可变刚度致动器制造技术

本发明专利技术公开了一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，采用具有单向可伸缩的层叠堆挤式折纸结构，通过控制折纸结构内部腔道的正、负压力，驱动折纸结构的伸展、压缩，可以实现致动器的刚度调节。并且公开了具有该可变刚度致动器的软体机器人，该软体机器人可以通过自适应自包含的在线可变刚度调节实现对非结构化不规则目标抓取物的抓取。本发明专利技术具有结构简单、操作方便、成本较低的优点。此外，本发明专利技术通过排放和抽吸气体的气动方式实现“软化”和“硬化”，具体较低的功耗和较高的安全性。

Variable stiffness actuator

The invention discloses a variable stiffness actuator, which is suitable for the end-operation actuator of a software robot. The actuator can adjust the stiffness of the actuator by controlling the positive and negative pressure of the internal cavity of the origami structure and driving the expansion and compression of the origami structure by adopting a one-way scalable stacked origami structure. . A software robot with the variable stiffness actuator is also disclosed. The software robot can grasp unstructured irregular objects by adaptive self-contained on-line variable stiffness adjustment. The invention has the advantages of simple structure, convenient operation and low cost. In addition, the invention realizes \softening\ and \hardening\ by pneumatic way of discharging and sucking gas, with specific low power consumption and high safety.

【技术实现步骤摘要】
可变刚度致动器
本专利技术涉及软体机器人
，特别是涉及用于软体机器人的可变刚度致动器。
技术介绍
软体机器人是一种新型柔韧机器人，其作为新兴的快速增长的机器人制造工程领域，在人机柔顺交互以及机器人和未知环境交互领域具有广泛的应用前景。相对于传统的刚性机器人，软体机器人对外界输出的压力载荷更小，不容易对环境中的施加对象造成损伤或损坏，因此可适用于很多人机交互场合，比如康复机器人和微创手术机器人。以生物体内部微创手术为例，在微创内窥镜手术中软体机器人将会特别具有潜力，其允许灵活的、可控的内窥镜执行器尽可能减少对周围组织的损伤，同时提供必要的灵活性和强度。软体机器人通常采用硅橡胶等非金属柔性材料构成核心驱动部件，以便在人机交互中增加灵活性、可压缩性和安全性。然而，采用柔性材料为主体的软体机器人是以牺牲机器人刚度为代价提高柔顺性。对于一些特殊的应用场合，纯软体机器人会带来末端震颤、抖动和执行力小等问题，限制了软体机器人的应用范围。因此，当前的软体机器人研究和实现的挑战在于机器人与未知环境的物理交互需要能够对无结构不规则目标抓取物实现自适应自包含的在线可变刚度抓取，即，软体机器人在空载状态具有足够的柔软度，而当需要抓取特定物体时，软体机器人的形状能够根据要抓取的物体的形状自适应变化，并且软体机器人的刚度也能够根据所需的抓取力度自适应变化。软体机器人的设计关键是它的致动器在执行任务动作时提供相应刚度以允许更有效的力传递。为了实现这一点，可以采用可变刚度控制技术，例如，在线可变刚度。顾名思义，在线可变刚度是在软体机器人执行任务动作过程中，软体机器人的致动器的材料或结构具有在线实时可控刚度的能力，即，可以根据应用场景、环境或任务的需要即时改变刚度。对于可变刚度软体机器人的实现，已经设想了采用层叠堆挤机制。基于层叠堆挤机制的层叠堆挤机构通常包括多层片状材料，这些片状材料经受负压环境时，层叠堆挤机构变硬，将材料“堵塞”在一起，从而实现刚度的在线调整。然而，传统的堆挤刚度调节机制依赖于诸如沙子或咖啡渣的颗粒物质，这些颗粒物质增加装置的重量并占用装置的有效执行空间。因此，如何在有效提高软体机器人的抓取能力的同时保持结构的轻便和简单是亟需解决的关键问题。
技术实现思路
基于此，本专利技术提出了一种基于折纸的层叠堆挤方式，通过气压控制调节软体机器人的致动器的刚度的新方法，可实现软体机器人的致动器刚度在线可控和人机柔顺交互。根据本专利技术的一个方面，提出了一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，所述可变刚度致动器包括：折纸结构，其包括多个层叠的折纸层，所述多个层叠的折纸层由片状物折叠而成，所述片状物围绕所述折纸结构的中心轴构成所述折纸结构的侧壁，所述多个层叠的折纸层适于相对彼此挤压和拉伸，以致所述折纸结构单向可伸缩；顶部端板，其固定连接至所述折纸结构的顶端；底部端板，其固定连接至所述折纸结构的底端，所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的侧壁界定一折纸腔道，并且所述底部端板开设有通孔；气动管道，其一端穿过所述通孔与所述折纸腔道流体连通，其另一端连接至气体源；弹性薄膜，其包裹在所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的外表面形成气密密封；其中，所述气体源适于通过所述气动管道向所述折纸腔道排入气体，使得所述折纸腔道处于正压状态，从而伸展所述折纸结构；所述气体源还适于通过所述气动管道抽走所述折纸腔道中的气体，使得所述折纸腔道处于负压状态，从而压缩或弯曲所述折纸结构。在其中一个实施例中，所述可变刚度致动器还包括：致动气室，其与所述折纸结构同轴地放置在所述折纸腔内，并且两端分别固定连接至所述顶部端板和底部端板，所述气动管道穿过所述通孔的一端连接至所述致动气室，所述致动气室适于可操作地在体积膨胀状态和体积收缩状态之间渐变切换。在其中一个实施例中，所述可变刚度致动器还包括多个所述致动气室，以及与多个所述致动气室相对应的多个所述气动管道，所述多个所述致动气室适于可操作地处于不同体积膨胀状态或体积收缩状态，以致所述折纸结构可弯曲。在其中一个实施例中，所述片状物由合成纸质材料构成。在其中一个实施例中，所述片状物包括堆叠的多层纸。在其中一个实施例中，所述弹性薄膜由弹性软硅胶材料构成。在其中一个实施例中，所述气体源为气动隔膜泵。根据本专利技术的另一个方面，还提出了一种软体机器人，其包括至少一个上述可变刚度致动器。本专利技术的可变刚度致动器的采用单向可伸缩的层叠堆挤式折纸结构，通过控制折纸结构内部腔道的正、负压力，驱动折纸结构的伸展、压缩，可以实现致动器的刚度调节。具有该可变刚度致动器的软体机器人可以通过自适应自包含的在线可变刚度调节实现对非结构化不规则目标抓取物的抓取。本专利技术具有结构简单、操作方便、成本较低的优点。此外，本专利技术通过排放和抽吸气体的气动方式实现“软化”和“硬化”，具体较低的功耗和较高的安全性。附图说明图1为根据本专利技术的一个实施例的可变刚度致动器的结构示意图；图2展示了折叠成折纸结构的片状物的折叠图案；图3为折纸结构的俯视图；图4A和4B分别展示了折纸结构处于伸展状态和压缩状态的侧视图；图5A和5B分别展示了连接至气动管道的致动气室处于体积膨胀状态和体积收缩状态的示意图；图6为图1所示的可变刚度致动器处于压缩的示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似改进，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。图1展示了根据本专利技术的一个实施例的可变刚度致动器的结构示意图。该可变刚度致动器可适用于软体机器人的末端操作执行机构，包括折纸结构1、顶部端板2、底部端板3、弹性薄膜4、致动气室5和气动管道6。折纸结构1包括多个层叠的折纸层，这些层叠的折纸层由片状物折叠而成。片状物可能由合成纸质材料构成，并且可能包括堆叠的多层纸。图2展示了折叠成折纸结构的片状物的折叠图案，按照图2所示的折叠图案可以折叠出图3和4A-4B所示的折纸结构1。片状物围绕折纸结构1的中心轴构成折纸结构的侧壁，折叠形成的多个层叠的折纸层适于相对彼此挤压和拉伸，以致折纸结构1单向可伸缩。图4A展示了处于伸展状态的折纸结构1，图4B展示了处于压缩状态的折纸结构1。当处于伸展状态时，折纸结构的侧壁具有良好的柔韧性，使得致动器非常柔软，而当处于压缩状态时，挤压在一起的多层折纸层增加了折纸结构的侧壁的刚度，使得致动器变硬。因此，本专利技术的折纸结构采用折纸的层叠堆挤机制，通过折纸层的挤压和拉伸，实现了刚度可调节。本领域技术人员可以理解的是，除了图2所示的折叠图案，还可以采用其他任意合适的折叠图案。继续参照图1，在折纸结构1的顶端固定连接有顶部端部2，在折纸结构1的底端固定连接有底部端部3，顶部端部2、底部端部3和折纸结构1的侧壁限定了折纸腔道。在折纸腔道内设置有致动气室5，致动气室5与折纸结构1同轴布置，其两端分别固定连接至顶部端板2和底部端板3。气动管道6的一端穿过开设在底部端板3中的通孔连接至致动气室5，与致动气室5流体连通。气动管道6的了另一端连接至气体源，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，所述可变刚度致动器包括：折纸结构，其包括多个层叠的折纸层，所述多个层叠的折纸层由片状物折叠而成，所述片状物围绕所述折纸结构的中心轴构成所述折纸结构的侧壁，所述多个层叠的折纸层适于相对彼此挤压和拉伸，以致所述折纸结构单向可伸缩；顶部端板，其固定连接至所述折纸结构的顶端；底部端板，其固定连接至所述折纸结构的底端，所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的侧壁界定一折纸腔道，并且所述底部端板开设有通孔；气动管道，其一端穿过所述通孔与所述折纸腔道流体连通，其另一端连接至气体源；弹性薄膜，其包裹在所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的外表面形成气密密封；其中，所述气体源适于通过所述气动管道向所述折纸腔道排入气体，使得所述折纸腔道处于正压状态，从而伸展所述折纸结构；所述气体源还适于通过所述气动管道抽走所述折纸腔道中的气体，使得所述折纸腔道处于负压状态，从而压缩或弯曲所述折纸结构。

【技术特征摘要】
1.一种可变刚度致动器，其适用于软体机器人的末端操作执行机构，所述可变刚度致动器包括：折纸结构，其包括多个层叠的折纸层，所述多个层叠的折纸层由片状物折叠而成，所述片状物围绕所述折纸结构的中心轴构成所述折纸结构的侧壁，所述多个层叠的折纸层适于相对彼此挤压和拉伸，以致所述折纸结构单向可伸缩；顶部端板，其固定连接至所述折纸结构的顶端；底部端板，其固定连接至所述折纸结构的底端，所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的侧壁界定一折纸腔道，并且所述底部端板开设有通孔；气动管道，其一端穿过所述通孔与所述折纸腔道流体连通，其另一端连接至气体源；弹性薄膜，其包裹在所述顶部端板、所述底部端板和所述折纸结构的外表面形成气密密封；其中，所述气体源适于通过所述气动管道向所述折纸腔道排入气体，使得所述折纸腔道处于正压状态，从而伸展所述折纸结构；所述气体源还适于通过所述气动管道抽走所述折纸腔道中的气体，使得所述折纸腔道处于负压状态，从而压缩或弯曲所述折纸结构。2.根据权利要求1所述的可变刚度致动器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：任洪亮，安吉·德邦迪，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，苏州工业园区新国大研究院，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG