CN105364939A - 一种气囊式灵巧手指及灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种气囊式灵巧手指，包括：至少两个指状关节；驱动电机，设置于相邻两个手指关节的连接处，其中，手指关节设置有气囊，气囊上设置有用于充气和放气的进气口和出气口。其中的独特气囊设计，可以提高灵巧手的适应性，减少灵巧手手指上传感器的使用，其具有：适用性广，可以抓取任意外形轮廓的物体，柔性气囊自适应目标物体形状；可以抓取一些柔软以及易变性易碎物体；提高抓取的稳定性；灵巧手指的布置方式可以根据不同基座的形状而定，增加灵巧手指数目，改变灵巧手的相对位置，实现不同的操作和抓取，解决一般灵巧手对于柔软易变形物体适应性差的问题。本发明还提供一种包括上述气囊式灵巧手指灵巧手。

Description

一种气囊式灵巧手指及灵巧手

技术领域

本发明属于机械领域，尤其是涉及一种机器人领域中的机械手。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人灵巧手也取得了长足的进步，国内外研究学者对机器人的末端执行器也进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。国外在机器人灵巧手领域的研究开展相对较早，日本、美国、德国的研究学者经过不懈的努力，先后研制出多种类型的灵巧手。日本的研究学者Okada.T早在1974年成功研制了Okada灵巧手，该灵巧手主要通过钢丝绳进行动力的传递，传感器的主要类型有电机位置传感器、关节位置传感器、电机电流传感器。美国斯坦福大学于1983年成功研制出Stanford/JPL多指灵巧手，为了控制手指对物体的作用力，研究人员还提出了力控制和刚度控制模型，并且求出了相应的控制算法。英国的Shadow公司于2004年成功研制出基于气动人工肌肉的Shadow灵巧手，该灵巧手的驱动源主要是由36根气动人工肌肉组合而成，采用钢丝绳将气动人工肌肉的驱动力传递到各个手指的关节，手指的内侧分布着直径为3mm的触觉传感器，其外形和功能都与人手具有极高的相似性。日本东芝公司运用硅橡胶制成的圆柱形软管研制出了Toshiba灵巧手，由于这个手的主要构成材料是橡胶，故具有很好的柔顺性和环境适应性，不会对目标物体造成伤害。

中国专利第201310221036.8号介绍了一种果实采摘机器人三指灵巧手，其中在各手指指腹均设置有橡胶衬垫，该果实采摘机器人三指灵巧手采用柔性的手指指腹，同时利用压力传感器的压力检测和控制器实时控制，可以有效避免在采摘时对果实的损伤。虽然采用了橡胶衬垫来避免对果实的损伤，但是这种橡胶垫的柔性是固定的，面对不同种类的水果，其适应性将会变差。

以上几种具有典型意义的灵巧手，Okada灵巧手虽然灵敏度较高，但是柔性不足，尤其是对于抓取柔性物体；Stanford/JPL多指灵巧手虽然考虑了手指对物体的作用力，但是控制比较复杂；Shadow灵巧手虽然采用了气动人工肌肉，但只是将气动人工肌肉的驱动力传递到各个手指的关节，并没有考虑到手指的柔性；Toshiba灵巧手虽然具有很好的柔顺性和环境适应，但是控制系统相当复杂，同时手指的近指关节、中指关节、远指关节并不分明，对抓取物体灵活程度不高。

目前所研究的灵巧手主要还是基于工业用途，随着机器人技术的不断发展，家庭机器人越来越受到广泛的关注，作为机器人的末端执行机构，必须要适合多种场合。

人手是经过几千年进化才形成了现在的结构，相对于灵巧手而言具有独特的优势。在对人手抓取物体的过程进行研究发现，当人手在操作物体时，人对手指和物体之间接触力的大小并不是很准确，但是人手在接触物体的时候，由于人手皮肤的柔软性，在接触力的作用下，人的皮肤会发生一定的形变，这样人手与物体之间的接触面积就会增加。同时为了能够稳定地抓取物体，人手和物体之间的夹持力将会不断增大，直到能够稳定地抓取物体为止。

发明内容

本发明是为解决上述问题而提出的，提供了一种一种气囊式灵巧手指及灵巧手，减少灵巧手手指上传感器的使用，提高灵巧手的适应性。

本发明提供的一种气囊式灵巧手指，包括：至少两个指状关节；驱动电机，设置于相邻两个手指关节的连接处，用于驱动手指关节屈曲，其中，手指关节设置有气囊，气囊上设置有用于充气和放气的进气口和出气口。

本发明提供的气囊式灵巧手指，还可以具有这样的特征：其中，指状关节的个数为3即近指关节、中指关节、远指关节。

本发明提供的气囊式灵巧手指，还可以具有这样的特征：其中，气囊粘附在手指关节的内侧。

本发明提供的气囊式灵巧手指，还可以具有这样的特征：其中，气囊包覆在手指关节上。

本发明提供的气囊式灵巧手指，还可以具有这样的特征：其中，气囊的材质为橡胶，且满足：气囊中充入0.1MPa的压缩气体时，气囊相对于未充入压缩气体的初始状态的变形量不超过10％。

本发明提供的气囊式灵巧手指，还可以具有这样的特征：其中，气囊外壁具条纹，用于增大与物体接触时的摩擦力。

本发明还提供一种灵巧手，包括：手掌；至少一个灵巧手指，和手掌连接；气体输送单元，和手指连接；其中，手指为的气囊式灵巧手指，气体输送单元包括气体输送导管，分别同进气口连接，其中输送导管长度有一定的余量用来方便手指运动，输送导管同进气口连通。

本发明提供的灵巧手，还可以具有这样的特征：还包括压力检测器，设置于驱动电机上，用于实时检测手指接触目标物体时的压力。

本发明提供的灵巧手，还可以具有这样的特征：还包括气压控制单元，包括设置于出气口和进气口上的电磁阀和控制器，控制器用来控制电磁阀的开闭。

本发明提供的灵巧手，还可以具有这样的特征：还包括气压实时检测器，设置于气囊内，用来检测气囊内的实时压力并传送到控制器。

发明作用与效果

本发明提供的气囊式灵巧手指，具有至少两个指状关节；驱动电机，设置于相邻两个手指关节的连接处，用于驱动手指关节屈曲，其中，手指关节设置有气囊，气囊上设置有用于充气和放气的进气口和出气口，其中的独特气囊设计，可以提高灵巧手的适应性，减少灵巧手手指上传感器的使用，其具有：

适用性广，可以抓取任意外形轮廓的物体，柔性气囊自适应目标物体形状；

可以抓取一些柔软以及易变性易碎物体；

提高抓取的稳定性；

灵巧手指的布置方式可以根据不同基座的形状而定，增加灵巧手指数目，改变灵巧手的相对位置，实现不同的操作和抓取，解决一般灵巧手对于柔软易变形物体适应性差的问题。

附图说明

图1为本发明的气囊式灵巧手指组成示意图；

图2为本发明的气囊式灵巧手指中气囊和指状关节结构示意图；

图3为本发明的灵巧手结构示意图；

图4为本发明的灵巧手控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的气囊式灵巧手指作具体阐述。

实施例1

图1为本实施例的气囊式灵巧手指组成示意图

本实施例的气囊式灵巧手指100包括三个指状关节10和设置于相邻两个手指关节10的连接处的驱动电机20以及粘附在手指关节10内侧的气囊30；其中

三个指状关节10包括近指关节11、中指关节12、远指关节13，其形状同人的手指关节相同，相互之间如图1所示的通过铰链活动连接，连接处的轴同驱动电机20连接，由驱动电机20的正反转来驱动手指关节的屈曲抓握。

驱动电机20，为低速控制电机，可以输出大扭转，设置于相邻两个手指关节10的连接处，其具有同控制器或控制终端连接的接口，用来根据外界信号来旋转运动从而驱使指状关节10的屈曲抓握运动和力度。

气囊30，这个气囊的设置是本发明的关键点，本发明即利用了气囊的柔性来适应不同轮廓的目标物体，同时利用气囊的压力来控制对目标物体的抓握力的大小。气囊的材质为橡胶，通过胶水如7148AB来粘附在对应的近指关节11、中指关节12、远指关节13的外壁内侧，同时气囊外壁设置有用于增大与物体接触时的摩擦力条纹，气囊30内侧上设置有用于充气和放气的进气口31和出气口32，其中出气口32上设置有电磁阀用于控制放气来控制调节气压。其中，作为一种优化设计，气囊30的设计要求为：气囊10中充入0.1MPa的压缩气体时，相对于未充入压缩气体的初始状态的变形量不超过10％。

作为另一种优化设计，其他设计不变的情况下，还提供另外的一种优化设计：气囊30包覆在手指关节10上，这样手指关节的内外侧都有气囊层(指状关节10相当于手指骨，气囊层即相对于手指骨上的肌肉和皮肤，这样前后都有肌肉和皮肤)，在屈曲抓握时可以突破人手单向内侧抓握的限制，可以内侧和外侧(即向手背侧)屈曲一定角度而抓握。

图2为本实施例的气囊式灵巧手指中气囊和指状关节结构示意图

为了进一步的说明本发明的技术关键气囊30的结构，这里根据图2详细说明。如图2所示，气囊30粘附在指状关节10上，气囊10同一般的气球类似，其形状为凹陷的圆饼状，凹陷处同指状关节的内侧相对应配合而便于粘贴。同时气囊30外壁具有条纹或是颗粒状凸起，用于增大握持物体时的摩擦力。同时进气口31和出气口32设置于气囊30的内侧，这样的设置可以使得进气管路设置在指状关节10内。

指状关节10，如图2所示，其为中空的管状物，中空的设计可以便于容纳和安装充气管路以及压力检测器等。

图3为本实施例的灵巧手结构示意图

如图1，2，3所示，灵巧手1000包括气囊式灵巧手指100和手掌200、气体输送单元300(如图1中50所示)、控制检测部400，其中

同人手指类似，这里气囊式灵巧手指100有5个，这里气囊式灵巧手指100上连接有用于拼合成手掌200的手掌拼块40；

手掌200(图中未示出)由多个上述手掌拼块40拼合而组成类似于人类手掌的形状的手掌。

气体输送单元300(图中未示出)，气体输送单元包括气体输送导管(如图1中的50所示)，分别同进气口31连接，其中输送导管50长度有一定的余量用来方便手指运动，输送导管同进气口31连通，其材质为硬质塑料，其同外界的压缩气源连通，供应压缩气体。

控制检测部400(图中未示出)包括：

压力检测器60，设置于驱动电机20上，用于实时检测手指100接触目标物体时的压力；

气压控制单元70，包括设置于出气口31和进气口32上的电磁阀71(如图2所示)和控制器72，控制器72用来控制电磁阀71的开闭，从而控制气囊30的充气和放气来控制气囊的气压大小；

气压实时检测器80(如图2所示)，设置于气囊30内，用来检测气囊内的实时压力并传送到控制器72，

控制器72也同压力检测器60和驱动电机20连接，根据检测到的作用于驱动电机20上的压力来控制调节驱动电机20的运转。

图4为本实施例的灵巧手控制流程图

开机后，设定气压值(初始气压值和抓握气压值)，然后

S-1，充气；

S-2，判断气压是否达到初始气压值，如果没有则继续充气直至气压达到设定值为止；

S-3，检测到气压到达设定值，关闭电磁阀结束充气；

S-4，电机转动抓握目标物体，气囊同物体接触收到挤压，气压发生变化；

S-5，再次判断气压是否达到抓握气压值，如果没有则电机继续运转挤压直至气压达到为止；

S-6，检测到气压到达抓握气压值，电机停止；

S-7，手指抓紧物件，结束。

通过气源给气囊30供气，中间的气压控制单元70主要用于控制气囊内的初始气压值，并能够封住一定量的气体。必要时气压控制单元70也可以通过出气口31的电磁阀释放气囊内气体。对于不同硬度的被抓取物品，可以根据需要，通过气压控制单元70相应改变初始气压值。

当手灵巧手在进行抓取时，通过气压实时检测器80来检测气囊内的压力，当气囊内气压达到抓握气压值，气压实时检测器80通过控制器72反馈给驱动电机20，驱动电机20停止转动，手指各关节与物件相对位置保持不变，手指将物件抓紧。

实施例的作用和有益效果

本实施例提供的气囊式灵巧手指，具有至少两个指状关节；驱动电机，设置于相邻两个手指关节的连接处，用于驱动手指关节屈曲，其中，手指关节设置有气囊，气囊上设置有用于充气和放气的进气口和出气口，其中的独特气囊设计，可以提高灵巧手的适应性，减少灵巧手手指上传感器的使用，其具有：

适用性广，可以抓取任意外形轮廓的物体，柔性气囊自适应目标物体形状；

可以抓取一些柔软以及易变性易碎物体；

提高抓取的稳定性；

灵巧手指的布置方式可以根据不同基座的形状而定，增加灵巧手指数目，改变灵巧手的相对位置，实现不同的操作和抓取，解决一般灵巧手对于柔软易变形物体适应性差的问题。

本实施例提供的气囊式灵巧手指，指状关节的个数为3即近指关节、中指关节、远指关节，这样的设计模仿人类的手指结构，适于抓握。

本实施例提供的气囊式灵巧手指，其中气囊包覆在手指关节上，这样前后都有肌肉和皮肤)，在屈曲抓握时可以突破人手单向内侧抓握的限制，可以内侧和外侧(即向手背侧)屈曲一定角度而抓握。

本实施例提供的气囊式灵巧手指，其中，气囊的材质为橡胶，软硬适中，适合大部分抓握物体的抓握。

本实施例提供的气囊式灵巧手指，其中，气囊外壁具条纹，用于增大与物体接触时的摩擦力。

本实施例提供的包括有气囊式灵巧手指的灵巧手，包括：手掌、和手掌连接的5个灵巧手指、和手指连接的气体输送单元，还具有：

具有设置于驱动电机上的压力检测器，可以在压力过大时保护电机，同时可以为控制器控制驱动电机提供参数；

气压控制单元，包括设置于出气口和进气口上的电磁阀和控制器，控制器用来控制电磁阀的开闭，从而达到控制气囊气压来适应不同的抓握目标物体的软硬不同情况；

气压实时检测器，设置于气囊内，用来检测气囊内的实时压力并传送到控制器，可以保护气囊的安全，同时使用一个简单的气压监控，简化了控制系统。

Claims (10)

1.一种气囊式灵巧手指，其特征在于，包括：

至少两个指状关节；

驱动电机，设置于相邻两个所述手指关节的连接处，用于驱动所述手指关节屈曲，

其中，所述手指关节设置有气囊，所述气囊上设置有用于充气和放气的进气口和出气口。

2.根据权利要求1所述的气囊式灵巧手指，其特征在于：

其中，所述指状关节的个数为3即近指关节、中指关节、远指关节。

3.根据权利要求1所述的气囊式灵巧手指，其特征在于：

其中，所述气囊粘附在所述手指关节的内侧。

4.根据权利要求1所述的气囊式灵巧手指，其特征在于：

其中，所述所述气囊包覆在所述手指关节上。

5.根据权利要求1所述的气囊式灵巧手指，其特征在于：

其中，所述气囊的材质为橡胶，且满足：

所述气囊中充入0.1MPa的压缩气体时，相对于未充入压缩气体的初始状态的变形量不超过10％。

6.根据权利要求1所述的气囊式灵巧手指，其特征在于：

其中，所述气囊外壁具条纹，用于增大与物体接触时的摩擦力。

7.一种灵巧手，其特征在于包括：

手掌；

灵巧手指，至少一个，和所述手掌连接；

气体输送单元，和所述手指连接；

其中，所述手指为权利要求1-6中任意一项所述的气囊式灵巧手指，

所述气体输送单元包括气体输送导管，分别同所述进气口连接，其中所述输送导管长度有一定的余量用来方便所述手指运动，所述输送导管同所述进气口连通。

8.根据权利要求7所述的灵巧手，其特征在于还包括：

压力检测器，设置于所述驱动电机上，用于实时检测所述手指接触目标物体时的压力。

9.根据权利要求7所述的灵巧手，其特征在于还包括：

气压控制单元，包括设置于所述出气口和进气口上的电磁阀和控制器，所述控制器用来控制所述电磁阀的开闭。

10.根据权利要求9所述的灵巧手，其特征在于还包括：

气压实时检测器，设置于所述气囊内，用来检测所述气囊内的实时压力并传送到所述控制器。