基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器、及软体抓手
1.本发明涉及软体驱动器设备技术领域，尤其涉及一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器、及软体抓手。
背景技术：
2.机器人抓手可以代替人手来抓取物体，已被广泛应用于生产生活的方方面面，为实现工业自动化发挥了重要作用。衡量一个机械手的设计水平的高低主要取决于抓取可靠性、操作灵活性、环境适应性等评价指标。然而，传统机械手主要由刚性材料制成，通常质量较大，灵活性欠缺，在处理复杂多变的应用场景时面临很大的挑战。近年来，应用软材料设计制造的软体手引起了国内外学者和机构的广泛关注，并为我们改进机械手提供了新的思路。软体手以材料学和机械学为基础，利用软体材料本身的机械智能，使抓手具有灵活、高效的抓取性能。
3.软体驱动器是软体抓手的核心执行部件，对软体抓手的性能提高具有重要意义。具有伸长功能的软体驱动器是最常见的驱动器之一，可被应用于软体抓手中，并为调整抓手的抓取范围提供了一种很有前景的解决方案。然而，软体伸长驱动器在高载荷的情况下，难以保持其拉伸形状的稳定性。例如，当软体抓手需要抓取较重且较大的物体时，由于软体伸长驱动器的柔软特性，导致负载能力差，难以抵抗来自被抓物体的反向作用力，就会造成抓取不稳定的情况发生。
4.近年来，变刚度技术被开发出来，并被视作是解决软体驱动器柔软问题的一种有效途径。现有变刚度技术有两类，一类是通过智能材料法变刚度，另一类是通过结构间的互相挤压变刚度(俗称干扰法)。前者通过施加光、电、热等外界刺激改变材料本身的分子特性，从而从软状态变为硬状态。后者通过将颗粒介质、层状介质等聚集在一个薄膜内，然后施加负压，使介质之间压紧而改变刚度。
5.然而，现有的变刚度技术在应用于伸长驱动器时有很大的局限性。不论是智能材料法变刚度还是负压干扰法变刚度，都难以应用于伸长驱动器中。这是因为变刚度材料/变刚度结构自身不具有拉伸性，无法随着伸长驱动器的拉伸而拉伸。以颗粒干扰法为例，当颗粒干扰结构被拉伸时，就会因为拉伸而出现一个空腔区域，无法全局变刚度，即变刚度功能失效。同样，层干扰法也是如此。
技术实现要素：
6.有鉴于此，为了解决现有变刚度结构难以应用于软体伸长驱动器中，导致驱动器在工作时硬度较低，易发生变形和抓取松弛的问题，本发明的实施例提供了一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器、及软体抓手。
7.本发明的实施例提供一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，包括：
8.波纹管，其两端封闭，且设有第一通气孔和第二通气孔；
9.以及设置于所述波纹管内的变刚度结构，所述变刚度结构包括两纤维单元和软体
套，每一所述纤维单元包括底座和纤维束，所述纤维束一端固定连接所述底座，两所述纤维单元设置于所述软体套内，且两底座分别密封连接所述软体套的两端，两所述纤维束并拢设置于所述软体套内，两底座分别连接所述波纹管两端，所述第一通气孔连通所述波纹管与所述软体套之间的空间，所述第二通气孔连通所述软体套内部。
10.进一步地，所述纤维束的一端固定于所述底座的一半区域。
11.进一步地，所述软体套为圆柱形，所述纤维束为半圆柱形。
12.进一步地，所述软体套与所述波纹管同轴设置。
13.进一步地，所述纤维束包括多根圆柱形纤维条。
14.进一步地，所述波纹管包括上端开口的管体、以及与所述管体上端口密封连接的端盖，所述第一通气孔和第二通气孔设置于所述端盖上。
15.另外在上述基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器的基础上，本发明的实施例还提供了一种软体抓手，包括两上述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，还包括v形的支架和两摇臂，两所述摇臂分别与所述支架的两端铰接，每一所述驱动器连接所述摇臂和所述支架，以驱动所述摇臂相对所述支架转动。
16.进一步地，所述支架的外侧设有两上安装板，每一所述摇臂靠近所述支架一端设有下安装板，每一所述驱动器的两端分别安装于所述上安装板和所述下安装板上。
17.进一步地，所述摇臂为l形，其中部与所述支架一端铰接、上端形成所述下安装板、下端用于夹持物品。
18.进一步地，所述摇臂下端设有接触气囊。
19.本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
20.1、本发明的一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，驱动器内部的变刚度结构可跟随驱动器拉伸，有效提高软体伸长驱动器的拉伸成形稳定性。
21.2、本发明的一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，解决了传统颗粒干扰变刚度/层干扰变刚度中，因拉伸而出现的局部空腔问题，具有全局可变刚度的特性。
22.3、本发明的一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，具有通用性，可适用于绝大多数的软体伸长驱动器。
23.4、本发明的一种软体抓手，可自动调节抓取距离，实现稳定的调节抓取范围，并可有效抵抗物体的反向作用力，提高软体抓手在调节抓取间距时的稳定性。
附图说明
24.图1是本发明一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器100的示意图；
25.图2是本发明一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器的俯视图；
26.图3是本发明一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器的爆炸图；
27.图4是图2中的a-a剖面示意图；
28.图5是变刚度结构的爆炸图；
29.图6、图7是纤维束的受力示意图；
30.图8是波纹管伸长时两纤维单元的纤维束错开的示意图；
31.图9是波纹管的注塑模具的示意图；
32.图10是本发明一种软体抓手的常态示意图；
33.图11、12是本发明一种软体抓手的抓取状态示意图。
34.图中：100-基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器、1-波纹管、2-变刚度结构、3-管体、4-端盖、5-第一通气孔、6-第二通气孔、7-软体套、8-纤维单元、9-纤维束、10-底座、11-外模具、12-内模具、101-支架、102-摇臂、103-上安装板、104-下安装板、105-接触气囊。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
36.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
37.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
39.在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.请参考图1、2、3、4和5，本发明的实施例提供了一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器100，包括波纹管1和变刚度结构2。
41.如图3和4所示，所述波纹管1空心设置，在所述波纹管1内部充气后会进行直线伸长运动。所述波纹管1两端封闭，且设有第一通气孔5和第二通气孔6。
42.具体的，所述波纹管1包括管体3和端盖4，所述管体3的下端封闭、上端开口。所述端盖4与所述管体3的上端口可通过胶水粘接连接，实现所述端盖4与所述管体3之间的密封连接。
43.所述第一通气孔5设置于所述端盖4上靠近边缘位置，第二通气孔6设置于所述端盖4的中心处。所述第一通气孔5和所述第二通气孔6均可以与气管插接，实现充气或抽气。
44.所述波纹管1可以采用硅胶注塑制作，所述管体3采用的注塑模具如图9所示，该注塑模具包括两外模具11和内模具12，其中两所述外模具11拼接形成具有波纹的内腔，所述内模具12具有波纹状的内芯，所述内模具12的内芯插入两所述外模具11的内腔内。在制作所述管体3时，由所述注塑模具上方开口处倒入液体硅胶，静置等待硅胶固化，随后脱模，即可获得所述管体3。类似的，采用硅胶注塑可制作获得所述端盖4。
45.如图4和5所示，所述变刚度结构2设置于所述波纹管1内，所述变刚度结构2主要包括两纤维单元8和软体套7，每一所述纤维单元8包括底座10和纤维束9。
46.所述软体套7为中空的圆柱，且两端开口，由硅胶制成。两所述纤维单元8容置于所
述软体套7内。所述纤维束9一端固定连接所述底座10，这里所述纤维束包括多根圆柱形纤维条，各所述纤维条的一端与所述底座10粘接固定连接、另一端自由设置。优选的，所述纤维束9的一端固定于所述底座10的一半区域。如本实施例中，所述底座10为圆形，所述纤维束9为半圆柱形且一端恰好粘接于所述底座10的半圆形区域。
47.两所述纤维单元8设置于所述软体套7内，且两底座10分别密封连接所述软体套7的两端，两所述纤维束9并拢设置于所述软体套7内。这里两所述底座10分别嵌入所述软体套7的两端并与所述软体套7的两端通过胶水粘接实现密封连接，两所述纤维束9恰好并拢形成一圆柱、容置于所述软体套7内。
48.在进行所述变刚度结构2制作时，所述纤维束9的纤维条采用po lyjet 3d打印技术，直接3d打印软胶材质。所述软体套7可采用po lyjet 3d打印技术3d打印，也可以采用模具注塑制作。本实施例中，所述纤维条的刚度为邵氏刚度70a，所述软体套的刚度为邵氏刚度30a。
49.所述变刚度结构2在完成制作后，整体放入所述波纹管1内，且在放入时应尽量保证所述软体套7与所述波纹管1同轴设置。并且使两所述纤维单元8的两底座10分别连接所述波纹管1两端，如本实施例中两所述底座10分别与所述管体3的底面和所述端盖4的顶面粘接连接。
50.在完成所述变刚度结构2和所述波纹管1的组装后，所述第一通气孔5连通所述波纹管1与所述软体套7之间的空间。位于上方的所述底座10的中心设有穿孔，所述穿孔与所述第二通气孔6上下对齐，使所述第二通气孔6连通所述软体套7内部。
51.基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器100工作时，可通过第一通气孔对所述波纹管1内通气，在气压作用下所述波纹管1伸长、弯曲。由于两所述纤维单元8的纤维束9之间没有阻碍，两所述纤维单元的纤维束可以如图8所示的很柔顺的错开。并且为了适应所述波纹管1弯曲，两所述纤维单元的纤维束之间可以如图6所示的扭转、和/或所述图7所述的弯曲。随后通过所述第二通气孔6对所述软体套7内抽负压，使纤维束9变硬，从而可以改变所述驱动器100整体的刚度。这样就克服了变刚度材料/变刚度结构自身不具有拉伸性，无法随着伸长驱动器的拉伸而拉伸的问题。
52.另外在上述基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器100的基础上，本发明的实施例还提供了一种软体抓手。如图10所示，所述软体抓手主要包括两上述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器100、v形的支架101和两摇臂102。
53.所述支架101岔开一定角度，用于安装两所述摇臂102及两所述驱动器100。具体的，两所述摇臂102分别与所述支架101的两端铰接，如本实施例中所述摇臂102为l形，所述摇臂102的中部通过一铆钉与所述支架101的一端连接且使所述摇臂102可绕所述支架101的一端转动。
54.每一所述驱动器100连接所述摇臂102和所述支架101，以驱动所述摇臂102相对所述支架101转动。具体的，所述支架101的外侧设有两上安装板103，每一所述摇臂102靠近所述支架一端设有下安装板104，这里所述摇臂102上端直接形成所述下安装板104，每一所述驱动器100的两端分别安装于所述上安装板103和所述下安装板104之间，所述驱动器100伸长可驱动两所述摇臂102转动，使两所述摇臂102的下端相对靠近。
55.所述摇臂102的下端用于夹持物品。优选的，所述摇臂102下端设有接触气囊105，
通过所述接触气囊105与物体直接接触，可以起到缓冲的作用，防止损坏物体。
56.上述软体抓手是基于仿生人手的设计思路而设计，模拟了人手的手指开合姿态，可以灵巧的抓取多尺寸多形状的物体。如图11和12所示，在抓取时，我们先驱动两所述驱动器100的波纹管1伸长、和/或弯曲，使两摇臂102的下端夹住物体，然后对变刚度结构100内部施加真空，使其刚度提高，再将物体提起，这样可以抵抗抓取过程中来自物体对抓取的反向作用力，具有抓取稳定的有益效果。
57.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
58.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于，包括：波纹管，其两端封闭，且设有第一通气孔和第二通气孔；以及设置于所述波纹管内的变刚度结构，所述变刚度结构包括两纤维单元和软体套，每一所述纤维单元包括底座和纤维束，所述纤维束一端固定连接所述底座，两所述纤维单元设置于所述软体套内，且两底座分别密封连接所述软体套的两端，两所述纤维束并拢设置于所述软体套内，两底座分别连接所述波纹管两端，所述第一通气孔连通所述波纹管与所述软体套之间的空间，所述第二通气孔连通所述软体套内部。2.如权利要求1所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于：所述纤维束的一端固定于所述底座的一半区域。3.如权利要求1所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于：所述软体套为圆柱形，所述纤维束为半圆柱形。4.如权利要求3所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于：所述软体套与所述波纹管同轴设置。5.如权利要求1所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于：所述纤维束包括多根圆柱形纤维条。6.如权利要求1所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，其特征在于：所述波纹管包括上端开口的管体、以及与所述管体上端口密封连接的端盖，所述第一通气孔和第二通气孔设置于所述端盖上。7.一种软体抓手，其特征在于：包括两如权利要求1～6任意一项所述的基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器，还包括v形的支架和两摇臂，两所述摇臂分别与所述支架的两端铰接，每一所述驱动器连接所述摇臂和所述支架，以驱动所述摇臂相对所述支架转动。8.如权利要求7所述的软体抓手，其特征在于：所述支架的外侧设有两上安装板，每一所述摇臂靠近所述支架一端设有下安装板，每一所述驱动器的两端分别安装于所述上安装板和所述下安装板上。9.如权利要求8所述的软体抓手，其特征在于：所述摇臂为l形，其中部与所述支架一端铰接、上端形成所述下安装板、下端用于夹持物品。10.如权利要求9所述的软体抓手，其特征在于：所述摇臂下端设有接触气囊。
技术总结
本发明提供一种基于交叉纤维干扰变刚度软体伸长驱动器、及软体抓手，该驱动器包括：波纹管，其两端封闭，且设有第一通气孔和第二通气孔；以及设置于波纹管内的变刚度结构，变刚度结构包括两纤维单元和软体套，每一纤维单元包括底座和纤维束，纤维束一端固定连接底座，两纤维单元设置于软体套内，且两底座分别密封连接软体套的两端，两纤维束并拢设置于软体套内，两底座分别连接波纹管两端，第一通气孔连通波纹管与软体套之间的空间，第二通气孔连通软体套内部。本发明的有益效果：驱动器的变刚度结构可跟随驱动器拉伸，有效提高软体伸长驱动器的拉伸成形稳定性；解决了传统变刚度结构中因拉伸而出现的局部空腔问题，具有全局可变刚度的特性。刚度的特性。刚度的特性。
