本技术介绍了一种创新的轴向变刚度软体驱动器,该驱动器采用软齿结构啮合滑移机制,有效解决了传统软体驱动器在运动方向上缺乏施阻结构的问题。通过这种设计,实现了轴向刚度的连续调节,并能够辅助外部结构以增强抗阻能力。
背景技术
在可穿戴设备、软体机器人、外骨骼技术领域,软体驱动器是关键部件,由于软体驱动器具有柔软舒适、安全、可控性强、低成本等优势,其应用很广泛。在医疗康复、交互游戏场景中,软体驱动器能够带动或阻碍人体肢体完成既定运动,从而实现既定运动目标。
软体驱动器的工作原理主要是通过弯、伸、扭转、变形方法来实现驱动。目前,按照沿轴线方向驱动和施阻的方式分类,软体驱动器主要有以下几种驱动和施阻方式:
(1)通过线绳、形状记忆合金或气动实现轴向驱动,关于形状记忆合金驱动方式可以参考申请公布号为CN115352544A的发明专利申请,关于气动方式可以参考申请公布号为CN115817665A的发明专利申请;但这些方式一般只可实现对驱动器、负载及固连的无动力外部结构进行轴向驱动或助力,而由于缺少沿运动方向的施阻结构,难以为有动力的外部结构提供轴向阻力以阻碍其轴向运动,也就是说难以辅助外部结构实现抗阻运动。
(2)利用内部单元阻塞状态改变实现刚度调控以实现对外施阻,具体是在气囊中填充颗粒、纤维或面状结构,当将气囊抽气后气囊内具有一定真空度时,颗粒、纤维、面状结构被压缩在一起从而对外表现出一定刚度;然而该方式难以实现刚度连续变化,并且在高刚度时几乎无法轴向变形,因此仅适用于低刚度状态下轴向变形和高抗弯刚度状态下垂直方向负载,而不适用于需轴向刚度连续调节的驱动、施阻。
(3)利用聚合物或低熔点合金材料的相变实现刚度调控以实现对外施阻,该方式可实现轴向驱动和连续变刚度施阻,但相变需要的温度往往高于人体温度且调节时间较长,并且流道和隔温层的增加将增大整体重量和体积,因此,高温安全隐患以及重量和体积问题导致该方式不适用于长时间安全且舒适地穿戴。
(4)利用静电吸附原理调整轴向刚度实现对外施阻,具体是通过带电极板间的静电吸附实现板间吸引导致结构在板长方向的运动被一定程度限制从而对外表现出一定刚度,但是该方式需要很高的电压,并且可伸缩的轴向距离很小,不适用于安全要求较高且变形范围较大的人体肢体运动驱动场景。
(5)结合机械构件完成轴向部分或全部锁止以实现刚度调控,但是该方式由于采用刚性构件导致无法全柔性化,无法减轻重量,将会降低软体驱动器的交互舒适性。
目前,软体驱动器的驱动和施阻控制方式主要是:直接控制电机转动带动线绳或机械构件动作、直接控制形状记忆合金的相变温度、直接控制气腔气压进而实现轴向驱动变形,而未对实际变形程度进行检测,没有实际变形程度的反馈量,导致不能实现精准控制,软体驱动器的运动精度较低。
实现思路