[发明专利]具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块

说明书

本发明提供了一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构‑感知一体化软折纸弯曲模块，属于仿生软体弯曲结构领域。解决了现有的软体机器人灵活大变形与灵敏感知无法兼得的问题。它包括软折纸致动器、被动刚度调节带、纤维限制线、应变感知单元、应变限制层、信号线和气管。本发明的软折纸致动器采用纤维增强的吉村纹式结构，具有沿折痕展开和硅胶皮肤拉伸的双重变形；软体模块沿轴向分为三段，单一气压下每段分别经历柔顺大变形‑被动顺序刚度调节，可实现多种弯曲构型；与软折纸致动器相同材料属性的压阻型柔性应变感知单元离散地无缝嵌入到软体模块底部，可感知模块复杂变形。本发明既可以兼具灵活大变形与灵敏感知，又具有被动顺序刚度调节的特点。

技术领域

本发明属于仿生软体弯曲结构技术领域，尤其是涉及一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块。

背景技术

目前，软体机器人普遍缺少感知功能，无法实现闭环控制。已有的本体感知方案也只是实现了驱动-感知的结合，仍存在灵活大变形与灵敏感知无法兼得的问题。非结构化、动态的环境需要软体机器人灵活大变形致动与灵敏感知的协同。

已有一些学者对软体机器人本体感知技术进行研究，主要通过向柔性基底填充碳纳米颗粒/丝、液态金属、离子导电物等，它们响应外界激励发生电信号改变，为机器人提供反馈。在材料层级可融合驱动和感知功能。加州大学制备了一种导电双网络水凝胶，可响应光/热发生变形，并伴随电阻的变化实现本体感知。然而，由于缺少一定的结构以及光/热致动的局限，负载和响应速率表现欠佳。此外，由于身体结构是一整个电阻，无法对复杂构型进行估计和重建。浙江工业大学将自供电的PDMS基的曲率传感器贴于3D打印的软体手指上，仅两端与手指主体连接，存在应变传递损失，影响感知精度。此外，该传感器采用整体式分布于机器人上，难以对复杂、局部变形进行感知。武汉理工大学利用光纤布拉格光栅对软体手指进行构型重建，光纤的高模量会影响手指的变形。北京航空航天大学将交叉形状的EGaIn基柔性传感器在离散粘贴仿章鱼触手表面，提供致动器伸长和膨胀的反馈。粘贴不可靠易产生致动器的应变难以准确传递至感知器的问题，即应变传递系数小于1，从而引起感知精度损失。综上，实现软体机器人灵活、大变形致动与灵敏本体感知协同仍是一大挑战。

发明内容

鉴于此，本发明旨在提出一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块，使软体机器人兼具灵活大变形致动与灵敏本体感知功能。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种具有顺序刚度调节功能的仿生结构-感知一体化软折纸弯曲模块，包括软折纸致动器、被动刚度调节带、纤维限制线、应变感知单元、应变限制层、信号线和气管；

所述的软折纸致动器内设有一个气室，所述的气管设置在软折纸致动器的一端，且与气室连通，在软折纸致动器的周向缠绕若干约束软纸致动器充气后沿径向膨胀的纤维限制线，所述的被动刚度调节带设置在软折纸致动器顶部，在软折纸致动器的底部内嵌三个离散分布的应变感知单元和一个应变限制层，所述的应变限制层布置在三个应变感知单元的下方，每个应变限制层的两端各连接一个信号线，六条信号线的自由端均伸出软折纸致动器布置，所述的软折纸致动器的材质与应变感知单元的材质相同，通过浇注方式实现软折纸致动器与应变感知单元的无缝连接；

所述的软折纸致动器采用吉村纹式结构，软折纸致动器包括多个结构完全相同的折纸单元，相邻两折纸单元之间的被动刚度调节带留有一定余量；

三个应变感知单元将所述的软折纸致动器沿轴向分为三段，相应的所述被动刚度调节带也分为三段，每段的软折纸致动器弯曲变形由底部相应的应变感知单元获得，且每段被动刚度调节带的段内的余量相同；

当三段被动刚度调节带的余量均相同时，通过气管充气后，软折纸弯曲模块整体具有相同的曲率，软折纸弯曲模块表现出整体双重柔顺变形-刚度被动顺序调节；