CN115383774A - 一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、及软体抓手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、及软体抓手，该驱动器包括：内软体管，侧壁内设有纤维线，设有与其内部连通的第一通气孔；变刚度结构，包括两纤维单元，纤维单元包括基座和多个纤维束，每一纤维束仅一端连接基座，各纤维束环绕基座边缘间隔设置，两纤维单元的基座分别固定连接内软体管的两端，使每一纤维单元的一纤维束插设于另一纤维单元的两纤维束之间；以及外软体套，设有第二通气孔连通外软体套与内软体管之间。本发明的有益效果：驱动器内部的变刚度结构可跟随驱动器拉伸，有效提高软体伸长驱动器的拉伸成形稳定性；解决了传统颗粒干扰变刚度因拉伸而出现的局部空腔问题，具有全局可变刚度的特性。

Description

一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、及软体抓手

技术领域

本发明涉及软体驱动器技术领域，尤其涉及一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、及软体抓手。

背景技术

软体驱动器是软体抓手的核心执行部件，对软体抓手的性能提高具有重要意义。具有伸长功能的软体驱动器是最常见的驱动器之一，可被应用于软体抓手中，并为调整抓手的抓取范围提供了一种很有前景的解决方案。然而，软体伸长驱动器在高载荷的情况下，难以保持其拉伸形状的稳定性。例如，当软体抓手需要抓取较重且较大的物体时，由于软体伸长驱动器的柔软特性，导致负载能力差，难以抵抗来自被抓物体的反向作用力，就会造成抓取不稳定的情况发生。

近年来，变刚度技术被开发出来，并被视作是解决软体驱动器柔软问题的一种有效途径。现有变刚度技术有两类，一类是通过智能材料法变刚度，另一类是通过结构间的互相挤压变刚度(俗称干扰法)。前者通过施加光、电、热等外界刺激改变材料本身的分子特性，从而从软状态变为硬状态。后者通过将颗粒介质、层状介质等聚集在一个薄膜内，然后施加负压，使介质之间压紧而改变刚度。

然而，现有的变刚度技术在应用于伸长驱动器时有很大的局限性。不论是智能材料法变刚度还是负压干扰法变刚度，都难以应用于伸长驱动器中。这是因为变刚度材料/变刚度结构自身不具有拉伸性，无法随着伸长驱动器的拉伸而拉伸。以颗粒干扰法为例，当颗粒干扰结构被拉伸时，就会因为拉伸而出现一个空腔区域，无法全局变刚度，即变刚度功能失效。同样，层干扰法也是如此。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有变刚度结构难以应用于软体伸长驱动器中，导致驱动器在工作时硬度较低，易发生变形和抓取松弛的问题，本发明的实施例提供了一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、及软体抓手。

本发明的实施例提供一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，包括：

内软体管，其两端封闭、侧壁内设有螺旋缠绕的纤维线，且所述内软体管设有与其内部连通的第一通气孔；

变刚度结构，其套设于所述内软体管外围，包括两纤维单元，每一所述纤维单元包括基座和多个纤维束，每一所述纤维束仅一端连接所述基座，各所述纤维束环绕所述基座边缘间隔设置，两所述纤维单元的基座分别固定连接所述内软体管的两端，使每一所述纤维单元的一纤维束插设于另一所述纤维单元的两纤维束之间；

以及外软体套，其套设于所述变刚度结构外围，且设有第二通气孔，所述第二通气孔连通所述外软体套与所述内软体管之间的空间。

进一步地，每一所述纤维单元的各所述纤维束分布于一圆周上，两所述纤维单元拼接为中空的圆柱体。

进一步地，所述外软体套为两端封闭的圆柱管体。

进一步地，所述内软体管包括两端开口的内管体，所述外软体套包括外管体和两端盖，所述端盖的内侧面设有凸起的连接环，每一所述端盖的边缘密封连接所述外管体一端，且每一所述连接环密封连接所述内管体的一端。

进一步地，所述内软体管、所述变刚度结构和所述外软体套三者轴线重合。

进一步地，所述基座为环形片，所述基座套设于所述内软体管的一端并与所述内软体管外壁固定连接。

进一步地，所述内软体管和/或所述外软体套均为硅胶材质。

并且在上述基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器的基础上，本发明的实施例还提供了一种软体抓手，包括上述基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，还包括外壳、以及与所述外壳两端滑动连接的两活动臂，所述驱动器设置于所述外壳内，且所述外软体套的两端分别连接两所述活动臂，以驱动两所述活动臂相对运动。

进一步地，所述活动臂包括滑块、以及与所述滑块连接的夹爪，所述滑块滑动设置于所述外壳内。

进一步地，所述夹爪的下端设有接触气囊。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，驱动器内部的变刚度结构可跟随驱动器拉伸，有效提高软体伸长驱动器的拉伸成形稳定性。

2、本发明的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，解决了传统颗粒干扰变刚度/层干扰变刚度中，因拉伸而出现的局部空腔问题，具有全局可变刚度的特性。

3、本发明的本发明的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，具有通用性，可适用于绝大多数的软体伸长驱动器。

4、本发明的一种软体抓手，可自动调节抓取距离，实现稳定的调节抓取范围，并可有效抵抗物体的反向作用力，提高软体抓手在调节抓取间距时的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100的立体图；

图2是本发明一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100的爆炸图一；

图3是本发明一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100的爆炸图二；

图4是本发明一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100的截面图；

图5是纤维单元的立体图；

图6是纤维单元的仰视图；

图7是本发明一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100伸长时两纤维单元的运动示意图；

图8是本发明一种软体抓手的立体图；

图9是活动臂的立体图；

图10是本发明一种软体抓手的俯视图；

图11是图10中的A-A剖面示意图。

图中：100-基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器、1-外软体套、2-内软体管、3-变刚度结构、4-外管体、5-第一通气孔、6-第二通气孔、7-端盖、8-纤维单元、9-基座、10-纤维束、11-连接环、101-外壳、101a-滑槽、102-活动臂、102a-滑块、102b-夹爪、102c-凸条、102d-接触气囊。

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。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1、2、3和4，本发明的实施例提供了一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100，为圆柱形伸长驱动器，主要包括由内至外依次设置的内软体管2、变刚度结构3和外软体套1。

其中，所述内软体管2为圆柱管体，所述内软体管2的两端保持封闭设置，使所述内软体管2内部形成密封空间。所述内软体管2侧壁内设有螺旋缠绕的纤维线，所述内软体管2设有与其内部连通的第一通气孔5。通过所述第一通气孔5可对所述内软体管2内充气，且在充气时所述纤维线可以抑制所述内软体管2径向膨胀，使所述内软体管2只能沿着轴向伸长。

一般的，所述内软体管2为硅胶材质，利用注塑模具由硅胶注塑成型。在所述内软体管1注塑时分先后两次注塑，将纤维线均匀螺旋缠绕在前一次注塑的半成品表面，然后进行后一次注塑制成所述内软体管2，将纤维线注塑在所述内软体管2的侧壁内部。

如图3和4所示，所述变刚度结构3套设于所述内软体管2外围，所述变刚度结构3由上下布置的两纤维单元8组成，两所述纤维单元8分别套设于所述内软体管2的两端并与所述内软体管2两端固定连接，两所述纤维单元8仅仅接触，可产生相对滑动。具体的，

如图5和6所示，每一所述纤维单元8包括基座9和多个纤维束10，每一所述纤维束10仅一端连接所述基座9、另一端自由设置，各所述纤维束10环绕所述基座9边缘间隔设置。所述基座9具体为环形片，每一所述纤维束10相对所述基座9垂直设置，且一端与所述基座9的边缘粘接固定连接，这样每一所述纤维单元8的各所述纤维束10分布于所述基座9边缘的圆周上。

每一所述纤维单元8的所述基座9套设于所述内软体管2的一端并与所述内软体管2外壁固定连接，使两所述纤维单元8的基座9分别固定连接所述内软体管2的两端。同时，每一所述纤维单元8的一纤维束10插设于另一所述纤维单元8的两所述纤维束10之间的空隙，这样两所述纤维单元8恰好拼接为中空的圆柱体，形成所述变刚度结构3，两所述纤维单元8的各所述纤维束10之间仅仅接触，无阻碍关系。

优选的，每一所述纤维单元8的各所述纤维束10均匀分布于所述基座9边缘的圆周上。所述纤维束10的数量可以根据所述变刚度结构3的直径灵活设置，如本实施例中所述纤维束10的数量为四个，四所述纤维束10均匀分布于所述基座9边缘的圆周上，每一所述纤维束10对应的圆周角为45°。

所述纤维束10由多根纤维条组成。在进行所述变刚度结构制作时，所述纤维束10的纤维条采用Po lyjet 3D打印技术，直接3D打印软胶材质。所述基座9可采用Po lyjet 3D打印技术3D打印，也可以采用模具注塑制作。

继续如图3和4所示，所述外软体套1套设于所述变刚度结构3外围，所述外软体套1的两端分别连接所述内软体管2的两端，且所述外软体套1设有第二通气孔6，所述第二通气孔6连通所述外软体套1与所述内软体管2之间的空间。所述外软体套1为两端封闭的圆柱管体，同样是由硅胶材质注塑成型。为了使所述内软体管2伸长可以更好的带动所述外软体套1伸长，所述内软体管2、所述变刚度结构3和所述外软体套1三者轴线重合。

为了便于所述内软体管2、所述变刚度结构3和所述外软体套1组装，如图2所示，所述内软体管2包括两端开口的内管体，所述外软体套1包括外管体4和两端盖7，所述端盖7的内侧面设有凸起的连接环11，每一所述端盖7的边缘与所述外管体4一端通过粘接实现密封连接，且每一所述连接环11嵌入所述内管体的一端，再通过粘接实现密封连接。

所述第一通气孔5设置于一所述端盖7的中心，与所述内管体的一端连通。所述第二通气孔6设置于一所述端盖7的边缘，所述第二通气孔6可以设置为多个，每一所述第二通气孔6连通所述外软体套1内壁与所述内软体管2外壁之间的空间。

上述基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100工作时，可通过第一通气孔5对所述内软体管2内通气，在气压作用下所述内软体管2伸长。由于两所述纤维单元8的纤维束10之间没有阻碍，两所述纤维单元8的纤维束10可以如图7所示的柔顺的错开。随后通过所述第二通气孔6对所述外软体套1内抽负压，使两所述纤维单元8的纤维束10变硬，从而可以改变所述驱动器100整体的刚度。这样就克服了变刚度材料/变刚度结构自身不具有拉伸性，无法随着伸长驱动器的拉伸而拉伸的问题。

另外在上述基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100的基础上，本发明的实施例还提供了一种软体抓手，如图8所示，该软体抓手包括上述基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器100(图中未视出)，还包括外壳101、以及与所述外壳101两端滑动连接的两活动臂102。

具体的，如图10和11所示，所述外壳101为中空的长方体，其两端开口，且内壁靠近两端均设有滑槽101a。

如图9和11所示，所述活动臂102包括滑块102a、以及与所述滑块102a连接的夹爪102b。所述滑块102a滑动设置于所述外壳101内，所述滑块102a的两侧均设有凸条102c，每一所述滑块102a安装于所述外壳101的一端，且所述滑块102a的凸条102c卡入所述滑槽101a内，使所述滑块102a可在所述外壳101内滑动。

所述夹爪102b位于所述外壳101下方，所述外壳101底部设有避让口，所述夹爪102b的上端穿过所述避让口连接所述滑块102a，使所述夹爪102b可以受所述滑块102a带动而运动。

所述驱动器100设置于所述外壳101内，具体容置所述外壳101内两所述滑块102a之间，且所述驱动器100的外软体套1的两端分别连接两所述活动臂102，在所述驱动器100伸缩时可以带动两所述滑块102a滑动，进而驱动两所述活动臂102相对靠近或远离。

所述夹爪102b的下端用于夹持物品。优选的，所述夹爪102b下端设有接触气囊102d，通过所述接触气囊102d与物体直接接触，可以起到缓冲的作用，防止损坏物体。

上述软体抓手是基于仿生人手的设计思路而设计，模拟了人手的手指开合姿态，可以灵巧的抓取多尺寸多形状的物体。在抓取时，我们先对所述驱动器100的所述内软体管2内充气，使所述内软体管2伸长，驱动两所述夹爪102b远离，然后对所述内软体管2放气直至两所述夹爪102b夹住物体，然后对所述外软体套1和所述内软体管2之间抽真空，使两所述纤维单元8的纤维束10刚度提高，再将物体提起，这样可以抵抗抓取过程中来自物体对抓取的反向作用力，具有抓取稳定的有益效果。

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。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，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 (10)

1.一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于，包括：

内软体管，其两端封闭、侧壁内设有螺旋缠绕的纤维线，且所述内软体管设有与其内部连通的第一通气孔；

变刚度结构，其套设于所述内软体管外围，包括两纤维单元，每一所述纤维单元包括基座和多个纤维束，每一所述纤维束仅一端连接所述基座，各所述纤维束环绕所述基座边缘间隔设置，两所述纤维单元的基座分别固定连接所述内软体管的两端，使每一所述纤维单元的一纤维束插设于另一所述纤维单元的两纤维束之间；

以及外软体套，其套设于所述变刚度结构外围，且设有第二通气孔，所述第二通气孔连通所述外软体套与所述内软体管之间的空间。

2.如权利要求1所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：每一所述纤维单元的各所述纤维束分布于一圆周上，两所述纤维单元拼接为中空的圆柱体。

3.如权利要求2所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：所述外软体套为两端封闭的圆柱管体。

4.如权利要求3所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：所述内软体管包括两端开口的内管体，所述外软体套包括外管体和两端盖，所述端盖的内侧面设有凸起的连接环，每一所述端盖的边缘密封连接所述外管体一端，且每一所述连接环密封连接所述内管体的一端。

5.如权利要求3所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：所述内软体管、所述变刚度结构和所述外软体套三者轴线重合。

6.如权利要求1所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：所述基座为环形片，所述基座套设于所述内软体管的一端并与所述内软体管外壁固定连接。

7.如权利要求1所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，其特征在于：所述内软体管和/或所述外软体套均为硅胶材质。

8.一种软体抓手，其特征在于：包括如权利要求1～7任意一项所述的一种基于环状交叉纤维干扰的软体驱动器，还包括外壳、以及与所述外壳两端滑动连接的两活动臂，所述驱动器设置于所述外壳内，且所述外软体套的两端分别连接两所述活动臂，以驱动两所述活动臂相对运动。

9.如权利要求8所述的一种软体抓手，其特征在于：所述活动臂包括滑块、以及与所述滑块连接的夹爪，所述滑块滑动设置于所述外壳内。

10.如权利要求9所述的一种软体抓手，其特征在于：所述夹爪的下端设有接触气囊。

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