CN109877864B - 灵敏软体执行器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灵敏软体执行器及其应用，属于软体机器人领域，目的在于解决现有的软体执行器存在响应速度慢的缺陷。该灵敏软体执行器包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层，所述柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态；所述驱动组件包括用于与气源相连的气体输送管、驱动气囊，所述气体输送管与驱动气囊相连且气体输送管能向驱动气囊进行输气和放气。本申请的软体执行器具有相应速度快的优点，且最大的响应速率达到了32.7 cm/s。除此之外，发明人基于灵敏软体执行器，通对多种运动形态的研究，实现了仿生手的灵敏控制、机械皮肤、螺旋夹持器、可变形爬行机器人的制备。本申请构思巧妙，设计合理，结构简单。

Description

灵敏软体执行器及其应用

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其是软体机器人执行机构领域，具体为灵敏软体执行器及其应用。本申请的执行器具有响应速率快，执行效率高等优点，能够满足不同情景下的应用需求，具有较高的应用价值和较好的应用前景，值得大规模推广和应用。

背景技术

软体材料拥有许多天然的优势，例如：柔顺性、迟滞性、流动性等。这些优势使得软体机器人适用于很多传统机器人无法涉足的领域，例如：软体可穿戴设备、软体夹持器、医疗和手术、环境侦查等。但这些优势同样给软体机器人带来了响应速度缓慢、执行效率低等弊端。为了解决这些问题，越来越多的研究者投入到软体执行器的设计研究之中。

针对不同材料特性并结合适应的驱动方式，能够设计出各具特色的软体执行器。因此，软体材料的选用就显得愈发十分关键。近年来，越来越多的软体材料出现在人们视野当中，例如：橡胶、弹性聚合物、水凝胶、形状记忆合金、Ecoflex、介电高弹体材料等。越来越多的软体执行器随之出现，但响应速率缓慢的问题依然没有得到解决。与此同时，强光、磁场、湿度等苛刻的工作环境也对执行器提出了更高地要求。

目前，很多研究学者围绕软体执行器的设计和软体机器人的实际应用领域做了大量的工作，并取得了不错的进展。但软体执行器响应缓慢的问题依然存在着，极大限制了软体机器人的发展。

为了解决这个问题，本申请提出了一种响应灵敏的软体执行器，以解决该问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有的软体执行器存在响应速度慢的缺陷，提供一种灵敏软体执行器及其应用。本申请的软体执行器具有相应速度快的优点，且最大的响应速率达到了32.7 cm/s。除此之外，发明人基于灵敏软体执行器，通对多种运动形态的研究，实现了仿生手的灵敏控制以及机械皮肤、螺旋夹持器、可变形爬行机器人的制备。本申请构思巧妙，设计合理，结构简单，具有较高的应用价值和较好的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

灵敏软体执行器，包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层，所述柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态；

所述驱动组件包括用于与气源相连的气体输送管、驱动气囊，所述气体输送管与驱动气囊相连且气体输送管能向驱动气囊进行输气和放气；

所述驱动气囊位于柔性合金层向内卷曲的一侧，所述弹性限制层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧，所述弹性限制层使得驱动气囊与柔性合金层紧密贴合为一体且弹性限制层能限制驱动气囊沿其径向的膨胀并将驱动气囊的运动转化为沿驱动气囊的轴向形变；

或包括柔性合金层、第三气囊、固定层，所述柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态，所述柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，所述折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧，所述固定层为两个且设置于柔性合金层上，所述固定层分别位于折痕的两侧且固定层能对柔性合金层的两臂起到固定作用。

所述柔性合金层采用金属材料制成，所述柔性合金层呈薄片条状，所述柔性合金层沿其卷曲运动方向对称设置，所述柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态且柔性合金层在外力作用下能在直线形态和卷曲形态之间转换。

所述柔性合金层呈矩形；或所述柔性合金层包括矩形本体、端部，所述端部为一组且端部分别设置在矩形本体沿其卷曲运动方向的两端，所述矩形本体与端部采用一体成型。

所述端部呈弧形或等腰三角形。

所述弹性限制层采用具有粘性的弹性软带制成，具有粘性的弹性软带缠绕在驱动气囊与柔性合金层外侧并构成弹性限制层。

所述弹性限制层采用胶带制成，所述胶带的中线与驱动气囊的轴线所成的夹角为锐角。

还包括保护层，所述保护层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧且保护层能提高驱动气囊的工作压强并对驱动气囊起到保护作用，所述弹性限制层设置在保护层外侧。

作为一种替代方式，前述柔性合金层沿中轴线分开后，取一半作为柔性合金层；

作为另一种替代方式，前述柔性合金层固定且不发生形变；

作为另一种替代方式，所述柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，所述折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧，所述第二气囊设置于柔性合金层上且位于折痕的开口内，所述柔性合金层上折痕的两侧还设置有固定层。

前述灵敏软体执行器的应用。

将前述灵敏软体执行器应用于仿生手、机械皮肤、螺旋夹持器、爬行机器人中。

所述仿生手包括手掌主体、与手掌主体活动连接的假肢手指、前述灵敏软体执行器，所述假肢手指由至少两个关节通过弹性线依次连接而成，所述灵敏软体执行器与假肢手指相连且灵敏软体执行器能带动假肢手指的关节活动；

所述机械皮肤包括软体表层、前述灵敏软体执行器、固定件，所述灵敏软体执行器与软体表层相连且灵敏软体执行器能为软体表层提供支撑并带动软体表层运动，所述软体表层采用柔性材料制成，所述灵敏软体执行器中部通过固定件与软体表层相连。

所述柔性材料为布料、柔性塑料中的一种或多种。

所述灵敏软体执行器采用缝制方式与软体表层相连，缝制在灵敏软体执行器与软体表层之间的线构成固定件；

或所述灵敏软体执行器通过螺钉或螺杆或订书钉与软体表层相连，用于灵敏软体执行器与软体表层之间连接的螺钉或螺杆或订书钉构成固定件。

针对当前气驱动软体执行器响应速度慢、执行效率低、弹性模量小的情况，本申请提出了一种响应灵敏的新型软体执行器。本申请的执行器由柔性合金层、驱动层和弹性限制层等构成，通过限制驱动层的径向膨胀，实现了执行器的快速轴向运动，且最大响应速率为32.7cm/s。同时，本发明对执行器进行了多样的结构设计，实现了直线、卷曲、螺旋、跳跃等运动特性。

基于上述结构的改进，发明人进行了相应的拓展，具体如下：（1）用于仿生手的灵敏控制，且最快响应频率为2.5次/秒；（2）将卷曲运动与一种软体皮料结合，设计了一种可穿戴的软体机械皮肤，其响应时间为0.3s；本发明的机械皮肤可用于可穿戴鞋套、运动测量设备、快递包裹夹手和小型物品的快速包裹；（3）利用执行器的螺旋缠绕动作，提出了一款能用于水下作业的夹手，可实现对自身重量约94倍的物体的提升抓取；（4）在灵敏软体执行器的基础上，设计出软体可变形的爬行机器人，可用于危险环境的侦测。

综上，本发明提供一种全新的灵敏软体执行器及其丰富的应用场景，其具有响应灵敏、运动方式多元化、成本低廉等优点，有利于大规模推广和应用。同时，发明人在其基础上，进行了相应的拓展，进而得到仿生手、机械皮肤、螺旋夹持器、爬行机器人等新的结构，这些结构具有重要的应用价值和广阔的应用前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为灵敏软体执行器的俯视图。

图2为灵敏软体执行器的组成组件示意图。

图3为柔性合金层直线形态和卷曲形态的转换示意图。

图4为软体执行器从卷曲到直线形态的运动过程图。

图5为软体执行器从直线形态到卷曲形态的运动过程图。

图6为三种软体执行器的受力与气压之间的关系图。

图7为实施例1中执行器c的压强与相应速率的关系图。

图8为实施例2中仿生手的灵敏控制示意图。

图9为仿生手对不同形状大小物体的抓取情况。

图10为抓取成功率与抓取物重量之间的函数关系图。

图11为实施例3中机械皮肤通常状态示意图。

图12为实施例3中机械皮肤运动状态示意图。

图13为机械皮肤的变化状态及工作示意图。

图14为螺旋夹持器的原理示意图。

图15为螺旋夹持器的水下工作情况图。

图16为跳跃机器人的工作状态示意图。

图17为可变形的软体机器人的结构示意图。

图18为实施例6中软体执行器的避障情况图。

图19为实施例4中螺旋夹持器的抓取能力测试结果。

图中标记：1、柔性合金层，2、气体输送管，3、驱动气囊，4、弹性限制层，5、保护层。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1 灵敏软体执行器

（一）结构分析

如图所示，本实施例的灵敏软体执行器整体为薄片状，其结构如图1所示。图2给出了灵敏软体执行器的组成组件示意图；图2中，从上至下依次为柔性合金层、驱动组件、保护层、弹性限制层。

本实施例的灵敏软体执行器包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层。其中，柔性合金层为薄片状，柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态，如图3所示。更具体地，柔性合金层采用金属材料制成，柔性合金层呈薄片条状，柔性合金层沿其卷曲运动方向对称设置；本实施例中，柔性合金层包括矩形本体、端部，端部呈弧形，端部为两个且端部分别设置在矩形本体沿其卷曲运动方向的两端，矩形本体与端部采用一体成型。

本实施例中，驱动组件包括用于与气源相连的气体输送管、驱动气囊，气体输送管与驱动气囊相连；通过气体输送管向驱动气囊内进行输气和放气，以实现灵敏软体执行器的工作。本实施例中，气体输送管、驱动气囊之间通过高粘性的热熔胶进行连接，以保证气囊口的气密性。

本实施例中，驱动气囊位于柔性合金层向内卷曲的一侧；弹性限制层采用胶带制成，胶带的中线与驱动气囊的轴线所成的夹角为锐角，即胶带倾斜缠绕在柔性合金层与驱动气囊外侧，并将驱动气囊与柔性合金层连接为一体。

进一步，本实施例的灵敏软体执行器还包括保护层，保护层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧，弹性限制层设置在保护层外侧。

在本实施例中，柔性合金层为薄片状结构，厚度为0.2mm。它具有良好的整体对称性，是一种高弹性、高韧性的材料。柔性合金层拥有两种初始形态：直线形态和卷曲形态（如图3所示）。柔性合金层的两种形态可以相互转化。驱动组件采用弹性气囊并置放于柔性合金层上方，为执行器的变形提供动力。保护层的材料为0.7mm的弹性橡胶材料。保护层嵌套在柔性合金层和驱动层的外侧，起到两个作用：①限制驱动气囊的过度膨胀，起到保护作用。②提高执行器的工作压强，进而增加其驱动力。气体输送管为软硅胶管，为整体提供动力源。弹性限制层采用高弹性胶带。弹性限制层紧紧包裹在执行器外侧，起两个作用：①限制驱动气囊的径向膨胀，并将其转化为快速的轴向形变；②保证执行器整体的气密性。

表1给出了本实施例灵敏软体执行器的基本参数。灵敏软体执行器长210mm，宽29mm，厚6.5mm，总重10.5g。从其外形参数可以看出，灵敏软体执行器体积小、十分轻便。

表1 软体执行器的基本参数

（二）运动分析

整个柔性合金层使得软体执行器也拥有直线形态和卷曲形态，且两种形态之间可以相互转化（图4展示了软体执行器从卷曲到直线形态的运动过程）。对卷曲形态下的软体执行器进行持续加压，进行测试。当压强达到临界值450kPa时，它会变为直线形态。此时，减压到0kPa后，执行器依然会保持直线形态。图5展示了软体执行器从直线形态到卷曲形态的运动过程。受到大于120kPa瞬时力刺激时，直线形态的软体执行器则会重新转化为卷曲形态。

为了更加清晰的了解运动过程，发明人对执行器的受力情况和响应速率进行了实验。为此，发明人设计了三种不同的灵敏软体执行器：无保护层的两种软体执行器，驱动气囊的厚度分别为：(a)0.3mm（记为：执行器a），(b)0.7mm（记为：执行器b）；(c)有保护层的软体执行器，驱动气囊厚0.7mm（记为：执行器c）。

图6分别展示了三种软体执行器的受力与气压之间的关系。执行器a只能承受200kPa的压强，89N的压力；采用加厚气囊的执行器b能够承受350kPa的压强，142N的压力。执行器c能够承受500kPa的压强，174的压力。增加了保护层的灵敏软体执行器，承受压力得到进一步提升。除此之外，其耐久度约为5000个周期，是之前的10倍。（综合以上情况，本实施实施例后续部分均采用有保护层的软体执行器。）

定义执行器的响应速率为V，软体执行器的总长度为X₂，卷曲后的长度为X₁，一个周期的伸长量为△X，△t为一个周期运动的时间。

(1)；

(2)；

(3)。

图7中，发明人对软体执行器的卷曲运动进行反复测量（0-500 kPa），得到压强与响应速率的关系。并且，不同压强下的响应速率均为十次测量的平均值，误差范围±2%，具有代表性。50 kPa的压力是驱动软体执行器的最小值；当压力达到100 kPa时，执行器的响应速率为12cm/s；压强在100-380 kPa时，软体执行器的响应速率不断增加，最大速率为32.7 cm/s；压强在380-450 kPa时，软体执行器的响应速率保持稳定；当压强为450 kPa时，响应速度陡变为0。因为450kPa的压力，是灵敏软体执行器从卷曲形态变为直线形态的临界值。在压强升高到450kPa时，执行器变为静止状态：直线形态。受到一个瞬时力（>120 kPa）后，执行器从直线形态重新变为卷曲形态。

（三）执行系统设计

为了更好的说明本申请灵敏软体执行器的工作，发明人对相应的执行系统设计也进行了设计。控制部分包含24V可充电电源，Arduino控制板，电磁阀，限压阀，电磁继电器以及若干导线。本实施例采用气动驱动的方式，通过对气体的控制实现对灵敏软体执行器的控制。气泵作为实验的核心设备，为执行器提供工作所需气压且气压值由限压阀所设定。Arduino控制板作为主要的控制元件，通过控制电磁阀通断的时长，实现对灵敏软体执行器的控制。电磁继电器在电路中起着自动调节、安全保护的作用。

实施例2 仿生手

传统的软体仿生手，存在着响应速度慢、动作迟缓和驱动力不足等弊端。为此，发明人基于软体执行器的快速卷曲特性和片状结构良好的贴合性，实现了对软体仿生手的灵敏控制。

为了排除人为因素的干扰，使得实验更加具备真实性。发明人通过3D打印技术制作了人体假肢，用于仿生手的控制实验。为了达到最佳的测试效果，假肢的具体形状尺寸完全仿照实验员的手臂。

本实施例的仿生手包括手臂、与手臂相连的手掌主体、与手掌主体活动连接的假肢手指、前述实施例1中的灵敏软体执行器。本实施例中，假肢手指由关节通过弹性线依次连接而成；其包括大拇指、食指、中指、无名指、小拇指，除大拇指由两个关节构成外，食指、中指、无名指、小拇指均由三个关节构成。同时，灵敏软体执行器与假肢手指相连，通过灵敏软体执行器能带动假肢手指的关节活动。本实施例中，食指、中指、无名指、小拇指上分别设置有灵敏软体执行器。

本实施例的假肢采用环氧树脂制作而成，重200g。值得一提的是，假肢手指的各个关节采用弹性线连接，具有与人手十分接近的弹性与松弛度。将灵敏软体执行器嵌套在假肢手指内侧。指尖部分通过高弹性的聚氯乙烯胶带固定，指关节则通过弹性胶圈固定。除此之外，为了提升与假肢之间的配合度，各灵敏软体执行器的长宽等尺寸都与假肢手指完全相同。定制的灵敏软体执行器的长度大概80-120mm之间，宽度为20mm。本实施例中，采用更小的尺寸，使得软体执行器的响应灵敏度进一步提升。

实际上，人的手指只有工作时才会完全伸直，大多数时间都处于弯曲的休息状态。本文将仿生手的初始状态设计为弯曲状态，最大限度的还原生物特征的真实性。在380kPa的工作压强下，假肢手指能够实现多种不同动作且响应十分灵敏。通过Arduino控制板对电磁阀的控制，实现了假肢手指的精确动作（如图8所示）。取100次测量的平均值，仿生手的响应频率约为2.5次/秒。响应频率为1s内仿生手完成张闭动作的次数。

图9展示了对不同形状大小物体的抓取情况。图9的a-h的抓取物品分别为：(a)橘子，重210g；(b)手机，重149g；(c)游戏手柄，重120g；(d)圆柱塑料模型，重88g；(e)工具钳，重425g；(f)螺丝枪，重409g；(g)钱包，重80g；(h)喷漆，重300g。

本实施例通过对一系列不规则形状物体的进行重复抓取（10次-100次），完成了对康复手套的抓取成功率测试。图10中展示了抓取次数分别为10次、50次、100次时，抓取成功率与物体质量之间的关系。随着抓取质量的上升，抓取的成功率在不断下降。并且随着抓取次数逐渐增大到100次，抓取成功率更加稳定。当质量<425g时，抓取成功率>90%，因此定义最大抓取质量为425g。综上所述，可以得出一个结论：执行器对仿生手的控制灵敏且精准。

实施例3 机械皮肤

本实例中，发明人将灵敏软体执行器与软体材料相结合，设计了一种可穿戴的软体机械皮肤。

本实施例的机械皮肤包括软体表层、前述灵敏软体执行器，灵敏软体执行器与软体表层相连，软体表层采用软体材料制成，灵敏软体执行器中部通过固定件与软体表层相连。如图所示，本实施例的机械皮肤设置多个灵敏软体执行器，当受到外力作用时，灵敏软体执行器发生形变，实现相应的包裹等操作。

经测定，本实施中软体机械皮肤的工作压强为150kPa。取10次测量的平均值，软体机械皮肤的响应时间仅为0.3s。响应时间为机械皮肤从完全张开到闭合所用的时间。

灵敏软体执行器有两种初始状态：卷曲和直线。当灵敏软体执行器受到大于120kPa时的瞬间压力刺激时，产生的回复力会使执行器迅速的从直线形态变为卷曲形态。本实施例中，将三个不同尺寸的灵敏软体执行器缝制在皮料中，设计了一款响应敏捷的软体机械皮肤。机械皮肤厚30mm，重73g。图11中，①、②、③号执行器的长度分别为210mm、210mm、430mm，宽度均为240mm。图12中，①、②执行器受到压力之后，产生的恢复力带动执行器③向内卷曲，进而实现整个机械皮肤迅速包裹在一起。图13中C-D分别为机械皮肤的初始状态和最终状态。

本文利用软体机械皮肤的快速响应性和良好的包裹性能，进一步将其运用在微小物品的快速包裹收集（如图13中E所示）。本文将机械皮肤用于家居环境，设计了一款可重复使用的便携式可穿戴鞋套（如图13中F所示）。为了更好的适应脚部的尺寸，我们将机械皮肤中③号执行器的尺寸缩短为210mm。

目前，软体机器人领域的动捕系统只能在特定的室内环境下对人体运动进行测量，无法实现可穿戴式测量。作为进一步扩展，结合软体机械皮肤与软体传感器，发明人将机械皮肤用于人体运动测量系统中（如图13中G所示）。机械皮肤能实现对重2kg的快递的包裹式抓取（图13中H）；包裹的重量是其自身重量的约27倍。区别于传统的点接触式包裹夹手，这种面接触式的抓取方式具有更高效的抓取性能。

实施例4 螺旋夹持器

发明人发现，柔性合金层的整体对称性，使得它可以保持卷曲和直线两种形态。但当对称性遭到破坏时，则会有一些奇特的现象出现。如图14左侧部分所示，沿着中心线剪开柔性合金层后，采用一半的柔性合金层代替原有的完整柔性合金层，柔性合金层则变为了螺旋形状。这是整体对称性被破坏后，应力分布不均导致的。

利用这种变形，发明人设计了一种具有螺旋缠绕动作的夹持器。该夹持器包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层。其中，驱动组件包括用于与气源相连的气体输送管、驱动气囊，气体输送管与驱动气囊相连。驱动气囊位于柔性合金层向内卷曲的一侧，弹性限制层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧，弹性限制层将驱动气囊与柔性合金层连接为一体。本实施例中，柔性合金层为薄片状，柔性合金层沿其中线剪开，取单边柔性合金层，其呈螺旋形状，换言之，本实施例的柔性合金层呈螺旋状。

对本实施例的夹持器进行测试，测试结果如下：经过100次测量取均值，其响应速率为18.8cm/s，误差正负2%。

进一步，发明人对螺旋夹手的抓取能力进行实验测试，工作压强为380kPa。发明人测试的对象如下：（A）胶带，重45g；（B）3D打印的圆柱螺纹柱，重25g；（C）蜘蛛玩具，重22g；（D）塑料瓶，重30g；（E）椭圆形零件，重28g；（F）羽毛球，重5g；（G）护手霜，重60g；（H）纸杯，重4g。实验结果如图19所示，实验结果表明，本实施例的夹手能抓取多种不规则形状的物体，并且响应迅速、抓取准确。

目前多数软体夹持器仅限于室内环境，而水下软体夹手十分缺乏。此外，这些水下夹持器也存在着响应速度慢、执行效率低的问题。而本文的螺旋执行器不仅能用于室内，还有水下作业，而且它的响应灵敏、控制精准。材料的柔性以及自身的片状结构极大地增加了螺旋夹持器与物体之间的接触面积。这意味着执行器与物体表面的夹紧力得到了极大地改善。图15给出了螺旋夹持器的水下工作情况，其中：(A)，螺丝刀，重225g；(B) 胶带，重28g；(C)工具钳，重432g。发明人通过反复的抓取测试，发现水下螺旋夹持器的抓取成功率保持在95%以上；并且其自身仅重6g，最大抓取重量却为565g，约为自身重量的94倍。

实施例5 跳跃机器人

目前，软体跳跃运动的软体机器人却非常稀少。发明人在大量的实验过程中，发现灵敏软体执行器还具有优越的跳跃性能，并在此基础上，设计了一款简单的跳跃机器人。

本实施例的跳跃机器人，包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层，柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态。其中，柔性合金层的一端固定且不发生形变，其他与实施例1相同。

在具体实例中，跳跃机器人重16g，运动速率为9.8cm/s。为了增加整体的稳定性，我们在执行器的前端固定了一块重5g的小木块。木块设计为正方形用于保证整体的结构对称性。图16给出了高速相机下跳跃机器人的运动过程图。工作压强为380kPa，对执行器进行快速的充气，时长为0.5s。受重物的影响，图16 B中，执行器前端保持固定，向后端伸缩。充气0.5s后，进行快速的放气过程。减压之后，执行器进行快速收缩并向前端跳跃（如图16 C所示）。

实施例6 可变形的软体机器人

目前的侦测机器人多为刚性机器人，成本高昂以及避障能力差是其主要的缺陷，但却是软体可变形机器人最大的优势。针对这个情况，发明人基于前述灵敏软体执行器的基础上，设计了一款可变形的爬行机器人。爬行机器人的不同形态使得它可以适应复杂多变的地形，从而用于危险环境的侦测，例如：剧毒、空间狭窄、酷寒等危险环境的侦测。

图17中A-B展示了柔性合金的变形过程。柔性合金层的正面变形是卷曲形态。沿折叠线对柔性合金进行反面折叠，则会产生不可恢复的形变。利用这种破坏性的形变，发明人设计了一款简单的可变形的执行器。

图17中C为爬行机器人的第一种形态（以下简称：形态1的机器人），其中的灵敏软体执行器包括柔性合金层、第三气囊、固定层，柔性合金层为薄片状，柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态。其中，柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧。同时，固定层为两个且设置于柔性合金层上，固定层分别位于折痕的两侧且固定层能对柔性合金层的两臂起到固定作用。

作为实施例1的一种变形，如图17中D所示，沿折叠线进行正面折叠变形后，机器人变化为第二种形态（以下简称：形态2的机器人）。其中，柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧，第二气囊设置于柔性合金层上且位于折痕的开口内。如图所示，第二气囊置放于柔性合金层的下方，并采用弹性胶带固定左右两端（即在柔性合金层上折痕的两侧形成固定层）。爬行机器人足部嵌套了圆柱泡沫，用以增加与地面的摩擦力。折叠线位于柔性合金层长2/5处的位置。加压时(200kPa)，膨胀的气囊挤压两侧的柔性合金层，进而产生形变。结构的不对称导致产生的左右形变不同，进而实现爬行。

本实施例的爬行机器人拥有良好的避障能力。形态1的机器人高为8cm，无法通过高为6cm的高度限制。形态2的机器人高仅为4cm，可轻松完成避障。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.灵敏软体执行器，其特征在于，其包括柔性合金层、驱动组件、弹性限制层，驱动组件包括气体输送管、驱动气囊，气体输送管与驱动气囊相连；

所述驱动气囊位于柔性合金层向内卷曲的一侧，弹性限制层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧，弹性限制层将驱动气囊与柔性合金层连接为一体；

该结构采用一半的柔性合金层代替原有的完整柔性合金层，柔性合金层则变为了螺旋形状，形成具有螺旋缠绕功能的灵敏软体执行器；

或其包括柔性合金层、气体输送管、第三气囊、固定层，柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有良好的整体对称性，柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态；

所述气体输送管与第三气囊相连且气体输送管能向第三气囊进行输气和放气；

所述柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，所述折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧，所述固定层为两个且设置于柔性合金层上，所述固定层分别位于折痕的两侧且固定层能对柔性合金层的两臂起到固定作用，形成具有可变形功能的灵敏软体执行器；

或其包括柔性合金层、气体输送管、第二气囊、固定层，柔性合金层为薄片状，所述柔性合金层具有良好的整体对称性，柔性合金层具有直线形态和卷曲形态两种初始形态；

所述气体输送管与第二气囊相连且气体输送管能向第二气囊进行输气和放气；

所述柔性合金层的中部设置有沿垂直于其轴向的折痕，所述折痕的开口方向位于柔性合金层未设置驱动气囊的一侧，第二气囊设置于柔性合金层上且位于折痕的开口内，第二气囊置放于柔性合金层的下方，所述柔性合金层上折痕的两侧还设置有固定层，所述固定层为两个且设置于柔性合金层上，所述固定层分别位于折痕的两侧且固定层能对柔性合金层的两臂起到固定作用，形成具有可变形功能的灵敏软体执行器；所述柔性合金层采用轴向不对称折痕结构设计，形成具有爬行功能的灵敏软体执行器。

2.根据权利要求1所述灵敏软体执行器，其特征在于，所述弹性限制层采用胶带制成，所述胶带的中线与驱动气囊的轴线所成的夹角为锐角。

3.根据权利要求1~2任一项所述灵敏软体执行器，其特征在于，还包括保护层，所述保护层设置在驱动气囊与柔性合金层外侧且保护层能提高驱动气囊的工作压强并对驱动气囊起到保护作用，所述弹性限制层设置在保护层外侧。

4.前述权利要求1~3任一项所述灵敏软体执行器的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，将权利要求1~3任一项所述灵敏软体执行器应用于仿生手、机械皮肤、螺旋夹持器、爬行机器人中。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述仿生手包括手掌主体、与手掌主体活动连接的假肢手指、权利要求1~3任一项所述灵敏软体执行器，所述假肢手指由至少两个关节通过弹性线依次连接而成，所述灵敏软体执行器与假肢手指相连且灵敏软体执行器能带动假肢手指的关节活动；

所述机械皮肤包括软体表层、权利要求1~3任一项所述灵敏软体执行器、固定件，所述灵敏软体执行器与软体表层相连且灵敏软体执行器能为软体表层提供支撑并带动软体表层运动，所述软体表层采用柔性材料制成，所述灵敏软体执行器中部通过固定件与软体表层相连。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述柔性材料为布料、柔性塑料中的一种或多种。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述灵敏软体执行器采用缝制方式与软体表层相连，缝制在灵敏软体执行器与软体表层之间的线构成固定件；

或所述灵敏软体执行器通过螺钉或螺杆或订书钉与软体表层相连，用于灵敏软体执行器与软体表层之间连接的螺钉或螺杆或订书钉构成固定件。

9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述灵敏软体执行器采用缝制方式与软体表层相连，缝制在灵敏软体执行器与软体表层之间的线构成固定件；

或所述灵敏软体执行器通过螺钉或螺杆或订书钉与软体表层相连，用于灵敏软体执行器与软体表层之间连接的螺钉或螺杆或订书钉构成固定件。

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