CN111015721A - 一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器 - Google Patents

Abstract

一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器，涉及一种可变刚度软体机器人技术领域本发明解决了现有软体模块变刚度能力差的问题。所述模块的变刚度结构套装在柔性加热层上，柔性加热层内设有中心限制层，弹性主体包覆在变刚度结构的侧壁及两端上并填充于柔性加热层内，位于柔性加热层内的弹性主体上设有至少一个气腔，所述变刚度结构为仿玻璃海绵骨架结构。所述软体模块可用于软体夹持器设计，结合自身软体被动变形能力和变刚度能力，实现不同尺寸、不同重量、不同形状物体的抓取功能。本发明实现了一种仿生玻璃海绵骨架的变刚度软体模块设计，该软体模块可进一步应用于变刚度软体夹持器、机器人手、变刚度软体臂等制作当中。

Description

一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器

技术领域

本发明涉及一种可变刚度软体机器人技术领域，具体为一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器。

背景技术

近年来，随着新材料与快速成型技术的发展，在世界范围内掀起了软体机器人的研究热潮。软体机器人涉及仿生学，机器人学，软材料学以及控制等学科，其灵感来源于模仿自然界的软体动物与结构。软体机器人具有轻质、柔顺、易变形、交互安全等优点，但是低刚度特性影响其负载、精确运动和操作性能，是限制其应用场合的关键因素，为改善其性能，学者们研究各种变刚度方法与技术，也成为软体机器人目前最热门的研究方向之一。

经查阅资料发现，目前大部分应用于软体机器人的变刚度方案都存在一些不足，很难同时实现兼具柔顺性和大负载能力、响应时间短、质量轻等指标。例如圣安娜高等学校研制的颗粒阻塞式变刚度软体模块，利用负压阻塞实现中心圆柱腔的变刚度功能，变刚度腔体积较大，变刚度范围小；西安交通大学研制一种电磁式层干扰软体结构，利用多层中的电磁吸引作用实现其变刚度，效果一般，需要高电压；北京航空航天大学研制一种基于低熔点合金的变刚度模块，以合金相变的方式实现变刚度，变刚度效果好，但金属质量较重，且加热时间较长。阻塞及层干扰等非相变方式不能实现大范围变刚度，很难实现跨数量级的变刚度能力，而低熔点合金、SMP等相变方式能够实现跨数量级(数十倍～数百倍)的变刚度范围，但响应时间较长，通常加热时间超过半分钟、甚至需要几分钟，并且低熔点合金质量较重，影响软体机器人的运动。因此，实现一种轻质、大范围变刚度(跨数量级)且响应快的变刚度方案，对于软体机器人的性能改善具有重要意义。

大自然往往给予我们仿生设计灵感，太平洋深海底层生活着一种古老的物种——多孔玻璃海绵，如图1(b)所示，这种生物能够承受很高的静水压力及深海洋流，具有极为优秀的抗压和抗弯性能。它们的壁厚通常只有1～2mm，最长却可以生长到2m。其骨骼结构如图1(a)所示，骨骼中的骨针之间相互连接形成一种网状的结构，因为它们生活在海底，所以生存的环境中常常会出现汹涌的暗流和凶猛的捕食者，在经历了漫长的自然选择及优胜劣汰，它们进化成一种具有高韧性、高强度和高稳定性的结构，能够牢牢依附于海洋底层不被洋流冲走，也能提供结实的屏障保护隐藏在其中的鱼虾不被捕食。

然面，现有技术中，没有人提出将玻璃海绵骨架结构应用于变刚度软体模块、机械臂或手指中。

发明内容

本发明为了解决现有软体模块变刚度能力差的问题，以及现有软体模块无法既保证其质量轻、运动灵活，又能实现大负载和大范围变刚度功能，进而提供一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，所述模块包括至少一个气腔、变刚度结构、与气腔数量一致的气管、刚性底座、柔性加热层、弹性主体和中心限制层；变刚度结构套装在柔性加热层上，柔性加热层内设有中心限制层，弹性主体包覆在变刚度结构的侧壁及两端上并填充于柔性加热层内，位于柔性加热层内的弹性主体上设有至少一个气腔，气腔的开口端与对应的气管连通，气管接装在刚性底座上且气管的一端露在外部，刚性底座与变刚度结构的端部侧壁连接，所述变刚度结构为仿玻璃海绵骨架结构。

进一步地，所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有若干个三角形通孔。

进一步地，所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有多组矩形通孔，每组矩形通孔沿轴向均布设置，每个矩形通孔设有交叉的连接筋，将一个矩形通孔分割成四个三角形通孔。所述玻璃海绵骨架结构上的三角形通孔总体积之和占管体(圆筒)体积的38.7％。这样在减轻重量的同时还保持着高刚度和负载能力。三角形框架结构具有稳定性，保持玻璃海绵骨架结构的刚度。

进一步地，所述玻璃海绵骨架结构采用热塑性淀粉塑料加工制作而成。

进一步地，玻璃海绵骨架结构重1.9g；变刚度软体模块重16.6g，长为80mm，外径为15mm。

进一步地，柔性加热层5由碳纤维加热丝制作而成，并在3s内实现变刚度结构2由24℃加热至60℃。

进一步地，模块可进行全向弯曲，且弯曲角度范围达到±270°。

进一步地，气腔1的数量为三个且均匀分布。

进一步地，所述变刚度模块的负载/自重比达到76。

一种夹持器，所述夹持器包括至少两个上述变刚度软体模块以及一个底板，至少两个变刚度软体模块分别通过各自的刚性底座固定在刚性底板上，变刚度软体模块的刚性底座连接在底板上的位置和角度可进行调节，以适应大小不一的物品夹取。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明所述模块变刚度结构设计模仿生物玻璃海绵骨架，常温下处于高刚度状态，通过加热方式逐渐降低刚度，从而实现变刚度功能。所述软体模块包括弹性主体、气腔、通气管、限制层、加热层、变刚度层，弹性主体中心布置限制层，限制层只能弯曲，不能伸长；弹性主体中对称均匀分布三个圆柱形气腔，用于充气实现模块全向弯曲运动；三个气腔外侧布置加热层，加热层可通过碳纤维加热丝螺旋缠绕而成，用于加热变刚度机构并限制气腔在径向方向膨胀；变刚度层在加热层外侧，由热塑性淀粉塑料铸模成型，其结构为仿玻璃海绵骨架交错单元网格构型，质量轻、刚度好。所述软体模块可并联组装成夹持器，串联可组装成软体臂，也可单独作为变刚度驱动器，用于夹持、操作物体或者作为驱动器等。本发明既保证变刚度软体模块质量轻、运动灵活，又能实现大负载和大范围变刚度功能。

所述软体模块变刚度机构采用仿生玻璃海绵骨架设计，并采用热塑性淀粉塑料制作，质量轻、韧性好，强度高、变刚度范围广；所述软体模块驱动采用三气腔沿圆周对称分布构型，可实现全向弯曲；所述软体模块采用碳纤维加热丝螺旋缠绕于气腔与变刚度机构之间，即可限制气腔膨胀，又可用于加热变刚度机构；所述软体模块可用于软体夹持器设计，结合自身软体被动变形能力和变刚度能力，实现不同尺寸、不同重量、不同形状物体的抓取功能。本发明的软体模块可进一步应用于变刚度软体夹持器、机器人手、变刚度软体臂等制作当中。

本发明中采用仿玻璃海绵骨架构型结合热塑性淀粉塑料设计变刚度机构，属于一种轻质高刚度构型，仅使用较少材料能实现较大刚度，大大提高了对材料的利用，实验中仅采用1.9g的TPS材料制作变刚度机构，配合硅胶制作变刚度软体模块，重16.6g，室温24℃情况下能提起2kg负载，负重比达到120。

本发明中基于TPS材料制作仿玻璃海绵构型的变刚度结构，在加热至56℃之后材料弹性模量仅为60kpa，其柔软程度堪比硅胶，能实现全向弯曲，且弯曲角度达到±270°，具有优秀的变形能力及安全性。

本发明中采用对称双螺旋缠绕构型碳纤维加热丝作为加热层，加热效率高，配合本发明中的薄壁镂空变刚度机构能在3s内实现由刚性状态(24℃)转变为柔软状态(56℃以上)，属于同类型变刚度方法中响应最快。同时作为气腔限制层，不需要额外增加限制层用于限制气腔径向膨胀。

本发明中的模块可在3s内实现24℃～56℃温度变化，同时模块刚度变化达到76倍，兼具质量轻、响应快、变刚度范围大等优点。

本发明应用范围广泛，可用于组装成夹持器、软体臂以及爬行机器人驱动腿等。

附图说明

图1是仿玻璃海绵骨架结构的仿生设计过程，图中：(a)为玻璃海绵骨架的图片，(b)为玻璃海绵生物的图片，

(c)和(d)为根据玻璃海绵生物的骨架结构分别设计了两种构型，两种结构均为镂空薄壁圆筒结构，体积完全相等；(c)为构型I，是公认的玻璃海绵构型，(d)为构型Ⅱ，是本发明提出的玻璃海绵构型；

图2是构型I和构型Ⅱ在Ansys中进行对比分析图，从左至右分别为最大变形、最大应力、最大应变分析图，位于上边的斜线表示构型I，下边的斜线表示构型Ⅱ；

图3是制作变刚度结构的热塑性淀粉塑料的弹性模量随温度变化曲线图。

图4是本发明所述的仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块的整体构型立体图(分解)；

图5是本发明所述的仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块的主视图；

图6是本发明所述变刚度软体模块的变刚度机构的立体图；

图7是本发明一种基于变刚度软体模块组装而成的三指夹持器结构图。

图中：1-气腔，2-变刚度机构，3-气管，4-刚性底座，5-柔性加热层，6-弹性主体，7-中心限制层。

具体实施方式

下面结合附图1至7对本发明进一步说明。

具体实施方式一：如图1至6，本发实施方式所述的仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块包括至少三个气腔1、变刚度结构2、三个气管3、刚性底座4、柔性加热层5、弹性主体6和中心限制层7；变刚度结构2套装在柔性加热层5上，柔性加热层5内设有中心限制层7，弹性主体6包覆在变刚度结构2的侧壁及两端上并填充于柔性加热层5内，位于柔性加热层5内的弹性主体6上设有三个气腔1，三个气腔1的开口端与对应的气管3连通，气管3接装在刚性底座4上且气管3的一端露在外部，刚性底座4与变刚度结构2的端部侧壁连接，所述变刚度结构2为仿玻璃海绵骨架结构。

气腔1的数量根据实现需要，也设成1个，2个，4个或更多。

本实施方式中，变刚度软体模块中变刚度机构采用热塑性淀粉塑料制作，通过升温方式改变材料物理状态实现变刚度功能。

变刚度结构采用仿生物玻璃海绵骨架构型，具备较高的刚度/自重比，能采用较小的空间构型实现较大的刚度，从而增加机构的变刚度能力范围。

本实施方式中的弹性主体6为硅胶主体，硅胶主体采用超弹性硅橡胶复合材料制成，其内部对称设计三个空腔，通过充气使局部伸长，而模块中间受限制层限制而不发生伸长，两者产生应变差从而实现模块全向弯曲功能。

所述柔性加热层5采用柔软易弯曲但不能伸长的碳纤维加热丝螺旋缠绕而成，用于加热外侧变刚度结构，并限制内侧气腔膨胀。

所述模块弯曲驱动方式采用气压驱动。

根据玻璃海绵生物的骨架结构设计了两种构型，分别如图1(c)和图1(d)所示，两种结构均为镂空薄壁圆筒结构，体积完全相等。这两种结构在Ansys中进行分析，其结果如图2所示。在一个端面固定，另一端面施加平行于端面的拉力情况下，构型II相较于构型I的最大变形量、最大应力和最大应变分别减小了11.0％、27.9％、33.8％，也说明构型II比构型I具有更高的刚度。

构型II所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有多组矩形通孔，每组矩形通孔沿轴向均布设置，每个矩形通孔设有交叉的连接筋，将一个矩形通孔分割成四个三角形通孔。

其次，采用一种TPS(热塑性淀粉塑料)材料制作变刚度结构，该种材料的弹性模量随温度变化如图3所示，在室温24℃情况下弹性模量达到380MPa，而加热至56℃及更高温度之后，弹性模量仅为0.06MPa，其弹性模量(即材料刚度变化)变化超过6000倍，跨越三个数量级。

本发明通过上述类生物玻璃海绵骨架结构仿生设计，并采用热塑性淀粉塑料加工制作实现一种变刚度软体模块，变刚度结构仅重1.9g，模块重16.6g，长80mm，直径15mm。该模块采用碳纤维加热丝进行加热，加热效率高，并且采用镂空薄壁结构设计，因此加热速度极快，可在3s内实现变刚度机构由24℃加热至60℃，加热响应远超目前其余同类型的变刚度软体模块；同时，因为该软体模块的变刚度机构采用一种仿生玻璃海绵的轻质高刚度构型设计，因此机构质量很轻但在常温下具有极为优秀的刚度和负载能力在刚性状态(24℃)下能提起2kg负载，负重比达到120；并且采用TPS材料制作变刚度机构，其加热至56℃之后模量仅为60kpa，甚至比一些常见的软体硅胶弹性模量还小，例如Ecoflex00-50硅胶在达到100％应变时弹性模量为83kpa，因此该模块在柔软状态(60℃)下堪比纯硅胶，具有极为优秀的变形能力和安全性，能实现全向弯曲，且弯曲角度达到±270°。综上，该变刚度模块兼具质量轻、变刚度范围大、变形能力强、加热响应快等优点。

具体实施方式二：如图7所示，一种夹持器，所述夹持器包括三个上述变刚度软体模块以及一个底板，三个变刚度软体模块分别通过各自的刚性底座固定在刚性底板上，变刚度软体模块的刚性底座连接在底板上的位置和角度可进行调节，以适应大小不一的物品夹取。变刚度软体模块包括变刚度机构2、刚性底座4，柔性加热层5，硅胶主体6，中心限制层7。所述三个变刚度软体模块分别通过底座固定在刚性底板上，模块底座连接在底板上的位置和角度可以进行调节，以适应大小不一的物品夹取。

所述软体模块可并联组装成夹持器，串联可组装成软体臂，也可单独作为变刚度驱动器，用于夹持、操作物体或者作为驱动器等。

Claims (10)

1.一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述模块包括至少一个气腔(1)、变刚度结构(2)、与气腔数量一致的气管(3)、刚性底座(4)、柔性加热层(5)、弹性主体(6)和中心限制层(7)；变刚度结构(2)套装在柔性加热层(5)上，柔性加热层(5)内设有中心限制层(7)，弹性主体(6)包覆在变刚度结构(2)的侧壁及两端上并填充于柔性加热层(5)内，位于柔性加热层(5)内的弹性主体(6)上设有至少一个气腔(1)，气腔(1)的开口端与对应的气管(3)连通，气管(3)接装在刚性底座(4)上且气管(3)的一端露在外部，刚性底座(4)与变刚度结构(2)的端部侧壁连接，所述变刚度结构(2)为仿玻璃海绵骨架结构。

2.根据权利要求1所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有若干个三角形通孔。

3.根据权利要求1所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有多组矩形通孔，每组矩形通孔沿轴向均布设置，每个矩形通孔设有交叉的连接筋，将一个矩形通孔分割成四个三角形通孔。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述玻璃海绵骨架结构采用热塑性淀粉塑料加工制作而成。

5.根据权利要求4所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，玻璃海绵骨架结构重1.9g；变刚度软体模块重16.6g，长为80mm，外径为15mm。

6.根据权利要求5所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，柔性加热层(5)由碳纤维加热丝制作而成，并在3s内实现变刚度结构2由24℃加热至60℃。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述模块可进行全向弯曲，且弯曲角度范围达到±270°。

8.根据权利要求1所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，气腔(1)的数量为三个且均匀分布。

9.根据权利要求1所述的一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，其特征在于，所述变刚度模块的负载/自重比达到76。

10.一种夹持器，其特征在于，所述夹持器包括至少两个权利要求1所述的变刚度软体模块以及一个底板，至少两个变刚度软体模块分别通过各自的刚性底座固定在刚性底板上，变刚度软体模块的刚性底座连接在底板上的位置和角度可进行调节，以适应大小不一的物品夹取。

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