软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法技术

本发明专利技术公开了一种软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法，通过建立弯曲角度、偏转角度和输入气压之间的关系，并通过调整纤维增强层中螺旋纤维的螺旋匝数n，从而能够有效抑制驱动器的径向膨胀。进一步，通过对变刚度堵塞机构中小球颗粒进行静力学分析，建立末端抓握输出力与抽真空压力之间的模型关系式。因而，具有较高的运动控制精准度，可以完成抓握动作；且能克服单一气压下单一弯曲角度的不足，可以完成不同尺寸物体的抓握动作。进一步克服单一模式下软体康复手套只能做弯曲运动，不能做扭转运动的缺点，实现康复手套带动患者手部同时弯曲、扭转的多模式运动，并产生显著的伸展扭矩，为受痉挛影响的患者提供足够的伸展扭矩。展扭矩。展扭矩。

【技术实现步骤摘要】
软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法


[0001]本专利技术涉及机器人领域，特别是一种软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法。

技术介绍

[0002]软体机器人是一个快速发展的研究领域，它结合了机器人学、材料学和生命科学等相关领域的知识，其显著的特征是柔软性，可产生连续变形，具有无限自由度。国内外科研人员采用不同的驱动方式设计了各式各样的软体机器人。软体机器人的驱动方式是软体机器人研究的核心内容之一，国内外科研人员对此进行了大量的研究工作。目前常见的软体机器人的驱动方式大致可分(1)柔性流体驱动；(2)形状记忆合金驱动；(3)电活性聚合物驱动；(4)磁场驱动；(5)基于真空堵塞原理的半主动驱动。
[0003]软体手套与传统刚性手套相比，具有不可比拟的优势，如对易碎物品的抓握以及手体康复等。
[0004]在手体康复方面，刚性康复机器手辅助患者进行手部康复训练的形式有明显的优点，运动控制精准度较高，输出功率大，可以辅助患者的日常生活。同时问题也很明显，机械结构复杂，重量大，存在安全隐患，并且是为临床使用而设计的，具有不可移植性。适应性差，柔顺度不高。而软体康复手可以很好的适应人手的生理结构，能够根据手指的弯曲状态来调整自身形态，穿戴方便，舒适性，安全性较高，但目前的软体康复手也存在着一些问题。目前已有的软体康复手，由于多数采用的是单腔驱动器，只能辅助手指进行单一方向的屈曲运动，无法辅助进行复杂的运动。也有软体康复手能够实现复杂的运动，但是需要多个驱动器组合来实现，结构较为复杂。其次是大部分软体康复手所采用的软体驱动器，由于其固有的柔顺性，刚度较低，无法在较低的气压下产生足够的抓取力，无法辅助正常的日常生活。
[0005]在对易碎物品的抓握方面，对抓握力的精确控制，也非常重要，另外，物品形状各异，如何实现软体手套运动角度的精确控制，从而实现各种规格物品的准确抓取，也变得尤为迫切。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法，该软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法能够建立弯曲角度、偏转角度和输入气压之间的关系，并通过调整纤维增强层中螺旋纤维的螺旋匝数n，从而能够有效抑制驱动器的径向膨胀。进一步，通过对变刚度堵塞机构中小球颗粒进行静力学分析，建立末端抓握输出力与抽真空压力之间的模型关系式。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0008]软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法，包括如下步骤。
[0009]步骤1、制作软体手套：在软体手套的每根指套的指背内各插设一个软体驱动器；
每个软体驱动器均包括从内至外依次同轴布设的堵塞变刚度机构、内柔性骨架(也称气动结构)和硅胶纤维复合层；内柔性骨架中沿周向均匀布设有三个气腔，分别为气腔A、气腔B和气腔C；硅胶纤维复合层包括环形硅胶和内置在环形硅胶中的螺旋纤维，螺旋纤维的螺旋走向与软体驱动器的中心轴线呈锐形夹角；软体手套的运动角度包括单气腔充气时弯曲角度和多气腔充气时的扭转角度。
[0010]步骤2、软体驱动器弯曲：气腔A充气，且充气气压为P，气腔A连同软体驱动器向着堵塞变刚度机构的方向发生弯曲变形，且弯曲角度为θ。
[0011]步骤3、求解和变形后，气动结构的半径为R，气腔A的半径为r，R和r同时对θ进行求导，得到：
[0012][0013]其中：
[0014][0015]式中：l0为气腔A变形前的中轴线长度；n为螺旋纤维的螺旋匝数；w0为螺旋纤维的总长度。
[0016]e1为气腔A中心到气动结构中心的距离；e2为堵塞变刚度机构的最大外径。
[0017]R0为气动结构变形前的半径；r0为气腔A变形前的半径；r为气腔A变形后的半径；
[0018]步骤4、求解充气气压P对气腔A所做的功为W，则W对θ进行求导，得到：
[0019][0020]其中：
[0021][0022][0023][0024][0025][0026]式中：l为气腔A变形后的中轴线长度；t
10
、t
20
、t
30
和t
40
分别为气腔A变形前与其四周边界的距离；t1、t2、t3和t4分别为气腔A变形后与其四周边界的距离；L为变形后气动结构中轴线的长度；C1和C2均为内柔性骨架的材料应变能密度参数，为已知量；
[0027]步骤5、建立单气腔充气时弯曲角度θ与输入气压P的关系模型，具体为：
[0028][0029]步骤6、建立多气腔充气时的扭转角度φ与输入气压的关系模型，具体为：
[0030][0031]式中，P1、P2和P3分别为气腔A、气腔B和气腔C对应的输入气压。
[0032]软体手套的运动角度还包括多气腔充气时的弯曲角度；还包括步骤7，建立多气腔充气时的弯曲角度θ与输入气压的关系模型，具体为：
[0033][0034]还包括步骤8、抓握：根据步骤5至步骤7建立的运动角度与输入气压的关系模型，通过控制气动结构中三个气腔的输入气压，进而控制软体手套的运动角度；当达到设定的运动角度后，堵塞变刚度机构中抽真空，堵塞变刚度机构的刚度增加，软体驱动器能实现抓握功能。
[0035]步骤8中，通过控制堵塞变刚度机构中的抽真空压力P
真
，进而控制软体驱动器的抓握输出力F。
[0036]抓握输出力F与抽真空压力P
真
具有如下关系模型：
[0037][0038]式中，μ
f
为堵塞变刚度机构中小球颗粒之间的滑动摩擦系数。
[0039]还包括步骤9，螺旋匝数研究：通过增加螺旋纤维的螺旋匝数n，进而限制软体驱动器的径向膨胀。
[0040]螺旋匝数n不小于20。
[0041]n＞45。
[0042]本专利技术具有如下有益效果：
[0043](1)对纤维增强式气动结构进行形变分析，通过Yeoh模型和虚功原理对单腔输入情况建立弯曲角度和输入气压之间的关系。通过确定的气压
‑
角度关系，使软体执行器具有较高的运动控制精准度，可以完成抓握动作；同时，通过调节气压输入值，使软体驱动器达到理想的角度，克服单一气压下单一弯曲角度的不足，可以完成不同尺寸物体的抓握动作。
[0044](2)为适应人手的生理结构和生活习惯，通过将气腔充气变形等效为绳线的长度变化对多腔输入情况进行建模，建立起了偏转角度和输入气压之间的关系。克服单一模式下软体康复手套只能做弯曲运动，不能做扭转运动的缺点，实现康复手套带动患者手部同时弯曲、扭转的多模式运动，并产生显著的伸展扭矩，为受痉挛影响的患者提供足够的伸展扭矩。
[0045](3)对驱动器节段加压前后的几何模型进行分析，证明了高匝数的纤维增强层能够有效抑制驱动器的径向膨胀。气动结构的纤维增强层采用双螺旋对称缠绕的纤维线的形式，能够达到限制径向膨胀，延长驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.软体手套的运动角度与输入气压的模型建立方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、制作软体手套：在软体手套的每根指套的指背内各插设一个软体驱动器；每个软体驱动器均包括从内至外依次同轴布设的堵塞变刚度机构、内柔性骨架和硅胶纤维复合层；内柔性骨架中沿周向均匀布设有三个气腔，分别为气腔A、气腔B和气腔C；硅胶纤维复合层包括环形硅胶和内置在环形硅胶中的螺旋纤维，螺旋纤维的螺旋走向与软体驱动器的中心轴线呈锐形夹角；软体手套的运动角度包括单气腔充气时弯曲角度和多气腔充气时的扭转角度；步骤2、软体驱动器弯曲：气腔A充气，且充气气压为P，气腔A连同软体驱动器向着堵塞变刚度机构的方向发生弯曲变形，且弯曲角度为θ；步骤3、求解和变形后，气动结构的半径为R，气腔A的半径为r，R和r同时对θ进行求导，得到：其中：式中：l0为气腔A变形前的中轴线长度；n为螺旋纤维的螺旋匝数；w0为螺旋纤维的总长度；e1为气腔A中心到气动结构中心的距离；e2为堵塞变刚度机构的最大外径；R0为气动结构变形前的半径；r0为气腔A变形前的半径；r为气腔A变形后的半径；步骤4、求解充气气压P对气腔A所做的功为W，则W对θ进行求导，得到：其中：
式中：l为气腔A变形后的中轴线长度；t
10
、t
20
、t
30
和t
40
分别为气腔A变形前与其四周边界的距离；t1、t2、t3和t4分别为气腔A变形后与其四周边界的距离；L为变形后软体驱动器中轴线的长度；C1和C2均为内柔性骨架的材料应变能密度参数，为已知量；步骤5、建立单气腔充气时弯曲角度θ与输入气压P的关系模型，具体为：步骤6、建...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐丰羽，曹旭东，马凯威，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：