一步通过钢丝13的微调实现精确位置补偿，本发明驱动器的气压可由空气压缩机、气瓶等提供，钢丝13的驱动装置可由伺服电机、步进电机等提供牵引。
[0020]人工气动肌肉1、2、3均由硅胶管8构成，硅胶管8内设置弹簧7，硅胶管8的外部覆盖有尼龙编织套9，用以防止硅胶管8充气后过度膨胀，硅胶管8的两端分别设置有伸入硅胶管8内的端头10和端头11，端头10和端头11伸入硅胶管8内部的一端均设置有螺旋槽，用于与弹簧7相连接；端头11上设置有充放气接头12，可通过充放气接头12向硅胶管8充放气实现整根肌肉长度的大范围改变；硅胶管8内还设置有钢丝13和限制片14，可通过牵引钢丝13小范围调节人工气动肌肉长度。限制片14用于将钢丝13限制在硅胶管8管道中轴线上，其作用是保证钢丝13在运动过程中始终处于硅胶管8中心线附近，使丝驱动和气压驱动的作用力基本共线，避免力偏移导致的控制误差；限制片14的直径略小于硅胶管8的内径，本实施例中限制片14等间距的排列设置有三个。
[0021]钢丝13的一端固定连接于端头10，另一端通过端头11后分别穿出人工气动肌肉1，人工气动肌肉2和人工气动肌肉3，端头11内还设置有走丝通道和梯形槽，梯形槽内安装有橡胶塞15，橡胶塞15在保证钢丝13能够自由运动的同时也起到了密封的作用，橡胶塞15外还设置有密封端盖16。
[0022]本发明中人工气动肌肉的制作分为如下步骤:首先将内置弹簧7的硅胶管8拧在端头10，再将钢丝13固定于端头10，钢丝13经过硅胶管8内部在穿过端头11，将端头11与硅胶管8拧紧，将钢丝13穿过橡胶塞15然后再将橡胶塞放入端头11，用密封端盖16将橡胶塞15封死，最后将尼龙编织套9套在硅胶管8的外部，用尼龙扎带封闭尼龙编织套9。
[0023]本发明的工作原理如下:空气压缩机产生的气体由过滤器滤掉杂质和水分等，得到纯净的Sbar恒定气压，气体再经过一个减压阀将压力降到5bar，然后通过电气比例阀可以调整进入人工气动肌肉中的气压，人工气动肌肉充气后伸长，实现位置的初步控制，进而通过钢丝13对人工气动肌肉的长度进行微调。由于人工气动肌肉内嵌弹簧7，在压力降低后会自动恢复到原状态。
【主权项】
1.一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，由并联设置的三根人工气动肌肉(1)、(2)、(3)、端盖(4)、(5)和中央固定盘(6)组成，其特征在于，人工气动肌肉(1)、人工气动肌肉(2)和人工气动肌肉(3)均由内置有弹簧(7)的硅胶管(8)构成，所述硅胶管(8)的外部覆盖有尼龙编织套(9)用以防止硅胶管(8)充气后过度膨胀，所述硅胶管(8)的两端分别设置有伸入硅胶管(8)内的端头(10)和端头(11)，所述端头(11)上设置有充放气接头(12)，所述硅胶管⑶内还设置有钢丝(13)和用于将钢丝(13)限制在硅胶管⑶管道中轴线的限制片(14)，所述限制片(14)等间距的排列设置有至少三个；所述钢丝(13)的一端固定连接于端头(10)，另一端通过端头(11)后分别穿出人工气动肌肉(1)、人工气动肌肉(2)和人工气动肌肉(3)，所述端头(11)与钢丝(13)之间设置有橡胶塞(15)用于密封，橡胶塞(15)外还设置有密封端盖(16)。2.根据权利要求1所述的一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，其特征在于，所述端头(11)内设置有走丝通道和用于放置橡胶塞(15)的梯形槽。3.根据权利要求1所述的一种具有混合动力源的三自由度柔顺驱动器，其特征在于，所述端头(10)和端头(11)伸入硅胶管(8)内部的一端均设置有用于与弹簧(7)相连接的螺旋槽。
【专利摘要】本发明公开了一种三自由度柔顺驱动器，由并联设置的三根人工气动肌肉、端盖和中央固定盘组成，每根人工气动肌肉由内置有弹簧的硅胶管构成，硅胶管的外部覆盖有尼龙编织套，所述硅胶管的两端分别设置有伸入硅胶管内的端头，其中一侧端头上设置有充放气接头，所述硅胶管内还设置有钢丝和用于将钢丝限制在硅胶管管道中轴线的限制片，所述钢丝的一端固定连接于端头，另一端通过另一侧端头后穿出人工气动肌肉。本发明提高了人工气动肌肉在低气压条件下的刚度，使得其在运动过程中更容易控制，且在气压撤除后能够自动恢复到初始的直线状态，完全满足高精度、高承载、大行程、快速响应等多样化的工程需求。
【IPC分类】B25J9/10
【公开号】CN105171737
【申请号】
【发明人】康荣杰, 郭勇
【申请人】天津大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月25日