CN111941462A - 利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构及其应用，利用尼龙细丝间的摩擦耦合实现刚度的变化，即将真空压力作用于尼龙细丝，通过改变尼龙细丝材料间的摩擦力提高结构的刚度，线阻塞结构由柔性密封薄膜管套以及装填在其内部的无数韧性较高的尼龙细线组成；常态下细线间摩擦力很小，线阻塞结构刚度很低，在外力作用下尼龙细丝极易发生变形；对柔性密封薄膜管套内抽取真空，尼龙细丝在气压作用下紧密吸附在一起，尼龙细丝间表现出极大的摩擦力，用于抵抗尼龙细丝间的相对滑动，在外力作用下尼龙细丝变形困难，线阻塞结构表现出较高的刚度，能够配合扭转、弯曲和伸缩软体驱动器实现扭转、弯曲和伸缩运动。

Description

利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构及其应用

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，更具体的说是涉及一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构及其应用。

背景技术

目前，传统的软体驱动器分为弯曲软体驱动器、伸缩软体驱动器以及扭转软体驱动器三大类，其中弯曲驱动器通过控制腔室的数量能够实现不同类型的弯曲，例如单腔弯曲驱动器能实现单向弯曲的功能，三腔弯曲驱动器能实现全向弯曲的功能；伸缩驱动器能够实现伸缩功能；扭转驱动器能够实现扭转的功能。但是现有的软体驱动器普遍采用气动驱动的形式，受制造材料影响，刚度较低，稳定性较低，抓取大重量物体存在较大困难。

为了克服这一问题，本申请人于2019年12月24日申报了申请号为201911344265.2，名称为一种基于线干扰技术的变刚度全向运动软体驱动器的发明专利申请，包括波纹膨胀管、软管、尼龙细丝、第一气管、第二气管和扭转限制线；软管同轴套设在波纹膨胀管的内部，且与波纹膨胀管之间形成第一空腔；软管内部沿轴线方向均分为多个第二空腔；尼龙细丝同轴充满在第二空腔内；第一气管与第一空腔连通；第二气管与第二空腔连通；扭转限制线可拆卸连接在波纹膨胀管的外壁。利用对第一空腔内充气或抽气，实现波纹膨胀管的伸缩运动，利用扭转限制线实现扭转运动，利用软管和尼龙细丝的配合控制波纹膨胀管的弯曲方向以及刚度大小，所设计的软体驱动器运动方式多样，刚度可调节，可以较好地实现对物体的抓取、夹持等功能。

但是，上述专利将软体驱动器和用于提高其刚度的尼龙细丝结构结合在一套整体的结构中，虽然起到了良好的效果，但是其形成的结构单一，推广的范围较窄，无法直接对现有的弯曲软体驱动器、伸缩软体驱动器以及扭转软体驱动器进行刚度提升，对于软体驱动器的刚度提高产生了限制。另外，在软体驱动器上增加提高刚度的结构，首先要保证对软体驱动器能有良好的形状锁定的效果，同时又要降低其对软体驱动器变形的影响，还要保证在多次使用后形状锁定的性能不会降低。由于种种因素的限制，并不容易实现对上述问题的解决。

因此，如何提供一种能够实现刚度变化的结构，并将其有效应用于软体驱动器上，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，旨在解决软体驱动器的刚度提升的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，

包括柔性密封薄膜管套，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套内部的多根尼龙细丝；所述柔性密封薄膜管套的一端具有用于抽气或充气的气管。

或者，包括柔性密封薄膜管套，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套内部的多根尼龙细丝；所述柔性密封薄膜管套的一端具有用于抽气或充气的气管；多根所述尼龙细丝的任意一端通过固定件固定。

或者，包括柔性密封薄膜管套，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套内部的多根尼龙细丝；所述柔性密封薄膜管套的一端具有用于抽气或充气的气管；多根所述尼龙细丝分为两组，且两组所述尼龙细丝相反的端头分别通过固定件固定，且两组所述尼龙细丝均匀交错布置。

通过上述技术方案，本发明提供的线阻塞结构利用尼龙细丝间的摩擦耦合实现刚度的变化，即将真空压力作用于尼龙细丝，通过改变尼龙细丝材料间的摩擦力提高结构的刚度，线阻塞结构由柔性密封薄膜管套以及装填在其内部的无数韧性较高的尼龙细线组成；常态下细线间摩擦力很小，线阻塞结构刚度很低，在外力作用下尼龙细丝极易发生变形；对柔性密封薄膜管套内抽取真空，尼龙细丝在气压作用下紧密吸附在一起，尼龙细丝间表现出极大的摩擦力，用于抵抗尼龙细丝间的相对滑动，在外力作用下尼龙细丝变形困难，线阻塞结构表现出较高的刚度。

优选的，在上述一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构中，所述柔性密封薄膜管套为圆筒结构或扁平的带状结构。能够适应不同的软体驱动器的结构。

优选的，在上述一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构中，所述柔性密封薄膜管套为聚乙烯材质或硅胶材质。

本发明还提供了向相应的利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构的应用：

对于上述结构中，所述尼龙细丝两端均不固定的结构：将至少一个所述线阻塞结构粘贴在扭转软体驱动器的扭转限制层的一侧。

所述尼龙细丝任意一端均固定的结构：将至少一个所述线阻塞结构粘贴在弯曲软体驱动器的弯曲限制层的一侧。

所述尼龙细丝两端均固定的结构：将至少一个所述线阻塞结构粘贴在伸缩软体驱动器的伸缩限制层的一侧。

通过上述技术方案，本发明将线阻塞结构应用于软体驱动器中，实现对软体驱动器的形状锁定，将线阻塞结构用可撕粘性胶粘贴到软体驱动器限制层一侧，然后对软体驱动器加压，软体驱动器发生弯曲形变。通常情况下，再对驱动器减压，软体驱动器恢复原有形状；然而本发明对软体驱动器减压前，先对线阻塞结构抽取真空，再对软体驱动器减压，软体驱动器并没有恢复原有形状，而是很好地保持了其减压前形状，本发明提供的三种结构能够配合扭转、弯曲和伸缩软体驱动器实现扭转运动，驱动效果稳定，且提高了其刚度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构及其应用，线阻塞结构利用尼龙细丝间的摩擦耦合实现刚度的变化，即将真空压力作用于尼龙细丝，通过改变尼龙细丝材料间的摩擦力提高结构的刚度，本发明提供的三种线阻塞结构能够配合扭转、弯曲和伸缩软体驱动器实现扭转运动，驱动效果稳定，且提高了其刚度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的用于提高扭转软体驱动器刚度的线阻塞结构的剖视；

图2附图为本发明提供的用于提高扭转软体驱动器刚度的线阻塞结构的示意图；

图3附图为本发明提供的用于提高弯曲软体驱动器刚度的线阻塞结构的示意图；

图4附图为本发明提供的用于提高伸缩软体驱动器刚度的线阻塞结构的示意图；

图5附图为本发明提供的线阻塞结构在扭转软体驱动器安装的指示图；

图6附图为本发明提供的线阻塞结构在弯曲软体驱动器安装的指示图；

图7附图为本发明提供的线阻塞结构在伸缩软体驱动器安装的指示图；

图8附图为本发明提供的弯曲软体驱动器使用线阻塞结构的形状锁定特性的实验示意图；

图9附图为本发明提供的扭转软体驱动器使用线阻塞结构的形状锁定特性的实验示意图；

图10附图为本发明提供的弯曲软体驱动器的充气气压逐渐增大后变形的结构的示意图；

图11附图为本发明提供的在图9基础上增加两节线阻塞结构后的变形示意图；

图12附图为本发明提供的在图9基础上增加三节线阻塞结构后的变形示意图；

图13附图为本发明提供的弯曲软体驱动器夹取物品的示意图；

图14附图为本发明提供的在图12基础上增加两节线阻塞结构后夹取物品的示意图；

图15附图为本发明提供的在图12基础上增加三节线阻塞结构后夹取物品的示意图；

图16附图为本发明提供的扭转软体驱动器安装线阻塞结构后拿取物品的示意图；

图17附图为本发明提供的全向弯曲软体驱动器安装的指示图。

其中：

1-柔性密封薄膜管套；

2-尼龙细丝；

3-气管；

4-固定件；

5-扭转软体驱动器；

51-扭转限制层；

6-弯曲软体驱动器；

61-弯曲限制层；

7-伸缩软体驱动器；

71-伸缩限制层；

8-全向弯曲软体驱动器；

81-全向弯曲限制层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，包括柔性密封薄膜管套1，以及同轴填充在柔性密封薄膜管套1内部的多根尼龙细丝2；柔性密封薄膜管套1的一端具有用于抽气或充气的气管3。

为了进一步优化上述技术方案，柔性密封薄膜管套1为圆筒结构或扁平的带状结构。

参见附图5，将至少一个线阻塞结构粘贴在扭转软体驱动器5的扭转限制层51的一侧。

参见附图9，先将扭转软体驱动器5充气加压，压力为20KPa，充气完成后，扭转软体驱动器5变形，进行扭转。然后对柔性密封薄膜管套1抽真空，真空泵压力为40KPa，抽真空完成后，释放扭转软体驱动器5的压力，扭转软体驱动器5并没有恢复原有形状，而是很好地保持了其减压前形状。

参见附图16，依照上述方法，可以如附图16对物体从外侧进行扭转握拿。同理，也可以将带有线阻塞结构的扭转软体驱动器5伸入瓶口较窄的瓶体中，然后通过上述方法卡在瓶体内，从内测对瓶体进行拿取。

实施例2：

参见附图3，本发明实施例公开了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，包括柔性密封薄膜管套1，以及同轴填充在柔性密封薄膜管套1内部的多根尼龙细丝2；柔性密封薄膜管套1的一端具有用于抽气或充气的气管3；多根尼龙细丝2的任意一端通过固定件4固定。

为了进一步优化上述技术方案，柔性密封薄膜管套1为圆筒结构或扁平的带状结构。

参见附图6，将至少一个线阻塞结构粘贴在弯曲软体驱动器6的弯曲限制层61的一侧。

参见附图8，先将弯曲软体驱动器6充气加压，压力为30KPa，充气完成后，弯曲软体驱动器6变形，进行弯曲。然后对柔性密封薄膜管套1抽真空，真空泵压力为60KPa，抽真空完成后，释放弯曲软体驱动器6的压力，弯曲软体驱动器6并没有恢复原有形状，而是很好地保持了其减压前形状。

实施例3：

参见附图10至附图12，本实施例在实施例2的基础上进行改进：

如附图10所示，对弯曲软体驱动器6分别施加10KPa、20KPa、30KPa的充气压力，变形情况如图10中从左到右所示。

如附图11所示，在弯曲软体驱动器6的弯曲限制层61粘贴两节线阻塞结构，并对线阻塞结构抽真空后，对图10中的弯曲软体驱动器6释放压力，定型情况如图11中从左到右所示。保证不同的线阻塞结构的长度和/或真空度不同。

如附图12所示，在弯曲软体驱动器6的弯曲限制层61粘贴三节线阻塞结构，并对线阻塞结构抽真空后，对图12中的弯曲软体驱动器6释放压力，定型情况如图12中从左到右所示。保证不同的线阻塞结构的长度和/或真空度不同。

将不同长度、不同数目的线阻塞结构粘贴到弯曲软体驱动器6的不同位置，如图12所示，通过控制不同位置的线阻塞结构真空度，可以实现对弯曲软体驱动器6弯曲变形的控制，使弯曲软体驱动器6产生不同的弯曲变形效果。具有三节线阻塞结构的驱动器可以实现类似于人类手指的变形，这也为软体仿生手指的设计研究提供了新思路。

利用线阻塞结构可以控制弯曲软体驱动器6变形的功能，将线阻塞结构应用到软体夹具还可以实现不同的抓取效果。参见附图13至附图15，将两个弯曲软体驱动器6组合成一个两指夹具对物体进行抓取，抓取过程中发现无线阻塞结构夹具、具有两节线阻塞结构的夹具以及具有三节线阻塞结构的夹具具有不同的抓取效果。无线阻塞结构夹具最小抓取直径为8cm，具有两节线阻塞结构的夹具最小抓取直径为2cm，而具有三节线阻塞结构的夹具最小抓取直径为2mm。线阻塞结构的应用使得同一软体夹具实现了三种不同的抓取效果。

实施例4：

参见附图4，本发明实施例公开了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，包括柔性密封薄膜管套1，以及同轴填充在柔性密封薄膜管套1内部的多根尼龙细丝2；柔性密封薄膜管套1的一端具有用于抽气或充气的气管3；多根尼龙细丝2分为两组，且两组尼龙细丝2相反的端头分别通过固定件4固定，且两组尼龙细丝2均匀交错布置。

为了进一步优化上述技术方案，柔性密封薄膜管套1为圆筒结构或扁平的带状结构。

参见附图7，将至少一个线阻塞结构粘贴在伸缩软体驱动器7的伸缩限制层71的一侧。

实施例5：

本发明实施例公开了一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，包括柔性密封薄膜管套1，以及同轴填充在柔性密封薄膜管套1内部的多根尼龙细丝2；柔性密封薄膜管套1的一端具有用于抽气或充气的气管3。

参见附图17，将线阻塞结构粘贴在全向弯曲软体驱动器8的全向弯曲限制层81的一侧。能够进行不同方向弯曲的变形锁定，以及伸缩的变形锁定；通过改变外侧限制线的限制方式，可以实现扭转动作。

将多个如图17所示的全向弯曲软体驱动器8依次连接，可以形成软连续体机器人，进行类机械臂的操作。

对于以上实施例提供的线阻塞结构，通过实际实验操作，还具备以下性能：

(1)稳定性特性：

将柔性密封薄膜管套1内的尼龙细丝更换为颗粒结构和层状结构，通过以上两种结构与线阻塞结构的性能进行对比：

同样对三种结构抽取真空，真空泵压力为60KPa，将三种结构的一端水平固定，另一端悬挂50g的砝码，此时：

颗粒阻塞结构的竖向变形为5cm；

层状阻塞结构的竖向变形为3cm；

线阻塞结构的竖向变形为0.8cm.

由此可见，线阻塞结构多次弯折无明显变化，仍具有良好抵抗外力变形的能力。

(2)顺应性特性：

分别采用线阻塞结构和颗粒阻塞结构作用在弯曲软体驱动器6上。

当弯曲软体驱动器6无任何负载时，施加压力，弯曲角度为315°；

当弯曲软体驱动器6上粘贴颗粒阻塞结构，且施加同样的压力并释放后，定型的角度为165°；

当弯曲软体驱动器6上粘贴线阻塞结构，且施加同样的压力并释放后，定型的角度为255°。

由此可见，线阻塞结构对软体驱动器弯曲变形影响较小，软体驱动器在极大程度上保留了良好的弯曲性能，仍然可以实现较大角度的弯曲变形。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，包括柔性密封薄膜管套(1)，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套(1)内部的多根尼龙细丝(2)；所述柔性密封薄膜管套(1)的一端具有用于抽气或充气的气管(3)。

2.根据权利要求1所述的一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，所述柔性密封薄膜管套(1)为圆筒结构或扁平的带状结构。

3.一种权利要求1或2所述的利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构的应用，其特征在于，将至少一个所述线阻塞结构粘贴在扭转软体驱动器(5)的扭转限制层(51)的一侧。

4.一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，包括柔性密封薄膜管套(1)，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套(1)内部的多根尼龙细丝(2)；所述柔性密封薄膜管套(1)的一端具有用于抽气或充气的气管(3)；多根所述尼龙细丝(2)的任意一端通过固定件(4)固定。

5.根据权利要求4所述的一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，所述柔性密封薄膜管套(1)为圆筒结构或扁平的带状结构。

6.一种权利要求4或5所述的利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构的应用，其特征在于，将至少一个所述线阻塞结构粘贴在弯曲软体驱动器(6)的弯曲限制层(61)的一侧。

7.一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，包括柔性密封薄膜管套(1)，以及同轴填充在所述柔性密封薄膜管套(1)内部的多根尼龙细丝(2)；所述柔性密封薄膜管套(1)的一端具有用于抽气或充气的气管(3)；多根所述尼龙细丝(2)分为两组，且两组所述尼龙细丝(2)相反的端头分别通过固定件(4)固定，且两组所述尼龙细丝(2)均匀交错布置。

8.根据权利要求7所述的一种利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构，其特征在于，所述柔性密封薄膜管套(1)为圆筒结构或扁平的带状结构。

9.一种权利要求7或8所述的利用细线间摩擦耦合实现刚度变化的线阻塞结构的应用，其特征在于，将至少一个所述线阻塞结构粘贴在伸缩软体驱动器(7)的伸缩限制层(71)的一侧。

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