两相流并联变阻抗驱动器及机器人和控制方法

摘要

本发明提供了一种两相流并联变阻抗驱动器及机器人和控制方法，包括：气缸；气缸的活塞将气缸的缸体腔室分隔得到第一腔室、第二腔室；第一腔室和/或第二腔室内填充有液体、气体；气缸的活塞杆由活塞延伸至气缸的缸体的外部。本发明是简单可靠并且有大带宽范围的变阻抗驱动器。本发明利用两相流的液态和气态特性，能够在微小尺度上实现大功率密度的输出，这一特性也更有利于把本发明用于尺寸空间紧凑有限的机器人手的设计制造上。并且本发明的驱动方式结构紧凑，接近人体功能的仿生生物功能原理，能量密度大，可用3D打印功能实现结构组装，精度要求低，极为适合低成本的市场化要求。

说明书

技术领域

本发明涉及变阻抗驱动器领域，具体地，涉及两相流并联变阻抗驱动器及机器人和控制方法。

背景技术

现有技术中，传统的仿生灵巧手主要是人造肌肉气动的方式以及电机齿轮的传动方式，例如专利文献CN105881530A公开的一种机械手，包括手臂及转动安装于所述手臂一端的手掌；所述手掌为模仿人体五根手指及关节分布的手掌；所述手臂内安装有数个驱动电机；所述驱动电机用于驱动所述手掌转动和/或驱动所述手指弯曲或伸展；每一所述关节对应至少一个所述驱动电机。传动的机械手需要依赖于复杂的机械传动固态零部件，难以在微小尺度上实现大功率密度的输出。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种两相流并联变阻抗驱动器及机器人和控制方法。

根据本发明提供的一种两相流并联变阻抗驱动器，包括：气缸；

气缸的活塞将气缸的缸体腔室分隔得到第一腔室、第二腔室；

第一腔室和/或第二腔室内填充有液体、气体；

气缸的活塞杆由活塞延伸至气缸的缸体的外部。

优选地，在第一腔室、和/或第二腔室内设置有发热部件。

优选地，第一腔室和/或第二腔室设置有抽注口。

优选地，气缸的两根活塞杆由活塞相向延伸，形成第一驱动输出杆、第二驱动输出杆。

优选地，还包括传动件；所述活塞杆连接传动件。

优选地，还包括传动件、绳索；所述传动件包括第一从动轮、第二从动轮；

绳索绕在第一从动轮、第二从动轮上，且绳索的两头分别连接第一驱动输出杆、第二驱动输出杆。

根据本发明提供的一种机器人，包括上述的两相流并联变阻抗驱动器。

根据本发明提供的一种上述的两相流并联变阻抗驱动器的控制方法，包括：

通过改变液体和气体的温度，来改变第一腔室与第二腔室之间的压力差，使所述压力差驱动活塞带动活塞杆发生移动。

根据本发明提供的一种上述的两相流并联变阻抗驱动器的控制方法，包括：

通过改变液体和气体的温度，改变活塞所受阻尼。

根据本发明提供的一种上述的两相流并联变阻抗驱动器的控制方法，包括：

通过向第一腔室和/或第二腔室，进行液体的抽出或注入，改变活塞所受阻尼。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供了一款简单可靠，并且有大带宽范围的变阻抗驱动器。特别值得一提的是，相对于目前最先进的复杂机械传动固态零部件，本发明利用两相流的液态和气态特性，能够在微小尺度上实现大功率密度的输出，这一特性也更有利于把本发明用于尺寸空间紧凑有限的机器人手的设计制造上。并且本发明的驱动方式结构紧凑，接近人体功能的仿生生物功能原理，能量密度大，可用3D打印功能实现结构组装，精度要求低，极为适合低成本的市场化要求。

附图说明

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：

图1为根据本发明提供的两相流并联变阻抗驱动器的结构示意图。

图2为根据本发明提供的含有两相流并联变阻抗驱动器的机器人的结构示意图。

图中示出：

发热部件1

传动件2

第一从动轮201

第二从动轮202

第一指关节3

第二指关节4

第三指关节5

绳索6

气体7

液体8

活塞9

活塞杆900

第一驱动输出杆901

第二驱动输出杆902

气缸10

缸体100

第一腔室101

第二腔室102

抽注口103

具体实施方式

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。

本发明提供一种两相流并联变阻抗驱动器，尤其是一种液体和气体两相流的并联变阻抗驱动器。本发明的理论基础源于气体状态方程和液体的不可压缩性。两相流并联变阻抗驱动器通过不可压缩的液体和可压缩的气体的变化转化为作为输出连杆的活塞杆的位置变化和驱动器本身的刚度变化，这种刚度变化也可以理解为是活塞所受阻尼的变化，也可以理解为等效弹簧的倔强系数的变化或者输出连杆的输出阻抗的变化。通过这种固液混合作用原理的灵活利用，本发明提供了一款简单可靠，并且有大带宽范围的变阻抗驱动器。特别值得一提的是，相对于目前最先进的复杂机械传动固态零部件，本发明利用两相流的液态和气态特性，能够在微小尺度上实现大功率密度的输出，这一特性也更有利于把本发明用于尺寸空间紧凑有限的机器人手的设计制造上。根据本发明提供的一种机器人，包括两相流并联变阻抗驱动器。

具体地，如图1、图2所示，根据本发明提供的一种两相流并联变阻抗驱动器，包括：气缸10；气缸10的活塞9将气缸10的缸体腔室分隔得到第一腔室101、第二腔室102；第一腔室101和/或第二腔室102内填充有液体8、气体7；气缸10的活塞杆900由活塞9延伸至气缸10的缸体100的外部。在第一腔室101、和/或第二腔室102内设置有发热部件1，所述发热部件1可以是发热丝。第一腔室101和/或第二腔室102设置有抽注口103，从而进行液体的抽取或者充注，也可以进行气体的抽取或者充注。在变化例中，活塞9的数量可以变化为多个，这多个活塞之间相对紧固连接固定，从而气缸10的缸体腔室被多个活塞分割为多个腔室，其中包含了第一腔室101、第二腔室102，还包括其它的腔室。第一腔室101、第二腔室102是密封腔室，可以在注入液体和气体后封闭，例如通过抽注口的阀门关闭来对腔室进行封闭。

在优选例中，如图1所示，气缸10的两根活塞杆900由活塞9相向延伸，形成第一驱动输出杆901、第二驱动输出杆902。所述两相流并联变阻抗驱动器还包括传动件；所述活塞杆900连接传动件。所述两相流并联变阻抗驱动器还包括传动件、绳索6；所述传动件包括第一从动轮201、第二从动轮202；绳索6绕在第一从动轮201、第二从动轮202上，且绳索6的两头分别连接第一驱动输出杆901、第二驱动输出杆902。绳索6处于张紧状态，且绳索6本身不可绳索。

下面对本发明的控制应用进行更为具体的说明。

根据本发明提供的一种两相流并联变阻抗驱动器的控制方法，包括如下任一个步骤：

-通过改变液体8和气体7的温度，来改变第一腔室101与第二腔室102之间的压力差，使所述压力差驱动活塞9带动活塞杆900发生移动；

-通过改变液体8和气体7的温度，改变活塞9所受阻尼；或者

-通过向第一腔室101和/或第二腔室102，进行液体的抽出或注入，改变活塞9所受阻尼。

具体地，结合图1、图2，活塞9将气缸10的内腔分成均密封有气体7和液体8的两个腔室，即第一腔室101、第二腔室102，并在第一腔室101、第二腔室102这两密室中分别加入发热丝。第一腔室101、第二腔室102分别都能够通过各自的抽注口使得液体8可以注入或者流出。

通过对第一腔室101中发热丝的发热的作用，使第一腔室101内的气体在外压力不变的情况下随温度的改变，气体体积膨胀，使第一腔室101的压力增加，在活塞处形成与第二腔室102之间的压力差，同时第二腔室102中有液体和气体被活塞向一边压缩，那么活塞杆就会通过绳索6拉动手指的第三指关节5，带动第二指关节4和第一指关节3向顺时针转动。反之，则为逆时针转动，手指申直。如果发热丝不发热的情况下，第一腔室101和第二腔室102中注入或抽取流出同样体积的液体和气体，那么活塞将保持平衡位置不动，但是活塞杆的输出阻抗却对应的增大或减小，也就是说，施加同样的力，传动件2的转角在阻抗大的时候会小于阻抗小的时候。也就是说，第一腔室101和第二腔室102中同样体积的液体和气体，气体被压缩，相当于等效的弹簧的倔强系数变大，施加同样的力，弹簧的压缩量变小，那么传动件2的转动角度θ变小。同理，第一腔室101和第二腔室102中的液体，气体膨胀，相当于弹簧的倔强系数变小，同样外力的作用下，传动件2的转动角度θ变大。

进一步地，尤其参见图2，通过气缸的活塞的直线运动，通过不可伸缩的绳索6和滑轮的实现手指关节的柔顺转动，从而实现机械手变阻抗抓起。

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，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。