CN113771087B - 一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂，包括：手臂基体，其包括至少软质封闭腔体管，所有封闭腔体管环绕一轴线分布且集成一体，每一封闭腔体管管壁内部缠绕有约束径向膨胀的纤维缠绕层、且一端设有气孔；包围手臂基体外壁的软质外壁层，外壁层与手臂基体外壁之间形成封闭的间隔空间，且外壁层设有与间隔空间连通的气管；以及设置于间隔空间内部的线干扰变刚度层，线干扰变刚度层由围绕手臂基体外壁设置的纤维线构成。本发明的有益效果：实现360°空间全方位运动，充分发挥无限自由度的潜能；另外可调整手臂的刚度，提高负载能力，具有良好的顺应性和扭转特性，完美适配于需要多方向、多自由度弯曲的手臂。

Description

一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法

技术领域

本发明涉及仿生软体手臂技术领域，尤其涉及一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂及制作方法。

背景技术

手臂为人类扩展运动空间，实现灵巧操作提供了可能。一款性能优良的仿人机械手臂，可代替人类在全空间操作，对人类生活的改变起到巨大的推动作用。区别于传统意义上的由刚性部件构成的刚性手臂，其存在自由度少、人机交互不安全等弊端；基于硅胶材料制作的气动软体手臂，具有灵活度高、柔顺性好、可到达工作区域内的任意位置等优点，发展前景十分乐观，受到全世界科研机构和学者们的广泛关注。

然而不足的是，由于气动软体手臂采用硅橡胶等柔性材料制成，致使软体手臂存在刚度较低，负载能力较弱的缺陷，在抓取大质量物体时往往面临巨大挑战。因此，在不破坏软体手臂柔顺性和多自由度等特性的情况下，利用新型变刚度技术，实现一款可承受高负载的气动软体手臂具有极强的实用价值和重要研究意义。

目前关于软体仿人手臂的研究主要有：申请号为202010007274.9的中国发明专利申请公开了一种多自由度变刚度仿生象鼻软体手臂，该装置将三段具有弯曲功能的结构组合在一起，形成多自由度软体手臂，并利用形状记忆合金丝调控手臂的刚度。然而一方面形状记忆合金丝是温控元件，在加热及冷却过程中耗时较长，无法做到实时变刚度；另一方面该装置是靠三段弯曲结构串联组合后实现多自由度，存在结构冗余、长度较长等问题。又如申请号为201721111685.2的中国实用新型专利申请公开了一种内置堵塞机构的变刚度软体手臂，该装置通过抽取堵塞机构中的空气形成负压，致使堵塞机构中的小球颗粒挤压紧实，进而完成刚度变化，但内置的堵塞机构会制约软体手臂的柔顺性。

因此，目前已有的变刚度软体手臂或多或少存在自由度不足、变刚度所需时间较长、柔顺性被制约等实际问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有软体手臂存在刚度较低，负载能力较弱的缺陷问题，本发明的实施例提供了一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂及制作方法。

本发明的实施例提供一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂，包括：

手臂基体，其包括至少三软质封闭腔体管，所有封闭腔体管环绕一轴线分布且集成一体，每一所述封闭腔体管管壁内部缠绕有约束径向膨胀的纤维缠绕层、且一端设有气孔；

包围所述手臂基体外壁的软质外壁层，所述外壁层与所述手臂基体外壁之间形成封闭的间隔空间，且所述外壁层设有与所述间隔空间连通的气管；

以及设置于所述间隔空间内部的线干扰变刚度层，所述线干扰变刚度层由围绕所述手臂基体外壁设置的纤维线构成。

进一步地，所述封闭腔体管的数量为三个，三所述封闭腔体管的外壁两两相切。

进一步地，所述纤维缠绕层为螺旋缠绕于所述封闭腔体管侧壁中的纤维线。

进一步地，所述手臂基体注塑成型，所述外壁层3D打印成型。

进一步地，所述手臂基体包括至少三个腔体管基体及两封口结构，两所述封口结构分布密封所有腔体管基体两端形成所有封闭腔体管，每一所述封闭腔体管的气孔设置于一所述封口结构上。

本发明的实施例提供的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的技术方案带来的有益效果是：由多根封闭腔体管组合形成，可达到空间中360°全方位运动，充分发挥了软体手臂具有无限自由度的潜能；另外创新性的提出“线干扰”变刚度技术，将该变刚度技术运用于软体手臂中，一方面可调整手臂的刚度，提高负载能力；另一方面可在不破坏手臂柔顺性的前提下，使手臂全方位运动，基于线结构的变刚度技术，具有良好的顺应性和扭转特性，完美适配于需要多方向、多自由度弯曲的手臂。

另外本发明的实施例还提供了一种上述利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，包括以下步骤：

S1使软质材料通过模具注塑制作所需数量的腔体管基体，并在每一所述封闭腔体管的外壁缠绕纤维线形成纤维缠绕层；

S2制作手臂基体：使所有腔体管基体环绕一轴线分布，且任意相邻两所述腔体管基体外壁相切，对各所述腔体管基体之间的间隙注塑软质材料、以及在每一所述腔体管基体外壁注塑软质材料覆盖所述纤维缠绕层，然后通过两封口结构将所有腔体管基体两端密封，形成多个封闭腔体管，并在所述封口结构设置每一所述封闭腔体管的气孔；

S3通过3D打印技术打印出外壁层，并将所述手臂基体置于所述外壁层内，并在所述手臂基体与所述外壁层之间布置纤维线，使纤维线环绕所述手臂基体布置，然后封闭所述外壁层两端，并在所述外壁层上设置气管。

进一步地，通过模具注塑制作的腔体管基体表面形成用于布置纤维缠绕层的螺旋线槽。

进一步地，注塑所使用的软质材料为硅胶材料，3D打印所使用的材料为类硅胶。

本发明的实施例提供的一种上述利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法的技术方案带来的有益效果是：明采用硅胶注塑法与软体3D打印法相结合制作，在外壁层中置入由纤维线构成的线干扰变刚度层，使该线干扰变刚度层具有其他变刚度方法所不具备的良好的顺应性和扭转特性，将该变刚度技术运用于软体手臂中，实现多自由度、高负载软体手臂的制作，兼具节约成本、提高效率的优点。

附图说明

图1是本发明一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的示意图；

图2是本发明一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的剖视图；

图3是手臂基体1的剖视图；

图4是腔体管基体101a的示意图；

图5是手臂基体1的爆炸图；

图6是第一模具4的爆炸图；

图7是第二模具5注塑时的示意图；

图8是腔体管基体放置于第二模具内的示意图；

图9是第二模具5的爆炸图。

图中：1-手臂基体、101-封闭腔体管、101a-腔体管基体、101b-螺纹线槽、102-封口机构、102a-气孔、102b-堵头结构、2-外壁层、3-线干扰变刚度层、4-第一模具、401-第一主模具、402-第一模具盖、403-腔棒、404-螺纹、5-第二模具、501-第二主模具、502-底座、503-顶盖。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1和2，本发明的实施例提供了一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂，包括手臂基体1、软质外壁层2和线干扰变刚度层3。

请参考图2、3、4和5，其中所述手臂基体1包括至少三个软质封闭腔体管101，所有封闭腔体管101环绕一轴线分布，且任意相邻两所述封闭腔体管101外壁相切。这里所有封闭腔体管101近似排列为环状，相邻的所述封闭腔体管101外壁之间相互接触，这样可使所有封闭腔体管101 360°全方位覆盖，以使所述软体手臂可达到空间中360°全方位扭转弯曲运动。因此关于所述封闭腔体管101的数量至少应设置三个，可以理解的是所述封闭腔体管101的数量同样可以设置为三个以上，可以根据实际应用场合进行选择。

每一所述封闭腔体管101由Econflex00-10硅胶注塑成型，每一所述封闭腔体管101外壁缠绕有约束径向膨胀的纤维缠绕层、且一端设有气孔102a。所述纤维缠绕层为所述封闭腔体管101注塑过程中，首先注塑形成腔体管基体101a，在所述腔体管基体101a外壁设置纤维线，然后再对所述腔体管基体101a注塑形成所述封闭腔体管101a，使纤维线填充于所述封闭腔体管101管壁内部、螺旋缠绕设置。

请参考图2和3，这里所述手臂基体1包括至少三个腔体管基体101a及两封口结构102，所述腔体管基体101a的数量与所需的封闭腔体管101数量相同。首先通过硅胶注塑制作多个两端开口的腔体管基体101a，然后通过两所述封口结构102分别密封所有腔体管基体101a两端形成所有封闭腔体管101，每一所述封闭腔体管101的气孔102a设置于一所述封口结构102上。这里所述封口结构102设有多个堵头结构102b，通过所述堵头结构102b插入所述腔体管基体101a端口，同时使用704硅酮胶均匀涂抹结合部分进行密封。

关于所述外壁层2厚度需要设置比较薄，若通过模具注塑的方法，可能在脱模过程中会造成“破壁”现象，导致成功率较低。遂采用软体3D打印法制作。使用Stratasys公司的Polyjet技术(3D打印技术的一种)，此3D打印技术可调节类硅胶材料与硬质材料的比例，以产生邵氏刚度选择范围为30A～95A之间的类硅胶材料。所述外壁层2两端开口，形状与所述手臂基体1的形状相似，且截面积稍微大于所述手臂基体1。

所述手臂基体1置于所述外壁层2内部，所述外壁层2包围所述手臂基体1外壁，所述外壁层2与所述手臂基体1外壁之间形成封闭的间隔空间，且所述外壁层2设有与所述间隔空间连通的气管。

所述线干扰变刚度层3设置于所述间隔空间内部的，所述线干扰变刚度层3由围绕所述手臂基体1外壁设置的纤维线构成。纤维线置于所述间隔空间内，环绕所述手臂基体且紧密排列。再将所述手臂基体1上下两端的封口结构102与所述外壁层2内壁之间通过704硅酮胶封口涂抹密封，使所述间隔空间密封。这样通过气管吸气使所述间隔空间内部产生负压，使纤维线之间压紧，就增加了整个手臂的刚度。而由于纤维线构成的线干扰变刚度层3是可以任意扭转弯曲的，具有良好的顺应性。

常见的气动变刚度层有层干扰变刚度，颗粒阻塞变刚度两种，层干扰变刚度是依靠负压使条状结构(例如纸条)堆叠压紧，颗粒阻塞变刚度是依靠负压使颗粒状物体(例如大米、黄豆等)压紧，从而增加刚度。然而层干扰变刚度或颗粒阻塞变刚度，虽然可以增加结构刚度，但条状结构或颗粒状结构通过负压堆叠压紧后会高度阻碍软体手臂柔顺性，造成手臂弯曲角度变小；更重要的是，且上述变刚度结构(条状结构或颗粒状结构)顺应性较差，只能控制单方向的刚度，难以控制偏航弯曲刚度、扭转弯曲刚度等多方向刚度。

该线干扰变刚度层3结构负压依靠纤维线(普通的线即可)紧压，由于线结构可以任意弯折、扭曲，自由度大，因此基于线结构的变刚度技术，具有良好的顺应性和扭转特性，完美适配于需要多方向、多自由度弯曲的手臂。

上述利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂，多根封闭腔体管形成360°的全方位覆盖，对任意一封闭腔体管101充气，根据每根所述封闭腔体管101内充气量的不同，由数学中的向量知识可知，该软体手臂结构是可以360°任意方向弯曲的，可达到空间中360°全方位运动，充分发挥了软体手臂具有无限自由度的潜能；另外对间隔空间内充气形成负压，使纤维线之间压紧，就增加了整个手臂的刚度，而纤维线是可以任意扭转弯曲的，因此使手臂整体保持具有良好的顺应性。

请参考图6、7、8和9，本另外本发明的实施例还提供了一种上述利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，包括以下步骤：

请参考图6，S1：使软质材料通过模具注塑制作所需数量的封闭腔体管101，所述封闭腔体管101上端留有气孔102a，并在每一所述封闭腔体管101的外壁缠绕纤维线形成纤维缠绕层。

这里首先注塑形成腔体管基体101a，所使用的是第一模具4，第一模具包括第一主模具401、第一模具盖402和腔棒，其中所述第一主模具401和所述第一模具盖402内部设有弧形柱状内腔，二者拼接形成上部开口的圆柱状内腔，所述腔棒403置于该内腔，由该内腔上部注入硅胶，固化形成腔体管基体101a。所述腔体管基体101a成型后在其表面布置缠绕纤维线以形成纤维缠绕层。根据需要可以重复上述步骤制作多个所述腔体管基体101a。

优选的，所述第一模具4的内壁设有螺纹404，也就是第一主模具401和所述第一模具盖402的内壁均设有螺纹404，成型的腔体管基体101a表面形成用于布置纤维缠绕层的螺旋线槽101b，只需将纤维线布置于所述螺旋线槽101b内即可。另外为方便脱模，在第一主模具401和所述第一模具盖402背部设计有拱形拉手，为脱模提供着力点，且在注塑前先在所述第一模具4内壁均匀涂抹凡士林润滑剂。

请参考图7、8和9，S2：制作手臂基体1：使所有腔体管基体101a环绕一轴线分布，且任意相邻两所述腔体管基体101a外壁相切，对各所述腔体管基体101a之间的间隙注塑软质材料、以及在每一所述腔体管基体101a外壁注塑软质材料覆盖所述纤维缠绕层，然后通过两封口结构102将所有腔体管基体101a两端密封，形成多个封闭腔体管101，并在所述封口结构102设置每一所述封闭腔体管101的气孔102a。

所述手臂基体1通过第二模具5对各所述腔体管基体101注塑成型。具体的，所述第二模具5包括第二主模具501、底座502和顶盖503，所述第二主模具5置于所述底座502之上，且具有多个连为一体的柱状内腔，所述顶盖503盖合于所述第二主模具501上端口。所述腔体管基体101a在成型脱模时保留所述腔棒403，将每一所述腔体管基体101a连同插入其内部的腔棒403一起穿过所述顶盖503置于一所述柱状内腔内，然后对所述柱状内腔内注入硅胶，固化后取下所有腔棒403，各所述腔体管基体101a连为一体。

之后通过两封口结构102对所有腔体管基体101a两端进行密封：所述封口结构102设有多个堵头结构102b，通过所述堵头结构102b插入所述腔体管基体101a端口，同时使用704硅酮胶均匀涂抹结合部分进行密封，这样形成所有封闭腔体管101。另外其中一所述封口结构102上设有与各所述腔体管基体101a内部连通的气孔102a。

请参考图1，S3：通过3D打印技术打印出外壁层2，并将所述手臂基1体置于所述外壁层2内，并在所述手臂基体1与所述外壁层2之间布置纤维线，使纤维线环绕所述手臂基体1布置。

所述外壁层2两端开口，形状与所述手臂基体1的形状相似，且截面积稍微大于所述手臂基体1。所述手臂基体1置于所述外壁层2内部，所述外壁层2包围所述手臂基体1外壁，所述外壁层2与所述手臂基体1外壁之间形成封闭的间隔空间，且所述外壁层2设有与所述间隔空间连通的气管。

在所述间隔空间内布置纤维线，使所述纤维线环绕所述手臂基体1且紧密排列。再将所述手臂基体1上下两端的封口结构102与所述外壁层2内壁之间通过704硅酮胶封口涂抹密封，使所述间隔空间密封。这样通过气管吸气使所述间隔空间内部产生负压，使纤维线之间压紧，就增加了整个手臂的刚度。而由于纤维线构成的线干扰变刚度层3是可以任意扭转弯曲的，具有良好的顺应性。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：所述软体手臂包括：

手臂基体，其包括至少三软质封闭腔体管，所有封闭腔体管环绕一轴线分布且集成一体，每一所述封闭腔体管管壁内部缠绕有约束径向膨胀的纤维缠绕层、且一端设有气孔；

包围所述手臂基体外壁的软质外壁层，所述外壁层与所述手臂基体外壁之间形成封闭的间隔空间，且所述外壁层设有与所述间隔空间连通的气管；

以及设置于所述间隔空间内部的线干扰变刚度层，所述线干扰变刚度层由围绕所述手臂基体外壁设置的纤维线构成；

该制作方法包括以下步骤：

S1使软质材料通过模具注塑制作所需数量的腔体管基体，并在每一所述封闭腔体管的外壁缠绕纤维线形成纤维缠绕层；

S2制作手臂基体：使所有腔体管基体环绕一轴线分布，且任意相邻两所述腔体管基体外壁相切，对各所述腔体管基体之间的间隙注塑软质材料、以及在每一所述腔体管基体外壁注塑软质材料覆盖所述纤维缠绕层，然后通过两封口结构将所有腔体管基体两端密封，形成多个封闭腔体管，并在所述封口结构设置每一所述封闭腔体管的气孔；

S3通过3D打印技术打印出外壁层，并将所述手臂基体置于所述外壁层内，并在所述手臂基体与所述外壁层之间布置纤维线，使纤维线环绕所述手臂基体布置，然后封闭所述外壁层两端，并在所述外壁层上设置气管。

2.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：所述封闭腔体管的数量为三个，三所述封闭腔体管的外壁两两相切。

3.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：所述纤维缠绕层为螺旋缠绕于所述封闭腔体管侧壁中的纤维线。

4.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：所述手臂基体注塑成型，所述外壁层3D打印成型。

5.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：所述手臂基体包括至少三个腔体管基体及两封口结构，两所述封口结构分布密封所有腔体管基体两端形成所有封闭腔体管，每一所述封闭腔体管的气孔设置于一所述封口结构上。

6.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：通过模具注塑制作的腔体管基体表面形成用于布置纤维缠绕层的螺旋线槽。

7.如权利要求1所述的一种利用线干扰变刚度技术的高负载软体手臂的制作方法，其特征在于：注塑所使用的软质材料为硅胶材料，3D打印所使用的材料为类硅胶。

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