[发明专利]一种可变刚度增强型气动软体驱动器

说明书

本发明公开了一种可变刚度增强型气动软体驱动器，非应变层黏贴于驱动腔内芯的底面上，形成初始驱动腔内芯，细丝沿初始驱动腔内芯的顶面和底面包裹初始驱动腔内芯的四周，细丝外侧设置驱动腔外侧封装皮肤层进行封装，得到封装的驱动腔体，将驱动腔体底平面黏于刚度调节腔包裹体的顶面，两端分别通过前端盖和后端盖进行密封，密封的驱动腔内芯内形成驱动气腔，刚度调节腔包裹体内形成变刚度调节气腔，若干内骨骼设置在变刚度调节腔内，颗粒球体分布在变刚度气腔内以及相邻两个内骨骼之间。气源进气导管自后端盖伸入驱动气腔，压缩空气通过气源导管进入驱动气腔，气源出气导管自后端盖伸入变刚度调节腔，通过气源导管对变刚度气腔进行抽真空。

技术领域

本发明涉及气压传动领域，特别是涉及一种可变刚度增强型气动软体驱动器。

背景技术

气动软体驱动器（又称气动肌肉）是近年来发展起来的一种新型驱动装置，它具有柔顺性好、安全性高、功率/重量比大，控制特性类似生物肌肉等优点，广泛应用于柔性夹持器、仿生手指、软体机器人等领域中，尤其在柔性夹持器领域中，柔性气动软体驱动器扮演着极其重要的作用，满足多种不同环境的需求，对气动软体驱动器的设计及性能提出了新的要求。具有较大的变形能力，在精确定位的前提下实现大范围的刚度调节以及自身具有较强的承载能力，做到刚柔兼顾等是软体驱动器的希望具备的性能。针对上述问题及需求，国内外的学者及技术人员提出了一系列新型柔性驱动器设计方案。

为使软体驱动器实现弯曲运动，提供弯曲力矩，中国专利201910308301.3 采用了一种可弯曲的柔性驱动器，但该驱动器仅设有一个连通的气腔，故只能施加单向的辅助力，且承载能力较差，同样不能进行刚度调节。哈佛大学Panagiotis Ploygerinos 等人研究的纤维增强型气动柔性驱动器、新加坡国立大学Hong Kai 等人研究的变刚度可弯曲气动柔性驱动器均只能提供单向的弯曲力矩，无法施加恢复时所需的辅助力，并且该驱动器的位姿控制精度较低。奥克兰大学在驱动器中添加了悬臂弹簧，利用弹簧的回弹力提供反向恢复力矩，但是该结构在弯曲时需要克服弹簧的反作用力，所需气体压力增大，且弹簧件降低驱动器安全性能。

此外，中国专利201810784613.7提供了一种气动软体抓手，包括气动软体驱动器、夹持装置；气动软体驱动器是有气腔的空心柱状结构，横截面为半圆形。三个气动软体驱动器按圆周均布组成抓手，每个气动软体驱动器的一端固定在辅助设计的夹持装置上，气压作用下自由端会产生朝向圆心方向的弯曲动作，三个协调配合实现抓取任务。尽管该驱动器具有较大的变形能力，但由于自身的刚度较低，无法实现大范围的刚度调节，且位姿控制的精确性较差。

为使得软体驱动器能够在大范围变形前提下实现刚度调节，为此，中国专利201811199989.8提出的一种基于折纸结构的气动双向弯曲软体驱动器，包括一个限制层结构和两个结构相同的变形层结构，变形层结构是由若干个直线排列的结构相同的折纸结构组成，折纸结构可以通过折展与材料自身的超弹性实现两种不同状态的轴向伸缩，使变形层结构发生两种不同状态的轴向伸缩。变形层结构两种不同状态的轴向伸缩导致结构的刚度发生变化，则驱动器可利用变形层结构不同状态的刚度变化实现变刚度驱动。尽管该驱动器在满足运动姿态的前提下可实现刚度调节，但承载能力较差，位姿控制的精确性亦较差。

还有，中国专利201811170700.X提出了一种基于颗粒阻塞的变刚度气动软体驱动器，该驱动器阻塞层和驱动层组成，阻塞层和驱动层呈上下层关系相联接，驱动层实现驱动器的弯曲变形；阻塞层利用颗粒阻塞实现驱动器变刚度。阻塞层的柔性囊为条状形柔性薄膜结构，形成一个能用于填充阻塞颗粒的空腔。利用阻塞颗粒在非真空和真空状态分别表现出流态和固态实现阻塞层的刚度变化。驱动层的膨胀变形层由若干个呈等间距直线排列的拱形膨胀气囊组成。通过阻塞层处于非真空状态和真空状态的刚度变化来调节驱动器的刚度变化。尽管该驱动器在实现弯曲运动的前提下能够变刚度功能，但由于该变刚度腔内的粒子排布的不确定性，直接导致刚度控制的重复性较低，此外，该驱动器是由若干个呈等间距的独立的半圆形气囊膨胀变形驱动，变形能力较强，但将直接导致驱动器的承载能力较低，且输出力较小，力学性能较差，