基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器

1.本发明涉及软体机器人研究领域，具体地，涉及基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器。


背景技术：

2.软体气动驱动器指由弹性模量较低的软材料构成、具有较高柔性、由气体驱动的驱动器。因其制备材料具有很好的柔性，可承受较大应变，顺应性、环境适应性强。同时，其在人机交互的过程中具有较好的安全性，因此具备很好的应用前景，如采用软体驱动器的微型机械手进行手术等。
3.现有的气动线性驱动器结构简单，加压时通常在各个方向均有明显的膨胀，需要额外增加纤维等增强材料限制其他方向变形。此外，传统的波纹管设计难以在空间上进行周期延拓，难以针对复杂形状设计驱动结构。最后，现有软体直线驱动器输出力和应变难以协调，相对于传统电机驱动还有较大差距。因此，需要开发一种具有纯单轴变形、可在空间无限延拓、输出力和位移大的软体直线驱动器。
4.专利文献cn112894785a公开了一种基于腔体结构设计的气动软体扭转驱动器，包括腔体、顶部法兰、底部端盖以及连接杆，其中：顶部法兰上设置有与腔体顶部轮廓面相匹配的顶部安装槽；底部端盖上设置有与腔体底部轮廓面相匹配的底部安装槽；腔体的顶部、底部分别与顶部法兰、底部端盖契合连接；所述连接杆穿过所述腔体内部，连接杆的两端分别连接底部端盖和顶部法兰。
5.专利文献cn113427503a公开了一种波纹气动软体驱动器及软体机械手，波纹气动软体驱动器包括波纹结构、根基结构、末端结构和气管，根基结构与末端结构均为斜截圆柱，与波纹结构内部形状贴合，形成封闭气腔，根基结构轴心处有一通孔，供气管通入；波纹结构为对称波纹结构，同时能够为螺旋波纹结构，软体机械手包括对称波纹结构、螺旋波纹结构、根基支架、定位支架、末端支架、气管、半开放式手套。
6.现有专利均未能实现具有纯单轴变形、可在空间无限延拓、输出力和位移大的软体直线驱动器。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器。
8.根据本发明提供的基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，包括：法兰、腔体以及端盖；
9.所述腔体一端安装所述法兰，所述腔体另一端安装所述端盖；
10.所述腔体包括多个单元腔体，多个所述单元腔体按阵列排布并连接。
11.优选地，所述单元腔体设置为schwarz-p三重周期极小曲面。
12.优选地，所述schwarz-p三重周期极小曲面的曲面上平均曲率处处为0；
13.其表达式为：
[0014][0015]
其中，以所述单元腔体中心建立坐标系，x与所述单元腔体长度方向平行，y与所述单元腔体宽度方向平行，z与所述单元腔体高度方向平行，a为所述单元腔体长度，b为所述单元腔体宽度，c为所述单元腔体高度。
[0016]
优选地，所述腔体表面通过所述单元腔体阵列排布实现周期性重复曲面；
[0017]
单个所述单元腔体满足：
[0018][0019]
优选地，当a＝b》c时，所述腔体为沿z方向的线驱动；
[0020]
当a＝b＝c时，所述腔体在三个方向均匀膨胀，所述腔体为体驱动；
[0021]
当a＝b《c时，所述腔体在x,y两个方向驱动，所述腔体为面驱动。
[0022]
优选地，多个所述单元腔体阵列排布连接后通过加厚得到所述腔体；
[0023]
所述单元腔体通过实体方程生成实体区域：
[0024]-t≤φ≤t；
[0025]
其中，t为厚度参数，φ为隐式函数式，空间中满足φ＝0的(x,y,z)点的集合构成极小曲面。
[0026]
优选地，所述腔体通过所述schwarz-p三重周期极小曲面实现长、宽和高方向生成孔洞；
[0027]
所述腔体周侧通过密封面密封所述孔洞。
[0028]
优选地，所述腔体朝向所述法兰和所述端盖两端设置安装孔；
[0029]
所述安装孔连通所述孔洞。
[0030]
优选地，所述法兰和所述端盖朝向所述腔体一侧设置定位柱；
[0031]
所述法兰和所述端盖分别通过所述定位柱安装在两端所述安装孔中；
[0032]
所述法兰上设置气动接头连接口。
[0033]
优选地，所述腔体通过3d打印成形；
[0034]
所述腔体采用agilus-30材料。
[0035]
优选地，所述密封面采用密封胶或硅胶进行密封。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0037]
1、本发明能实现纯单轴的直线驱动，实现了“0泊松比”的性能，应变大，同时具有出色的负载能力，体积能量密度较高；
[0038]
2、本发明使用单材料加工，可使用3d打印对整个结构一体成型；
[0039]
3、本发明输出应变和气压的关系与尺寸无关，在不同尺寸下同种构型具有完全相同的应变气压曲线；
[0040]
4、本发明在周期上可无限延拓，可以实现复杂结构的设计，其设计空间广阔，可对不同工况提供最优的方案。
[0041]
5、本发明尺寸紧凑，便于集成到复杂的机械手、机器人中。
附图说明
[0042]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0043]
图1为气动软体直线驱动器结构示意图；
[0044]
图2为气动软体直线驱动器爆炸图；
[0045]
图3为腔体结构示意图；
[0046]
图4为腔体加厚前结构示意图；
[0047]
图5为单元腔体结构示意图。
[0048]
图中所示：
[0049]
具体实施方式
[0050]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0051]
实施例1
[0052]
如图1和图2所示，一种基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，包括：法兰1、腔体2以及端盖3；腔体2一端安装法兰1，腔体2另一端安装端盖3，腔体2包括多个单元腔体23，多个单元腔体23按阵列排布并连接。腔体2通过schwarz-p三重周期极小曲面实现长、宽和高方向生成孔洞，腔体2周侧通过密封面21密封孔洞。腔体2朝向法兰1和端盖3两端设置安装孔22，安装孔22连通孔洞。法兰1和端盖3朝向腔体2一侧设置定位柱，法兰1和端盖3分别通过定位柱安装在两端安装孔22中，法兰1上设置气动接头连接口。腔体2通过3d打印成形，腔体2采用agilus-30材料。
[0053]
如图5所示，单元腔体23设置为schwarz-p三重周期极小曲面，schwarz-p三重周期极小曲面的曲面上平均曲率处处为0；
[0054]
其表达式为：
[0055][0056]
其中，x为，y为，z为，a为单元腔体23长度，b为单元腔体23宽度，c为单元腔体23高度。
[0057]
腔体2表面通过单元腔体23阵列排布实现周期性重复曲面；单个单元腔体23满足：
[0058][0059]
当a＝b》c时，腔体2为沿z方向的线驱动，当a＝b＝c时，腔体2在三个方向均匀膨胀，腔体2为体驱动，当a＝b《c时，腔体2在x,y两个方向驱动，腔体2为面驱动。
[0060]
如图3和图4所示，多个单元腔体23阵列排布连接后通过加厚得到腔体2，单元腔体23通过实体方程生成实体区域：
[0061]-t≤φ≤t；
[0062]
其中，t为厚度参数，φ为。
[0063]
实施例2
[0064]
实施例2作为实施例1的优选例。
[0065]
如图1和图2所示，本实施例包括：腔体2、端盖3、法兰1以及气动接头。腔体2通过多个排列后的单元腔体23预压缩、加厚处理和封闭腔体构成。单元腔体23采用schwarz-p三重周期极小曲面。腔体2使用3d打印软材料agilus 30而成，端盖3由verowhite硬质材料组成，可通过3d打印机一体加工成型。
[0066]
schwarz-p三重周期极小曲面的曲面上平均曲率处处为0，可通过近似的隐式方程表达。腔体2为周期性重复曲面，单元腔体23可通过限定获得。schwarz-p三重周期极小曲面的曲面表面积体积比大，且在整个空间上光滑连续，将空间一分为二。通过限定x,y,z的范围，单元腔体23可产生整数倍的周期阵列，如3
×3×
6的阵列。
[0067]
参数a,b,c有如下关系：a＝b》c,即使得腔体2在单方向上进行了预压缩操作。具体地，当a＝b》c时，腔体2可产生沿z方向的线驱动；当a＝b＝c时，腔体2在三个方向均匀膨胀，为体驱动；当a＝b《c时，腔体2在x,y两个方向驱动，为面驱动。给定厚度参数t，则由实体方程-t≤φ≤t生成实体区域，能够保证生成的腔体2光滑连续，无尖角，相较于对曲面偏移形成的实体。
[0068]
腔体2周侧通过密封面21密封，密封面21包括密封胶或硅胶专用胶等，腔体2保留预压缩方向上的孔洞，孔洞上设置安装孔22，便于法兰1和端盖3的安装。端盖3有和安装孔22形状相吻合的定位柱，法兰1一端定位柱形状和端盖3一致，法兰1另一端保留有气动接头连接口。
[0069]
更具体地，本实施例能实现纯单轴的直线驱动，实现了“0泊松比”的性能，应变大，同时具有出色的负载能力，体积能量密度较高。
[0070]
通过3d打印加工3x3x6的单元腔体23的阵列结构，其具体的参数为厚度参数t＝0.3,a＝b＝5*πmm,c＝2.5*πmm，单元数为3*3*6。该单元腔体23的阵列结构在充气50kpa后能在z方向伸长48.6％，最大能输出45.9n的负载力，同时具有较高的体积能量密度。
[0071]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0072]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位
置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0073]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于，包括：法兰(1)、腔体(2)以及端盖(3)；所述腔体(2)一端安装所述法兰(1)，所述腔体(2)另一端安装所述端盖(3)；所述腔体(2)包括多个单元腔体(23)，多个所述单元腔体(23)按阵列排布并连接。2.根据权利要求1所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述单元腔体(23)设置为schwarz-p三重周期极小曲面。3.根据权利要求2所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述schwarz-p三重周期极小曲面的曲面上平均曲率处处为0；其表达式为：其中，以所述单元腔体(23)中心建立坐标系，x与所述单元腔体(23)长度方向平行，y与所述单元腔体(23)宽度方向平行，z与所述单元腔体(23)高度方向平行，a为所述单元腔体(23)长度，b为所述单元腔体(23)宽度，c为所述单元腔体(23)高度。4.根据权利要求3所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述腔体(2)表面通过所述单元腔体(23)阵列排布实现周期性重复曲面；单个所述单元腔体(23)满足：5.根据权利要求4所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：当a＝b>c时，所述腔体(2)为沿z方向的线驱动；当a＝b＝c时，所述腔体(2)在三个方向均匀膨胀，所述腔体(2)为体驱动；当a＝b<c时，所述腔体(2)在x,y两个方向驱动，所述腔体(2)为面驱动。6.根据权利要求2所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：多个所述单元腔体(23)阵列排布连接后通过加厚得到所述腔体(2)；所述单元腔体(23)通过实体方程生成实体区域：-t≤φ≤t；其中，t为厚度参数，φ为隐式函数式，空间中满足φ＝0的(x,y,z)点的集合构成极小曲面。7.根据权利要求2所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述腔体(2)通过所述schwarz-p三重周期极小曲面实现长、宽和高方向生成孔洞；所述腔体(2)周侧通过密封面(21)密封所述孔洞。8.根据权利要求7所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述腔体(2)朝向所述法兰(1)和所述端盖(3)两端设置安装孔(22)；所述安装孔(22)连通所述孔洞。9.根据权利要求8所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述法兰(1)和所述端盖(3)朝向所述腔体(2)一侧设置定位柱；所述法兰(1)和所述端盖(3)分别通过所述定位柱安装在两端所述安装孔(22)中；所述法兰(1)上设置气动接头连接口。
10.根据权利要求1所述基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，其特征在于：所述腔体(2)通过3d打印成形；所述腔体(2)采用agilus-30材料。

技术总结
本发明提供了一种基于三重周期极小曲面的气动软体直线驱动器，包括：法兰、腔体以及端盖；所述腔体一端安装所述法兰，所述腔体另一端安装所述端盖；所述腔体包括多个单元腔体，多个所述单元腔体按阵列排布并连接。本发明能实现纯单轴的直线驱动，实现了“0泊松比”的性能，应变大，同时具有出色的负载能力，体积能量密度较高。密度较高。密度较高。


技术研发人员：陈飞飞 缪云鹏 陈世通 朱向阳
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2021.12.29
技术公布日：2022/3/8