[发明专利]一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器

说明书

一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器，涉及一种可变刚度软体机器人技术领域本发明解决了现有软体模块变刚度能力差的问题。所述模块的变刚度结构套装在柔性加热层上，柔性加热层内设有中心限制层，弹性主体包覆在变刚度结构的侧壁及两端上并填充于柔性加热层内，位于柔性加热层内的弹性主体上设有至少一个气腔，所述变刚度结构为仿玻璃海绵骨架结构。所述软体模块可用于软体夹持器设计，结合自身软体被动变形能力和变刚度能力，实现不同尺寸、不同重量、不同形状物体的抓取功能。本发明实现了一种仿生玻璃海绵骨架的变刚度软体模块设计，该软体模块可进一步应用于变刚度软体夹持器、机器人手、变刚度软体臂等制作当中。

技术领域

本发明涉及一种可变刚度软体机器人技术领域，具体为一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器。

背景技术

近年来，随着新材料与快速成型技术的发展，在世界范围内掀起了软体机器人的研究热潮。软体机器人涉及仿生学，机器人学，软材料学以及控制等学科，其灵感来源于模仿自然界的软体动物与结构。软体机器人具有轻质、柔顺、易变形、交互安全等优点，但是低刚度特性影响其负载、精确运动和操作性能，是限制其应用场合的关键因素，为改善其性能，学者们研究各种变刚度方法与技术，也成为软体机器人目前最热门的研究方向之一。

经查阅资料发现，目前大部分应用于软体机器人的变刚度方案都存在一些不足，很难同时实现兼具柔顺性和大负载能力、响应时间短、质量轻等指标。例如圣安娜高等学校研制的颗粒阻塞式变刚度软体模块，利用负压阻塞实现中心圆柱腔的变刚度功能，变刚度腔体积较大，变刚度范围小；西安交通大学研制一种电磁式层干扰软体结构，利用多层中的电磁吸引作用实现其变刚度，效果一般，需要高电压；北京航空航天大学研制一种基于低熔点合金的变刚度模块，以合金相变的方式实现变刚度，变刚度效果好，但金属质量较重，且加热时间较长。阻塞及层干扰等非相变方式不能实现大范围变刚度，很难实现跨数量级的变刚度能力，而低熔点合金、SMP等相变方式能够实现跨数量级(数十倍～数百倍)的变刚度范围，但响应时间较长，通常加热时间超过半分钟、甚至需要几分钟，并且低熔点合金质量较重，影响软体机器人的运动。因此，实现一种轻质、大范围变刚度(跨数量级)且响应快的变刚度方案，对于软体机器人的性能改善具有重要意义。

大自然往往给予我们仿生设计灵感，太平洋深海底层生活着一种古老的物种——多孔玻璃海绵，如图1(b)所示，这种生物能够承受很高的静水压力及深海洋流，具有极为优秀的抗压和抗弯性能。它们的壁厚通常只有1～2mm，最长却可以生长到2m。其骨骼结构如图1(a)所示，骨骼中的骨针之间相互连接形成一种网状的结构，因为它们生活在海底，所以生存的环境中常常会出现汹涌的暗流和凶猛的捕食者，在经历了漫长的自然选择及优胜劣汰，它们进化成一种具有高韧性、高强度和高稳定性的结构，能够牢牢依附于海洋底层不被洋流冲走，也能提供结实的屏障保护隐藏在其中的鱼虾不被捕食。

然面，现有技术中，没有人提出将玻璃海绵骨架结构应用于变刚度软体模块、机械臂或手指中。

发明内容

本发明为了解决现有软体模块变刚度能力差的问题，以及现有软体模块无法既保证其质量轻、运动灵活，又能实现大负载和大范围变刚度功能，进而提供一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块及夹持器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种仿玻璃海绵骨架结构的变刚度软体模块，所述模块包括至少一个气腔、变刚度结构、与气腔数量一致的气管、刚性底座、柔性加热层、弹性主体和中心限制层；变刚度结构套装在柔性加热层上，柔性加热层内设有中心限制层，弹性主体包覆在变刚度结构的侧壁及两端上并填充于柔性加热层内，位于柔性加热层内的弹性主体上设有至少一个气腔，气腔的开口端与对应的气管连通，气管接装在刚性底座上且气管的一端露在外部，刚性底座与变刚度结构的端部侧壁连接，所述变刚度结构为仿玻璃海绵骨架结构。

进一步地，所述玻璃海绵骨架结构呈管体状，管体的侧壁均布设有若干个三角形通孔。