柔性驱动结构、柔性驱动器及驱动系统

1.本发明涉及柔性机器人技术领域，尤其涉及一种柔性驱动结构、柔性驱动器及驱动系统。


背景技术：

2.由可变形或刚性较低的材料制成的柔性机器人与传统刚性机器人相比，在与环境的交互中具有良好的适应性、一致性和安全性。目前柔性体机器人已被应用于各个不同领域，如运动机器人、仿生机器人、康复训练机器人、微创手术等。由于柔性机器人是由柔性、顺应性的材料制成，可以顺应周围环境进行变形，是与非结构化环境交互的理想结构，然而柔性机器人由于输出力小、可控性较差、缺乏感知能力等局限性，在应用中仍面临许多挑战。
3.柔性机器人面对的任务具有复杂性和不可预知性，为了扩大柔性机器人的应用范围，在实际应用中方便、快捷地构建适应任务和环境的柔性机器人构型，设计通用的、具有完整功能的、便于扩展的柔性机器人模块至关重要，均一的、可互换的柔性机器人模块还可降低制造和维护的成本，提高操作的可靠性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种柔性驱动结构、柔性驱动器及驱动系统，用以解决现有技术中柔性机器人的刚度难以控制调节的缺陷，实现柔性机器人在体积、形状和刚度上实现较大变化，使柔性机器人具有可控刚度调制的能力，低刚度使柔性机器人具有对环境的适应性和顺应性，保证交互的安全性，而高刚度则可用于形成稳定的刚性操作平台，传递力和承受载荷，提高控制精度。
5.本发明提供一种柔性驱动结构，包括连接件和至少一个驱动组件，所述驱动组件包括弹性约束件、柔性驱动件和预紧件，所述柔性驱动件的内部设有沿其轴向延伸的用于通入流体的空腔，所述弹性约束件围设于所述柔性驱动件的外壁，所述连接件设置于所述弹性约束件轴向上的两端，所述弹性约束件通过所述预紧件与所述连接件连接，且所述预紧件沿所述柔性驱动件的轴向延伸设置。
6.根据本发明提供的一种柔性驱动结构，所述空腔与所述柔性驱动件同轴或偏心设置于所述柔性驱动件的内部。
7.根据本发明提供的一种柔性驱动结构，所述预紧件为预紧线，所述连接件设有安装孔，所述弹性约束件上设置通孔，所述预紧线的一端与一个所述连接件的所述安装孔连接，所述预紧线的另一端穿过所述弹性约束件上的所述通孔，并由另一个所述连接件的所述安装孔穿出。
8.根据本发明提供的一种柔性驱动结构，所述驱动组件还包括流体管道，所述流体管道与所述空腔连通。
9.根据本发明提供的一种柔性驱动结构，所述弹性约束件为弹簧，所述弹簧同轴套
设于所述柔性驱动件的外壁。
10.本发明还提供一种柔性驱动器，包括柔性套和如上所述的柔性驱动结构，至少三个所述驱动组件沿所述柔性套的轴向嵌入所述柔性套管的内部，且所述驱动组件沿所述柔性套管的周向均匀分布，所述驱动组件与所述柔性套的端部通过所述连接件连接。
11.根据本发明提供的一种柔性驱动器，所述柔性套沿其轴向设有用于器械通过的通道。
12.本发明还提供一种驱动系统，包括上位机和与所述上位机连接的预紧件控制装置和流体驱动装置，以及如上所述的柔性驱动结构或如上所述的柔性驱动器，所述预紧件控制装置与所述预紧件连接，所述流体驱动装置通过流体管道与所述空腔连通。
13.根据本发明提供的一种驱动系统，在所述预紧件为预紧线的情况下，所述预紧件控制装置包括直线驱动件和线圈，所述预紧线缠绕于所述线圈上并与所述直线驱动件连接。
14.根据本发明提供的一种驱动系统，所述流体驱动装置包括控制器和与所述控制器连接的传感器和输送件，所述输送件与所述流体管道连接，所述传感器设置于所述流体管道上。
15.本发明提供的柔性驱动结构，驱动组件的柔性驱动件为柔性管状结构，内部具有流体进入的空腔作为流体驱动腔，柔性驱动件的外壁由弹性约束件围设束缚，连接件固定于柔性驱动件的端部，预紧件与弹性约束件连接，固定并穿过连接件。本发明利用弹性约束件、预紧件、连接件与柔性驱动件相结合的结构，实现柔性驱动结构精确的伸长控制、弯曲控制与刚度控制。可通过控制预紧件松弛或绷紧程度，驱动弹性约束件保持原长、拉伸或压缩，控制弹性约束件的压缩程度，当弹性约束件弹簧保持原长或拉伸状态时，柔性驱动件处于柔性状态，可自由伸长或弯曲，当弹性约束件处于压缩状态时，可与柔性驱动件的伸长、膨胀和弯曲形成对抗，增加柔性驱动件的刚度，柔性驱动件处于刚性状态，实现对柔性驱动件刚度的连续控制。同时可通过控制各柔性驱动件的空腔内的流体压力，实现柔性驱动件的伸长或弯曲。
16.弹性约束件包覆在柔性驱动件的外壁上，并与两端的连接件相连接，从而包围柔性驱动件的空腔，既可限定空腔沿柔性驱动件的轴向进行伸长或弯曲程度，束缚空腔的径向膨胀，提高能量转换效率，又可在收缩状态下与空腔的伸长、膨胀与弯曲形成对抗，控制柔性驱动件的刚度。由此，弹性约束件提高了柔性驱动件的紧凑性，使柔性驱动结构更适于应用于空间狭窄的应用场景。
17.本发明的柔性驱动结构可使柔性机器人在体积、形状和刚度上实现较大变化，使柔性机器人具有可控刚度调制的能力，低刚度使柔性机器人具有对环境的适应性和顺应性，保证交互的安全性，而高刚度则可用于形成稳定的刚性操作平台，传递力和承受载荷，提高控制精度。
18.除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明提供的柔性驱动结构的结构示意图；
21.图2是本发明提供的柔性驱动结构的柔性驱动件的截面示意图之一；
22.图3是本发明提供的柔性驱动结构的柔性驱动件的截面示意图之二；
23.图4是本发明提供的柔性驱动结构的弯曲结构示意图；
24.图5是本发明提供的串联式多节柔性驱动结构的结构示意图；
25.图6是本发明提供的并联式平台柔性驱动结构的结构示意图；
26.图7是本发明提供的柔性驱动器的结构示意图；
27.图8是本发明提供的柔性驱动器的连接件的结构示意图；
28.图9是本发明提供的柔性驱动结构应用于机械抓手的结构示意图；
29.图10是本发明提供的柔性驱动结构应用于康复外骨骼的结构示意图；
30.图11是本发明提供的驱动系统的结构示意图。
31.附图标记：
32.100：连接件；110：安装孔；
33.200：驱动组件；210：弹性约束件；220：柔性驱动件；230：预紧件；240：流体管道；211：空腔；
34.300：柔性套；310：通道；
35.400：上位机；
36.500：预紧件控制装置；510：直线驱动件；520：线圈；
37.600：流体驱动装置；610：控制器；620：传感器；630：输送件。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
39.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
41.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或
“
下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
43.如图1、图2和图4所示，本发明实施例提供的柔性驱动结构，包括连接件100和至少一个驱动组件200，驱动组件200包括弹性约束件210、柔性驱动件220和预紧件230，柔性驱动件220的内部设有沿其轴向延伸的用于通入流体的空腔211，弹性约束件210围设于柔性驱动件220的外壁，连接件100设置于弹性约束件210轴向上的两端，弹性约束件210通过预紧件230与连接件100连接，且预紧件230沿柔性驱动件220的轴向延伸设置。
44.本发明实施例的柔性驱动结构，驱动组件200的柔性驱动件220为柔性管状结构，内部具有流体进入的空腔211作为流体驱动腔，柔性驱动件220的外壁由弹性约束件210围设束缚，连接件100固定于柔性驱动件220的端部，预紧件230与弹性约束件210连接，固定并穿过连接件100。本发明利用弹性约束件210、预紧件230、连接件100与柔性驱动件220相结合的结构，实现柔性驱动结构精确的伸长控制、弯曲控制与刚度控制。可通过控制预紧件230松弛或绷紧程度，驱动弹性约束件210保持原长、拉伸或压缩，控制弹性约束件210的压缩程度，当弹性约束件210弹簧保持原长或拉伸状态时，柔性驱动件220处于柔性状态，可自由伸长或弯曲，当弹性约束件210处于压缩状态时，可与柔性驱动件220的伸长、膨胀和弯曲形成对抗，增加柔性驱动件220的刚度，柔性驱动件220处于刚性状态，实现对柔性驱动件220刚度的连续控制。同时可通过控制各柔性驱动件220的空腔211内的流体压力，实现柔性驱动件220的伸长或弯曲。
45.弹性约束件210包覆在柔性驱动件220的外壁上，并与两端的连接件100相连接，从而包围柔性驱动件220的空腔211，既可限定空腔211沿柔性驱动件220的轴向进行伸长或弯曲程度，束缚空腔211的径向膨胀，提高能量转换效率，又可在收缩状态下与空腔211的伸长、膨胀与弯曲形成对抗，控制柔性驱动件220的刚度。由此，弹性约束件210提高了柔性驱动件220的紧凑性，使柔性驱动结构更适于应用于空间狭窄的应用场景。
46.本发明的柔性驱动结构可使柔性机器人在体积、形状和刚度上实现较大变化，使柔性机器人具有可控刚度调制的能力，低刚度使柔性机器人具有对环境的适应性和顺应性，保证交互的安全性，而高刚度则可用于形成稳定的刚性操作平台，传递力和承受载荷，提高控制精度。
47.本实施例中，进入空腔211的流体可为气体，也可为液体，根据实际应用需要进行选择。连接件100由刚性材料制成，可与柔性驱动件220的两端粘连，连接件100可用于将多
个柔性驱动件220串联连接或并联连接，相邻连接件100之间通过预紧件230固定弹性约束件210，通过对预紧件230进行分段驱动或分别驱动，可实现多个柔性驱动件220的分段刚度控制。本发明的柔性驱动结构通过连接件100实现具有便于串联组装和并联组装的效果，可进行组装、连接，形成串联式多节结构或并联式平台结构。本实施例中，柔性驱动件220为硅胶合成材料制成的柔性管状结构。在其它实施例中，柔性驱动件220还可采用其它适合的柔性材料，能够保证良好的伸长、弯曲、膨胀能力即可。
48.如图5所示，在一个实施例中，柔性驱动件220可通过连接件100、预紧线进行组装、连接，形成串联式多节柔性驱动结构，通过预紧件230控制各节柔性驱动件220的刚度变化，串联式多节柔性驱动结构前端能够实现更大范围的运动空间，更加灵活的驱动，不同段的变刚度组合，能够形成复杂腔道、管道等曲折狭小环境的探寻、搜索，灵活避障功能，提供稳定的输出力。还可选取不同尺寸的柔性驱动件220形成变径圆台型串联式多节柔性驱动结构，增强串联式多节柔性驱动结构在曲折、狭小环境操作的能力。
49.如图10所示，串联式多节柔性驱动结构可作为康复外骨骼的主体结构，串联式多节柔性驱动结构中柔性驱动件220的柔性表面可实现康复外骨骼与人体交互时的安全性和顺应性，在进行康复训练的过程中，通过控制柔性驱动件220的刚度连续变化，可增大串联式多节柔性驱动结构构成的康复外骨骼的刚度，提高康复外骨骼的输出力，实现对患者的康复训练，并通过连续的刚度变化丰富患者的康复训练内容，提高康复训练的效果。
50.串联式多节柔性驱动结构还可应用于单孔腹腔镜手术中，通过完成更复杂、自由度更多的弯曲运动，进行对路径中障碍物的主动避让，保证与外界操作环境与操作对象交互时的高安全性，通过控制柔性驱动结构的刚度连续变化，实现前端输出力大、稳定性高的手术操作。
51.如图6所示，在另一个实施例中，柔性驱动件220可通过连接件100、预紧件230进行组装、连接，形成并联式平台柔性驱动结构，通过预紧件230控制各节柔性驱动件220的刚度变化，并联式平台柔性驱动结构中各柔性驱动件220沿连接件100中心线周向均匀分布，各柔性驱动件220在流体驱动装置600的作用下同时伸长，对应并联式平台柔性驱动结构伸长，各柔性驱动件220在流体驱动装置600的作用下同时弯曲，对应并联式平台柔性驱动结构弯曲。并联式平台柔性驱动结构可通过控制柔性驱动件220不同弯曲、伸长的组合与不同的刚度组合，实现多种位姿，并通过控制柔性驱动件220的刚度增加，实现并联式平台柔性驱动结构的位姿固定，提高并联式平台柔性驱动结构的负载或输出力，增强并联式平台柔性驱动结构承受负载或适应不同环境的能力。
52.如图9所示，并联式平台柔性驱动结构可用作机械抓手的主体结构，并联式平台柔性驱动结构中柔性驱动件220的柔性表面及多自由度弯曲控制可与被抓取物体的表面完全贴合，适应不同被抓取物体表面的形状，并可抓取不同材质和刚度的物体，在抓取物体时，通过控制柔性驱动单元的刚度连续变化，可增大并联式平台结构构成的机械抓手的刚度，提高机械抓手的输出力，能够抓取重量较大的物体，并提高机械抓手抓取的稳定性。
53.如图2和图3所示，根据本发明提供的一个实施例，空腔211与柔性驱动件220同轴或偏心设置于柔性驱动件220的内部。本实施例中，空腔211作为流体驱动强的伸长或弯曲状态由空腔211在柔性驱动件220中的位置决定，空腔211位于柔性驱动件220的中心位置时，即与柔性驱动件220同轴设置时，在流体驱动装置600的驱动下，流体进入空腔211，驱动
空腔211沿轴向伸长；空腔211位于柔性驱动件220的偏心位置时，在流体驱动装置600的驱动下，流体进入空腔211，驱动空腔211沿轴向弯曲。本实施例中，空腔211的截面形状为圆形，在其它实施例中，空腔211的截面形状可根据实际需要进行选择，不限定为圆形，也可为半圆形、多边形等。
54.根据本发明提供的一个实施例，预紧件230为预紧线，连接件100设有安装孔110，弹性约束件210上设置通孔，预紧线的一端与一个连接件100的安装孔110连接，预紧线的另一端穿过弹性约束件210上的通孔，并由另一个连接件100的安装孔110穿出。本实施例中，预紧件230采用预紧线的形式，可采用不可伸长的鱼线、编织线等，两根或两根以上的预紧线同时与一个弹性约束件210连接。预紧线穿过弹性约束件210上的通孔，与弹性约束件210两端的连接件100连接，以实现预紧力沿弹性约束件210圆周方向分布，从而保证更好的变刚度控制。预紧线其一端固定在一个连接件100的安装孔110上，另一端穿过弹性约束件210的通孔后，再由另一个连接件100的安装孔110穿出，调节件预紧线的松弛或绷紧程度，驱动弹性约束件210保持原长或压缩，从而控制弹性约束件210的压缩程度。各节柔性驱动件220可由预紧线通过连接件100的安装孔110进行相应的串联连接或并联连接。预紧线的材质可根据实际需要选择，不限于普通的尼龙纤，也可以为钢丝、编织线等强度较高的线。
55.根据本发明提供的一个实施例，驱动组件200还包括流体管道240，流体管道240与空腔211连通。本实施例中，柔性驱动件220的空腔211通过流体管道240与外部的流体驱动装置600相连，在流体驱动装置600驱动下柔性驱动件220沿轴向伸长或弯曲。空腔211的入口位于柔性驱动件220的端面，该端面与预紧件230穿出的连接件100连接，该连接件100上也设有供流体管道240穿过的通孔，便于流体管道240与外部的流体驱动装置600相连。
56.根据本发明提供的一个实施例，弹性约束件210为弹簧，弹簧同轴套设于柔性驱动件220的外壁。本实施例中，弹性约束件210为弹性系数较小的弹簧，弹簧的圈数、直径、弹簧线径根据可调节刚度大小和柔性驱动件220的直径而定。弹簧同轴套设在柔性驱动件220的外壁上，限制空腔211的径向膨胀，并用于控制柔性驱动件220的刚度变化。弹簧与预紧线连接，预紧线由预紧件控制装置500驱动，使弹簧保持原长、拉伸或压缩。通过预紧件控制装置500驱动预紧线，从而控制弹簧的压缩程度，可对柔性驱动件220进行连续变刚度控制。当弹簧保持原长时，柔性驱动件220可自由伸长或收缩，处于柔性状态；当弹簧压缩时，弹簧与空腔211的伸长、膨胀和弯曲形成对抗，柔性驱动件220处于刚性状态。
57.本实施例中，预紧线穿过弹簧的每一圈螺旋上的通孔，以实现预紧力沿弹簧圆周方向，从而保证更好的变刚度控制。
58.如图7所示，本发明实施例还提供一种柔性驱动器，包括柔性套300和如上述实施例的柔性驱动结构，至少三个驱动组件200沿柔性套300的轴向嵌入柔性套300管的内部，且驱动组件200沿柔性套300管的周向均匀分布，驱动组件200与柔性套300的端部通过连接件100连接。
59.本发明实施例的柔性驱动器为多自由度柔性驱动器，可作为机械抓手、康复外骨骼等的组成部分应用于多个应用场景。由三个或三个以上驱动组件200组成，驱动组件200沿中空的柔性套300的周向均匀分布，并嵌入柔性套300形成，通过连接件100固定柔性驱动件220和柔性套300，通过分别驱动柔性驱动件220和拉伸对应的预紧件230，可实现柔性驱动器沿空间全向弯曲和伸长，同时具备一定的刚度调节功能，赋予柔性驱动器变刚度特性。
60.本实施例中，连接件100上设有供预紧件230连接弹性约束件210后穿出的安装孔110。利用连接件100和预紧件230可方便地进行组装、连接，形成具有多自由度的柔性驱动器。柔性驱动器可进行进一步的组装、连接，形成串联式多节结构或并联式平台结构。串联式多节结构或并联式平台结构中的柔性驱动器可具有不同的尺寸，形成具有更大运动范围的可变刚度柔性结构。
61.如图8所示，根据本发明提供的一个实施例，柔性套300沿其轴向设有用于器械通过的通道310。本实施例中，柔性驱动器可作为柔性机器人的基本驱动器，也可用作内窥镜的主体结构，中心和周围分布的手术器械通过的通道310，可用于部署微创手术钳、内窥镜探头等手术工具，形成具备诊断和治疗的单孔腹腔镜手术系统，可应用于单孔腹腔镜手术中。
62.如图11所示，本发明实施例还提供一种驱动系统，包括上位机400和与上位机400连接的预紧件控制装置500和流体驱动装置600，以及如上述实施例的柔性驱动结构或如上述实施例的柔性驱动器，预紧件控制装置500与预紧件230连接，流体驱动装置600通过流体管道240与空腔211连通。
63.本发明实施例的驱动系统，通过预紧件控制装置500控制驱动预紧件230的绷紧或松弛。通过流体驱动装置600向柔性驱动件220的空腔211输送流体，并实现流体压力的精准控制，从而驱动柔性驱动件220伸长、收缩、弯曲和前端姿态的精准控制。上位机400对预紧件控制装置500和流体驱动装置600进行反馈控制。
64.根据本发明提供的一个实施例，在预紧件230为预紧线的情况下，预紧件控制装置500包括直线驱动件510和线圈520，预紧线缠绕于线圈520上并与直线驱动件510连接。预紧件控制装置500包括多路控制单元，各路控制单元分别与各个预紧线连接，各控制单元包括直线驱动件510和线圈520。预紧件230缠绕在线圈520上，并与直线驱动件510连接，通过控制直线驱动件510的正向运动或反向运动，驱动缠绕有预紧件230的线圈520正转或反转，从而驱动变刚度预紧线绷紧或松弛。
65.根据本发明提供的一个实施例，流体驱动装置600包括控制器610和与控制器610连接的传感器620和输送件630，输送件630与流体管道240连接，传感器620设置于流体管道240上。本实施例中，流体驱动装置600包括多路流体控制单元，传感器620通过流体管道240与柔性驱动件220的空腔211相连，反馈实时的流体压力信息，通过反馈算法实现流体压力的精准闭环反馈控制，输送件630通过流体管道240向空腔211输送流体，通过控制器610控制输送件630的启停、正反转和转速，从而驱动柔性驱动结构伸长、收缩、弯曲和前端姿态的精准控制。
66.本实施例中，输送件630可以为流体输送泵，注射器等。
67.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。