具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块制造技术

本发明专利技术提供了一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构

【技术实现步骤摘要】
具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块


[0001]本专利技术属于仿生软体弯曲结构
，尤其是涉及一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块。

技术介绍

[0002]目前，软体机器人普遍缺少感知功能，无法实现闭环控制。已有的本体感知方案也只是实现了驱动
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感知的结合，仍存在灵活大变形与灵敏感知无法兼得的问题。非结构化、动态的环境需要软体机器人灵活大变形致动与灵敏感知的协同。
[0003]已有一些学者对软体机器人本体感知技术进行研究，主要通过向柔性基底填充碳纳米颗粒/丝、液态金属、离子导电物等，它们响应外界激励发生电信号改变，为机器人提供反馈。在材料层级可融合驱动和感知功能。加州大学制备了一种导电双网络水凝胶，可响应光/热发生变形，并伴随电阻的变化实现本体感知。然而，由于缺少一定的结构以及光/热致动的局限，负载和响应速率表现欠佳。此外，由于身体结构是一整个电阻，无法对复杂构型进行估计和重建。浙江工业大学将自供电的PDMS基的曲率传感器贴于3D打印的软体手指上，仅两端与手指主体连接，存在应变传递损失，影响感知精度。此外，该传感器采用整体式分布于机器人上，难以对复杂、局部变形进行感知。武汉理工大学利用光纤布拉格光栅对软体手指进行构型重建，光纤的高模量会影响手指的变形。北京航空航天大学将交叉形状的EGaIn基柔性传感器在离散粘贴仿章鱼触手表面，提供致动器伸长和膨胀的反馈。粘贴不可靠易产生致动器的应变难以准确传递至感知器的问题，即应变传递系数小于1，从而引起感知精度损失。综上，实现软体机器人灵活、大变形致动与灵敏本体感知协同仍是一大挑战。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术旨在提出一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块，使软体机器人兼具灵活大变形致动与灵敏本体感知功能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块，包括软折纸致动器、被动刚度调节带、纤维限制线、应变感知单元、应变限制层、信号线和气管；
[0007]所述的软折纸致动器内设有一个气室，所述的气管设置在软折纸致动器的一端，且与气室连通，在软折纸致动器的周向缠绕若干约束软纸致动器充气后沿径向膨胀的纤维限制线，所述的被动刚度调节带设置在软折纸致动器顶部，在软折纸致动器的底部内嵌三个离散分布的应变感知单元和一个应变限制层，所述的应变限制层布置在三个应变感知单元的下方，每个应变限制层的两端各连接一个信号线，六条信号线的自由端均伸出软折纸致动器布置，所述的软折纸致动器的材质与应变感知单元的材质相同，通过浇注方式实现软折纸致动器与应变感知单元的无缝连接；
[0008]所述的软折纸致动器采用吉村纹式结构，软折纸致动器包括多个结构完全相同的
折纸单元，相邻两折纸单元之间的被动刚度调节带留有一定余量；
[0009]三个应变感知单元将所述的软折纸致动器沿轴向分为三段，相应的所述被动刚度调节带也分为三段，每段的软折纸致动器弯曲变形由底部相应的应变感知单元获得，且每段被动刚度调节带的段内的余量相同；
[0010]当三段被动刚度调节带的余量均相同时，通过气管充气后，软折纸弯曲模块整体具有相同的曲率，软折纸弯曲模块表现出整体双重柔顺变形
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刚度被动顺序调节；
[0011]当三段被动刚度调节带的余量不同时，通过气管充气后，每段软折纸致动器单独经历双重柔顺变形
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刚度被动顺序调节的过程，软折纸弯曲模块表现出分段不同曲率的弯曲。
[0012]更进一步地，所述折纸单元的轴向宽度为4
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20mm，在每个折纸单元顶部设有固定被动刚度调节带的平面凸起，且平面凸起的轴向宽度为2
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3mm，相邻两个折纸单元之间形成一个V型凹槽。
[0013]更进一步地，所述软折纸致动器的材料为硅胶，所述应变感知单元为压阻型柔性应变传感器，所述应变感知单元包括硅胶基底和碳基导电填料。
[0014]更进一步的，所述被动刚度调节带采用波浪式折叠方式折叠，且对应折纸单元的平面凸起处折有安装平面，对应软折纸致动器的V型凹槽处折有余量。
[0015]更进一步的，在所述软折纸致动器的所有平面凸台和V型凹槽处分别套设一个环形纤维限制线。
[0016]更进一步地，所述信号线以蛇型方式水平内嵌在软折纸致动器的底部内部。
[0017]更进一步地，所述应变感知单元所使用硅胶的弹性模量低于软折纸致动器所使用硅胶的弹性模量。
[0018]更进一步的，所述被动刚度调节带采用柔软的涤纶丝带，厚度为0.25mm；所述应变限制层采用涤纶布。
[0019]更进一步的，所述应变感知单元的导电填料采用长度约为0.05mm的多壁碳纳米管和长度为0.15mm的碳纤维丝。
[0020]更进一步的，所述软折纸致动器底部均匀布置若干半圆柱条纹。
[0021]与现有技术相比，本专利技术所述的具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块的有益效果是：
[0022]一、纤维增强的软折纸致动器具有沿折痕展开和硅胶皮肤拉伸的双重变形，相比于普通折纸致动器弯曲角度更大，纤维限制线可限制软折纸致动器充气后的径向膨胀，以减小能量损失。
[0023]二、软折纸致动器与应变感知单元具有相同材料属性，在不需要额外胶水粘接的条件下，通过浇筑方式即可以有效键合，避免了应变传递的损失，以实现类似于生物章鱼臂的结构
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感知的无缝集成；应变感知单元材料模量低于软折纸致动器材料模量，应变感知单元的嵌入不会损失软折纸致动器原有的柔顺性，进而使软体弯曲模块兼具灵活大变形与灵敏感知。
[0024]三、被动刚度调节带采用柔软的涤纶丝带，不会损失软折纸致动器原有的柔顺性；折纸单元之间的被动刚度调节带留有一定余量，软折纸弯曲模块在通入压缩空气后，先柔顺弯曲，当被动刚度调节带完全展开后时，软折纸弯曲模块停止弯曲，继续通入压缩空气
后，其刚度不断提高，所述的软折纸弯曲模块具有柔顺大变形
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被动刚度顺序调节的特点；软折纸模块沿轴向分成三段，当三段的被动刚度调节带余量相同时，软折纸弯曲模块的构型为单一曲率，当三段的被动刚度调节带余量不同时，软折纸弯曲模块表现出分段不同曲率的弯曲，通过控制每段被动刚度调节带的余量，在单一气压输入的条件下即可实现软折纸弯曲模块构型预编程，结构简单而有效。
[0025]四、应变感知单元离散布置在软折纸致动器底部，可以监测后者的分段不同曲率的复杂变形。
附图说明
[0026]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0027]图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块，其特征在于：包括软折纸致动器(1)、被动刚度调节带(2)、纤维限制线(3)、应变感知单元(4)、应变限制层(5)、信号线(6)和气管(7)；所述的软折纸致动器(1)内设有一个气室(8)，所述的气管(7)设置在软折纸致动器(1)的一端，且与气室(8)连通，在软折纸致动器(1)的周向缠绕若干约束软纸致动器充气后沿径向膨胀的纤维限制线(3)，所述的被动刚度调节带(2)设置在软折纸致动器(1)顶部，在软折纸致动器(1)的底部内嵌三个离散分布的应变感知单元(4)和一个应变限制层(5)，所述的应变限制层(5)布置在三个应变感知单元(4)的下方，每个应变感知单元(4)的两端各连接一个信号线(6)，六条信号线(6)的自由端均伸出软折纸致动器(1)布置，所述的软折纸致动器(1)的材质与应变感知单元(4)的材质相同，通过浇注方式实现软折纸致动器(1)与应变感知单元(4)的无缝连接；所述的软折纸致动器(1)采用吉村纹式结构，软折纸致动器(1)包括多个结构完全相同的折纸单元，相邻两折纸单元之间的被动刚度调节带(2)留有一定余量；三个应变感知单元(4)将所述的软折纸致动器(1)沿轴向分为三段，相应的所述被动刚度调节带(2)也分为三段，每段的软折纸致动器(1)弯曲变形由底部相应的应变感知单元(4)获得，且每段被动刚度调节带(2)的段内的余量相同；当三段被动刚度调节带(2)的余量均相同时，通过气管(7)充气后，软折纸弯曲模块整体具有相同的曲率，软折纸弯曲模块表现出整体双重柔顺变形
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刚度被动顺序调节；当三段被动刚度调节带(2)的余量不同时，通过气管(7)充气后，每段软折纸致动器(1)单独经历双重柔顺变形
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刚度被动顺序调节的过程，软折纸弯曲模块表现出分段不同曲率的弯曲。2.根据权利要求1所述的具有顺序刚度调节功能的仿生结构
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感知一体化软折纸弯曲模块，其特征在于：所述折纸单元的轴向宽度为4
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20mm，在每个折纸单元顶部设有固定被动刚度调节带(2)的平面凸起(9)，且平面凸起(9)的轴向宽度为2

【专利技术属性】
技术研发人员：闫继宏，许志东，石培沛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：