[發明專利]一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法

有效

• 申請號: 201910538963.X
• 申請日: 2019-06-20
• 公開（公告）號: CN110276127B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 王學謙;張志遠;梁斌;王松濤;孟得山
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F17/11;G06F119/14
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

1.一種螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于包括如下步驟：

S1、根據螺線型氣動軟體致動器輸入氣壓不同致動器對應的展開角度不同的現象，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系；

S2、從而通過控制輸入氣壓P實現螺線型氣動軟體致動器展開角度θ的控制；其中，所述螺線型致動器隨著輸入氣壓的增大能夠實現正負曲率兩個方向的展開運動，展開運動時氣壓越大正曲率越小，正曲率減小到0之后能夠隨著氣壓變大實現負曲率展開運動；

所述螺線為圓形、阿基米德螺線或對數螺線，其極坐標方程式和笛卡爾坐標方程式的關系如下式所示：

其中φ角為螺線角度；r為螺線半徑，不同螺線類型，r與φ之間的函數關系不同；x和y分別為相應的笛卡爾坐標系下坐標值。

2.如權利要求1所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于,步驟S1中，得到輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系的方法包括如下步驟：

S11、根據超彈性材料的性能特點，建立材料模型；

S12、建立致動器靜力學模型。

3.如權利要求2所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于,步驟S11中，采用Yeoh模型建立材料應力與應變之間的非線性關系，應變能密度函數模型為：

其中d_k是材料參數、J是材料變形后與變形前的體積比，對于不可壓縮材料，J＝1；n為應變能密度函數的階數；C_i為材料參數；I₁為應變張量的第1個不變量，即：

其中:λ₁、λ₂和λ₃分別為致動器軸向、徑向和周向主拉伸比。

4.如權利要求3所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于,步驟S1中，輸入氣壓P與致動器展開角度θ的關系為：

式中：V_a為氣腔內氣體所占體積，V_s為硅橡膠所占體積V_s；W為應變能密度；輸入氣壓P以標準大氣壓作為相對氣壓零點，P_a＝101.325KPa。

5.如權利要求3所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于,

采用硅膠材料制作螺線型致動器的彈性基體時，使用二階Yeoh模型即可描述其材料屬性，則有

W＝C₁(I₁-3)+C₂(I₁-3)²，

其中硅橡膠材料參數的經典值為：C₁＝0.11MPa，C₂＝0.02MPa。

6.如權利要求1所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法,其特征在于,阿基米德螺線的極坐標方程式為：

r＝R₀+C₀φ

其中，R0為螺線起點與極坐標原點的距離；C0為螺線半徑r隨螺線角度變化的速率；對于確定的螺線構型，螺線的極坐標方程表達式唯一，此時R0和C0均為常系數；

圓形為阿基米德螺線的一種極端特例，其極坐標方程式為：

r＝R₀+C₀φ，C₀＝0

對數螺線的極坐標方程式為：

7.如權利要求1所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法，其特征在于，致動器的基體由超彈性材料制作成形，基體內部有一個充氣氣腔。

8.如權利要求7所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法，其特征在于，基體外側粘貼有應變限制層，用于限制軸向的伸展運動并且增強展開運動。

9.如權利要求8所述的螺線型氣動軟體致動器靜力學控制方法，其特征在于，基體末端密封阻塞頭用于堵塞氣腔，防止漏氣。