CN108044640A - 一种气压驱动软柔混合仿生机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气压驱动软柔混合仿生机械手，由仿生手指部和仿生手掌部构成；仿生手指部包括基体、第一气腔、第一气腔通道、不可延伸层、第二气腔、第二气腔通道和通气塞，本技术方案中的气压驱动软柔混合仿生机械手指以功能占比最高的食指结构参数为参考，采用双关节气动执行器代替人手三关节手指，以实现在有效抓取的同时达到结构最简化。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，尤其是一种气压驱动软柔混合仿生机械手。
背景技术
随着对机器人抓取的精度和广泛适用度的要求日益升高，机器人所要操作的对象也从规则、结构化、刚性操作对象转向混乱或非结构化领域。传统机器人机械手夹爪所使用的刚性、低自由度末端执行机构通常惯量较大且成本较高，能执行的动作类型有限，安全系数低、环境适应性差、可靠性低、传动效率低下、噪声大，在非结构化和高度拥挤的环境中常会遇到困难，已经不能满足某些空间、结构受限，环境复杂、多变，操作对象结构多样化要求。
由软体基础材料构成的仿生软体机器人具有柔性表面和超冗余度，可以利用仿生静水骨骼结构或肌肉型静水骨骼结构实现较大范围内形状、尺寸精确改变，针对操作对象、工作环境、机体自由度以及机器能耗与成本方面有很大提高。尤其在侦察、探测、救援及医疗等领域都有广阔的应用前景。针对传统刚性机器人的不足以及新型柔性仿生机器人的发展需求，研究者提出将现有柔性机器人进一步发展并拓展到传统机械手所不能实现的精确柔性抓取领域。使机械手具有无限自由度和分布式连续变形能力，可以通过柔顺变形的方式与障碍物相容，这样可以大幅降低接触力，从而搬运柔软和易碎的物品。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种气压驱动软柔混合仿生机械手。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气压驱动软柔混合仿生机械手，由仿生手指部和仿生手掌部构成；仿生手指部包括基体、第一气腔、第一气腔通道、不可延伸层、第二气腔、第二气腔通道和通气塞，其中基体截面为半圆形，仿生手指部内部设置第一气腔和第二气腔，其中第一气腔为单半圆柱型腔，第二气腔为复合半圆柱型腔，在第一气腔和第二气腔之间设置通气塞，第一气腔与第一气腔通道相连通，第二气腔通道贯穿复合半圆柱型腔并与通气塞相连通，在基体底部设置不可延伸层，在第一气腔外侧的基体表面缠绕凯夫拉线，仿生手掌部的底部设置底孔，仿生手指部以第一气腔通道朝上的方式设置于仿生手掌部的底孔内。
在上述技术方案中，所述基体采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
在上述技术方案中，所述基体的长度为100-120mm，基体的高度为9-10mm，基体半圆形截面的半径为7-8mm。
在上述技术方案中，所述第一气腔的截面半径为5-6mm，第一气腔的长度为35-40mm。
在上述技术方案中，所述复合半圆柱型腔，是由6-8个半圆柱型腔等距并排设置而成，单个半圆柱型腔的腔长为1.8-2mm，腔间间距1.8-2mm。
在上述技术方案中，所述通气塞由扇形部、扇翼部和通气管构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
在上述技术方案中，所述不可延伸层由玻璃纤维布与硅胶混合物制成，不可延伸层的厚度为0.5-2mm
在上述技术方案中，所述凯夫拉线的缠绕间距2.6-2.8mm。
在上述技术方案中，所述仿生手掌部呈圆柱体(即主体柱)，在主体柱顶部设置顶孔，沿主体柱外圆周等距设置侧孔，所述侧孔数量为4-6个。
在上述技术方案中，所述仿生手掌部的底孔数量为2-4个，与之对应的仿生手指部的数量为2-4个。
一种气压驱动软柔混合仿生机械手指(又名软体气动执行器，以下简称仿生机械手指)，包括基体、第一气腔、第一气腔通道、不可延伸层、第二气腔、第二气腔通道和通气塞，其中基体截面为半圆形，仿生手指部内部设置第一气腔和第二气腔，其中第一气腔为单半圆柱型腔，第二气腔为复合半圆柱型腔，在第一气腔和第二气腔之间设置通气塞，第一气腔与第一气腔通道相连通，第二气腔通道贯穿复合半圆柱型腔并与通气塞相连通，在基体底部设置不可延伸层，在第一气腔外侧的基体表面缠绕凯夫拉线。
在上述技术方案中，所述基体采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
在上述技术方案中，所述基体的长度为100-120mm，基体的高度为9-10mm，基体半圆形截面的半径为7-8mm。
在上述技术方案中，所述第一气腔的截面半径为5-6mm，第一气腔的长度为35-40mm。
在上述技术方案中，所述复合半圆柱型腔，是由6-8个半圆柱型腔等距并排设置而成，单个半圆柱型腔的腔长为1.8-2mm，腔间间距1.8-2mm。
在上述技术方案中，所述通气塞由扇形部、扇翼部和通气管构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
在上述技术方案中，所述不可延伸层由玻璃纤维布与硅胶混合物制成，不可延伸层的厚度为0.5-2mm
在上述技术方案中，所述凯夫拉线的缠绕间距2.6-2.8mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本技术方案中的气压驱动软柔混合仿生机械手指以功能占比最高的食指结构参数为参考，采用双关节气动执行器代替人手三关节手指，以实现在有效抓取的同时达到结构最简化。
2、仿生机械手指第一气腔(模拟手指的第一关节)设计为单半圆柱腔，旨在通过小角度弯曲实现对被抓取物的大范围定位；第二气腔(模拟手指的第二、三关节)设计为复合半圆柱腔，通过大角度弯曲实现对物体的抓取；该设计可以实现各部位功效最大化。
3、在封闭腔中充入加压流体，流体压力驱动软体执行器膨胀。对执行器单侧粘合不可延伸层束缚执行器纵向膨胀，使得执行器实现单方向弯曲变形。
4、在执行器径向膨胀较大(径向膨胀率≥30％)的情况下，通过在执行器外表面缠绕抗拉纤维以束缚径向膨胀。
附图说明
图1为仿生手指部透视结构示意图。
图2为通气塞结构示意图，其中a为顶部视图，b为底部视图。
图3为仿生机械手整体结构示意图。
图4为仿生手掌部结构示意图，其中a为顶部视图，b为底部视图。
图5为贯通式气腔结构示意图，I为第一气道，II为第二气道。
图6为凯夫拉线缠绕示意图。
图7为软体双关节结构示意图。
其中，1为基体，2为通气塞，2-1为扇形部，2-2为通气孔，2-3为扇翼部，2-4为通气管，3为第二气腔，4为第二气腔通道，5为第一气腔，6为第一气腔通道，7为仿生手掌部，7-1为顶孔，7-2为主体柱，7-3为侧孔，7-4为主体柱底部，7-5为底孔，8为仿生手指部，9为凯夫拉线。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图中所示，一种气压驱动软柔混合仿生机械手，由仿生手指部8和仿生手掌部7构成；仿生手指部包括基体1、第一气腔5、第一气腔通道6、不可延伸层、第二气腔3、第二气腔通道4和通气塞2，其中基体截面为半圆形，仿生手指部内部设置第一气腔和第二气腔，其中第一气腔为单半圆柱型腔，第二气腔为复合半圆柱型腔，在第一气腔和第二气腔之间设置通气塞，第一气腔与第一气腔通道相连通，第二气腔通道贯穿复合半圆柱型腔并与通气塞相连通，在基体底部设置不可延伸层，在第一气腔外侧的基体表面缠绕凯夫拉线9，仿生手掌部的底部设置底孔7-5，仿生手指部以第一气腔通道朝上的方式设置于仿生手掌部的底孔内。
所述基体采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
所述基体的长度为110mm，基体的高度为9.5mm，基体半圆形截面的半径为7.5mm。
所述第一气腔的截面半径为6mm，第一气腔的长度为40mm。
所述复合半圆柱型腔，是由7个半圆柱型腔等距并排设置而成，单个半圆柱型腔的腔长为2mm，腔间间距2mm。
所述通气塞由扇形部2-1、扇翼部2-3和通气管2-4构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔2-2，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
所述不可延伸层由玻璃纤维布与硅胶混合物制成，不可延伸层的厚度为1mm
所述凯夫拉线的缠绕间距2.7mm。
所述仿生手掌部呈圆柱体(即主体柱)，在主体柱顶部设置顶孔，沿主体柱外圆周等距设置侧孔，所述侧孔数量为4个。
所述仿生手掌部的底孔数量为3个，与之对应的仿生手指部的数量为3个。
工作机理：在封闭腔中充入加压流体，流体压力驱动软体执行器膨胀。此时，对执行器单侧粘合柔性体束缚执行器纵向膨胀，使得执行器实现单方向弯曲变形；在执行器径向膨胀较大(径向膨胀率≥30％)的情况下，可以通过在执行器外表面缠绕抗拉纤维以束缚径向膨胀。
仿生手掌部由螺栓等刚性连接于仿生机械手主体，共同模拟手掌部分；仿生手指部的第一部分产生大长度小角度摆动负责主要的抓取定位与辅助交互，模拟人手近指节，最大限度减小压力消耗；第二部分产生较大弯曲，模拟人手中远指节与中远指端整体，产生与物体的主要交互。
人手结构分析；
人手抓取性能与动力学结构很多时候优于其他低等软体动物，通过对五个手指的作用进行分析得出，人类五根手指都有各自的作用与相互的配合，但其中食指的功能占比明显高于其余四指，约占40.6％。
表格1人手食指长度统计
取男性手指长度结构，将以上数据整理如下(单位：mm)：
a.总长H＝93.5718±6.3091；
b.近指节指长H1＝46.6269±4.8537；
c.中指节指长H2＝22.2043±2.4369；
d.远指节指长H324.7461±2.1679
为设计研究方便，对参数进行取整：
h＝90mm，h1＝45mm，h2＝22mm，h3＝23mm
由以上结构得出，中、远指节(第二、三指节)长度相差不大，并共同作用产生“钩”的效果，并负责与物体的主要接触；近指节(第一指节)长度最长，约为中、远指节长度之和，产生摆动作用并辅助接触。近指关节抓取弯曲角一般在0-70°。而中指关节与近指关节累计弯曲角在60-150°，简化手指模型为气动弯曲手指结构，可得到如图7所示的软体双关节结构：该结构固定端由螺栓等刚性连接于仿生机械手主体，共同模拟手掌部分；第一部分产生大长度小角度摆动负责主要的抓取定位与辅助交互，模拟人手近指节，最大限度减小压力消耗；第二部分产生较大弯曲，模拟人手中远指节与中远指端整体，产生与物体的主要交互。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：由仿生手指部和仿生手掌部构成；仿生手指部包括基体、第一气腔、第一气腔通道、不可延伸层、第二气腔、第二气腔通道和通气塞，其中基体截面为半圆形，仿生手指部内部设置第一气腔和第二气腔，其中第一气腔为单半圆柱型腔，第二气腔为复合半圆柱型腔，在第一气腔和第二气腔之间设置通气塞，第一气腔与第一气腔通道相连通，第二气腔通道贯穿复合半圆柱型腔并与通气塞相连通，在基体底部设置不可延伸层，在第一气腔外侧的基体表面缠绕凯夫拉线，仿生手掌部的底部设置底孔，仿生手指部以第一气腔通道朝上的方式设置于仿生手掌部的底孔内。
2.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述基体采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述基体的长度为100-120mm，基体的高度为9-10mm，基体半圆形截面的半径为7-8mm。
4.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述第一气腔的截面半径为5-6mm，第一气腔的长度为35-40mm。
5.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述复合半圆柱型腔，是由6-8个半圆柱型腔等距并排设置而成，单个半圆柱型腔的腔长为1.8-2mm，腔间间距1.8-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述通气塞由扇形部、扇翼部和通气管构成，扇翼部设置于扇形部的两侧，在扇形部顶部设置通气孔，扇形部底部设置通气管，通气孔与通气管相连通。
7.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述不可延伸层由玻璃纤维布与硅胶混合物制成，不可延伸层的厚度为0.5-2mm。
8.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述凯夫拉线的缠绕间距2.6-2.8mm。
9.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述仿生手掌部呈圆柱体，在主体柱顶部设置顶孔，沿主体柱外圆周等距设置侧孔，所述侧孔数量为4-6个。
10.根据权利要求1所述的一种气压驱动软柔混合仿生机械手，其特征在于：所述仿生手掌部的底孔数量为2-4个。
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