用于强化软体刚度的填充颗粒及系列化的应用

技术领域

本发明属于填充技术领域，具体涉及一种用于强化软体刚度的填充颗粒及系列化的应用。

背景技术

颗粒材料多用于结构填充，因为球形颗粒的结构简单，制造方便，各种软体机器人多应用球形或者椭球形颗粒进行填充，并取得了一定的变刚度特性。

这些填充颗粒，主要因为制造方便，并有一定的变刚度能力，所以被采用。但是，球形颗粒的几何光滑，相互接触方式简单。颗粒间的相互作用只能通过球壁与球壁间的点接触，在加有侧力的条件下，容易达到最大静摩擦力，进而发生滑动。所以，球形颗粒的特点也就使得颗粒间的作用并不稳定，作用力不大。而对于软体机械臂，材料颗粒间的最大作用力，将直接影响机械臂的变刚度范围，作用力越强，机械臂就能拥有更大的变刚区间，就能为机械臂带来更多的适用空间。所以，利用球形颗粒的软体机械臂，难以发挥出大范围变刚度的能力，只能通过其它的方式改善软体的变刚度范围，这正是球形颗粒的最大限制。

现有技术中，主要采取球形颗粒来实现刚度调整，比如文献：(Y.Li,Y.Chen,Y.Yang and Y.Wei,Passive Particle Jamming and Its Stiffening of Soft RoboticGrippers,IEEE Transactions on Robotics,33446-455,2017.)比如如下专利也采取球形颗粒：[中国发明]CN201811170700.X一种基于颗粒阻塞的变刚度气动软体驱动器。现有填充物主要包括一些球形颗粒、粗咖啡粉末、玻璃珠等，比如文献：(V.Wall,R.Deimel andO.Brock,Selective stiffening of soft actuators based on jamming,2015IEEEInternational Conference on Robotics and Automation(ICRA),IEEE,2015,pp.252-257.)现有技术存在的问题主要有：1)颗粒之间的支撑力主要是靠摩擦力，容易滑动；2)咖啡粉末等容易在多次使用后，颗粒会变细，不够鲁棒。

因此，为了实现软体机械臂更大范围的变刚度能力，需要提出新型颗粒，在传统颗粒的基础之上，增多颗粒间的作用方式，改善作用力上限，在作为填充材料时，能够在高负载的条件下仍保持结构完整，不发生大的滑动等结构变形，进而改善软体机械臂的变刚度能力，提升软体机器人的适用范围。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于强化软体刚度的填充颗粒，为圆盘结构两侧端面上设置凸起的陀螺结构，通过简单的摩擦作用产生刚度的方式，变为可以在抽气增压时通过相互之间的支撑作用产生更大刚度；进一步，分别对圆盘端面形状、圆盘外周面形状及凸起形状尺寸进行调整，得到一系列用于强化软体刚度的填充颗粒，能够进一步提高了摩擦力、支撑强度等，产生更好的效果。

本发明的技术方案是：一种用于强化软体刚度的填充颗粒，其特征在于：所述填充颗粒为两侧端面设置有凸台的圆盘结构。

本发明的进一步技术方案是：所述凸台为外周面成弧形的圆台结构，两个凸台相对于圆盘对称设置，并与圆盘同轴。

本发明的进一步技术方案是：所述圆盘的外周面设置为齿轮状，和相邻填充颗粒能够相互锁死。

本发明的进一步技术方案是：所述填充颗粒的外表面上设置有若干凸起，用于增大表面粗糙程度。

本发明的进一步技术方案是：所述凸起的结构为圆柱形，沿填充颗粒的轴向在外表面均布若干排，每排内沿周向均布若干个。

本发明的进一步技术方案是：所述圆盘的两侧端面上开有环形槽，所述环形槽同轴设置于凸块根部的外缘处。

本发明的进一步技术方案是：所述圆盘的端面上沿周向开有多个通孔，所述通孔圆形所在圆周与圆盘同轴，位于凸块根部的外缘处；所述通孔为圆孔或弧形长孔。

本发明的进一步技术方案是：所述凸块靠近圆盘一侧的外周面上开有周向环槽。

本发明的进一步技术方案是：所述凸块外周面圆弧的曲率半径设计方法，首先将填充颗粒中点作为坐标原点；轴向和径向分别为X、Y轴；然后在X轴偏转45°的方向上确定圆心，以该圆心为基准画圆；最后根据不同圆的半径确定不同曲率半径的圆弧。

一种用于强化软体刚度的填充颗粒作为系列化产品的应用。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明的填充颗粒，按照渐变的曲率进行过渡，逐渐从陀螺形状过渡到最终的球形，形成系列化产品。其中陀螺构型的颗粒具有多方面的优势。

从颗粒特性方面说，陀螺构型及其过渡构型的特殊点在于，其具有两头锥形凸台结构和中部圆盘结构。一方面增多了颗粒间的相互作用位置及作用方式。颗粒与颗粒之间，既有锥顶与中部圆盘的支撑，又有圆盘与圆盘间的接触，甚至还会出现多个锥顶与圆盘间的接触，多种支持方式共同作用，因此相互作用力的上限会随之提高。而球形颗粒或类球形颗粒间的相互接触，只有球壁与球壁面间的点接触，而因为壁面光滑，曲率变化小，这种作用方式很容易因为较小的侧向力发生滑动。另一方面，颗粒的相互支撑在保证结构强度的基础上，可以降低单位空间内的颗粒数量，同条件下减小材料用量，让软体机械臂变得更加灵活。

具体的，在颗粒表面设计了一些微小的圆柱，既增大了表面的粗糙程度，提高了摩擦力；又增加了相互之间的支撑强度，使其在接触时可以产生更大的作用力。颗粒圆盘部分的边缘作为齿轮状，不仅增大了摩擦，并且使其在一定情况下可以相互锁死，从而能够承受更大的力的作用。同时在圆盘部分围绕尖端凸起设计了一圈凹陷的槽或孔，这样在抽气增压后，尖端的凸起可能卡入槽中，将其在面上微弱的摩擦变为和槽之间的支撑作用，以产生更好的效果。

附图说明

图1为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的结构设计图；

图2为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的基本形状示意图；

图3为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的增加表面凸起和圆周齿的示意图；

图4为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的增加端面环槽和圆周齿的示意图；

图5为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的增加端面孔和圆周齿的示意图；

图6为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒的增加周向环槽和圆周齿的示意图；

图7、图8、图9、10为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒两侧凸起不同曲率半径的结构示意图；

图11为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒实施例1中的结构示意图；

图12为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒实施例2中的结构示意图；

图13为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒实施例3中的结构示意图；

图14为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒实施例4中的结构示意图；

图15为本发明用于强化软体刚度的填充颗粒实施例5中的结构示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图2所示，本发明一种用于强化软体刚度的填充颗粒，为两侧端面设置有凸台的圆盘结构。所述凸台为外周面成弧形的圆台结构，两个凸台相对于圆盘对称设置，并与圆盘同轴。

参见图3所示，填充颗粒的圆盘的外周面设置为齿轮状，不仅增大了摩擦，并且使其在一定情况下可以相互锁死，从而能够承受更大的力的作用。

参见图3所示，填充颗粒的外表面上设置有若干凸起，凸起的结构为圆柱形，沿填充颗粒的轴向在外表面均布若干排，每排内沿周向均布若干个；既增大了表面的粗糙程度，提高了摩擦力；又增加了相互之间的支撑强度，使其在接触时可以产生更大的作用力。

参见图4所示，填充颗粒的圆盘两侧端面上开有环形槽，所述环形槽同轴设置于凸块根部的外缘处。在抽气增压后，凸块可能卡入槽中，将其在面上微弱的摩擦变为和槽之间的支撑作用，以产生更好的效果。

参见图5所示，填充颗粒的圆盘端面上沿周向开有多个通孔，所述通孔圆形所在圆周与圆盘同轴，位于凸块根部的外缘处；所述通孔为圆孔或弧形长孔。

参见图6所示，填充颗粒的凸块靠近圆盘一侧的外周面上开有周向环槽。

参见图1所示，所述凸块外周面圆弧的曲率半径设计方法，首先将填充颗粒中点作为坐标原点；轴向和径向分别为X、Y轴；然后在X轴偏转45°的方向上确定圆心，以该圆心为基准圆心画圆；最后根据不同圆的半径确定不同曲率半径的圆弧，如图7-10所示。以圆盘厚度为0.5mm、直径为5mm以及铜锣高度为5mm作为例子，在45度方向上选取不同圆心位置，使此圆与圆盘和凸台的角点相交(如图1)，即可得到不同曲率的铜锣曲面弧线。

实施例1，以基准圆心画圆，直径取3.2mm，如图11所示。

实施例2，以基准圆心画圆，直径取3.6mm，如图12所示。

实施例3，以基准圆心画圆，直径取3.8mm，如图13所示。

实施例4，以基准圆心画圆，直径取5.0mm，如图14所示。

实施例5，以基准圆心画圆，直径取7.0mm，如图15所示。

最后，根据实验得到，针对圆盘直径为5mm时，当圆的直径为3.2mm(即铜锣表面曲率在所选取的值当中最大时)，软体的变刚度性能最好。

对于表面挖孔的的模型(图5)，表面上孔的位置根据相互作用的位置确定，即颗粒相互作用时，一个颗粒的圆台在另一颗粒圆盘上接触的位置，易知，孔的尺寸越大，圆台与孔的相互作用就会越强，在保证铜锣结构强度不被破坏的基础上，我们根据计算，为使得凸台与圆孔的相互接触相互作用力较大，在三个对称位置，取宽度0.8mm，角度为50度，进行挖孔(如图5)

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。