一种气颗粒混合驱动变刚度软体机器人的制作方法

本实用新型涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种气颗粒混合驱动变刚度软体机器人。

背景技术：

近年来,随着新材料与快速加工制造技术的发展，软体机器人技术已成为机器人技术领域的研究热点。与传统刚体机器人相比，软体机器人采用弹性聚合物、凝胶、流体及颗粒物质等低弹性模量材料制备的软体机器人具有环境适应能力强、内禀安全等特点，被视为扩展机器人能力边界的重要使能技术。软体抓手是目前最接近工程应用的软体机器人之一，与刚性工业机器人配合，可完成不规则、软质、易损物体的抓取和搬运。理想的软体抓手在接触物体时软体抓手应保持柔顺，贴合物体外形；需要抓取时，可以瞬时提高刚性，提高承载能力，并同时维持软体抓手的变形状态不变。现有采用气体驱动的气动软体抓手虽具有优良的柔顺性，能有效与物体外形贴合，但是气动软体抓手刚度低，承载能力有限，最大抓取重量只有5kg，应用范围受到极大限制，与工业需求还有较大差矩。

为提高软体抓手的承载能力，专利文献cn201711363921.4公开的一种变刚度软体机器人系统，包括软体机器人、真空抽气装置和粒子输送装置，所述软体机器人具有由弹性变形腔壁围成的容腔，所述弹性变形腔壁上设有抽真空通道和输送通道；所述真空抽气装置与抽真空通道连接，用于将容腔内部空气抽出实现容腔内部真空或负压；所述粒子输送装置与输送通道连接，向容腔内输送软体机器人的致变形介质。颗粒物质充满弹性变形腔壁内腔，当弹性变形腔壁抓取物体时，颗粒物质在弹性变形腔壁内流动以适应被抓物体的形状，后真空抽气装置使弹性变形腔壁抽真空或负压，颗粒物质体积分数减小，颗粒进入堵塞状态，有效增强了弹性变形腔壁的刚性，提高了软体机器人的承载能力，但随着弹性变形腔壁内颗粒物质增多，弹性变形腔壁对颗粒的约束反力逐渐增加，导致颗粒物质流动性降低，使得弹性变形腔壁对外呈现的变形柔顺性大大降低，弹性变形腔壁无法与物体外形有效贴合，影响物体的抓取，同时使得软体机器人能抓取物体的形状受到限制，应用范围有限。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种高柔顺性且大承载能力的气颗粒混合驱动变刚度软体机器人，能有效解决不规则形状、软质、易损物体的抓取和搬运需求。为了实现上述目的，本实用新型提供了一种气颗粒混合驱动变刚度软体机器人，包括：

具有内腔的弹性变形体；

抽真空充气装置，所述抽真空充气装置与所述弹性变形体相连接并用于向所述内腔充入气体，同时用于抽出所述内腔内的气体，使所述内腔形成真空或负压；

颗粒输送装置，所述颗粒输送装置与所述弹性变形体相连接并用于向所述内腔输送颗粒。

进一步地，所述弹性变形体上设有与所述内腔相连通的气体通道和颗粒输送通道，所述抽真空充气装置通过换向阀与所述气体通道相连通；所述颗粒输送装置与所述颗粒输送通道相连通。

进一步地，所述抽真空充气装置包括与所述弹性变形体相连接的气缸和与所述气缸相连接的第一直线驱动机构。

进一步地，所述抽真空充气装置还包括与所述弹性变形体相连接的真空泵。

进一步地，所述气体通道上设有用于防止所述颗粒通过的滤网。

进一步地，所述颗粒为具有稳定结构形态的固态粒子，所述固态粒子的直径为0.1-3mm。

进一步地，所述颗粒输送装置包括与所述弹性变形体相连接的柱塞组件和与所述柱塞组件相连接的第二直线驱动机构。

进一步地，还包括贴合所述弹性变形体外表面一侧设置的弹性衬板；所述弹性衬板的弹性模量大于所述弹性变形体的弹性模量。

进一步地，还包括控制装置；所述控制装置包括与所述抽真空充气装置相连接的压力真空表和与所述压力真空表相连接的控制器，所述控制器与所述抽真空充气装置和颗粒输送装置相连接。

本实用新型还提供了一种所述气颗粒混合驱动变刚度软体机器人的运行方法，包括如下步骤：

步骤s1、柔性状态：弹性变形体内腔与大气相通；

步骤s2、柔性变形状态：当弹性变形体接触被抓物体时，抽真空充气装置向弹性变形体内腔充入气体，且颗粒输送装置向弹性变形体内腔输送颗粒，通过气体和颗粒混合驱动弹性变形体顺应被抓物体发生变形，弹性变形体贴合物体外形；

步骤s3、刚性增强状态：完成步骤s2后，抽真空充气装置停止向内腔充入气体，颗粒输送装置停止向内腔输送颗粒；此时抽真空充气装置抽出弹性变形体内腔内的气体，内腔形成真空或负压，颗粒进入堵塞状态，弹性变形体刚性增强，且弹性变形体维持变形状态不变；

步骤s4、刚性维持状态：完成步骤s3后，抽真空充气装置停止抽真空，此时内腔内真空度维持不变，使弹性变形体形成一个稳定的刚性状态；

步骤s5、刚性状态转变至柔性状态：弹性变形体内腔与大气相通，大气进入内腔，内腔内颗粒具有流动性；此时在弹性变形体的弹性作用下，内腔内的颗粒被推出内腔而进入至颗粒输送装置内，弹性变形体恢复至初始柔性状态。本实用新型抓取物体时，弹性变形体接触被抓物体，抽真空充气装置向弹性变形体内腔充入气体，且颗粒输送装置向弹性变形体内腔充入颗粒，通过气体和颗粒混合驱动弹性变形体顺应被抓物体发生变形，其中气体的作用使得弹性变形体具有优良的柔顺性，从而弹性变形体能有效贴合物体外形；后抽真空充气装置抽出弹性变形体内腔内的气体，使内腔形成真空或负压，此时颗粒体积分数减小，颗粒进入堵塞状态，有效增强了弹性变形体的刚性，提高了本实用新型软体机器人的承载能力，且弹性变形体刚性提升后，在颗粒作用下，弹性变形体维持变形状态不变，因此本实用新型具有高柔顺性和大承载能力的特点，能有效解决不规则形状、软质、易损物体的抓取和搬运需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型弹性变形体与弹性衬板弯曲时的结构示意图。

上述附图标记：

1弹性变形体，2抽真空充气装置，3颗粒输送装置，4换向阀，5弹性衬板，6控制器，7压力真空表，101内腔，102颗粒输送通道，103气体通道，20气缸，21第一直线驱动机构，22真空泵，30柱塞组件，31第二直线驱动机构。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步说明，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例

如图1和2所示，本实施方式提供的一种气颗粒混合驱动变刚度软体机器人，包括：

具有内腔101的弹性变形体1；

抽真空充气装置1，所述抽真空充气装置1与所述弹性变形体1相连接并用于向所述内腔101充入气体，同时用于抽出所述内腔101内的气体，使所述内腔101形成真空或负压；

颗粒输送装置3，所述颗粒输送装置3与所述弹性变形体1相连接并用于向所述内腔101输送颗粒。

本实施方式所述弹性变形体1上设有与所述内腔101相连通的气体通道103和颗粒输送通道102，所述抽真空充气装置1通过换向阀4与所述气体通道103相连通；所述颗粒输送装置3与所述颗粒输送通道102相连通。其中抽真空充气装置通过气管与换向阀4相连接，换向阀4通过气管与气体通道103螺纹密封连接。颗粒输送装置3与颗粒输送通道102螺纹密封连接。

本实施方式中抽真空充气装置1的结构形式包括如下两种：

第一种：所述抽真空充气装置1包括与所述弹性变形体1相连接的气缸20和与所述气缸20相连接的第一直线驱动机构21。具体地，气缸20通过换向阀4与气体通道103相连通。如图1所示方位，当第一直线驱动机构21带动气缸20向右移动时，气缸20向弹性变形体1内腔101充入气体；当第一直线驱动机构21带动气缸20向左移动时，气缸20抽出弹性变形体1内腔101内的气体，使内腔101内形成真空或负压。其中换向阀4为二位三通换向阀，以实现软体机器人在变刚度过程中各状态过程的切换。

第二种：所述抽真空充气装置包括与所述弹性变形体1相连接的气缸20和与所述气缸20相连接的第一直线驱动机构21，且还包括与所述弹性变形体1相连接的真空泵22。具体地，气缸20和真空泵22通过换向阀4与气体通道103相连通。通过第一直线驱动机构21带动气缸20动作，而向弹性变形体1内腔101充入气体；通过真空泵22抽出弹性变形体1内腔101内的气体，使内腔101内形成真空或负压。其中换向阀4为三位四通换向阀，以实现软体机器人在变刚度过程中各状态过程的切换。

其中第一直线驱动机构21可以是直线电机，或旋转电机配曲柄滑块机构，或旋转电机配丝杆丝套机构，或旋转电机配齿轮齿条机构等，同时气缸20通过联轴器与第一直线驱动机构21相连接。本实施方式第一直线驱动机构21和气缸20可以直接采用现有的往复活塞式空气压缩机。

以抽真空充气装置1采用第二种结构为例，说明本实施方式软体机器人抓取物体时，弹性变形体1变刚度过程如下：

一、柔性状态：弹性变形体1内腔101与大气相通；其中换向阀4处于中位，弹性变形体1内腔与大气导通；

二、柔性变形状态：当弹性变形体1接触被抓物体时，第一直线驱动机构21带动气缸20向弹性变形体1内腔101充入气体，且颗粒输送装置3向弹性变形体1内腔101输送颗粒，通过气体和颗粒混合驱动弹性变形体1顺应被抓物体发生变形，其中气体的作用使得弹性变形体1具有优良的柔顺性，使弹性变形体1有效贴合物体外形。弹性变形体1处于柔性变形状态过程中，换向阀4处于左位，气缸20与弹性变形体1内腔导通，开启第一直线驱动机构21，即气缸20向弹性变形体1内腔101充入气体。

三、刚性增强状态：弹性变形体1完成柔性变形后，第一直线驱动机构21停止动作，气缸20停止向内腔101充入气体，颗粒输送装置3停止向内腔101输送颗粒；此时真空泵22抽出弹性变形体1内腔101内的气体，内腔101形成真空或负压，颗粒体积分数减小，颗粒之间、颗粒和内腔之间紧密接触，颗粒进入堵塞状态，弹性变形体1刚性增强，承载能力增强，且在颗粒作用下，弹性变形体1维持变形状态不变。其中弹性变形体1刚性增强过程中，换向阀4处于右位，真空泵22与弹性变形体1内腔导通，开启真空泵22，即真空泵22抽出弹性变形体1内腔101内气体。

四、刚性维持状态：弹性变形体1刚性增强后，真空泵22停止抽真空，即真空泵22处于关闭状态，此时内腔101内真空度维持不变，使弹性变形体1形成一个稳定的刚性状态，此过程下，可以完成物体抓取和搬运。其中弹性变形体1刚性维持过程中，换向阀4仍处于右位。

五、刚性状态转变至柔性状态：弹性变形体1内腔101与大气相通，大气进入内腔101，内腔101内颗粒体积分数增加，颗粒具有流动性，此时在弹性变形体1的弹性作用下，内腔101内的颗粒被推出内腔101而进入至颗粒输送装置3内，弹性变形体1恢复至初始柔性状态。其中弹性变形体1由刚性状态转变至柔性状态过程中，换向阀4处于中位，弹性变形体1内腔101与大气导通。

以上为本实施方式软体机器人的一个完整变形过程。

本实施方式软体机器人具有高柔顺性和大承载能力的特点，能有效解决不规则形状、软质、易损物体的抓取和搬运需求，应用范围广。

本实施方式所述气体通道103上设有用于防止所述颗粒通过的滤网。当抽真空充气装置2抽出弹性变形体1内腔101内气体时，滤网防止弹性变形体1内的颗粒从气体通道103抽至抽真空充气装置2内。

本实施方式优选地，所述颗粒为具有稳定结构形态的固态粒子，所述固态粒子的直径为0.1-3mm，优选地，固态粒子的直径为1-3mm，其中滤网的网孔小于固态粒子的直径。

本实施方式所述颗粒输送装置3包括与所述弹性变形体1相连接的柱塞组件30和与所述柱塞组件30相连接的第二直线驱动机构31。其中柱塞组件30可以采用现有注射器结构，第二直线驱动机构31可以是直线电机，或旋转电机配曲柄滑块机构，或旋转电机配丝杆丝套机构，或旋转电机配齿轮齿条机构等，同时柱塞组件30通过联轴器与第二直线驱动机构31相连接。本实施方式颗粒输送装置3还可以采用专利文献cn201711363921.4公开的一种变刚度软体机器人系统中所使用的粒子输送装置。本实施方式中，颗粒容纳至柱塞组件30内，通过第二直线驱动机构31驱动柱塞组件30向着弹性变形体1运动，以将柱塞组件30内的颗粒输送至弹性变形体1内腔101内，实现颗粒输送过程；当通过第二直线驱动机构31驱动柱塞组件30背离弹性变形体1运动时，柱塞组件30将弹性变形体1内腔101内的颗粒抽出至柱塞组件3内，实现颗粒抽出过程，颗粒输送和抽出操作简单。

本实施方式中，弹性变形体1采用硅橡胶材料制成，或现有的其他弹性材料制成。

本实施方式进一步优选地，所述气颗粒混合驱动变刚度软体机器人还包括贴合所述弹性变形体1外表面一侧设置的弹性衬板5；所述弹性衬板5的弹性模量大于所述弹性变形体1的弹性模量。以当弹性变形体1处于柔性变形状态过程中时，由于弹性衬板5的弹性模量大于弹性变形体1的弹性模量，弹性变形体1和弹性衬板5发生弯曲变形，如图2所示，以适用于相应规则形状的物体的抓取和搬运。当弹性变形体1由刚性状态转变至柔性状态过程中时，颗粒推出内腔101后，弹性变形体1和弹性衬板3在自身弹性作用下，恢复至初始状态。其中弹性变形体1采用硅橡胶材料制成，弹性衬板5采用pu或pp材料制成。

开展仿真实验确定在气颗粒混合驱动下颗粒传递的恰当压力，压力过大会降低弹性变形体1的柔顺性；压力过小，抽真空颗粒堵塞时，不能很好地保持弹性变形体1变形状态不变，具体实验方法如下：

1、向弹性变形体1内腔101内逐步加入颗粒，测试内腔101内填充不同体积颗粒时弹性变形体1以及在抽真空时弹性变形体1的变形量，综合考虑这两种需求确定颗粒相对于弹性变形体1的最佳填充体积。随后通过dem-fem耦合仿真，确定充入最佳填充体积颗粒时颗粒之间的平均接触压力pp，并将其作为最佳颗粒传递压力。

2、考虑单纯气压驱动软体机器人情况，针对给定的弹性变形体1，通过气颗粒耦合fem仿真，计算弹性变形体1处于变形量s时应施加的气压为pa（s）。

3、对于气颗粒混合驱动情况，当弹性变形体1变形量为s时，抽真空充气装置2充入气体压力的控制目标应为pa（s）-pp，同时弹性变形体1压入一定体积的颗粒，使颗粒充满弹性变形体1内腔。

为实现抽真空充气装置2充入弹性变形体1内腔101内气压的精确控制，所述气颗粒混合驱动变刚度软体机器人还包括控制装置；所述控制装置包括与所述抽真空充气装置2相连接的压力真空表7和与所述压力真空表7相连接的控制器6，所述控制器6与所述抽真空充气装置2和颗粒输送装置3相连接。其中控制器6可以采用西门子s7-200可编程控制器。具体地，控制器6与第一直线驱动机构21和第二直线驱动机构31相连接。本实施方式中，压力真空表7监测抽真空充气装置2充入至弹性变形体1内腔101内气体的压力，并将监测信号反馈至控制器6；以在控制器6作用下，精确控制抽真空充气装置2充入弹性变形体1内的气压，同时根据气压精确控制颗粒输送装置3输送至内腔101内的颗粒体积，如此实现气压的精密闭环控制。同时抽真空充气装置2抽出弹性变形体1内腔101内气体时，通过压力真空表7监测内腔101内的真空度，以有效控制弹性变形体1颗粒堵塞的程度，从而实现弹性变形体1刚度的控制。

本实施方式中，抽真空充气装置2向弹性变形体1内腔101充入气体时，同步地，颗粒输送装置3向弹性变形体1内腔输送颗粒；也可以是抽真空充气装置2先向弹性变形体1内腔101充入部分气体，后颗粒输送装置3向弹性变形体1内腔输送部分颗粒，如此不断循环，直到抽真空充气装置2充入气体压力为pa（s）-pp，且颗粒充满弹性变形体1内腔。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。