CN107932533A - 基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置 - Google Patents

Abstract

一种基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置，其主要包括：柔性保持架、气动肌腱、柔性套、连接座、卡箍、气管及固定片。本发明的基本抓取原理仿生于缠食性动物的猎食方式，如蟒蛇通过身体的收缩、卷曲紧紧地缠住猎物。本发明通过编织网加强型气动肌腱的螺旋缠绕结构模仿缠食性动物缠取猎物的过程，通过充放气过程实现抓持装置内腔的缩紧和舒张，从而配合机器人完成抓取和释放工作。本发明的抓持部分主体由硅胶、乳胶管、纤维这些柔性材料制成，对抓取物体和人都较为安全；采用模块化设计用较少的零件通过简易的装配操作即可制作完成，便于维修和更换；抓持力大，并且柔顺性好，在其抓取尺寸范围内，各种形状物体均能实现抓持，适用范围广。

Description

基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置

技术领域

本发明涉及一种机器人末端执行装置。

背景技术

末端执行器是联系机器人与操作对象的重要媒介，传统的末端执行器多为刚性结构，近年来柔性执行器以其柔顺性、灵活性、安全性方面的优势，在工业产品装卸与装配、军事机器人、农业机器人和服务机器人得到了重要应用。从驱动方式上柔性执行器可以分为：电机驱动、气液驱动和功能材料驱动等，其中电机驱动机械手控制性能较好；气液驱动柔性机械手柔顺性较好，并且由于气动气源方便、重量轻，所以气动在轻型柔性机械手中应用广泛；功能材料驱动是采用形状记忆合金、超声波、高分子聚合物和功能性液体驱动，在要求机械手小巧轻便的场合中有其独特的优势。专利CN201510377294.4公开了一种气动的软体抓持装置，该装置包括有气动软体机械手、导气支撑组件、导气基座、盖板和气源分流器。专利CN201610515673.X公开了一种双通道软体手指及软体机器人，该双通道软体手指上设有手指末端、手指接头、柔性关节、手指指板和柔性节肩。目前，柔性软体抓持装置存在的普遍问题是抓取力小，尤其是气动类其柔顺性好但抓取力不足，所以设计制造出抓取力大的柔性软体抓持装置具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抓取力大的基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置。

本发明的基本抓取原理仿生于缠食性动物的猎食方式，如蟒蛇通过身体的收缩、卷曲紧紧地缠住猎物。本发明通过编织网加强型气动肌腱的螺旋缠绕结构模仿缠食性动物缠取猎物的过程，通过充放气过程实现抓持装置内腔的缩紧和舒张，从而配合机器人完成抓取和释放工作。

本发明主要包括：柔性保持架、气动肌腱、柔性套、连接座、卡箍、气管及固定片。

所述的柔性保持架整体为硅胶材料制成的两端开口管状回转结构，其上段管状柱体内径小于下段管状柱体内径，最好是其的60％，两段管状柱体通过截锥壳体相连。在下段柱体的管壁上周向均布4-9列竖直排布的等直径圆形通孔，所述通孔直径比所用气动肌腱在最大收缩状态下达到的直径尺寸大2-4毫米，每列通孔的中轴线均在管壁圆柱面的同一母线上，同时所有的通孔在周向沿螺旋线分布，并且每一列相邻的两通孔中心线间隔等于通孔直径的2-3倍。在下段柱体的管壁上分别设有上下两个连接通孔，位于每个连接通孔内外两侧的柔性保持架上各设一个固定片，所述的固定片为金属材质制成的弧形薄片，中间设有一个与柔性保持架上连接通孔等径的中心通孔，中心孔两侧各有一个紧固件安装孔，通过安装孔内的紧固件将两个固定片与柔性保持架固定。所述上面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的通气接头，下面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的密封接头。所述的气动肌腱为编织网收缩型柔性驱动器，其气动肌腱柔性段是在高弹性乳胶管外套上一层编织网，并且在柔性段的一端设有金属材质的通气接头另一端设有金属材质的密封接头，并用锁紧环分别将两柔性段端部锁紧。所述通气接头中心设有轴向通孔，其上设有内螺纹和外螺纹；所述密封接头一端设有外螺纹，最好两种接头设在柔性段内的一端均设有凸棱用以防止气动肌腱柔性部段从接头上分离，并且轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩用以与安装孔固定。密封接头外端从柔性保持架下端带有固定片的连接通孔穿出，并用螺母固定，密封接头内端与气动肌腱柔性段的一端相连，气动肌腱的另一端在柔性保持架内侧沿螺旋线方向从与连接通孔相邻一列下端第一个通孔穿出，沿相同的时针方向从柔性保持架的外侧穿入下一列的第一个通孔，如此依次穿入穿出直到回到带有连接通孔的那一列的第二个孔，继续以相同的规律从下一列的第二个孔穿过，以此类推，直到气动肌腱的通气接头从带有固定片的柔性保持架上端的连接通孔穿出，并用螺母固定。这样气动肌腱柔性部段与柔性保持架共同形成了螺旋缠绕仿生结构。气动肌腱的通气接头内螺纹与气管一端的螺纹接头相连，气管另一端与常规气动控制系统连接作为气动肌腱的充放气通道。所述螺旋缠绕仿生结构外面套有柔性套，该柔性套为硅胶材料制成的上端开口的环形夹套状结构，中心为一条柱状空间，用以容纳和抓持物体，同时硅胶材质能增大柔性套与物体的摩擦力，使抓持更牢固。柔性套外侧壁上部设与气动肌腱通气接头对应的通孔，用以将气管伸出。螺旋缠绕仿生结构与柔性套上部一起套在连接座大直径周壁上，最好大直径周壁上设有凸棱，并用卡箍紧固。所述的连接座为金属材料制成的回转壳型结构，其大直径一端与柔性套相连，小直径一端设有法兰盘，该法兰盘上设有周向均布的U型槽孔。

本发明基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置的抓取过程通过给气动肌腱充气使其缩短变粗，像缠食性动物一样缠紧柔性保持架及柔性套内壁，使柔性套内腔收缩紧紧地夹住物体。给气动肌腱放气使其恢复初始状态，同时在柔性保持架及柔性套的弹力作用下恢复原状释放物体。由于气动肌腱为编织网加强型，能够提供较大的收缩力，同时螺旋缠绕的仿生结构进一步增加了本发明的抓取力。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

①安全性：整个抓持装置抓持部分主体由硅胶、乳胶管、纤维这些柔性材料制成，只有小部分采用刚性零件并且以柔性套进行包裹，对抓取物体和人都较为安全。

②经济性：制作工艺采用常规的注塑成型工艺、金属加工工艺，尽量使用了标准件，所用材料价格低廉。

③简易性：本发明采用模块化设计用较少的零件通过简易的装配操作即可制作完成，便于维修和更换。

④抓持力大：编织网型气动肌腱、螺旋缠绕仿生结构及硅胶柔性套的高摩擦系数增强了本发明的重量抓取能力。

⑤适用性强：本发明采用收缩包裹式抓持方式并且柔顺性好，在其抓取尺寸范围内，各种形状物体均能实现抓持，适用范围广。

附图说明

图1为本发明主视示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为本发明无柔性套的立体示意图。

图4为图3的局剖示意图。

图5为本发明气动肌腱主视剖面示意图。

图6为本发明的柔性保持架立体示意图。

图7为本发明的气动肌腱安装在柔性保持架上的立体示意图。

图8为本发明的气动肌腱安装在柔性保持架上的主视示意图。

图9为本发明连接座立体示意图。

图10为本发明柔性套主视剖面示意图。

图中：1-柔性套、2-气管、3-卡箍、4-连接座、5-柔性保持架、6-固定片A、7-固定片B、8-螺母A、9-通气接头、10-气动肌腱柔性段、11-固定片C、12-固定片D、13-密封接头、14-螺母B、15-铆钉A、16-铆钉B、17-锁紧环、18-编织网、19-乳胶管。

具体实施方式

在图1和图2所示的基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置的示意图中，柔性保持架5整体为硅胶材料制成的两端开口管状回转结构，其上段管状柱体内径小于下段管状柱体内径是其的60％，两段管状柱体通过45°截锥壳体相连。在下段柱体的管壁上周向均布5列竖直排布的等径圆形通孔，如图6所示，所述通孔直径比所用气动肌腱在最大收缩状态下达到的直径尺寸大2毫米，每列通孔的中轴线均在管壁圆柱面的同一母线上，同时所有的通孔在周向沿螺旋线分布，并且每一列相邻的两通孔中心线间隔等于通孔直径的2倍。在下段柱体的管壁上分别设有上、下两个连接通孔，位于上连接通孔内外两侧的柔性保持架上各设一个固定片A6和固定片B7，所述的固定片为铝合金材质制成的弧形薄片，中间设有一个与柔性保持架上连接通孔等径的中心通孔，中心孔两侧各有一个紧固件安装孔，通过安装孔内的铆钉A15将两个固定片与柔性保持架固定；位于下连接通孔内外两侧的柔性保持架上各设一个固定片C11和固定片D12，所述的固定片为铝合金材质制成的弧形薄片，中间设有一个与柔性保持架上连接通孔等径的中心通孔，中心孔两侧各有一个紧固件安装孔，通过安装孔内的铆钉B16将两个固定片与柔性保持架固定。所述上面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的通气接头9，通气接头的外螺纹部段伸出柔性保持架并用螺母A8固定，下面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的密封接头13，其外螺纹部段伸出柔性保持架并用螺母B14固定。所述的气动肌腱为编织网收缩型柔性驱动器，其气动肌腱柔性段10是在高弹性乳胶管19外套上一层编织网18，并且在柔性段的一端设有铝合金材质的通气接头另一端设有铝合金材质的密封接头，并用锁紧环17分别将两柔性段端部与接头一端锁紧。所述通气接头中心设有轴向通孔，其上设有内螺纹和外螺纹；所述密封接头一端设有外螺纹，两种接头设在柔性段内的一端均设有凸棱，并且轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩，如图5所示。

在图3、图4、图7和图8所示的本发明气动肌腱安装在柔性保持架上的示意图中，密封接头外端从柔性保持架下端带有固定片的连接通孔穿出，并用螺母固定，密封接头内端与气动肌腱柔性段的一端相连，气动肌腱另一端在柔性保持架内侧沿螺旋线方向从与连接通孔相邻一列下端第一个通孔穿出，沿相同的时针方向从柔性保持架的外侧穿入下一列的第一个通孔，如此依次穿入穿出直到回到带有连接通孔的那一列的第二个孔，继续以相同的规律从下一列的第二个孔穿过，以此类推，直到气动肌腱的通气接头从带有固定片的柔性保持架5上端的连接通孔穿出，并用螺母A8固定。这样气动肌腱柔性部段10与柔性保持架5共同形成了螺旋缠绕仿生结构。气动肌腱的通气接头9内螺纹与气管2一端的螺纹接头相连。

在图2所示的本发明A-A剖视图中，所述螺旋缠绕仿生结构外面套有柔性套1，如图10所示，该柔性套为硅胶材料制成的上端开口的环形夹套状结构，中心为一条柱状空间，柔性套内外侧壁上部设与气动肌腱通气接头对应的通孔。螺旋缠绕仿生结构与柔性套上部一起套在连接座4大直径周壁上，大直径周壁上设有凸棱，并用卡箍3紧固。所述的连接座，如图9所示，为铝合金材料制成的回转壳型结构，其大直径一端与柔性套相连，小直径一端设有法兰盘，该法兰盘上设有4个周向均布的U型槽孔。

Claims (4)

1.一种基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置，其特征在于：所述的柔性保持架整体为硅胶材料制成的两端开口管状回转结构，其上段管状柱体内径小于下段管状柱体内径，两段管状柱体通过截锥壳体相连，在下段柱体的管壁上周向均布4-9列竖直排布的等直径圆形通孔，所述通孔直径比所用气动肌腱在最大收缩状态下达到的直径尺寸大2-4毫米，每列通孔的中轴线均在管壁圆柱面的同一母线上，同时所有的通孔在周向沿螺旋线分布，并且每一列相邻的两通孔中心线间隔等于通孔直径的2-3倍，在下段柱体的管壁上分别设有上下两个连接通孔，位于每个连接通孔内外两侧的柔性保持架上各设一个固定片，所述的固定片为金属材质制成的弧形薄片，中间设有一个与柔性保持架上连接通孔等径的中心通孔，中心孔两侧各有一个紧固件安装孔，通过安装孔内的紧固件将两个固定片与柔性保持架固定，所述上面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的通气接头，下面两个固定片的中心通孔内设有气动肌腱的密封接头，所述通气接头中心设有轴向通孔，其上设有内螺纹和外螺纹，所述密封接头一端设有外螺纹，密封接头外端从柔性保持架下端带有固定片的连接通孔穿出，并用螺母固定，密封接头内端与气动肌腱柔性段的一端相连，气动肌腱的另一端在柔性保持架内侧沿螺旋线方向从与连接通孔相邻一列下端第一个通孔穿出，沿相同的时针方向从柔性保持架的外侧穿入下一列的第一个通孔，如此依次穿入穿出直到回到带有连接通孔的那一列的第二个孔，继续以相同的规律从下一列的第二个孔穿过，以此类推，直到气动肌腱的通气接头从带有固定片的柔性保持架上端的连接通孔穿出，并用螺母固定，这样气动肌腱柔性部段与柔性保持架共同形成了螺旋缠绕仿生结构，气动肌腱的通气接头内螺纹与气管一端的螺纹接头相连，所述螺旋缠绕仿生结构外面套有柔性套，该柔性套为硅胶材料制成的上端开口的环形夹套状结构，中心为一条柱状空间，柔性套外侧壁上部设与气动肌腱通气接头对应的通孔，螺旋缠绕仿生结构与柔性套上部一起套在连接座大直径周壁上，所述的连接座为金属材料制成的回转壳型结构，其大直径一端与柔性套相连，小直径一端设有法兰盘，该法兰盘上设有周向均布的U型槽孔。

2.根据权利要求1所述的基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置，其特征在于：所述的气动肌腱为编织网收缩型柔性驱动器，其气动肌腱柔性段是在高弹性乳胶管外套上一层编织网，并且在柔性段的一端设有金属材质的通气接头另一端设有金属材质的密封接头，并用锁紧环分别将两柔性段端部锁紧。

3.根据权利要求1所述的基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置，其特征在于：通气接头和密封接头两种接头设在柔性段内的一端均设有凸棱，并且轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩。

4.根据权利要求1所述的基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置，其特征在于：连接座大直径周壁上设有凸棱，螺旋缠绕仿生结构与柔性套用卡箍紧固于其上。