[实用新型]一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器

说明书

一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器，旨在解决现有技术中气动柔性驱动器无法贴合仿生设计实现刚度的可变调节，驱动器本身的承载能力较差，以及刚度调节过程的响应速率较低的技术问题。本实用新型包括驱动器本体，驱动器本体的一端设有沿其长度方向布置的安装槽，安装槽中嵌设有变刚度模块，变刚度模块包括液态金属、防护壳和加热件，液态金属封装在防护壳内部，驱动器本体内部开设有若干个气腔，气腔沿驱动器本体的长度方向布置，插设在驱动器本体上的气管的一端与所述气腔连通，气管的另一端延伸至驱动器本体外部。

技术领域

本实用新型涉及柔性机器人或仿生机器人技术领域，特别是涉及一种可变刚度的三自由度气动柔性驱动器。

背景技术

随着人类生产生活的不断进步和发展，机器人技术、自动控制技术的不断进步，机器人已经广泛应用于人类社会的各个方面，尤其在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。从机器人驱动器的类型看，早期的机械臂采用液压驱动，液压驱动的特点是控制相对简单，可以获得很高的功率/重量比，但存在油液泄漏、成本高、安全性差等问题，并且需要压力油供应系统；电机的出现给机器人提供了新的驱动方式，并逐步取代了液压驱动方式，电机驱动的优点是控制简单、洁净、噪音低、成本相对较低，不足之处在于功率/体积重量比小，而且在某些（如易燃易爆）场合同样存在安全隐患。由电机、活塞、关节、铰链等构件组装而成的传统的刚性机器人具备可承受外载荷大，作业精确度高、动力足、功率大及性能成熟等多种优点，但是随着机器人应用从工业领域向社会服务、环境勘测等领域扩展，机器人的作业环境从简单、固定、可预知的结构化环境变为复杂、动态、不确定的非结构化环境，机器人需要向智能化、柔性化及协作化发展。在高端制造、医疗康复、国防安全等领域，传统刚性机器人已不能满足要求，基于此，近年来研究人员尝试将软体动物有关生物学原理应用到机器人系统研究与设计中，提出了柔性机器人的概念。

柔性机器人与传统的刚性机器人相比具有很多优势，它可以更好适应各种环境，在空间狭小、非结构的环境下都可以完成复杂的任务。目前,研究柔性机器人都具有多自由度和连续变换的能力，可在大范围内任意改变自己身形和尺寸，因为主动变形与被动变形能力的结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。研究的技术难点在于，柔性机器人所具备的多自由度和连续变换的能力均得益于其驱动器，柔性机器人的设计需要大量的柔性驱动器，而传统的液压驱动、电机驱动方式不能满足要求；基于此，研究人员将目光转向一些新的驱动技术，如：微型电机、压电驱动器、形状记忆合金驱动器、聚合材料人工肌肉驱动器、磁致伸缩驱动器以及气动柔性驱动器。

申请号为CN201410406261.3的中国专利公开了一种仿生软体机器人的变刚度模块，所述变刚度模块包括弹性基体、通气管、中心驱动腔和侧驱动腔，所述弹性基体的截面呈圆形，所述弹性基体的中部设有中心驱动腔，在所述中心驱动腔外的弹性基体的一圈上等圆弧间隔地设有至少三个侧驱动腔，所述中心驱动腔和侧驱动腔的两端均封闭，所述中心驱动腔、侧驱动腔均与通气管连通；在所述中心驱动腔的内壁和外壁安装中心约束件，在所述侧驱动腔的内壁和外壁安装侧约束件；所述中心约束件包括中心约束弹簧和中心约束环，所述中心驱动腔的内壁安装中心约束弹簧，所述中心驱动腔的外壁安装中心约束环，所述侧约束件包括侧约束弹簧和侧约束环，所述侧驱动腔的内壁安装侧约束弹簧，所述侧驱动腔的外壁安装侧约束环。

上述专利提出的仿生软体机器人的变刚度模块可以根据工作任务的需求组合成各种最佳的构形，并且可以使软体机器人能够实时的控制和改变自身的刚度、保持稳定的抓取动作；其问题在于，上述实用新型通过向中心腔注入不同压力的压缩气体实现变刚度调节，当所需刚度较大时，需要注入高压强的压缩气体且所需气量较大，在注气加压过程中，一方面气体注入需要一定时间，所述变刚度模块自低刚度变换到高刚度需要一定的过渡时间，即该刚度模块无法实现刚度变化的快速响应，另一方面气压过大时存在安全风险，基于使用安全性的考量，实际应用过程中所述变刚度模块的刚度调节上限较小，导致其应用范围较窄。