[發明專利]具有順序剛度調節功能的仿生結構-感知一體化軟折紙彎曲模塊

在審

• 申請號: 202210084806.8
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114406997A
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 閆繼宏;許志東;石培沛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B25J9/08
• 分類號: B25J9/08;B25J17/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 王海婷

本發明提供了一種具有順序剛度調節功能的仿生結構?感知一體化軟折紙彎曲模塊，屬于仿生軟體彎曲結構領域。解決了現有的軟體機器人靈活大變形與靈敏感知無法兼得的問題。它包括軟折紙致動器、被動剛度調節帶、纖維限制線、應變感知單元、應變限制層、信號線和氣管。本發明的軟折紙致動器采用纖維增強的吉村紋式結構，具有沿折痕展開和硅膠皮膚拉伸的雙重變形；軟體模塊沿軸向分為三段，單一氣壓下每段分別經歷柔順大變形?被動順序剛度調節，可實現多種彎曲構型；與軟折紙致動器相同材料屬性的壓阻型柔性應變感知單元離散地無縫嵌入到軟體模塊底部，可感知模塊復雜變形。本發明既可以兼具靈活大變形與靈敏感知，又具有被動順序剛度調節的特點。

技術領域

本發明屬于仿生軟體彎曲結構技術領域，尤其是涉及一種具有順序剛度調節功能的仿生結構-感知一體化軟折紙彎曲模塊。

背景技術

目前，軟體機器人普遍缺少感知功能，無法實現閉環控制。已有的本體感知方案也只是實現了驅動-感知的結合，仍存在靈活大變形與靈敏感知無法兼得的問題。非結構化、動態的環境需要軟體機器人靈活大變形致動與靈敏感知的協同。

已有一些學者對軟體機器人本體感知技術進行研究，主要通過向柔性基底填充碳納米顆粒/絲、液態金屬、離子導電物等，它們響應外界激勵發生電信號改變，為機器人提供反饋。在材料層級可融合驅動和感知功能。加州大學制備了一種導電雙網絡水凝膠，可響應光/熱發生變形，并伴隨電阻的變化實現本體感知。然而，由于缺少一定的結構以及光/熱致動的局限，負載和響應速率表現欠佳。此外，由于身體結構是一整個電阻，無法對復雜構型進行估計和重建。浙江工業大學將自供電的PDMS基的曲率傳感器貼于3D打印的軟體手指上，僅兩端與手指主體連接，存在應變傳遞損失，影響感知精度。此外，該傳感器采用整體式分布于機器人上，難以對復雜、局部變形進行感知。武漢理工大學利用光纖布拉格光柵對軟體手指進行構型重建，光纖的高模量會影響手指的變形。北京航空航天大學將交叉形狀的EGaIn基柔性傳感器在離散粘貼仿章魚觸手表面，提供致動器伸長和膨脹的反饋。粘貼不可靠易產生致動器的應變難以準確傳遞至感知器的問題，即應變傳遞系數小于1，從而引起感知精度損失。綜上，實現軟體機器人靈活、大變形致動與靈敏本體感知協同仍是一大挑戰。

發明內容

鑒于此，本發明旨在提出一種具有順序剛度調節功能的仿生結構-感知一體化軟折紙彎曲模塊，使軟體機器人兼具靈活大變形致動與靈敏本體感知功能。

為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種具有順序剛度調節功能的仿生結構-感知一體化軟折紙彎曲模塊，包括軟折紙致動器、被動剛度調節帶、纖維限制線、應變感知單元、應變限制層、信號線和氣管；

所述的軟折紙致動器內設有一個氣室，所述的氣管設置在軟折紙致動器的一端，且與氣室連通，在軟折紙致動器的周向纏繞若干約束軟紙致動器充氣后沿徑向膨脹的纖維限制線，所述的被動剛度調節帶設置在軟折紙致動器頂部，在軟折紙致動器的底部內嵌三個離散分布的應變感知單元和一個應變限制層，所述的應變限制層布置在三個應變感知單元的下方，每個應變限制層的兩端各連接一個信號線，六條信號線的自由端均伸出軟折紙致動器布置，所述的軟折紙致動器的材質與應變感知單元的材質相同，通過澆注方式實現軟折紙致動器與應變感知單元的無縫連接；

所述的軟折紙致動器采用吉村紋式結構，軟折紙致動器包括多個結構完全相同的折紙單元，相鄰兩折紙單元之間的被動剛度調節帶留有一定余量；

三個應變感知單元將所述的軟折紙致動器沿軸向分為三段，相應的所述被動剛度調節帶也分為三段，每段的軟折紙致動器彎曲變形由底部相應的應變感知單元獲得，且每段被動剛度調節帶的段內的余量相同；

當三段被動剛度調節帶的余量均相同時，通過氣管充氣后，軟折紙彎曲模塊整體具有相同的曲率，軟折紙彎曲模塊表現出整體雙重柔順變形-剛度被動順序調節；