基于堵塞机理的变刚度软体驱动器、软体手臂和软体平台的制作方法

本发明涉及机器人研究领域，特别是一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器。

背景技术：

在机器人研究领域，已经不再仅仅要求机器人具有更大负载能力，更大刚度，更高的精度，更要求机器人具有较好的柔性及环境适应能力，如狭缝空间机器人的通过能力。这种对环境的适应性是目前的基于刚体的机器人无法实现的。

针对此问题，本发明研究了一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器，该驱动部件具有极好的柔性的同时，在需要较大刚度时，又可以提供较大的刚度，也即通过变刚度机理，既能够有较大的柔性，又可以具有较大刚度，从而具有极好的环境适应能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器，该基于堵塞机理的变刚度软体驱动器具有极好的环境适应能力，通过变刚度原理，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器，包括真空泵和单元模块，单元模块包括内柔性骨架、气管、外柔性层、堵塞机构、形变堵头和堵塞堵头。

内柔性骨架具有中心通孔，位于中心通孔外周的内柔性骨架上沿周向均布有若干个形变孔。

外柔性层包覆在内柔性骨架的外周。

每个形变孔的两端各密封填充一个形变堵头。

堵塞机构固定在中心通孔内，堵塞机构包括支撑骨架、弹性连接绳索，大球颗粒、小球颗粒、收紧弹簧和密封薄膜。

位于堵塞机构两端的中心通孔内各填充一个堵塞堵头。

支撑骨架为对称结构，支撑骨架的数量为若干个，弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，且每个支撑骨架均与弹性连接绳索固定连接；弹性连接绳索的两端分别与两个堵塞堵头固定连接。

相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒以弹性连接绳索为中心，沿周向均布在容纳腔内，且大球颗粒之间均通过收紧弹簧相连接；小球颗粒填充在容纳腔的剩余空间内。

密封薄膜包覆在支撑骨架和小球颗粒的外周。

堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管，每根气管的另一端均与真空泵相连接。

每个单元模块均还包括包裹层，包裹层包覆在外柔性层的外周。

通过对若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对单元模块的拉伸、压缩或弯曲。

堵塞机构在自由状态下，具有柔性；当堵塞机构内吸真空后，则堵塞机构将由柔性转变为刚性状态。

支撑骨架的形状为菱形、椭圆形或双曲线形。

密封薄膜的外周与中心通孔的内壁相粘接固定。

本发明还提供一种基于堵塞机理的变刚度软体手臂，该基于堵塞机理的变刚度软体手臂具有极好的环境适应能力，通过变刚度原理，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。

一种基于堵塞机理的变刚度软体手臂，包括若干个单元模块；若干个单元模块相互串联，相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头和形变堵头形成连接；所有气管均与真空泵相连接。

本发明还提供一种基于堵塞机理的变刚度软体平台，该基于堵塞机理的变刚度软体平台具有极好的环境适应能力，通过变刚度原理，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。

一种基于堵塞机理的变刚度软体平台，包括变刚度软体手臂、地脚、刚性连接关节和平台面；平台面的底部设置有若干个刚性连接关节，地脚的顶部固定一个刚性连接关节，相邻两个刚性连接关节之间均设置一根变刚度软体手臂。

平台面为三角形，平台面的每个边角底部各设置一个刚性连接关节，地脚的数量也为三个。

本发明具有的有益效果是：

1、当堵塞机构内腔内为正常气压，也即不进行吸真空时，堵塞机构则具有柔性。

2、对内柔性骨架的形变孔内充入不同气压的气体，则能实现单元模块为压缩、拉伸、弯曲的驱动状态。

3、整个单元模块变形后，对堵塞机构吸真空，此时堵塞机构将转变为刚性部件。由于堵塞机构的内部支撑作用，整个单元模块也变成了刚性部件。也即实现了从柔性向刚性的转变，变刚度。从而，本发明具有极好的环境适应能力，通过变刚度原理，既能具有较大柔性，又能具有较大刚性。

附图说明

图1显示了本发明一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器的纵剖面结构示意图。

图2显示了本发明一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器的截面结构示意图。

图3显示了堵塞机构的纵剖面结构示意图。

图4显示了堵塞机构处于压缩状态时的示意图。

图5显示了堵塞机构处于拉伸状态时的示意图。

图6显示了堵塞机构处于弯曲状态时的示意图。

图7显示了堵塞机构第二种实施例的结构示意图。

图8显示了堵塞机构第三种实施例的结构示意图。

图9显示了变刚度软体手臂的结构示意图。

图10显示了变刚度软体手臂其中一种应用实例图。

图11显示了变刚度软体手臂另一种应用实例图。

图12显示了变刚度软体平台的结构示意图。

其中有：

100.单元模块；

110.内柔性骨架；111.中心通孔；112.堵塞堵头；113.形变孔；114.形变堵头；

120.气管；130.外柔性层；140.包裹层；

150.堵塞机构；

151.支撑骨架；152.弹性连接绳索；153.大球颗粒；154.收紧弹簧；155.小球颗粒；156.密封薄膜；

200.真空泵；

300.变刚度软体手臂；

410.地脚；420.刚性连接关节；430.平台面；

500.球体；600.复杂环境；610.狭缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图6所示，一种基于堵塞机理的变刚度软体驱动器，包括真空泵200和单元模块100。

单元模块100包括内柔性骨架110、气管120、外柔性层130、包裹层140、堵塞机构150、形变堵头114和堵塞堵头112。

内柔性骨架具有中心通孔111，位于中心通孔外周的内柔性骨架上沿周向均布有若干个形变孔113，本发明中形变孔的数量优选为3个。

外柔性层包覆在内柔性骨架的外周，优选外柔性层与内柔性骨架固定连接，进一步优选为粘结，外柔性层的材料优选为硅胶等。

包裹层包覆在外柔性层的外周。

上述包裹层优选为膜状或者网状结构，与外柔性层固定连接。

上述内柔性骨架也采用硅胶、橡胶或其他高分子材料，通过不同配比，使内柔性骨架的硬度或刚度大于外柔性层。

每个形变孔的两端各密封填充一个形变堵头。

堵塞机构固定在中心通孔内，如图3所示，堵塞机构150包括支撑骨架151、弹性连接绳索152，大球颗粒153、小球颗粒155、收紧弹簧154和密封薄膜156。

位于堵塞机构两端的中心通孔内各填充一个堵塞堵头。

支撑骨架为对称结构，支撑骨架的数量为若干个，支撑骨架的形状优选为如图3所示的菱形，但也可以为如图7所示的椭圆形或如图8所示的双曲线形等，也均在本发明的保护范围之类。

支撑骨架的材料优选为塑料，pvc，高分子等轻质材料。

弹性连接绳索依次从每个支撑骨架的对称中心穿过，且且每个支撑骨架均与弹性连接绳索固定连接；弹性连接绳索的两端分别与两个堵塞堵头固定连接。

相邻两个支撑骨架之间均具有容纳腔；大球颗粒以弹性连接绳索为中心，沿周向均布在容纳腔内，且大球颗粒之间均通过收紧弹簧相连接；小球颗粒填充在容纳腔的剩余空间内。

密封薄膜包覆在支撑骨架和小球颗粒的外周，密封薄膜的外周优选与中心通孔的内壁相粘接固定。密封薄膜优选由高强度低弹性材料制成，将大球颗粒和菱形骨架密封成一体结构。

堵塞机构和每个形变孔内均各设置有一根气管120，气管中部分别从对应的堵头中密封穿出，每根气管的另一端均与真空泵相连接。

通过对若干个形变孔内气体压力的控制，能实现对单元模块为拉伸、压缩或弯曲等驱动状态。

如图4所示，堵塞机构在自由状态（也即不吸真空）时，大球颗粒通过收紧弹簧的作用，压紧支撑骨架，当支撑骨架为菱形时，大球颗粒轻轻的压在菱形骨架上，并与菱形骨架相切，使大球颗粒不至于随机散落在整个容纳腔内，使大球颗粒的运动具有确定性。弹性连接绳索与每个菱形骨架的中心固定连接，具有一定的弹性。如图5所示，当单元模块被拉伸时，支撑骨架间的距离变大，弹性连接绳索产生拉伸变形。大球颗粒始终嵌在支撑骨架之间，传递外界压力。此时单元模块的刚度很低，即具有柔性。

当然，通过对若干个形变孔内气体压力的控制，还能实现如图6所示的弯曲。

当单元模块已达到设定的拉伸、压缩或弯曲状态后，通过对堵塞机构内抽真空，即能使单元模块实现从柔性向刚性的转变，即变刚度。具体为：对堵塞机构的内腔吸真空时，由于外部压力，使得大球颗粒、小球颗粒、支撑骨架仅仅地挤压在一起，依靠摩擦力，咬合力，使堵塞机构的刚度极具增加，即刚性。

如图9所示，一种基于堵塞机理的变刚度软体手臂，包括若干个单元模块100；若干个单元模块相互串联，相邻两个单元模块之间通过共用的堵塞堵头112和形变堵头114形成连接；所有气管均与真空泵相连接。

上述变刚度软体手臂300，极具灵活性，具体应用如图10和图11所示。在图10中，变刚度软体手臂能实现对球体500的抓取。在图11中，变刚度软体手臂类似一个软体蛇，能通过复杂环境600中的狭缝610。

如图12所示，一种基于堵塞机理的变刚度软体平台，包括变刚度软体手臂300、地脚410、刚性连接关节420和平台面430。

平台面的底部设置有若干个刚性连接关节，地脚的顶部固定一个刚性连接关节，相邻两个刚性连接关节之间均设置一根变刚度软体手臂。

上述平台面优选为三角形，平台面的每个边角底部各设置一个刚性连接关节，地脚的数量也优选为三个。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。