[发明专利]一种气动旋转执行器及气动柔性操作手

说明书

一种气动旋转执行器及气动柔性操作手，该气动旋转执行器包括至少一个气动旋转模块，其包括第一、第二硬质结构块、柔性薄膜和气管，第一、第二硬质结构块通过与柔性薄膜粘连以铰链方式连接在一起，柔性薄膜在内侧区域形成一个柔性气密封腔体，气管的一端连接柔性气密封腔体，气管的一端连接外部的气压控制装置，当柔性气密封腔体内的气压受控制而发生减小或增大的变化时，柔性气密封腔体内外的气压差使柔性薄膜向内侧凹陷或向外侧鼓起展开，牵引第一、第二硬质结构块发生相向旋转运动或背向旋转运动。该气动旋转执行器可实现对不同几何外形物体的抓取、旋转和扭转等操作，结构简单，质量轻，响应快速，适用面广，成本低。

技术领域

本发明涉及小型执行器和柔性机器人技术领域，特别是涉及一种气动旋转执行器及气动柔性操作手。

背景技术

执行器是一种在外界环境刺激下产生特定运动的器件，依赖于电、热、气压或液压转化为机械运动，是驱动机器人产生运动动作的重要部件。目前应用的旋转型执行器的材料主要为碳纳米管纺线、聚合物纤维、形状记忆合金等。由这些材料制成的旋转型执行器需要在特殊的外界环境中使用，例如特定的电解液、化学品蒸汽、高温等，同时目前暂不能实现大规模生产，因此不适合于日常环境应用。

气动旋转型执行器的设计方案目前仍然较少。以螺旋气管为基础的气动旋转型执行器的旋转角度相对于整体长度而言较小。以多个相连的气室形成的类似褶皱形状的气动执行器可以产生较大的力矩，但是这种执行器是采用正气压驱动，容易因气压过大而爆裂。由硅橡胶制成的折纸型气动旋转执行器可以实现较大角度的旋转，但是由于材料较软而输出力矩较低，另外该执行器在实现旋转动作的同时会出现线性运动，可能需要更复杂的补偿方式才能实现纯旋转运动。

操作手是一种以模拟人体手部运动动作的机械执行结构，其作用是抓取和操作物体，主要应用于工业、物流、医疗、自动化等领域。传统的机械手使用的是电机驱动，装置复杂并且笨重，制造成本高昂，且容易受到电磁干扰。电机驱动一般需要精确的反馈调节，系统整体缺乏鲁棒性与顺应性，人机协调性差。

目前已有的柔性操作手普遍功能单一，仅具有抓取功能而不能同时实现旋转、移动等操作。例如，基于球形折纸结构制成的气动抓手可以实现抓取多种不同形状的物体，但不能实现进一步的操作。另外，目前的气压驱动的操作手多使用正压控制，缺乏人机交互安全性，容易因气压过大而导致结构受损。例如，有的多自由度柔性机械手需要正压充气驱动，此时执行器的一侧因膨胀而实现弯曲动作，但同时很容易导致爆裂。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述技术缺陷中的至少一种，提供一种结构简单、轻量、响应时间快的气动旋转执行器，及具有这种气动旋转执行器的气动柔性操作手。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种气动旋转执行器，包括至少一个气动旋转模块，所述气动旋转模块包括第一硬质结构块、第二硬质结构块、柔性薄膜和气管，所述第一硬质结构块和所述第二硬质结构块通过与所述柔性薄膜粘连以铰链方式连接在一起，所述柔性薄膜在所述第一硬质结构块和所述第二硬质结构块之间的内侧区域形成一个柔性气密封腔体，所述气管的一端连接所述柔性气密封腔体，所述气管的一端连接外部的气压控制装置，当所述柔性气密封腔体内的气压受控制而发生减小或增大的变化时，所述柔性气密封腔体内外的气压差使所述柔性薄膜向内侧凹陷或向外侧鼓起展开，牵引所述第一硬质结构块和所述第二硬质结构块发生相向旋转运动或背向旋转运动，使所述第一硬质结构块和所述第二硬质结构块之间的角度产生变化。

优选地，所述气压控制装置为负压系统。