本发明属于物理人机交互，尤其涉及一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器。
背景技术：
1、随着人工智能、传感控制及超材料等领域的进步，机器人已经从简单的任务执行者转变为能够进行自主和智能化交互的伙伴。通过物理接触与机器人进行协作可以提供更直观、自然和紧密的交互体验，其在人机交互领域展示出巨大的潜力。然而，目前的物理交互设备，如协作机器人和力反馈设备，变形和力反馈形式单一，限制了交互体验的提升。
2、协作型机器人的出现促进了人机物理交互的发展，但这些机器人通常依赖于关节处的扭矩传感器和分布在表面的触觉传感器。高成本的硬件设备以及复杂的控制系统限制了其广泛应用。并且，这些机器人的刚性外壳限制了物理交互的安全性。
3、虚拟现实和增强现实技术的应用为人机协作提供了新的平台，开辟了人机交互的新途径。然而，在裸手交互场景中由于缺乏物理外设，使得触觉反馈天然缺失。现有的触觉反馈设备通常仅依靠振动或电刺激来诱发手部或皮肤的基本触觉感觉，这与物理世界中多样的触觉体验有着较大的差异。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，通过气压的控制产生丰富的变形交互和触觉反馈类型，以解决现有技术的不足，改善人机交互体验。
2、一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，该气动多稳态柔性驱动器为正六边形对称结构，包括了一个六边形顶盖、六个气动双稳态单元，一个六边形底座；六边形顶盖上粘附有六片方形压电传感器和一片圆形压电传感器，用于感知用户与驱动器的接触部位和接触力；驱动器的每条边嵌入了一个气动双稳态单元，每个气动双稳态单元由一个顶盖燕尾插头和两个刚性屈曲梁、两个柔性密封膜、四个柔性关节、一个刚性底座、两个底座方形插头和一个气管接口组成；所述气动双稳态单元通过顶盖燕尾插头和底座方形插头与驱动器的顶盖燕尾插槽和底座方形插槽进行嵌入连接，嵌入到驱动器的气动双稳态单元能够随时进行插拔和更换，以重构驱动器的结构，重编辑其力学性能；所述刚性底座的底板上留有气管接口，用于接入气管与气泵相连。
3、具体地，所述柔性关节和柔性密封膜采用柔性光敏树脂材料加工，使用多材料喷墨式3d打印机打印成型，能够多次拉伸和弯折，使用不同硬度的柔性光敏树脂加工的柔性关节具备不同的力学性能。
4、具体地，所述刚性屈曲梁的倾角设置为30°。
5、具体地，所述气泵产生的压强可控的正负压气体用于控制气动双稳态单元的变形和力学性能。
6、具体地，所述气动双稳态单元有收缩和伸展两个稳态，在外力或者内部气压地作用下，依靠机构中刚性屈曲梁和柔性关节的变形来实现可逆的运动和稳态的转换；其在结构上无需额外的运动副和运动部件，也无需装配和安装，且所述气动双稳态单元是通过多材料3d打印机一体化3d打印制造得到。
7、具体地，所述实现可逆的运动和稳态的转换，具体为：在变形过程中，当输入的气压或者外力达到气动双稳态单元的稳态切换阈值时，气动双稳态单元能够在两个稳状间可逆地切换，即当向驱动器中所有的气动双稳态单元中充入正压，驱动器将从收缩状态切换到伸展状态；当向所有的气动双稳态单元中充入负压，驱动器将从伸展状态切换到收缩状态；当向驱动器对边的气动双稳态单元分别充正压和负压，驱动器表现为向负压侧的弯曲。
8、具体地，所述驱动器共有六条边，能够向每条边的方向弯曲，因此驱动器中具有六个方向的弯曲状态；还具有全向弯曲的能力，即当嵌入到六条边的气动双稳态单元都压缩下去时，为驱动器的收缩状态；气动双稳态单元都伸展，就是驱动器的伸展状态；因此驱动器一共具有八种变形状态，分别为六个方向的弯曲、伸展和收缩。
9、具体地，所述气动双稳态单元在垂直方向单轴载荷作用下时，也能够实现稳定状态之间的切换，并且能可逆地调整其形态。
10、具体地，所述压电传感器和圆形压电传感器无需外部电源供电，在外部交互力作用下，由压电效应产生电脉冲信号，对交互力的大小进行检测和感知；且其交互信息能够在无源条件下以物理变形的形式和电信号的形式进行记忆和存储。
11、具体地，所述驱动器能够进行结构的拓展，构建出具有变形能力的串联体；所述驱动器一共能够添加六个新的气动双稳态单元，将其顶盖燕尾插头与驱动器的底座燕尾插槽通过插拔的方式进行嵌合；并增加一个新的六边形底座，并将其底座方形插槽与所有新增加的气动双稳态单元的底座方形插槽通过插拔方式进行嵌合；再将新添加的气动双稳态单元通过气管接口与气泵相连；所述串联体的位移为所有串联的驱动器位移的总和，串联体的弯曲角度是所有串联的驱动器弯曲角度的总和。
12、本发明的有益效果如下：
13、本发明提出的用于物理交互的气动多稳态柔性驱动器，既能主动产生伸长，收缩和全向弯曲的形变，和用户主动地进行物理互动，也能够在用户触摸或者力传递的作用下发生被动适形。该驱动器的变形能够稳定维持而不需要力的输入。同时，该驱动器可以动态地调节本体的力学性能，改变自身的结构刚度和交互力度，使用户能够体验到丰富的机械触摸感觉。
1.一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，该气动多稳态柔性驱动器为正六边形对称结构，包括了一个六边形顶盖（1）、六个气动双稳态单元（2），一个六边形底座（3）；六边形顶盖（1）上粘附有六片方形压电传感器（11）和一片圆形压电传感器（12），用于感知用户与驱动器的接触部位和接触力；驱动器的每条边嵌入了一个气动双稳态单元（2），每个气动双稳态单元（2）由一个顶盖燕尾插头（21）和两个刚性屈曲梁（22）、两个柔性密封膜（23）、四个柔性关节（25）、一个刚性底座（24）、两个底座方形插头（26）和一个气管接口（27）组成；所述气动双稳态单元（2）通过顶盖燕尾插头（21）和底座方形插头（26）与驱动器的顶盖燕尾插槽（13）和底座方形插槽（31）进行嵌入连接，嵌入到驱动器的气动双稳态单元（2）能够随时进行插拔和更换，以重构驱动器的结构，重编辑其力学性能；所述刚性底座（24）的底板上留有气管接口（27），用于接入气管与气泵相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述柔性关节（25）和柔性密封膜（23）采用柔性光敏树脂材料加工，使用多材料喷墨式3d打印机打印成型，能够多次拉伸和弯折，使用不同硬度的柔性光敏树脂加工的柔性关节（25）具备不同的力学性能。
3.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述刚性屈曲梁（22）的倾角设置为30°。
4.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述气泵产生的压强可控的正负压气体用于控制气动双稳态单元（2）的变形和力学性能。
5.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述气动双稳态单元（2）有收缩和伸展两个稳态，在外力或者内部气压地作用下，依靠机构中刚性屈曲梁（22）和柔性关节（25）的变形来实现可逆的运动和稳态的转换；其在结构上无需额外的运动副和运动部件，也无需装配和安装，且所述气动双稳态单元（2）是通过多材料3d打印机一体化3d打印制造得到。
6.根据权利要求5所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述实现可逆的运动和稳态的转换，具体为：在变形过程中，当输入的气压或者外力达到气动双稳态单元（2）的稳态切换阈值时，气动双稳态单元能够在两个稳状间可逆地切换，即当向驱动器中所有的气动双稳态单元（2）中充入正压，驱动器将从收缩状态切换到伸展状态；当向所有的气动双稳态单元（2）中充入负压，驱动器将从伸展状态切换到收缩状态；当向驱动器对边的气动双稳态单元（2）分别充正压和负压，驱动器表现为向负压侧的弯曲。
7.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述驱动器共有六条边，能够向每条边的方向弯曲，因此驱动器中具有六个方向的弯曲状态；还具有全向弯曲的能力，即当嵌入到六条边的气动双稳态单元（2）都压缩下去时，为驱动器的收缩状态；气动双稳态单元（2）都伸展，就是驱动器的伸展状态；因此驱动器一共具有八种变形状态，分别为六个方向的弯曲、伸展和收缩。
8.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述气动双稳态单元（2）在垂直方向单轴载荷作用下时，也能够实现稳定状态之间的切换，并且能可逆地调整其形态。
9.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述压电传感器（11）和圆形压电传感器（12）无需外部电源供电，在外部交互力作用下，由压电效应产生电脉冲信号，对交互力的大小进行检测和感知；且其交互信息能够在无源条件下以物理变形的形式和电信号的形式进行记忆和存储。
10.根据权利要求1所述的一种用于物理人机交互的气动多稳态柔性驱动器，其特征在于，所述驱动器能够进行结构的拓展，构建出具有变形能力的串联体；所述驱动器一共能够添加六个新的气动双稳态单元（2），将其顶盖燕尾插头(21)与驱动器的底座燕尾插槽(32)通过插拔的方式进行嵌合；并增加一个新的六边形底座(3)，并将其底座方形插槽(31)与所有新增加的气动双稳态单元(2)的底座方形插槽(31)通过插拔方式进行嵌合；再将新添加的气动双稳态单元(2)通过气管接口(27)与气泵相连；所述串联体的位移为所有串联的驱动器位移的总和，串联体的弯曲角度是所有串联的驱动器弯曲角度的总和。
