CN112589790B - 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法 - Google Patents

基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112589790B
CN112589790B CN202011444578.8A CN202011444578A CN112589790B CN 112589790 B CN112589790 B CN 112589790B CN 202011444578 A CN202011444578 A CN 202011444578A CN 112589790 B CN112589790 B CN 112589790B
Authority
CN
China
Prior art keywords
blocking
film
air chamber
negative pressure
expansion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011444578.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112589790A (zh
Inventor
李汶柏
张文明
郭欣宇
房付熠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202011444578.8A priority Critical patent/CN112589790B/zh
Publication of CN112589790A publication Critical patent/CN112589790A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112589790B publication Critical patent/CN112589790B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/14—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid
    • B25J9/142—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements fluid comprising inflatable bodies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping By String And By Release Of Stress In Plastics And The Like (AREA)
  • Joints Allowing Movement (AREA)

Abstract

一种基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法，该驱动器包括：自上而下依次堆叠的膨胀覆膜、中间膜、阻塞层和阻塞密封膜，以及用于连接的密封边，密封边一端与膨胀覆膜和中间膜相连，另一端与阻塞密封膜相连形成密闭空间，中间膜两端与膨胀覆膜相连形成膨胀气室，阻塞密封膜与中间膜通过密封边形成负压阻塞气室，阻塞层设置于负压阻塞气室内。膨胀覆膜和中间膜连接处设有充气管。密封边上设有抽气管。本发明能够显著放大层间阻塞技术的变刚度性能，并大幅提升其承载能力，与传统的层间阻塞技术具有良好的兼容性，结构简单、低成本、快速高效、易控、质轻。

Description

基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法
技术领域
本发明涉及的是一种软体机器人领域的技术，具体是一种基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法。
背景技术
软体机器人的出现，弥补了传统刚性机器人面对非结构化环境和处理复杂人机交互任务的不足，极大地拓展了机器人的应用领域，虽然柔软可变形机体给软体机器人带来了优越的灵活性、安全性和适应性，但同时也导致其速度、精度和承载力远不及传统的刚性机器人。
变刚度技术为软体机器人和刚性机器人构建了连接桥梁，软体机器人通过变刚度可以兼具刚性机器人高刚度和大承载力的优点。现有的变刚度方法主要包括：拮抗控制、阻塞技术(颗粒阻塞、层间阻塞)、电流变液、磁流变液和相变智能材料(低熔点合金、形状记忆聚合物)。阻塞技术具有快速高效、低成本、容易控制和通用性强等优点，但目前的变刚度范围和承载力没有明显的优势。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法，通过引入几何变刚度概念，在负压层间阻塞技术的基础上耦合充气膨胀硬化和曲率诱导刚化的多重作用，显著放大层间阻塞技术的变刚度性能，并大幅提升其承载能力，与传统的层间阻塞技术具有良好的兼容性，结构简单、低成本、快速高效、易控、质轻。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于几何变刚度的柔性驱动器，包括：自上而下依次堆叠的膨胀覆膜、中间膜、阻塞层和阻塞密封膜，以及用于连接的密封边，其中：密封边一端与膨胀覆膜和中间膜相连，另一端与阻塞密封膜相连形成密闭空间，中间膜两端与膨胀覆膜相连形成膨胀气室，阻塞密封膜与中间膜通过密封边形成负压阻塞气室，阻塞层设置于负压阻塞气室内。
所述的膨胀覆膜和中间膜连接处设有充气管，其中：充气管一端设置于膨胀气室内，另一端设置于膨胀气室外，用于连接压缩空气源。
所述的密封边上设有抽气管，其中：抽气管一端设置于负压阻塞气室内，另一端设置于负压阻塞气室外，用于连接真空泵。
所述的膨胀覆膜、中间膜和阻塞密封膜长度相等，膨胀覆膜宽度小于中间膜和阻塞密封膜。
所述的阻塞层为矩形片状结构，阻塞层的尺寸小于中间膜和阻塞密封膜。
本发明涉及一种基于上述基于几何变刚度的柔性驱动器的多重耦合变刚度方法，包括以下步骤、
步骤1、软化装置，将膨胀气室和负压阻塞气室均与大气相通，使得本装置进入柔软状态；
步骤2、一级硬化装置，通过抽气管为负压阻塞气室抽气并控制其负压，使得本装置进入一级硬化状态；
步骤3、二级硬化装置，将负压阻塞气室与大气相通后，再通过充气管给膨胀气室充入压力为P1的空气，使得本装置进入二级硬化状态；
步骤4、三级硬化装置，通过抽气管为负压阻塞气室抽气并控制其负压，使得本装置进入三级硬化状态；
步骤5、通过分别控制抽气和充气的气压控制本装置不同等级硬化状态的抗弯刚度和承载力。
所述的一级硬化状态下的作用力为层间摩擦的阻塞作用。
所述的二级硬化状态下的作用力为横截面弯曲的几何硬化作用和气压硬化作用。
所述的三级硬化状态下的作用力为曲率诱导的几何硬化、充气膨胀压力硬化和层间阻塞的多重耦合作用。
技术效果
本发明采用层状结构设计，通过引入几何变刚度概念，在负压层间阻塞技术的基础上耦合充气膨胀硬化和曲率诱导刚化的多重作用，显著放大层间阻塞技术的变刚度性能，并大幅提升其承载能力，易于工业化批量低成本制造，多重耦合变刚度方法可实现柔性驱动器刚度的快速多级调节，且完全通过气动方式控制，结构简单、低成本、易于与工业自动化集成。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为本发明结构示意图；
其中：a为俯视图，b为主视图，c为侧视图；
图3为实施例工作原理图；
图4为实施例工作状态结构示意图；
图5为实施例变刚度效果图；
图中：膨胀覆膜1、中间膜2、阻塞密封膜3、阻塞层4、密封边5、膨胀气室6、充气管7、负压阻塞气室8、抽气管9。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于几何变刚度的柔性驱动器及多重耦合变刚度方法，其中包含：自上而下依次堆叠的膨胀覆膜1、中间膜2、阻塞层3和阻塞密封膜4，以及用于连接的密封边5，其中：密封边5一端与膨胀覆膜1和中间膜2相连，另一端与阻塞密封膜3相连形成密闭空间，中间膜2两端与膨胀覆膜1热封形成膨胀气室6，热封边宽度为3mm，膨胀气室6密封后尺寸为104mm×30mm；阻塞密封膜3与中间膜2通过密封边5热封形成负压阻塞气室8，热封边宽度为3mm，压阻塞气室8密封后尺寸为104mm×44mm，阻塞层4设置于负压阻塞气室8内。
所述的膨胀覆膜1和中间膜2连接处设有充气管7，其中：充气管7一端设置于膨胀气室6内，另一端设置于膨胀气室6外，用于连接压缩空气源。
所述的密封边5上设有抽气管9，其中：抽气管9一端设置于负压阻塞气室8内，另一端设置于负压阻塞气室8外，用于连接真空泵。
所述的膨胀覆膜1、中间膜2和阻塞密封膜3长度相等，为110mm，膨胀覆膜1宽度为40mm，小于中间膜2和阻塞密封膜3的宽度50mm，材料为厚度为0.2mm的热塑性聚氨酯弹性体薄膜TPU、低密度聚乙烯膜LDPE等弹性薄膜和塑料薄膜，通过热封工艺或粘接剂进行沿密封边5密封。
所述的阻塞层4为6片厚度0.16mm的牛皮纸，尺寸为100mm×40mm小于中间膜2和阻塞密封膜3，以便于内置于负压阻塞气室8内。
所述的充气管7和抽气管9材质为直径2.5mm的PVC管或硅胶管。
本实施例涉及上述柔性驱动器的多重耦合变刚度方法，包括以下步骤：
步骤1：软化装置，将膨胀气室6和负压阻塞气室8均与大气相通，使得本装置进入柔软状态；
步骤2：一级硬化装置，通过抽气管9为负压阻塞气室8抽气并控制其负压为P2，使得本装置进入一级硬化状态；
步骤3：二级硬化装置，将负压阻塞气室与大气相通后，再通过充气管给膨胀气室充入压力为P1的空气，使得本装置进入二级硬化状态；
步骤4：三级硬化装置，通过抽气管9为负压阻塞气室8抽气并控制其负压为P2，使得本装置进入三级硬化状态；
步骤5：通过分别控制P1和P2控制本装置不同等级硬化状态的抗弯刚度和承载力。
所述的一级硬化状态为，在外界大气压的作用下，内置的阻塞层4受到外部挤压，层间摩擦力增大，形成阻塞作用，使结构的抗弯刚度增加。
所述的二级硬化状态为，在气压的作用下，装置产生横截面弯曲变形，在曲率诱导的刚化作用下，抗弯刚度提高，同时膨胀气室6受到气压硬化作用。
所述的三级硬化状态为，在受到曲率诱导的几何硬化、充气膨胀压力硬化和层间阻塞的多重耦合作用下，本装置达到最高的变刚度性能。
如图4所示，所述的本装置除去抽气管9和充气管7的重量为6.4g，当处于柔软状态时，本装置中间放置的100g砝码将其压弯产生较大变形；当膨胀气室6压力为P1＝30kPa，负压阻塞气室8内部负压为P2＝-79kPa时，硬化后可以承载10.85kg的重量，承重提升100倍以上，约为其自重的1700倍。且通过增加阻塞层4数量、改进阻塞层材料和复合方式，可以进一步提升柔性变刚度驱动器的变刚度和承载能力。
本发明通过在常规层状阻塞变刚度驱动器一侧的中部纵向设置膨胀气室，并控制膨胀气室的压力使层状阻塞变刚度驱动器产生截面弯曲变形，进而同时引入充气膨胀硬化和曲率诱导刚化效应，通过多种变刚度方式的耦合作用及控制，实现多级硬化和承载力的显著提升。
与现有技术相比，本装置通过纯气动控制，可在3s内实现柔性驱动器的硬化，承载提升100倍以上约为其自重的1700倍。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于几何变刚度的柔性驱动器的多重耦合变刚度方法，其特征在于，所述的柔性驱动器包括：自上而下依次堆叠的膨胀覆膜、中间膜、阻塞层和阻塞密封膜，以及用于连接的密封边，其中：密封边一端与膨胀覆膜和中间膜相连，另一端与阻塞密封膜相连形成密闭空间，中间膜两端与膨胀覆膜相连形成膨胀气室，阻塞密封膜与中间膜通过密封边形成负压阻塞气室，阻塞层设置于负压阻塞气室内；
所述的膨胀覆膜和中间膜连接处设有充气管，其中：充气管一端设置于膨胀气室内，另一端设置于膨胀气室外，用于连接压缩空气源；
所述的密封边上设有抽气管，其中：抽气管一端设置于负压阻塞气室内，另一端设置于负压阻塞气室外，用于连接真空泵；
所述的多重耦合变刚度方法，包括以下步骤：
步骤1：软化装置，将膨胀气室和负压阻塞气室均与大气相通，使得本装置进入柔软状态；
步骤2：一级硬化装置，通过抽气管为负压阻塞气室抽气并控制其负压，使得本装置进入一级硬化状态，即作用力为层间摩擦的阻塞作用；
步骤3：二级硬化装置，将负压阻塞气室与大气相通后，再通过充气管给膨胀气室充入压力为P1的空气，使得本装置进入二级硬化状态，即作用力为横截面弯曲的几何硬化作用和气压硬化作用；
步骤4：三级硬化装置，通过抽气管为负压阻塞气室抽气并控制其负压，使得本装置进入三级硬化状态，即作用力为曲率诱导的几何硬化、充气膨胀压力硬化和层间阻塞的多重耦合作用；
步骤5：通过分别控制抽气和充气的气压控制本装置不同等级硬化状态的抗弯刚度和承载力。
2.根据权利要求1所述的多重耦合变刚度方法，其特征是，所述的膨胀覆膜、中间膜和阻塞密封膜长度相等，膨胀覆膜宽度小于中间膜和阻塞密封膜。
3.根据权利要求1所述的多重耦合变刚度方法，其特征是，所述的阻塞层为矩形片状结构，阻塞层的尺寸小于中间膜和阻塞密封膜。
4.根据权利要求1或2所述的多重耦合变刚度方法，其特征是，所述的膨胀覆膜、中间膜和阻塞密封膜长度为110mm，膨胀覆膜宽度为40mm，中间膜和阻塞密封膜的宽度50mm，分别通过厚度为0.2mm的热塑性聚氨酯弹性体薄膜TPU、低密度聚乙烯膜LDPE，通过热封工艺或粘接剂进行沿密封边密封。
5.根据权利要求1或3所述的多重耦合变刚度方法，其特征是，所述的阻塞层为6片厚度0.16mm的牛皮纸，尺寸为100mm×40mm以便于内置于负压阻塞气室内。
6.根据权利要求1所述的多重耦合变刚度方法，其特征是，所述的充气管和抽气管材质为直径2.5mm的PVC管或硅胶管。
CN202011444578.8A 2020-12-08 2020-12-08 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法 Active CN112589790B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011444578.8A CN112589790B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011444578.8A CN112589790B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112589790A CN112589790A (zh) 2021-04-02
CN112589790B true CN112589790B (zh) 2022-03-22

Family

ID=75192385

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011444578.8A Active CN112589790B (zh) 2020-12-08 2020-12-08 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112589790B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11299084B2 (en) * 2019-10-16 2022-04-12 GM Global Technology Operations LLC Selectively rigidizable membrane
CN114516070B (zh) * 2022-03-14 2023-04-28 哈尔滨工业大学（深圳） 一种变刚度软体机械臂
CN114952815A (zh) * 2022-05-25 2022-08-30 福州大学 一种基于液汽相变材料的电热软体致动器及其制造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2519198B1 (en) * 2009-12-30 2018-11-21 Fundacion Tecnalia Research & Innovation Fitting element with controlled stiffness
US9664210B2 (en) * 2013-10-19 2017-05-30 Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus for layer jamming
CN109048856A (zh) * 2018-08-03 2018-12-21 江苏大学 一种刚度独立可控的软体机器人致动器
CN109249385B (zh) * 2018-10-09 2022-01-14 江西理工大学 一种基于颗粒阻塞的变刚度气动软体驱动器
CN109623855A (zh) * 2018-12-20 2019-04-16 清华大学 一种腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手
CN111791250A (zh) * 2020-07-14 2020-10-20 北方工业大学 一种基于层干扰技术的变刚度软体抓手

Also Published As

Publication number Publication date
CN112589790A (zh) 2021-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112589790B (zh) 基于几何变刚度的柔性驱动器及其多重耦合变刚度方法
US11772282B2 (en) Fluidic solar actuation system
US7617762B1 (en) Flexible hydraulic muscle
CN108422418B (zh) 一种变刚度气囊式全向弯曲柔性机器人
CN109249385B (zh) 一种基于颗粒阻塞的变刚度气动软体驱动器
CN108161929B (zh) 一种负压驱动的气动人工肌肉
CN113104576B (zh) 一种软体气爪
CN111791250A (zh) 一种基于层干扰技术的变刚度软体抓手
CN213197555U (zh) 一种刚度可变软体机器人
Lee et al. Efficiency of origami-based vacuum pneumatic artificial muscle for off-grid operation
US8418726B2 (en) Pressure tank, in particular hydraulic accumulator
Coutinho et al. Hyperbaric Vacuum‐Based Artificial Muscles for High‐Performance Actuation
CN110815286A (zh) 柔性伸缩器件及机械臂
CN113370242B (zh) 横纵耦合气动型多指软体机械手
CN112045702B (zh) 一种气动旋转执行器及气动柔性操作手
CN114800584B (zh) 一种干黏附与真空吸附耦合的变刚度柔性末端执行器
CN114274125B (zh) 一种基于编织纤维束的软体机器人及其驱动方法
Kataoka et al. Hermetically-sealed flexible mobile robot “MOLOOP” for narrow terrain exploration
CN114683258B (zh) 一种多自由度弯曲缠绕软体执行器
Chung et al. Manufacturing and Design of Inflatable Kirigami Actuators
CN115122314A (zh) 一种多变形模式软体驱动器
KR102624036B1 (ko) 길이 방향 전개형 진공 흡입 컵
CN115990871A (zh) 基于颗粒阻塞技术的变刚度全向运动软体驱动器
CN215589218U (zh) 气控式轴向伸缩驱动器
CN114516070B (zh) 一种变刚度软体机械臂

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant