阅读说明：本技术 一种多自由度气动软体执行器 (Multi-degree-of-freedom pneumatic soft actuator ) 是由 林杨乔 邹俊 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多自由度气动软体执行器。包括硅胶主体、硅胶封底、导气管和堆叠砂纸片；硅胶主体为方形筒体结构,具体包括有中间腔室与四个侧边狭缝,侧边狭缝开设在硅胶主体周围的四边侧壁内,每个侧边狭缝内部均插装有堆叠砂纸片,所述硅胶封底粘接于硅胶主体底部。本发明是利用局部变刚度实现软体气动执行器多自由度变形的结构方式,可串联成柔性夹爪,用于物体的夹持。(The invention discloses a multi-degree-of-freedom pneumatic soft actuator. Comprises a silica gel main body, a silica gel back cover, an air duct and stacked sandpaper sheets; the silica gel main part is square barrel structure, specifically including middle cavity and four side slits, and in the four sides lateral wall around the silica gel main part was seted up to the side slit, the inside equal cartridge of every side slit had piled up the abrasive paper piece, the silica gel back cover bonds in silica gel main part bottom. The invention relates to a structural mode for realizing multi-degree-of-freedom deformation of a soft pneumatic actuator by utilizing local variable stiffness, which can be connected in series to form a flexible clamping jaw for clamping objects.)

一种多自由度气动软体执行器

技术领域

本发明设计涉及软体执行器领域，尤其涉及一种多自由度气动软体执行器，通过抽气作用控制侧面的刚度，通过抽气或进气提供气体驱动控制软体执行器的变形，产生多种自由度的运动。

背景技术

传统刚体机器人因其结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差，在一些特殊的应用中，如复杂易碎物体抓持、人机交互和狭窄空间作业等具有极大的挑战。利用柔性材料制作的软体执行器为仿生结构、抓持作业和医疗康复等领域提供了一种高安全、低成本的驱动方式。其中流体驱动具备有高安全，高可控，大应变等优点受到广泛关注。

作为软体执行器的主要类型，气动软体执行器通过软材料内部空腔的内外压差使软材料变形做功。柔性腔室的变形具有不确定性，需要对腔室施加一定的变形限制来获得目标变形，这也导致了气动软体执行器通常只有单一的形状变形和功能，使其功能性与复用性不足。尽管已有研究试图通过使用多个独立的腔室和不同的各向异性结构设计等来探索具有多种变形形式的人工肌肉，但过多的腔室设计，往往导致结构的冗余，使系统变得笨重，并降低了柔性人工肌肉的功率密度。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种通过局部变刚度实现多自由运动的软体执行器，用层状硬化效应改变执行器的各个侧面的局部刚度，从而实现多种自由度运动的方式；通过向侧边狭缝抽气产生层状硬化效应，控制中间空腔侧边的刚度，从而实现软体执行器不同的变形。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明包括硅胶主体、硅胶封底、导气管和堆叠砂纸片；硅胶主体为方形筒体结构，具体包括有中间腔室与四个侧边狭缝，侧边狭缝开设在硅胶主体周围的四边侧壁内，每个侧边狭缝内部均插装有堆叠砂纸片，所述硅胶封底粘接于硅胶主体底部。

所述硅胶主体内部的中间腔室与四个侧边狭缝均通过导气管连通至外部的抽气装置。

先对侧边狭缝的抽气然后再对中间腔室进行抽气，带动硅胶主体变形；通过对不同位置的侧边狭缝的抽气控制调整硅胶主体四边侧面的硬度，进而调整硅胶主体四边侧面的硬度的不同搭配，实现硅胶主体的不同变形形态。

所述堆叠砂纸片插入于四个侧边狭缝中，且与侧边狭缝的壁面紧密贴合。

所述堆叠砂纸片的层数为12层到20层等尺寸方形切割砂纸。

所述硅胶主体采用硅胶浇注固化成型。

本发明的有益效果在于：

本发明提出局部变刚度的方法，在单一空腔的条件下，实现气动软体执行器的可控多自由度变形，使软体执行器更加紧凑高效。新的软体执行器结构能够充分发挥软材料的多自由度的潜能，实现了整体结构的轻量化，为探索更加复杂实用化的软体结构提供了思路，在软体机器人这一前沿领域具有应用价值。

附图说明

图1为本发明多自由度气动软体执行器的结构示意图；

图2为本发明多自由度气动软体执行器的爆炸图；

图3为本发明多自由度气动软体执行器的硅胶主体结构示意图；

图4为本发明多自由度气动软体执行器的弯曲变形示意图；

图5为本发明多自由度气动软体执行器的弯曲变形示意图；

图6为本发明六个多自由度气动软体执行器的组合进行环抱夹持示意图；

图7为本发明六个多自由度气动软体执行器的组合进行边缘夹持示意图。

图中：硅胶主体1、硅胶封底2、导气管3、堆叠砂纸片4、中间腔室5、侧边狭缝6。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种多自由度气动软体执行器，能够利用抽气压力改变侧边刚度，使气动软体执行器能够利用单个空腔产生多种形式的变形，并且能调节控制变形的姿态和形式。

如图1和图2所示，具体结构包括硅胶主体1、硅胶封底2、导气管3和堆叠砂纸片4；硅胶主体1为方形筒体结构，即硅胶主体1上端封闭，下端贯通，中间形成硅胶腔室，具体包括有中间腔室5与四个侧边狭缝6，侧边狭缝6开设在硅胶主体1周围的四边侧壁内，侧边狭缝6为条形封闭腔结构，侧边狭缝6平行于硅胶主体1四边的侧面，每个侧边狭缝6内部均插装有堆叠砂纸片4，堆叠砂纸片4插入于四个侧边狭缝中后与侧边狭缝的壁面基本贴合，硅胶封底2粘接于硅胶主体1底部。由此，执行器构成为中心对称的六面结构体。

硅胶主体1内部的中间腔室5与四个侧边狭缝6均通过导气管3连通至外部的抽气装置。导气管3外端连接到气源，导气管3穿过硅胶主体伸入到内部分别和中间腔室5与四个侧边狭缝6连通。

导气管3的气道由外界通过抽气驱动软体执行器的变形以及控制侧边刚度。

堆叠砂纸片的层数为12层到20层等尺寸方形切割砂纸。硅胶主体1采用硅胶浇注固化成型。

在抽气情况下，堆叠砂纸片4所处在狭缝内外产生压差，外界大气压压紧狭缝两侧，堆叠砂纸片4各层紧贴，相互之间的摩檫力增大，导致各层之间难以发生错切，因此堆叠砂纸片4的弯曲刚度增大，即产生层状硬化效应，使得侧边狭缝6所在的硅胶主体1侧面硬度提高，变为刚性。

先对侧边狭缝6的抽气然后再对中间腔室5进行抽气，带动硅胶主体1变形；通过对不同位置的侧边狭缝6的抽气控制调整硅胶主体1四边侧面的硬度，进而调整硅胶主体1四边侧面的硬度的不同搭配，实现硅胶主体1的不同变形形态。

本发明多自由度气动软体执行器，通过调节施加在四个侧边狭缝6内部的抽气压力，可调节四个侧面的刚度。例如，如图3所示，对三个侧边狭缝施加抽气压力，再对中间腔室抽气，可以让多自由度气动软体执行器产生弯曲的动作。例如，如图4所示，对两个相对侧边狭缝施加抽气压力，再对中间腔室抽气，可以让多自由度气动软体执行器产生收缩的动作。

为了使得侧边具有较大的刚度变化范围，堆叠砂纸片的层数为12层到20层等尺寸方形切割砂纸。增加砂纸层数可以增加侧边的刚度。

同时，如图5和图6所示，本发明还提供了一种利用多自由度气动软体执行器组合成的柔性夹爪，可用于物体的夹持。

由此，本发明利用局部变刚度实现软体气动执行器多自由度变形，可串联成柔性夹爪，用于物体的夹持。