本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种软体机器人变刚度关节模块。
背景技术：
随着机器人应用从工业领域向社会服务、环境勘测等领域扩展，机器人的作业环境从简单、固定、可预知的结构化环境变为复杂、动态、不确定的非结构化环境，要求机器人向智能化、柔性化，协作化发展。智能化赋予机器人更强的自主控制能力，柔性化使机器人具有更好的环境适应性，协作化使机器人安全性更高。在高端制造、医疗康复、国防安全等领域，传统刚性机器人已不能满足要求。近年来，研究人员尝试将软体动物有关生物学原理应用到机器人系统研究与设计中，提出了柔性软体机器人的概念。所谓软体机器人，是指由可承受大应变软材料组成，具有驱动-结构一体化特点，可大范围任意改变自身形状和尺寸的机器人。此类机器人能够通过爬行、扭动、蠕动等仿生运动穿过狭小空间，具有无限多构型使末端执行器到达工作空间中的任意一点，在军事侦查、精密加工及微创医疗等领域具有广泛的应用前景。
目前由软物质构成的软体机器人刚度普遍较低，在受到外力作用时会产生较大变形，负载能力差，严重制约软体机器人的进一步发展。如果能使软体机器人机构刚度根据负载要求可变，则可极大提高软体机器人的作业能力。
目前软体机器人变刚度方式包括：通过气压调控粒子阻塞程度，磁流变液在有无磁场时屈服应力的变化及电流变液在有无电场时固液相转化，介电弹性体在不同电压下杨氏模量的变化等。介电弹性体杨氏模量较低，很难用其制成满足刚度要求的承载机构。采用粒子阻塞、磁电变液、电流变液及低熔点合金，需要将固体颗粒及液体封闭在机器人体内，从而增加机构自重，影响变形精度。此外，采用气体或液体驱动变形的软体机器人响应速度低，辅助设备较多，需要在内部加工复杂腔道，面临泄露风险，微型化困难。
因此，目前变刚度机器人存在刚度调节范围小，结构复杂，运动和刚度控制耦合等问题。形状记忆聚合物(shapememorypolymer，smp)是一种具有模量大范围变化能力的新型智能材料。该材料在外界环境变化(如温度、光、电、酸碱度等)刺激下，可以从刚性状态转变为柔软状态；当外界环境恢复到初始状态时，其又能恢复原有的刚性。因此，smp为可用于软体机器人的变刚度调控。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低电压驱动的软体机器人变刚度关节模块，该模块基于smp材料，由电活性聚合物(electroactivepolymer，eap)软体驱动器提供变形力，具有良好的环境适应能力，可解决软体机器人负载能力弱，刚度不足的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种软体机器人变刚度关节模块，包括主动变形部以及与其连接的连接部，所述连接部包括弹性基体以及设于弹性基体上的圆柱形电极和片状电极，所述主动变形部包括热敏smp变刚度弹性基体以及设于该热敏smp变刚度弹性基体表面的eap软体驱动器，所述热敏smp变刚度弹性基体内嵌柔性加热电路，所述圆柱形电极连接柔性加热电路，所述eap软体驱动器的前后端设有与所述连接部的片状电极相配合的凹槽。
工作时，所述热敏smp变刚度弹性基体在接通或关闭柔性加热电路时，分别实现橡胶态与玻璃态的转变，所述eap软体驱动器两端的电极加载电压时，产生弯曲变形，驱动模块产生变形，分别通过调节温度场与电场控制整个模块的刚度与变形量，实现不同位形与输出力。
进一步地，所述柔性加热电路包括若干根柔性电热丝单元、两根柔性导线以及四个圆柱形接线端子，该柔性加热电路拓扑结构采用并联结构。
进一步地，所述柔性电热丝单元平行布置在两根柔性导线之间，相邻柔性电热丝单元的间距为l/n，其中，l为主动变形部的长度，n为实验得到的柔性电热丝单元个数。
进一步地，所述圆柱形电极设有两个，所述片状电极设有四个，所述圆柱形电极与所述圆柱形接线端子相连接，所述片状电极与所述eap软体驱动器前后端的凹槽配合连接。
进一步地，所述主动变形部的外侧包裹一层弹性约束层。
进一步地，所述弹性约束层的材料为硅胶，并与主动变形部胶接。
进一步地，所述smp变刚度弹性基体的截面为矩形，所述eap软体驱动器的截面为矩形，所述eap软体驱动器贴合于热敏smp变刚度弹性基体的上下表面。
进一步地，所述eap软体驱动器采用离子型eap驱动器以实现低电压驱动。
进一步地，所述热敏smp变刚度弹性基体采用玻璃化转变温度低的smp材料，可通过3d打印成形。
进一步地，所述软体机器人变刚度关节模块的后端设有圆形及矩形电极孔，可与下一模块连接部的圆柱形电极及片状电极配合，实现多个模块相互连接在一起。
本发明的技术构思为：软体机器人可在大范围内任意改变形状与尺寸，对非结构化环境具有极强的适应性，但负载能力有限，本发明针对传统软体机器人负载能力不足，提出基于多元智能材料的机器人变刚度关节模块，利用刚度可调热敏smp材料作为机器人主体，利用eap软体驱动器产生机构大变形，从而使软体机器人同时具有柔性大变形能力与刚性大负载能力。
软体机器人变刚度为刚-柔-软耦合柔顺结构，属于典型的共融机器人。本发明面向高端制造、医疗康复、国防安全等领域对软体机器人的需求，对刚-柔-软耦合类智能机构的设计具有指导意义。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：
1、将热敏smp与eap驱动器引入软体机器人，同时实现大变形致动和大范围刚度调控，解决软体机器人机构负载能力低的问题。利用热敏smp制备软体机器人主体，在低刚度时(橡胶态)利用eap软体驱动器控制灵活变形；当机器人需要抵抗外部负载时使smp处于高刚度(玻璃态)，从而使软体机器人在实现大范围变形的同时兼有较大的负载能力。
2、本发明可以使用离子型eap软体驱动器进行驱动，可实现低电压软体机器人驱动与刚度调控，从而使软体机器人应用于康复医疗、微创手术等安全性较高的场合。
3、本发明为模块化设计，可根据应用场合不同变换软体机器人的构型，从而具有良好的环境适应能力。
附图说明
图1显示了本发明的结构示意图；
图2显示了图1的侧视图；
图3显示了本发明的1/4剖视图；
图4显示了smp变刚度弹性基体结构示意图；
图5显示了柔性加热电路结构示意图；
图6显示了eap软体驱动器结构示意图(忽略电极层)；
图7显示了连接部结构示意图；
图8显示了软体机器人变刚度关节模块变形原理图。
图中：1-主动变形部；2-连接部；3-热敏smp变刚度弹性基体；4-柔性电热丝单元；5-柔性导线；6-圆柱形接线端子；7-eap软体驱动器(忽略电极层)；8-弹性约束层；9-弹性基体；10-圆柱形电极；11-片状电极；12-柔性加热电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
参照图1-7，本实施例的软体机器人变刚度关节模块包括主动变形部1和连接部2。
主动变形部1包括热敏smp变刚度弹性基体3，柔性加热电路12，eap软体驱动器7及弹性约束层8。
smp变刚度弹性基体3的截面优选为矩形，热敏smp变刚度弹性基体3材料优选为玻璃化转变温度低的smp材料，smp材料可通过3d打印成形，热敏smp变刚度弹性基体3内嵌柔性加热电路12。
柔性加热电路12包括若干根柔性电热丝单元4，两根柔性导线5及四个圆柱形接线端子6，柔性加热电路12拓扑结构优选为并联结构，柔性加热电路12中的电热丝单元4间距优选为l/n(l为主动变形部长度，n为实验所得)，圆柱形接线端子6可与连接部圆柱形电极10相连。
软体机器人变刚度关节模块优选地使用两个eap软体驱动器7以实现弯曲变形，eap软体驱动器7优选为离子型eap驱动器以实现低电压驱动，eap软体驱动器7贴合于热敏smp变刚度弹性基体3的上下表面，进一步优选为胶接，eap软体驱动器7截面优选为矩形，eap软体驱动器7前后端具有与连接部片状电极11配合的凹槽。
软体机器人变刚度关节模块主动变形部1外侧包裹一层弹性约束层8，弹性约束层8的材料优选为硅胶，弹性约束层8与主动变形部1紧密连接，进一步优选为胶接。
软体机器人变刚度关节模块前端设有连接部2，连接部2与主动变形部1紧密连接，进一步优选为胶接，连接部2包括弹性基体9，两个圆柱形电极10以及四个片状电极11，弹性基体9的材料优选为硅胶，圆柱形电极10与热敏smp变刚度弹性基体3中的柔性加热电路圆柱形接线端子6相连接，片状电极11与eap软体驱动器7前后端的凹槽配合连接，软体机器人变刚度关节模块后端的圆形及矩形电极孔可与下一个模块连接部2的圆柱形电极10及片状电极11配合，优选地通过胶接方式紧密连接。
多个模块可以通过连接部相互连接在一起，形成构型复杂的变刚度软体机器人。
参照图8，本实施例工作原理为：软体机器人变刚度关节模块可以通过控制smp弹性基体在橡胶态与玻璃态之间的转变实现主动刚度调控。接通柔性加热电路电源将smp变刚度弹性基体加热至橡胶态；加载电压于两片eap软体驱动器电极产生弯曲变形，进而驱动整个模块产生变形。通过红外温度计与相机可以实时获得整个模块的温度与变形。因此，通过调节电场与温度场就可以控制整个模块的刚度与变形量，进而实现不同位形与输出力。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明实施例内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，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。