[发明专利]基于变刚度与局部薄壁的分段弯曲软体手指及其制作方法

说明书

本发明提供一种基于变刚度与局部薄壁的分段弯曲软体手指，包括：柱状手指腔体，其侧壁内部相对两侧分别设有应变限制层和纤维缠绕层，且所述手指腔体位于所述纤维缠绕层对应一侧沿着长度方向间隔设有多个壁厚减小的薄壁段；以及设置于所述手指腔体位于所述应变限制层对应一侧的多个变刚度层，其中每一所述变刚度层与一所述薄壁段相对设置且跨过该薄壁段，控制各所述变刚度层的刚度不同以使所述手指腔体在各所述薄壁段的弯曲程度不同。本发明的有益效果：通过调控变刚度层的刚度进而控制手指不同段的弯曲情况，同时兼有增加手指整体刚度，可增加提升重物的能力。

技术领域

本发明涉及软体手指技术领域，尤其涉及一种基于变刚度与局部薄壁的分段弯曲软体手指及其制作方法。

背景技术

手指是人类探索世界、与世界互动的重要桥梁。一款性能优良的仿人机械手，可代替人类在多种复杂、危险的环境下作业，对人类生活的改变起到巨大的推动作用。区别于传统意义上的由刚性部件构成的刚性手指，其存在环境适应性差、人机交互不安全等弊端；基于硅胶材料制作的气动软体手指，灵活度高、柔顺性好、绿色环保，发展前景十分乐观，受到全世界科研机构和学者们的广泛关注。

然而不足的是，目前已有的气动软体手指仿人化程度较低，充气后大多只能实现单一(常曲率)弯曲，无法像人手指一样分段、分关节弯曲，这直接导致现存软体手指难以适应复杂多变的应用场景，很难代替人手完成大多数的日常工作。同时，软体手指由硅胶等柔性材料制成，在柔顺性好的同时也不可避免存在难以承重的缺点，在抓取大质量物体时具有很大困难。

经文献检索发现，申请号为201910201706.7的中国发明专利申请公开了一种多指节变刚度软体手指，该装置通过牵引绳线的方法驱动手指弯曲，通过变刚度技术增加手指刚度，然而一方面，通过绳线驱动的软体手指柔性顺较差，无法在关节处均匀弯曲；另一方面绳线驱动器的机械结构复杂，质量较大，不易于携带和运输。

又如申请号为202010774693.5的中国发明专利公开了一种利用巨电流变液方法实现分段弯曲的软体手指，意在通过施加电场，将不同位置的介电颗粒胶体从液态转变为固态，改变其不同位置的刚度从而实现手指的分段弯曲。但是该方案所需的介电颗粒胶体存在流变效应低下，刚度变化小的缺陷，现实中难以真正实现分段弯曲效果；同时该方案所需的介电颗粒胶体价格昂贵，实用性差，无法扩展到工业应用与生产，所需的“巨电流”电场驱动，也同样存在安全隐患。

因此，目前已有的软体手指或多或少存在分段弯曲效果不明显、机械结构复杂、无法应用于工业生产等问题。

发明内容

有鉴于此，为了解决软体手指无法分段弯曲或分段弯曲效果较差、软体手指刚度较低无法抓取重物等问题，本发明的实施例提供了一种基于变刚度与局部薄壁的分段弯曲软体手指及其制作方法。

本发明的实施例提供一种基于变刚度与局部薄壁的分段弯曲软体手指，包括：

柱状手指腔体，其侧壁内部相对两侧分别设有应变限制层和纤维缠绕层，且所述手指腔体位于所述纤维缠绕层对应一侧沿着长度方向间隔设有多个壁厚减小的薄壁段；

以及设置于所述手指腔体位于所述应变限制层对应一侧的多个变刚度层，其中每一所述变刚度层与一所述薄壁段相对设置且跨过该薄壁段，控制各所述变刚度层的刚度不同以使所述手指腔体在各所述薄壁段的弯曲程度不同。

进一步地，所述变刚度层包括容置腔体及设置于所述容置腔体内部的孔隙率可变材料，所述变刚度层刚度的大小受控于所述容置腔体内的负压大小。

进一步地，所述孔隙率可变材料为层叠设置的不可伸缩柔性片或堆叠设置的不可伸缩柔性条。

进一步地，所述孔隙率可变材料为填充于所述容置腔体内的颗粒物。

进一步地，所述手指腔体的截面形状为U形。

进一步地，所述薄壁段的数量为三个。