A Human-Inspired Soft Finger with Dual-Mode Morphing Enabled by Variable Stiffness Mechanism

变形 刚度 刚度(电磁) 材料科学 软机器人 抗弯刚度 变形(气象学) 人工肌肉 机械工程 执行机构 结构工程 复合材料 工程类 计算机科学 人工智能
作者
Jihong Yan,Zhidong Xu,Peipei Shi,Jie Zhao
出处
期刊:Soft robotics [Mary Ann Liebert]
卷期号:9 (2): 399-411 被引量:35
标识
DOI:10.1089/soro.2020.0153
摘要

Elevating stiffness without compromising compliance and agility is a key problem for soft finger applications, especially for articulate ones. Inspired by human finger, a multijoint soft finger with dual morphing through active/passive variable rigidity is proposed. The fabricated soft finger weighs 27.4 g. Conductive thermoplastic starch polymers (CTPSs) are embedded in a U-shape-joint pneumatic soft actuator segmentally like biological phalanges. Their stiffness can be independently adjusted utilizing customized thermomechanical property. Yoshimura origami imitating ligaments can passively match deformation and stiffness of the joints. Through electrothemal activation of CTPSs, the finger can realize dual independent articulate morphing: stiffened phalanges (mode 1) for dexterous manipulation and heavy load, softened phalanges (mode 2) for large deformation contact and light load. Comparative experiments of bending angle, output force, and stiffness are carried out between the active and passive stiffness adjustment of mode 1 and mode 2. The results show that the output force and stiffness of the finger adopting mode 1 can be improved more than two times and five times, and its compliance using mode 2 is almost similar, compared with the pure soft one. To further demonstrate performances of dual-mode morphing, a three-fingered gripper is assembled for grasping and manipulating targets with different shapes, sizes, rigidity, and weight, including playing card, unshelled raw egg, grapes, and unscrewing the bottle cap. It can successfully lift a dumbbell weighing 1460 g with a 7.6 load/weight ratio through a two-mode switch.
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