[发明专利]一种可变刚度的软体机械手

说明书

本技术公开一种可变刚度的软体机械手，由一个或多个执行单元构成。执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分主要由软体基体和外围约束纤维组成，刚度调节部分主要为内置刚度调节介质的介质层。基体为硅胶合成材料制成的柔性中空管状结构，基体外侧为两组按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材）。刚度调节部分安装在基体外侧，内置刚度调节介质，对刚度调节部分抽真空，介质接触面积增加导致摩擦力改变，进而改变刚度。软体基体由气压或者液压驱动，刚度调节部分利用负压装置驱动。通过形变部分和刚度调节部分的配合，实现软体机械手兼具刚柔特性，具有极高的作业效率的同时，保证与外界操作对象与操作环境交互时具有极高的安全性。

技术领域

本技术涉及软体机器人夹持器，具体而言是一种可变刚度的软体机械手。

背景技术

进入21世纪以来，机器人技术广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平动自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制。而软体机器人是模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有较大的柔韧性和连续变形能力，适应环境的能力较强，可在狭窄的空间内进行工作。

目前，软体机器人技术在人机交互、医疗康复等领域有着广阔的发展前景。2013年，柏林工业大学Raphael Deimel等人利用硅橡胶和聚合物纤维研制了一款气体驱动的船型柔性手。手指采用船型通腔结构，外面用纤维缠绕，通过在一侧加入被动层限制，而另一侧拉伸实现弯曲。该柔性手安全简单，易于制造，可以实现31到33种抓取姿态，可以抓取500g左右的物体。

2013年哈佛生物设计实验室的Panagiotis等人针对手部运动障碍的病人研制了一款康复手套 。手指内部是由气囊组成的气动网络采用硅橡胶材料制作，在充气状态下可以产生弯曲运动。2014年，Panagiotis等对前代产品进行了改进。采用聚合物纤维强化，利用液压驱动，通过提高输入压力来增强输出手指力量。通过机械编程来仿照人手关节，实现每个关节的运动，使其更加匹配人的手指运动方式。

软体机器人是机器人技术研究的全新方向，它弥补了传统机器人在某些功能上的缺陷，在很多方面都有其用武之地，未来发展的前景一片光明。但是由于对它的研究才刚刚起步，在材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需要继续研究，所以对于它的研究也充满了困难与挑战。

发明内容

为了弥补软体机械手无法兼顾柔韧性和刚度调节的缺陷，本专利提供一种可变刚度的软体机械手。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可变刚度的软体机械手，包括至少一个执行单元；所述执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分包括具有内腔的中空管状软体基体和缠绕在软体基体外围的不可拉伸纤维组成，在基体上具有与内腔相通的基体通气孔；刚度调节部分包括用于固定缠绕在基体外侧的不可拉伸纤维的胶水层、环绕胶水层并与胶水层之间形成封闭环形空腔的软质封闭层、设置在环形空腔内的刚度调节介质形成的介质层；环形空腔的两端以封闭环封闭，封闭板上开有与环形空腔内部相通的刚度调节通气孔。

上述的可变刚度的软体机械手，所述基体的内腔为多个关于基体轴线对称分布的内腔，每个基体内腔一端与一个基体通气孔相通。最好，多个执行单元的一端共同设置在第一法兰盘上；与基体通气孔相通的基体通气管、与刚度调节通气孔相通的刚度调节通气管均穿过第一法兰盘。优选，它含包括叠置在第一法兰盘上的第二法兰盘，第一法兰盘与第二法兰盘固定连接；基体通气管、刚度调节通气管均穿过第二法兰盘。

上述的可变刚度的软体机械手，所述基体为柔性半圆柱状结构，其中非圆弧侧材料硬度高于圆弧侧。