[发明专利]一种全柔性气动式执行器

说明书

一种全柔性气动式执行器，包括至少一个执行器单元，每个执行器单元均由柔性执行机构和气动驱动机构组成；柔性执行机构包括柔性圆柱状外壳和多根平行布置于柔性圆柱状外壳内的柔性气腔，二者的两个端部均分别为开口端和封闭端，每根柔性气腔的封闭端外壁都与柔性圆柱状外壳的封闭端内壁固定连接；柔性驱动机构包括充气装置及多个充气管道，充气管道分别与各个柔性气腔的开口端相连，柔性圆柱状外壳的开口端与充气装置密封连接；柔性圆柱状外壳具有波纹管状结构的侧面，柔性气腔为螺旋形柔性气腔，螺旋形柔性气腔的数量为至少四根，每根螺旋形柔性气腔的气压单独控制。本发明具有较强的形变能力，较好的使用灵活性，兼具结构简单和易于操作的优点。

技术领域

本发明涉及一种气动式执行器，尤其是一种全柔性气动式执行器，属于 柔性执行器设计领域。

背景技术

传统机器人虽已广泛应用于工业、医学、建筑业等领域，但仍存在电机 驱动惯性大、运动笨重以及刚体与全柔性互动很难控制等一些无法克服的技 术难题。这些缺点限制了传统机器人应用范围，如易碎物品的抓取、水下作 业、狭窄空间等等。

随着计算机技术、控制技术、人工智能技术的不断发展，机器人在智能 制造、医疗技术、航空航天等领域扮演者越来越重要的角色，智能机器人正 朝着自然交互、仿生技术、人机协同的方向飞速发展。

近年来，随着仿生技术与智能材料的兴起，科学家们使用柔性智能材料， 模仿生物结构和基于生物运动原理研发出全柔性机器人。通过改变原有的形 状和尺寸实现爬行、扭转，在非结构化环境下具有广泛的应用前景，弥补了 传统机器人在狭窄空间运动受限等方面的不足。

抓取操作是机器人执行各种复杂任务所必须具备的重要能力。柔性执行 器驱动方式主要分为两种：智能材料驱动和气动驱动。其中，气动驱动的柔 性执行器主要结合3D打印技术打印驱动器模具，注入超弹性硅胶材料制成 全柔性执行器，通过施加气压使驱动器变形。相比于智能材料驱动的柔性执 行器，气动驱动的柔性执行器变形更大、相应更快、运动更加灵活，适用于 更广泛的场景。

已知的一种多自由度气动柔性机械手。包括多自由度柔性执行器、圆形 底座和密封底座，圆形底座沿周向等间隔设有三个固定端，每个固定端开有 三个气管通孔和一个导线放置孔，每个固定端端口向外延伸形成凸缘，密封 底座嵌装于凸缘内，每个固定端通过密封底座安装有多自由度柔性执行器， 多自由度柔性执行器内部设有三个气道，三个气道中间设有柱形空腔；密封 底座的三个进气道分别插入三个气道，密封底座的柱形座插入柱形空腔；多 自由度柔性执行器内部安装有两个通过弯曲导线相连的惯性传感器。该多自由度气动柔性机械手，结构紧凑，多充气组件充气时可进行多个自由度的指 定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法进行多自由度操作与角度反馈 的问题。此一种多自由度气动柔性机械手存在以下不足：

1、结构较复杂，涉及多个刚性连接部件，不易操作。

2、气道仅在靠近外表面的一侧设置了增大拉伸面积的梯形弯曲结构， 导致对于每个气道，充气只能提供一个方向的力，从而大大限制了执行器的 的自由度。

还已知一种多功能柔性机械手，包括至少一组的三腔连体柔性臂，所述 三腔连体柔性臂由三根软管和三只独立的柔性抓手组成，各所述柔性抓手的 内腔均呈空心结构，各所述软管的一端与相对应的所述柔性抓手的内腔连接， 且另一端连接有用于向所述软管送气的第一驱动装置。本实用新型通过第一 驱动装置对相对应的软管进行不同程度的充气，实现三腔连体柔性臂的柔性 抓手弯曲变形，并可形成类似人手的关节弯曲柔性臂，通过第一驱动装置对 相对应的软管进行不同程度的放气/抽气，实现柔性抓手可以恢复到初始位 置。通过设置多组三腔连体柔性臂完成物品的抓放动作、提升动作、拧紧/ 松开动作以及多向扭动，且能减轻人工负担及提升生产效率。该“一种多功 能柔性机械手”中的“三腔连体柔性臂”(以下简称连体臂)结构，具有以 下不足：

1、连体臂中的柔性抓手的内腔和柔性抓手的外壁只是普通的圆管结构， 其伸缩变形能力比较差，形变量小。