一种可变刚度的柔性结构论文和设计-杨庆华

全文摘要

一种可变刚度的柔性结构，包括左端盖、右端盖、橡胶管、镶嵌齿和橡胶壳体，所述左端盖和右端盖上对称地分别设有通孔a与通孔b，用于保证所述橡胶管膨胀与收缩时，橡胶管与壳体间的空气能够顺利排出和吸入；所述左端盖的中央设置有一根气道，所述气道的一端连接至橡胶管中，气道的另一端连接至气泵或者气动比例阀，气道的功能在于为可变刚度柔性结构供气；所述左端盖与右端盖间固连有壳体和橡胶管，所述橡胶管上等间距分布有楔形块，所述壳体上有与镶嵌齿形状对应的楔形槽。本实用新型通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度柔性结构的刚度大小，以实现触碰目标物体时自适应程度和抓持力的有效控制。

主设计要求

1.一种可变刚度的柔性结构，其特征在于，所述柔性结构包括左端盖、右端盖、橡胶管、镶嵌齿和橡胶壳体，所述左端盖和右端盖上对称地分别设有通孔a与通孔b，用于保证所述橡胶管膨胀与收缩时，橡胶管与壳体间的空气能够顺利排出和吸入；所述左端盖的中央设置有一根气道，所述气道的一端连接至橡胶管中，气道的另一端连接至气泵或者气动比例阀，气道的功能在于为可变刚度柔性结构供气；所述左端盖与右端盖间固连有壳体和橡胶管，所述橡胶管上等间距分布有楔形块，所述壳体上有与镶嵌齿形状对应的楔形槽，在橡胶管没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；橡胶管充气膨胀时所述橡胶管上镶嵌齿嵌入壳体上的楔形槽中，致使整体结构的截面属性发生变化，从而形成刚度可变的结构。

设计方案

2.如权利要求1所述的一种可变刚度的柔性结构，其特征在于，所述的左端盖、右端盖以及镶嵌齿是树脂材料热成型制造而成，由3D打印成型，硅橡胶管和硅橡胶外壳是由硅胶材料在模具中制成的；在硅橡胶管上设计有凹槽，镶嵌齿上与橡胶管连接处设有凸起；外壳与左、右端盖的连接处也设计了凹槽。

3.如权利要求1或2所述的一种可变刚度的柔性结构，其特征在于，所述橡胶管内部为内腔，用于通入洁净空气，以实现橡胶管壁的膨胀或收缩，所述橡胶管壁上配合有镶嵌齿；所述镶嵌齿与橡胶壳体上配合的面分别设计为斜面和直面。

4.如权利要求1或2所述的一种可变刚度的柔性结构，其特征在于，所述镶嵌齿之间留有空隙，所述镶嵌齿的内侧与橡胶管连接处有卡块a和卡块b。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于机械技术领域，涉及一种可变刚度结构。

背景技术

与刚性机器人相比，软性机器人主要应用于抓取易碎、表面复杂的物体、狭小空间作业、人机交互频繁的场景。在触碰人员和目标物体时，软体机器人需要保持较好的柔韧度，以保证其自适应性。在面对探索未知复杂环境时，软体机器人的自适应性也有助于对机器人自身的保护。而在抓取较重物体时，软体机器人需要保持更高的刚度，以保证软体机器人的抓持力。

发明内容

为了克服已有软体机器人的刚度较差的不足,本实用新型提供了一种可加持于软体操作手的可变刚度的柔性结构，可变刚度柔性结构可用于五指灵巧手指节、软体机器人等领域，通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度柔性结构的刚度大小，以实现触碰目标物体时自适应程度和抓持力的有效控制。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可变刚度的柔性结构，包括左端盖、右端盖、橡胶管、镶嵌齿和橡胶壳体，所述左端盖和右端盖上对称地分别设有通孔a与通孔b，用于保证所述橡胶管膨胀与收缩时，橡胶管与壳体间的空气能够顺利排出和吸入；所述左端盖的中央设置有一根气道，所述气道的一端连接至橡胶管中，气道的另一端连接至气泵或者气动比例阀，气道的功能在于为可变刚度柔性结构供气；所述左端盖与右端盖间固连有壳体和橡胶管，所述橡胶管上等间距分布有楔形块，所述壳体上有与镶嵌齿形状对应的楔形槽，在橡胶管没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；橡胶管充气膨胀时所述橡胶管上镶嵌齿嵌入壳体上的楔形槽中，致使整体结构的截面属性发生变化，从而形成刚度可变的结构。

进一步，所述的左端盖、右端盖以及镶嵌齿是树脂材料热成型制造而成，由3D打印成型，硅橡胶管和硅橡胶外壳是由硅胶材料在模具中制成的；在硅橡胶管上设计有凹槽，镶嵌齿上与橡胶管连接处设有凸起；外壳与左、右端盖的连接处也设计了凹槽。

再进一步，所述橡胶管内部为内腔，用于通入洁净空气，以实现橡胶管壁的膨胀或收缩，所述橡胶管壁上配合有镶嵌齿；所述镶嵌齿与橡胶壳体上配合的面分别设计为斜面和直面。

更进一步，所述镶嵌齿之间留有空隙，所述镶嵌齿的内侧与橡胶管连接处有卡块a和卡块b。

本实用新型的技术构思为：当橡胶管内未充气时，橡胶管外侧的镶嵌齿和橡胶壳体内侧的楔形块未啮合，结构整体刚度小而柔性大，装置可弯曲甚至伸长。当橡胶管内逐渐充气时，橡胶管膨胀。膨胀时，橡胶管的中间部分最先径向膨胀，一开始镶嵌齿并未与楔形槽接触，此时充气不改变总体结构的刚度，持续充气，带动中间部分的镶嵌齿和楔形槽啮合，提高装置中间部分的结构刚度。此时，橡胶管两端的膨胀比例较低，此处镶嵌齿与楔形槽还未啮合，装置还具有一定的柔性。随着通气气压的增大，中部的镶嵌齿啮合程度不断变大，两端的镶嵌齿也逐渐开始啮合，结构整体的刚度持续增加。直到气压达到额定值或整体镶嵌齿完全啮合时，结构刚度达到峰值。因此，只要改变通气气压，该装置就能在一定范围内任意调整结构刚度，且只要固定通气气压，该装置就能维持一定的结构刚度，来实现一般刚性材料的功能。

本实用新型的有益效果主要表现在：通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度柔性结构的刚度大小，以实现触碰目标物体时自适应程度和抓持力的有效控制。

附图说明

图1是本实用新型的未充气图；

图2是本实用新型的橡胶管剖面图；

图3是本实用新型的镶嵌齿图；

图4是可变刚度的柔性结构充气后图；

图5是本实用新型的多节软体机器人图。

图中，1.右端盖；2.橡胶壳体；3.左端盖；4a.通孔a；4b.通孔b；5.气道；6.镶嵌齿；7.橡胶管；8.楔形块；9.楔形槽；10.橡胶管壁；11.内腔；12.镶嵌齿直面；13.镶嵌齿斜面；14.镶嵌齿内侧；15.卡块a；16.卡块b；17.柔性机构a；18.柔性机构b；19.变刚度气道；51a.柔性机构a通气孔a；51b.柔性机构a通气孔b；51c.柔性机构a通气孔c；52a.柔性机构b通气孔a；52b.柔性机构b通气孔b；52c.柔性机构b通气孔c；53a.通孔a；53b.通孔b；53c.通孔c。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5，一种可变刚度的柔性结构，包括左端盖、右端盖、橡胶管、镶嵌齿和橡胶壳体，所述左端盖和右端盖上对称地分别设有通孔a与通孔b，用于保证所述橡胶管膨胀与收缩时，橡胶管与壳体间的空气能够顺利排出和吸入；所述左端盖的中央设置有一根气道，所述气道的一端连接至橡胶管中，气道的另一端连接至气泵或者气动比例阀，气道的功能在于为可变刚度柔性结构供气；所述左端盖与右端盖间固连有壳体和橡胶管，所述橡胶管上等间距分布有楔形块，所述壳体上有与镶嵌齿形状对应的楔形槽，在橡胶管没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；橡胶管充气膨胀时所述橡胶管上镶嵌齿嵌入壳体上的楔形槽中，致使整体结构的截面属性发生变化，从而形成刚度可变的结构。

本实用新型结构可以和很多其他软体操作手进行组合达到可变刚度的软体操作手的效果。

进一步，所述的左端盖、右端盖以及镶嵌齿是树脂材料热成型制造而成，由3D打印成型，硅橡胶管和硅橡胶外壳是由硅胶材料在模具中制成的。由于硅胶材料的特性，在所述结构中不使用传统的连接方式，而采用硅胶专用的胶水进行连接。因此在进行连接设计时都考虑了连接的问题：在硅橡胶管上设计有凹槽，镶嵌齿上与橡胶管连接处设有凸起；左、右端盖上也设计了凹槽以保证连接的强度和气密性。

再进一步，所述橡胶管内部为内腔，用于通入洁净空气，以实现橡胶管壁的膨胀或收缩，所述橡胶管壁上配合有镶嵌齿；所述镶嵌齿与橡胶壳体上配合的面分别设计为斜面和直面，斜面可以保证镶嵌齿顺利地嵌入橡胶壳体上楔形块之间的凹槽内部。另外在整体结构发生轴向伸长时，橡胶壳体内的凹槽宽度加长，镶嵌齿可以保证橡胶管内部气压达到最大值时镶嵌齿始终能使其与橡胶壳体间的凹槽紧固嵌合。设计的直面是为了减轻所述橡胶管内最大填充压力，因为整体结构的末端点受到负载的时候，镶嵌齿有被挤出橡胶外壳凹槽的趋势，设计成直面能够有效减少压力。

更进一步，考虑到橡胶管的膨胀变形对镶嵌齿有一定影响，所述镶嵌齿之间留有空隙，而非连续连接，以减少镶嵌齿对橡胶管的影响。所述镶嵌齿的内侧与橡胶管连接处有卡块a和卡块b，所述卡块a和卡块b是为了增大镶嵌齿与橡胶管的接触面积，防止镶嵌齿脱落。

实例一：所述柔性结构a前端盖上有10个通孔分别为柔性机构a通气孔a、柔性机构a通气孔b、柔性机构a通气孔c、柔性机构b通气孔a、柔性机构b通气孔b、柔性机构b通气孔c、通孔a、通孔b、通孔c以及变刚度气道。所述柔性机构a通气孔a、柔性机构a通气孔b以及柔性机构a通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与柔性机构a的三个气室相连。通过改变三个气室的气压实现柔性机构a的弯曲运动。所述柔性机构b通气孔a、柔性机构b通气孔b以及柔性机构b通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与柔性机构b的三个气室相连。通过改变三个气室的气压实现柔性机构b的弯曲运动。当需要控制软体机器人运动时，则只需对两个柔性结构总计六个通气孔进行充气。变刚度气道用于改变所述软体机器人的刚度，通孔a、通孔b、通孔c等角度均匀分布于软体机器人端盖的表面，用于平衡软体机器人变刚度时橡胶管与橡胶壳体间的气压。

实例二：该实例中将实例一中的气动驱动方式跟改为拉线驱动。相比于气动肌肉使用拉线驱动的方式控制更为灵活且精确，能提供的抓持力也更大。在实例一中，所述柔性机构a前端盖上有10个通孔分别为柔性机构a通气孔a、柔性机构a通气孔b、柔性机构a通气孔c、柔性机构b通气孔a、柔性机构b通气孔b、柔性机构b通气孔c、通孔a、通孔b、通孔c以及变刚度气道。而在实施案例二中，只需将上述所说的通气孔改变内径，从而改变为拉线孔，其余三个通孔则不做改变。所述柔性机构a拉线孔a、柔性机构a拉线孔b以及柔性机构a拉线孔c三个拉线孔一端利用特制拉线连接至气动肌肉，另一端分别与柔性机构a的三个拉线孔相连。通过改变气动肌肉的气压用来拉动拉线孔中的线，从而实现柔性机构a的弯曲运动。所述柔性机构b拉线孔a、柔性机构b拉线孔b以及柔性机构b拉线孔c三个拉线孔孔一端用一种特制拉线连接至气动肌肉，另一端分别与柔性机构b的三个拉线孔相连。通过改变三个气动肌肉的气压实现柔性机构b的弯曲运动。当需要控制软体机器人运动时，则只需对两个柔性结构总计六个气动肌肉进行充气，改变气动肌肉的长度，进而拉动拉线来控制柔性机构的弯曲方向。变刚度气道用于改变所述软体机器人的刚度，通孔a、通孔b、通孔c等角度均匀分布于软体机器人端盖的表面，用于平衡软体机器人变刚度时橡胶管与橡胶壳体间的气压。

设计图

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