[发明专利]柔性驱动器

说明书

描述了一种驱动器(1)，其具有第一部分(4)、第二部分(2)和在第一部分和第二部分之间的主体部分(3)，其中主体部分包括至少一个配置为被加压的腔室(14)，并且主体部分具有纵向轴；和多个线缆(6、7、8、9)，其中所述多个线缆中的每一个相对于主体部分(3)的纵向轴布置成相应的至少部分的螺旋；且其中所述多个线缆被布置成使得将选定的力施加到所述线缆中的至少一个会引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。

技术领域

本发明涉及一种驱动器和驱动所述驱动器的方法。

背景技术

在过去的几十年里，机器人学家已经从设计刚性和重型机器人转向设计柔性和轻型机器人。刚度是众多需求之一，主要涉及高精度和高机械带宽，对于一些工业应用是必要的。正如Sciavicco和Siciliano所描述的，工业机器人被定义为刚性连接的组合[1]。

由于需要与人进行安全的交互并避免附带的损害，柔性机器人通过使用主动控制和刚性连接，或使用实质上柔顺的材料被开发[2]。从大自然中汲取灵感，一种基于章鱼[4]、[5]、[6]、象鼻[7]、[8]、[9]或毛虫[10]的生理和生物力学的不同的方法为所谓的柔性机器人(SR)[3]铺平了道路。采用柔性材料设计了新型高柔顺的驱动器和传感器。与刚性机器人形成鲜明对比的是，柔性机器人具有连续可变形的柔性结构，具有高度的适应性和灵活性。它们可以由具有不同度的材料构成。仿生控制也已经被研究[11]，[12]。

最早的气动驱动器之一是由McKibben在20世纪50年代报道的，提出了一种能够像人体肌肉一样提供拉力的设计[13]。它由带有编织聚酯网套的内橡胶管组成。这种设计已经用于对抗性配置中，获得了通过控制每个驱动器[14]、[15]中的空气压力以改变其刚度的系统。

与该方法不同，柔性驱动器的新设计可以产生不同的运动，即推动力、弯曲力或扭曲力。在东芝公司(Toshiba Corporation)的Suzumori等人开发了一种由三个腔室组成的3自由度(DOF)气动微驱动器，其外径为12mm，总长度为120mm[16]。该驱动器由纤维增强橡胶制成并且由电-气驱动或电-液压系统驱动。

Connoly等人提出了一种使用纤维增强的机械可编程柔性驱动器[18]。通过1个运动自由度，借助于改变纤维角度展示了大范围的运动：i)伸展，ii)弯曲，iii)扭曲，以及iv)收缩。通过使用模拟器来演示性能，并通过实验表征驱动器来验证性能。

增加单个柔性驱动器可利用的自由度的数量将是有利的，从而在构造柔性机器人系统时提供更宽范围的设计选择。进一步有利的是，提供具有可变运动阻力或刚度的柔性驱动器，从而提供产生特定应用所需的相对快速、低精度运动或相对较慢、高精度运动的能力。还有利的是，提供一种驱动器，其在其整个运动范围内具有基本上均匀的横截面，从而避免了众所周知的与柔性气动驱动器相关的“膨胀(ballooning)”和随后的疲劳问题。

本发明的目的是提供一种具有一个或多个上述优点的柔性驱动器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种驱动器，包括：

第一部分、第二部分和在所述第一和所述第二部分之间的主体部分，其中所述主体部分包括配置为被加压的至少一个腔室，并且所述主体部分具有纵向轴；和

多个线缆，其中所述多个线缆中的每一个相对于所述主体部分的纵向轴布置成相应的至少部分的螺旋；且

其中所述多个线缆被布置成使得将选定的力施加到所述线缆中的至少一个会引起所述第一部分相对于所述第二部分的期望的运动。

在操作中，可以将选定的力施加到至少一个线缆上，使第一部分相对于第二部分移动。选定的力可以包括例如张紧线缆、拉动线缆或推动线缆。

本发明的驱动器有利地结合气动和机械驱动以提供具有精确运动控制的驱动器。