本發(fā)明屬于驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，尤其涉及一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人在醫(yī)療、家庭、教育、服務(wù)、救援以及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的需求不斷增長(zhǎng)，這對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的靈活性和柔順性都提出了更高的要求。相應(yīng)地，柔性機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人所擁有的變形連續(xù)，運(yùn)動(dòng)靈活和高柔順性等特點(diǎn)逐漸引起了研究者們的關(guān)注。

2、作為柔性機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一—驅(qū)動(dòng)方法，其重要程度不言而喻。在眾多驅(qū)動(dòng)方法中(例如電、熱、光和磁)，氣壓驅(qū)動(dòng)因其簡(jiǎn)單安全的操作特點(diǎn)、低成本和易于制造而受到廣泛關(guān)注。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是柔性機(jī)器人中常用的一種驅(qū)動(dòng)器，具有較高的功重比、與生物肌肉相似的收縮特性和極佳的順應(yīng)性，這些特性確保了其可以實(shí)現(xiàn)收縮、拉伸、彎曲或旋轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)模式。

3、為了迎合不同的場(chǎng)景需求，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器在原有的正壓驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出了負(fù)壓驅(qū)動(dòng)器。與正壓驅(qū)動(dòng)相比，負(fù)壓驅(qū)動(dòng)具有幾個(gè)獨(dú)特的固有優(yōu)點(diǎn)。第一，它們沒(méi)有爆炸或爆裂的危險(xiǎn)，安全系數(shù)大幅提高；對(duì)于正壓驅(qū)動(dòng)器來(lái)講，使用者受傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)隨著使用更高的壓力而增加。第二，運(yùn)行時(shí)體積相對(duì)更小，使它們能夠有效地在密閉空間中使用。第三，增大了收縮比，降低了徑向膨脹。第四，依托于負(fù)壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)器可以快速啟動(dòng)。為數(shù)不多的主要限制之一是負(fù)壓驅(qū)動(dòng)器的最大適用力和位移受最大真空壓力的限制。

4、目前的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器缺少可以實(shí)現(xiàn)多向彎曲運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。為此，有必要在負(fù)壓驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種可變剛度的多向彎曲負(fù)壓驅(qū)動(dòng)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其可以在未變剛度狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)；在變剛度狀態(tài)下，主動(dòng)改變剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)可選的多向彎曲變形。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，包括負(fù)壓源以及驅(qū)動(dòng)器主體，所述驅(qū)動(dòng)器主體包括密封軟囊、彈性骨架以及變剛度層；所述負(fù)壓源通過(guò)第一氣管與所述密封軟囊連通；所述彈性骨架嵌置于所述密封軟囊內(nèi)，用于支撐所述密封軟囊；所述變剛度層固定在所述密封軟囊的囊壁上，所述負(fù)壓源通過(guò)第二氣管與所述變剛度層連通；

3、當(dāng)向所述變剛度層抽氣，所述變剛度層內(nèi)部形成負(fù)壓時(shí)，所述變剛度層的剛度變大，所述驅(qū)動(dòng)器主體上的剛度不對(duì)稱，朝裝有所述變剛度層的對(duì)側(cè)方向彎曲；當(dāng)向所述密封軟囊抽氣，所述密封軟囊內(nèi)部形成負(fù)壓，且同時(shí)恢復(fù)所述變剛度層的內(nèi)部氣壓為大氣壓時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)器主體做收縮運(yùn)動(dòng)。

4、進(jìn)一步的，所述密封軟囊包括薄膜筒以及密封堵頭，兩個(gè)所述密封堵頭分別密封蓋罩于所述薄膜筒的兩端口，所述彈性骨架支撐所述薄膜筒的內(nèi)壁。

5、進(jìn)一步的，所述彈性骨架為彈簧，所述彈性骨架能夠沿自身長(zhǎng)度方向伸縮以及往外側(cè)方向彎曲，所述彈性骨架的長(zhǎng)度方向與所述薄膜筒的長(zhǎng)度方向平行。

6、進(jìn)一步的，所述變剛度層貼附在所述薄膜筒的外周緣上，所述驅(qū)動(dòng)器主體包括有至少一個(gè)所述變剛度層，所有變剛度層沿所述薄膜筒的周向方向間隔分布。

7、進(jìn)一步的，所述密封堵頭采用3d打印技術(shù)制備而成，所述密封堵頭經(jīng)紫外線光固化處理以確保氣密效果。

8、進(jìn)一步的，所述變剛度層的變剛度機(jī)理為層干擾、顆粒干擾、纖維干擾或靜電層干擾。

9、進(jìn)一步的，所述變剛度層的變剛度結(jié)構(gòu)為層干擾結(jié)構(gòu)，沒(méi)向所述變剛度層抽氣時(shí)，所述變剛度層內(nèi)部的層干擾結(jié)構(gòu)能相對(duì)自由滑動(dòng)，所述變剛度層具有較低的剛度；向所述變剛度層抽氣，使其內(nèi)部形成負(fù)壓時(shí)，所述變剛度層內(nèi)部的相鄰的層干擾結(jié)構(gòu)相互耦合，所述變剛度層的剛度變大。

10、進(jìn)一步的，所述變剛度層的變剛度結(jié)構(gòu)為靜電吸附結(jié)構(gòu)，通過(guò)正電極片與負(fù)電極片相對(duì)擺放并接入高壓源實(shí)現(xiàn)；當(dāng)未接通高壓源時(shí)，正電極片與負(fù)電極片之間沒(méi)有相互作用力，兩者能相對(duì)自由滑動(dòng)，所述變剛度層具有較低的剛度；當(dāng)接通高壓源時(shí)，正電極片與負(fù)電極片之間產(chǎn)生吸附力，兩者不能相對(duì)滑動(dòng)，所述變剛度層的剛度變大。

11、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括信號(hào)采集卡、氣動(dòng)閥、電感測(cè)量模塊、控制工作站以及上述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，所述第一氣管和第二氣管均與所述氣動(dòng)閥連接；所述信號(hào)采集卡輸出模擬信號(hào)，控制所述氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)氣壓的大小以及方向，從而分別控制所述密封軟囊以及變剛度層內(nèi)部的氣壓，以此實(shí)現(xiàn)不同的功能。

12、所述控制工作站與所述信號(hào)采集卡、氣動(dòng)閥、電感測(cè)量模塊電連接；通過(guò)電感測(cè)量模塊測(cè)量所述螺旋彈簧線圈的電感變化以反映變形情況，所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)模擬信號(hào)輸入回所述信號(hào)采集卡，并在所述控制工作站中整合分析。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：

14、本發(fā)明提供的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，在未變剛度狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)；在變剛度狀態(tài)下，可以通過(guò)提高變剛度層的剛度來(lái)實(shí)現(xiàn)可選的彎曲變形，適應(yīng)性較傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器大幅提高，并且具有較高的功重比、與生物肌肉相似的收縮特性和極佳的順應(yīng)性，尤其適合應(yīng)用于柔性機(jī)器人，以實(shí)現(xiàn)多種類型物體的抓取。同時(shí)，負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器采用彈簧作為內(nèi)部骨架，可以通過(guò)電感的變化表征驅(qū)動(dòng)器主體的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)自感知功能。

技術(shù)特征：

1.一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，包括負(fù)壓源以及驅(qū)動(dòng)器主體，所述驅(qū)動(dòng)器主體包括密封軟囊、彈性骨架以及變剛度層；所述負(fù)壓源通過(guò)第一氣管與所述密封軟囊連通；所述彈性骨架嵌置于所述密封軟囊內(nèi)，用于支撐所述密封軟囊；所述變剛度層固定在所述密封軟囊的囊壁上，所述負(fù)壓源通過(guò)第二氣管與所述變剛度層連通；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述密封軟囊包括薄膜筒以及密封堵頭，兩個(gè)所述密封堵頭分別密封蓋罩于所述薄膜筒的兩端口，所述彈性骨架支撐所述薄膜筒的內(nèi)壁。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述彈性骨架為彈簧，所述彈性骨架能夠沿自身長(zhǎng)度方向伸縮以及往外側(cè)方向彎曲，所述彈性骨架的長(zhǎng)度方向與所述薄膜筒的長(zhǎng)度方向平行。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述變剛度層貼附在所述薄膜筒的外周緣上，所述驅(qū)動(dòng)器主體包括有至少一個(gè)所述變剛度層，所有變剛度層沿所述薄膜筒的周向方向間隔分布。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述密封堵頭采用3d打印技術(shù)制備而成，所述密封堵頭經(jīng)紫外線光固化處理以確保氣密效果。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述變剛度層的變剛度機(jī)理為層干擾、顆粒干擾、纖維干擾或靜電層干擾。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述變剛度層的變剛度結(jié)構(gòu)為層干擾結(jié)構(gòu)，沒(méi)向所述變剛度層抽氣時(shí)，所述變剛度層內(nèi)部的層干擾結(jié)構(gòu)能相對(duì)自由滑動(dòng)，所述變剛度層具有較低的剛度；向所述變剛度層抽氣，使其內(nèi)部形成負(fù)壓時(shí)，所述變剛度層內(nèi)部的相鄰的層干擾結(jié)構(gòu)相互耦合，所述變剛度層的剛度變大。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，所述變剛度層的變剛度結(jié)構(gòu)為靜電吸附結(jié)構(gòu)，通過(guò)正電極片與負(fù)電極片相對(duì)擺放并接入高壓源實(shí)現(xiàn)；當(dāng)未接通高壓源時(shí)，正電極片與負(fù)電極片之間沒(méi)有相互作用力，兩者能相對(duì)自由滑動(dòng)，所述變剛度層具有較低的剛度；當(dāng)接通高壓源時(shí)，正電極片與負(fù)電極片之間產(chǎn)生吸附力，兩者不能相對(duì)滑動(dòng)，所述變剛度層的剛度變大。

9.一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，包括信號(hào)采集卡、氣動(dòng)閥、電感測(cè)量模塊、控制工作站以及如權(quán)利要求3所述的負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器，所述第一氣管和第二氣管均與所述氣動(dòng)閥連接；所述信號(hào)采集卡輸出模擬信號(hào)，控制所述氣動(dòng)閥調(diào)節(jié)氣壓的大小以及方向，從而分別控制所述密封軟囊以及變剛度層內(nèi)部的氣壓，以此實(shí)現(xiàn)不同的功能；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器包括負(fù)壓源和驅(qū)動(dòng)器主體，驅(qū)動(dòng)器主體包括密封軟囊、彈性骨架和變剛度層。彈性骨架嵌置于密封軟囊內(nèi)，變剛度層固定在密封軟囊的囊壁上。該負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括信號(hào)采集卡、氣動(dòng)閥和負(fù)壓變剛度驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)向變剛度層抽氣，變剛度層內(nèi)部形成負(fù)壓時(shí)，變剛度層的剛度變大，驅(qū)動(dòng)器主體剛度不對(duì)稱，朝對(duì)側(cè)方向彎曲；當(dāng)向密封軟囊抽氣，同時(shí)恢復(fù)變剛度層的內(nèi)部氣壓為大氣壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器主體做收縮運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)器具有較高的功重比、與生物肌肉相似的收縮特性和順應(yīng)性，能實(shí)現(xiàn)多向彎曲的功能，可抓取多種類型物體。同時(shí)，可以通過(guò)彈簧電感的變化表征驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)自感知功能。

技術(shù)研發(fā)人員：郭江龍,裴昱翔,鄧喆,劉彥菊,冷勁松
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳科技創(chuàng)新研究院）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30