[发明专利]一种可变刚度的双层气动螺旋软体执行器

说明书

本发明公开了一种可变刚度的双层气动螺旋软体执行器。软体执行器包括气动软体执行器本体、导气管、变刚度模块；导气管固定安装在气动软体执行器本体的端部，变刚度模块固定安装在气动软体执行器本体的底部；软体执行器通过导气管与外辅助装置相连，外辅助装置用于提供和控制软体执行器螺旋变形所需的气压，软体执行器通过变刚度模块与温度控制装置电连接，温度控制装置用于控制影响软体执行器刚度的温度。本发明利用变刚度模块与物体间更紧密的贴合，利用螺旋软体执行器更灵活的变形来抓取各种表面形状复杂物体，实现了螺旋式抓取、细棍形物体抓取等。

技术领域

本发明涉及软体执行器领域的一种软体执行器，尤其是涉及了一种可变刚度的双层气动螺旋软体执行器。

背景技术

传统的机器人大部分由刚性材料制成，其形状不能发生变化，具有高精度的特点。这些机器人多用于工业化、精确化的工作。但其结构复杂、不具有可变形的能力、在人机交互过程中安全性和适应性较差，在一些形状复杂、易碎物体抓取等场景使用受限。

近年来，随着先进制造技术和智能材料的发展，软体机器人得到了广泛的关注，其中通过气压驱动的软体抓持器应用最为广泛，气动软体抓持器一般由多个气动执行单元组成，执行单元的特性决定了抓持器的特性。当前，气动执行单元的制造与应用日渐成熟，但在使用时还存在一些问题，如目前的软体执行器大多只能实现弯曲变形，姿态单一，导致在抓取物体时不够灵活；又如，由于软体执行器材料的柔性，在负载较大的情况下容易发生脱落，不能保证抓取的稳定性，导致抓手的适用范围缩小；又如现有的变刚度方案如颗粒阻塞存在会大幅增加执行器的体积和重量的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有气动软体执行器抓取姿态单一、负载能力有限等问题，本发明提出了一种可变刚度的双层气动螺旋软体执行器，倾斜的梳齿形气腔在气压的驱动下实现螺旋变形，具有更大的机械输出，且抓取姿态更加灵活，变刚度模块基于热塑性复合材料在温度的作用下实现刚度的改变，增大抓取时与物体的接触面积，加大执行器与物体之间的粘合力，使抓取更加牢固，且热塑性复合材料等组成的变刚度模块体积小、重量轻。

为实现本发明的目的，提供如下的技术方案：

所述软体执行器包括气动软体执行器本体、导气管、变刚度模块；导气管固定安装在气动软体执行器本体的端部，变刚度模块固定安装在气动软体执行器本体的底部；软体执行器通过导气管与外辅助装置相连，外辅助装置用于提供和控制软体执行器螺旋变形所需的气压，软体执行器通过变刚度模块与温度控制装置电连接，温度控制装置用于控制影响软体执行器刚度的温度。

所述气动软体执行器本体顶面沿自身长度方向等间隔地开设有多个条形槽，各个条形槽之间平行设置且每个条形槽均沿非垂直地倾斜于气动软体执行器本体的自身长度方向布置，各个条形槽不贯穿于气动软体执行器本体的底面，通过各个条形槽将气动软体执行器本体分隔为多个腔体块，每个腔体块内设有气腔，各个腔体块内的气腔在气动软体执行器本体底部连通，从而使得各个腔体块内的气腔构成倾斜的梳齿形气腔，梳齿形气腔的充气放气来驱动软体执行器发生螺旋变形。

所述变刚度模块包括上硅树脂层、下硅树脂层、热塑性复合材料层、热敏电阻和加热层；上硅树脂层的上表面与气动软体执行器本体的底部固定连接，由上硅树脂层和下硅树脂层组成中间设置有空隙的一体硅树脂结构，一体硅树脂结构中间的空隙中设置有上下层叠布置的加热层和热塑性复合材料层，加热层固定安装在热塑性复合材料层上，下硅树脂层和热塑性复合材料层之间设置有热敏电阻，热敏电阻通过导线与温度控制装置电连接。

相邻的所述条形槽之间的间隔按需求设置。

所述气动软体执行器本体利用硅胶浇注而成或者将TPU材料利用3D打印方式制造而成。

所述热塑性复合材料层由聚己内酯和炭黑制备而成，其中聚己内酯的摩尔质量为88.4kg/mol，聚己内酯与炭黑的质量比为8:2。