[發明專利]一種仿玻璃海綿骨架結構的變剛度軟體模塊及夾持器

有效

• 申請號: 201911388741.0
• 申請日: 2019-12-26
• 公開（公告）號: CN111015721B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 閆繼宏;石培沛;許志東;楊凱;趙杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J15/12
• 分類號: B25J15/12;B25J15/08;B25J15/10
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

一種仿玻璃海綿骨架結構的變剛度軟體模塊及夾持器，涉及一種可變剛度軟體機器人技術領域本發明解決了現有軟體模塊變剛度能力差的問題。所述模塊的變剛度結構套裝在柔性加熱層上，柔性加熱層內設有中心限制層，彈性主體包覆在變剛度結構的側壁及兩端上并填充于柔性加熱層內，位于柔性加熱層內的彈性主體上設有至少一個氣腔，所述變剛度結構為仿玻璃海綿骨架結構。所述軟體模塊可用于軟體夾持器設計，結合自身軟體被動變形能力和變剛度能力，實現不同尺寸、不同重量、不同形狀物體的抓取功能。本發明實現了一種仿生玻璃海綿骨架的變剛度軟體模塊設計，該軟體模塊可進一步應用于變剛度軟體夾持器、機器人手、變剛度軟體臂等制作當中。

技術領域

本發明涉及一種可變剛度軟體機器人技術領域，具體為一種仿玻璃海綿骨架結構的變剛度軟體模塊及夾持器。

背景技術

近年來，隨著新材料與快速成型技術的發展，在世界范圍內掀起了軟體機器人的研究熱潮。軟體機器人涉及仿生學，機器人學，軟材料學以及控制等學科，其靈感來源于模仿自然界的軟體動物與結構。軟體機器人具有輕質、柔順、易變形、交互安全等優點，但是低剛度特性影響其負載、精確運動和操作性能，是限制其應用場合的關鍵因素，為改善其性能，學者們研究各種變剛度方法與技術，也成為軟體機器人目前最熱門的研究方向之一。

經查閱資料發現，目前大部分應用于軟體機器人的變剛度方案都存在一些不足，很難同時實現兼具柔順性和大負載能力、響應時間短、質量輕等指標。例如圣安娜高等學校研制的顆粒阻塞式變剛度軟體模塊，利用負壓阻塞實現中心圓柱腔的變剛度功能，變剛度腔體積較大，變剛度范圍??；西安交通大學研制一種電磁式層干擾軟體結構，利用多層中的電磁吸引作用實現其變剛度，效果一般，需要高電壓；北京航空航天大學研制一種基于低熔點合金的變剛度模塊，以合金相變的方式實現變剛度，變剛度效果好，但金屬質量較重，且加熱時間較長。阻塞及層干擾等非相變方式不能實現大范圍變剛度，很難實現跨數量級的變剛度能力，而低熔點合金、SMP等相變方式能夠實現跨數量級(數十倍～數百倍)的變剛度范圍，但響應時間較長，通常加熱時間超過半分鐘、甚至需要幾分鐘，并且低熔點合金質量較重，影響軟體機器人的運動。因此，實現一種輕質、大范圍變剛度(跨數量級)且響應快的變剛度方案，對于軟體機器人的性能改善具有重要意義。

大自然往往給予我們仿生設計靈感，太平洋深海底層生活著一種古老的物種——多孔玻璃海綿，如圖1(b)所示，這種生物能夠承受很高的靜水壓力及深海洋流，具有極為優秀的抗壓和抗彎性能。它們的壁厚通常只有1～2mm，最長卻可以生長到2m。其骨骼結構如圖1(a)所示，骨骼中的骨針之間相互連接形成一種網狀的結構，因為它們生活在海底，所以生存的環境中常常會出現洶涌的暗流和兇猛的捕食者，在經歷了漫長的自然選擇及優勝劣汰，它們進化成一種具有高韌性、高強度和高穩定性的結構，能夠牢牢依附于海洋底層不被洋流沖走，也能提供結實的屏障保護隱藏在其中的魚蝦不被捕食。

然面，現有技術中，沒有人提出將玻璃海綿骨架結構應用于變剛度軟體模塊、機械臂或手指中。

發明內容

本發明為了解決現有軟體模塊變剛度能力差的問題，以及現有軟體模塊無法既保證其質量輕、運動靈活，又能實現大負載和大范圍變剛度功能，進而提供一種仿玻璃海綿骨架結構的變剛度軟體模塊及夾持器。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種仿玻璃海綿骨架結構的變剛度軟體模塊，所述模塊包括至少一個氣腔、變剛度結構、與氣腔數量一致的氣管、剛性底座、柔性加熱層、彈性主體和中心限制層；變剛度結構套裝在柔性加熱層上，柔性加熱層內設有中心限制層，彈性主體包覆在變剛度結構的側壁及兩端上并填充于柔性加熱層內，位于柔性加熱層內的彈性主體上設有至少一個氣腔，氣腔的開口端與對應的氣管連通，氣管接裝在剛性底座上且氣管的一端露在外部，剛性底座與變剛度結構的端部側壁連接，所述變剛度結構為仿玻璃海綿骨架結構。

進一步地，所述玻璃海綿骨架結構呈管體狀，管體的側壁均布設有若干個三角形通孔。