CN108500965B - 一种软体机械手臂 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例一种软体机械手臂，包括：大臂(1)、肘关节(2)、小臂(3)、腕关节(4)以及机械手(5)；所述肘关节连接所述大臂和小臂；所述腕关节连接所述小臂和机械手；所述大臂和小臂为空心结构；所述小臂能够绕所述肘关节沿手臂方向0‑360°旋转；所述机械手能够绕所述腕关节沿垂直手臂方向0‑360°旋转；所述机械手包括：指身(51)，所述指身为软体材质，该软体材质具有第一伸缩系数；约束层(52)，所述约束层为柔体材质或弹性材质，设置于所述指身一侧，所述约束层具有第二伸缩系数；所述第一伸缩系数大于所述第二伸缩系数。本发明提供的抓取装置及抓取控制系统，从整体上解决了抓取物体时因强硬的材质压坏抓取物体的问题。
Description
技术领域
本发明涉及机械手臂控制领域，尤其涉及一种水下应用的软体机械手臂。
背景技术
目前机械手指手臂通常为刚性结构，采用电机、液压杆等刚性驱动器进行控制机械臂的转动，再通过电机控制系统控制机械手指抓取物件。这些工业用机械手指通常用于抓取机械零件等硬质物体。但随着生产生活的逐步发展，对于机械手指的功能需求越来越丰富。
目前大部分的机械手配套使用的机械手指都是使用硬质材料制作，因为手指本身没有像人类一样的压力感觉功能，无法自动调整抓取力度，因此，无法抓取鸡蛋、软体动物等物体，在抓取的过程中因为强硬的材质会压坏抓取物体等现象，同时，机械手臂也为硬质刚性材料，由于刚性材料具有较重重力，不适合水下操作，因为过重的机械臂会产生拖拽力从而影响水下装置的航行，因此，对于开发一种质量较轻且能够抓取软体物质的机械手臂用于水下作业就变的十分迫切。
发明内容
本发明提供了一种解决上述技术问题的软体机械手臂。
本发明提供一种机械手臂，包括：大臂1、肘关节2、小臂3、腕关节4以及机械手5；所述肘关节2连接所述大臂1和小臂3；所述腕关节4连接所述小臂3和机械手5；所述大臂1和小臂3为空心结构；
所述小臂3能够绕所述肘关节2沿手臂方向0-360°旋转；所述机械手5 能够绕所述腕关节4沿垂直手臂方向0-360°旋转；
所述机械手5包括：指身51，所述指身51为软体材质，该软体材质具有第一伸缩系数；约束层52，所述约束层52为柔体材质或弹性材质，设置于所述指身51一侧，所述约束层52具有第二伸缩系数；所述第一伸缩系数大于所述第二伸缩系数。
根据本发明的实施方式，所述大臂1和小臂3均为轻体材质，所述轻体材质密度与水接近。
根据本发明的实施方式，还包括浮力调整配件6，设置于所述大臂1和小臂3四周；所述浮力调整配件6为空心结构。
根据本发明的实施方式，所述浮力调整配件6为空心小球，材料为混有碳纤的塑料材质。
根据本发明的实施方式，还包括油囊7、油泵8和电机控制器9；所述油囊7、油泵8和电机控制器9均设置于所述机械手臂空心结构内，且所述电机控制器9置于所述油囊7内。
根据本发明的实施方式，所述指身51内为空心腔体，所述空心腔体用于注入油，并通过所述油囊7、油泵8调整所述指身51内油的压力，以使所述指身51依据所述油的压力变化而弯曲运动。
根据本发明的实施方式，所述指身51为多个，所述电机控制器9通过所述油囊7、油泵8单独控制每一个所述指身51的运动。
根据本发明的实施方式，所述指身51为2或3或4个。
根据本发明的实施方式，还包括位置传感器10，设置于所述油囊7中，用于实时定位所述机械手臂的位置。
根据本发明的实施方式，所述指身51的软体材质选自如下至少其中之一的材料：橡胶、硅胶、树脂和塑料；所述约束层52的柔体材质或弹性材质选自如下至少其中之一的材料：聚酰胺纤维、聚酯纤维、塑料、织物和金属。
本发明实施例至少具有以下技术效果：
本发明实施例提供的一种软体机械手臂，质量轻，可以灵活的应用于水下作业，整个机械臂的平均密度与水接近，这样不会给装载的母体造成过大负担。机械手臂及控制软件相对独立，作为备选附件安装到母体上，不影响母体的其他功能；整个手臂操控灵活简单，方便水下精准的抓取物体。同时，本发明提供的抓取控制系统，置于机械臂内部，整体结构简洁。配合软体手指，特别适合用于抓取类似于鸡蛋、软体动物之类的物体。在手指的空心腔体注入液体，以使所述软体手指依据所述注入液体的压力控制所述指身运动，进而实现了手指的抓取力度的调整。解决了抓取物体时因强硬的材质压坏抓取物体的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的机械手臂结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的软体手指的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的软体手指带连接板的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的软体手指抓取装置的抓取状态结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的抓取控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XXX也可以被称为第二XXX，类似地，第二XXX也可以被称为第一XXX。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例1
结合附图1-5，可以理解本发明实施例，本发明提供一种机械手臂，包括：大臂1、肘关节2、小臂3、腕关节4以及机械手5；所述肘关节2连接所述大臂1和小臂3；所述腕关节4连接所述小臂3和机械手5；所述大臂1和小臂3为空心结构。
所述小臂3能够绕所述肘关节2沿手臂方向0-360°旋转；所述机械手5 能够绕所述腕关节4沿垂直手臂方向0-360°旋转，如图1所示。
所述机械手5包括：指身51，所述指身51为软体材质，该软体材质具有第一伸缩系数；约束层52，所述约束层52为柔体材质或弹性材质，设置于所述指身51一侧，所述约束层52具有第二伸缩系数；所述第一伸缩系数大于所述第二伸缩系数，如图2-3所示。
具体的，优选的实施方式，软体手指横截面结构包含长方形、梯形、半圆形和变截面型等，其中，长方形、梯形和半圆形均可以实现常曲率弯曲，而变截面实现的是变曲率弯曲，软体手指变形所需的气压和产生的驱动力与截面形状相关。
所述指身51的软体材质选自如下至少其中之一的材料：橡胶、硅胶、树脂和塑料。所述约束层52的柔体材质或弹性材质选自如下至少其中之一的材料：聚酰胺纤维、聚酯纤维、塑料、织物、金属、硬橡胶，硬纤维材料，硬塑料等，其具有自身不易弯曲，在外力作用下可以有一定形变的材料。
例如指身51采用如下材料时，收缩率通常分别为，橡胶收缩率为1-4％，硅胶收缩率为1.5-3.5％，树脂收缩率为2-7％。而所述约束层52采用金属时，其收缩率为0.4-1.2％，采用聚酰胺纤维时，其收缩率为0.1-0.8％。指身51的收缩率要大于约束层52的收缩率。
另外，所述指身51包括内胆，所述内胆具有褶皱结构，以便于所述指身 51的伸缩。其中内胆为软体材质，例如柔性塑料(薄膜)、柔性橡胶材料、布料等。
如图2所示，所述约束层52贴覆设置于所述指身51的外侧面或内侧面，优选为外侧面，通过粘贴或缝合的方式实现与内胆的结合。当然所述约束层52 可以变现为硬质的条状物，通过在内胆一侧面形成多条硬质的条状物而实现弯曲。所述约束层52分别设置于所述指身51的内侧，实现所述指身的向内弯曲。
根据本发明的实施方式，所述内胆可以为褶皱状，即具有沟槽结构或瓦楞纸结构的形状，以便于所述指身51的伸缩。所述内胆内为空心腔体，所述空心腔体用于注入油，以使所述软体手指依据所述注入油的压力控制所述指身 51运动。所述内胆能承受更大的内部压力而不发生变形弯曲，在产生较大抓取力的同时还具有软体手指本体的柔软特性。
另外，如图3所示，可选的进一步结构，所述指身51还可以包括外胆53，套设于所述内胆外侧，并于所述指身51头部形成凸出部531。所述外胆的材料也为柔性材料制作，可以为透明或不透明材料，也可以根据美观或其他视觉效果，将外胆53制作成手指外观及色彩，或其他适合展示的形状，但其基本功能必须满足，就是配合内胆空腔内的液体或气体压力的变化，实现物体的抓取或释放。
如图4所示，所述软体手指还包括：指身连接板54，夹持于所述凸出部 531，用于与外部连接机构连接。所述指身连接板54通常为两块亚克力板，目前所用方法为使用两块亚克力板以一定的压力夹住软体手指的上端。夹住的压力通过螺丝来实现。螺丝可同时用来与其他硬体部分连接。亚克力板上可安装普通水管接头。从而解决了如何与其余硬体部分的连接和防漏的技术问题。
根据本发明的实施方式，所述大臂1和小臂3均为轻体材质，所述轻体材质密度与水接近。轻体材质可以为混有碳纤的塑料材质。优选的，为了使机械手臂能够更好的漂浮于水中而减轻其重力影响，在机械手臂周围还可以设置浮力调整配件6，设置于所述大臂1和小臂3外表面；所述浮力调整配件6 为空心结构。优选的，所述浮力调整配件6为空心小球，材料为混有碳纤的塑料材质。当然也可以为方形、菱形等任何形状。
根据本发明的实施方式，还包括油囊7、油泵8和电机控制器9；所述油囊7、油泵8和电机控制器9均设置于所述机械手臂空心结构内，且所述电机控制器9置于所述油囊7内。使用电驱动方式，能达到体积小重量轻的需求，避免液压系统的复杂结构和高昂成本，为了在水下达到压力平衡，电驱动的驱动器安装在充绝缘油的密封薄壁容器中，这样能轻易达到300米耐压要求。电机控制器9需要在大于30个大气压的水下使用，一般的密封舱结构成本和重量过高无法使用，因此我们利用压力平衡的原理，设计安装在薄壳充油的减速电机控制器9来满足高压强的使用条件，利用油的不可压缩特点达到内外压力平衡而无须变形量，另外利用薄壳可少量变形缩小的特点来解决制造过程中不可避免的混入空气造成加压后体积稍微减小的问题，提高成品率。
根据本发明的实施方式，所述指身51为多个，优选，所述指身51为2或 3或4个。所述电机控制器9通过所述油囊7、油泵8单独控制每一个所述指身51的运动。每一根手指都单独通过管道与油泵8连接，通过电机控制器的精确输出指令，油泵8单独对每一根手指内油的压力进行控制。
根据本发明的实施方式，还包括位置传感器10，设置于所述油囊7中，用于实时定位所述机械手臂的位置，机械臂定位需要有位置传感器，使用磁编码器，这个传感器也安装在转动组件内部，因为这种传感器在高压油中也可正常运行而且安装不需要特别精确，允许误差有大约0.5毫米。
综上所述，本发明实施例提供的一种软体机械手臂，质量轻，可以灵活的应用于水下作业，整个机械臂的平均密度与水接近，这样不会给装载的母体造成过大负担。机械手臂及控制软件相对独立，作为备选附件安装到母体上，不影响母体的其他功能；整个手臂操控灵活简单，方便水下精准的抓取物体。同时，本发明提供的抓取控制系统，置于机械臂内部，整体结构简洁。配合软体手指，特别适合用于抓取类似于鸡蛋、软体动物之类的物体。在手指的空心腔体注入液体，以使所述软体手指依据所述注入液体的压力控制所述指身运动，进而实现了手指的抓取力度的调整。解决了抓取物体时因强硬的材质压坏抓取物体的问题。
实施例2
如图4-5所示，本发明实施例提供一种抓取装置，应用于实施例1所述的机械臂。所述抓取装置还包括一基板54，所述软体手指通过所述指身连接板 53固定连接于所述基板54一侧。软体手指一般可以为2-4个，本实施例为4 根手指。
具体的，可以通过指身连接板53与所述基本54固定连接。所述指身连接板53，夹持于所述凸出部531。所述指身连接板53通常为两块亚克力板，目前所用方法为使用两块亚克力板以一定的压力夹住软体手指的上端。夹住的压力通过螺丝来实现。螺丝可同时用来与基本54部分连接。亚克力板上可安装普通水管接头，穿过基板54与控制系统连接。
如图4所示，优选的所述软体手指为4根，当控制系统增大液体或气体压力时，所述柔性手指在压力的作用下向没有硬质约束层的一侧弯曲，进而实现手指的抓取动作。当控制系统减小液体或气体的压力时，所述柔性手指的压力释放，手指由弯曲状态改变为竖直状态，实现对抓取物体的释放。
当然连接基板54仅仅是一种实例性的原理性描述，可以在基板54的基础上扩充任何形状的外形结构，例如手臂外形等，进而可以实现整体的机械手的结构和功能。
本发明也可以作为机器人的末端执行器，由于它可以产生类似于手指那样的多段式变形，因此可以像手那样进行物体的抓取，由于它的刚度较小，在抓取一般的物体时，不会对物体产生损害，在工业应用领域主要用做分拣、转移物体等任务，比如摘水果、分拣水果，不会对水果表面产生损害；家用领域则可以用来做家务(洗菜、按摩)等；民用领域则可以作为气动玩具，给人以活灵活现、惟妙惟肖的感觉。
在一定程度上弥补刚性机械手的不足，其根据人手的结构特点和运动特性制成，用以实现类似于人手与环境交互的功能。另外本实施例中的软体手指由于采用了液体压力控制，可以在任何深度的水下正常运行，提高了软体手指的适用范围。
实施例3
如图1、5所示，本发明实施方式还提供一种抓取控制系统，包括控制装置以及如实施例2所述的抓取装置；所述控制装置，用于向所述抓取装置的软体手指内注入液体或气体，并通过控制注入液体或气体的压力大小控制所述软体手指的运动，进而实现被抓取物体的抓取与释放。所述控制装置包括油囊、油泵和电机控制器。
所述供油控制装置，用于向所述执行机构的软体手指内注入液体，并通过控制注入液体的压力大小控制所述执行机构运动。
本实施例中以软体手指内注入的液体为油进行举例说明，但是不对其进行限定，如图5所示，其中供油控制装置包括油囊7、油泵8和电机控制器9，油囊用于储存液体油，油泵用于控制液体油进入软体手指33的流量以控制注入油的压力；所述油囊、电机控制器和所述执行机构均与所述油泵相连。油泵连接电机控制器，这样控制转速和方向即可控制软体手指动作。
现在的手指都是在空气中使用，无法承受几百米深度的水压，在水下无法运行，而本实施例中的软体手指由于采用了液体压力控制，可以在任何深度的水下正常运行，提高了软体手指的适用范围。
由于控制系统采用了压力平衡设计，因此软体手指可以在任何深度的水下正常运行。执行机构为软体手指，一共使用如下结构的三个软体手指51，软体手指成圆周平均分布三个，纤维拉伸的面朝内，形成一个内部压力增加就会向内弯曲的结构，这样只要使用油泵控制软体手指内部压力就可实现抓取和释放动作。当然，软体手指的个数也可以为五个或者其他个数，根据实际用途进行组合使用，每一个软体手指的大小也可以不同，类似人体的五个手指，可以根据实际的情况进行设计，本实施例不对具体执行机构应用过程中软体手指的个数和组合方式进行限定。
在本实施例的一个优选的实施方式中，三个所述软体手指的关节呈紧缩状态的一侧均在圆周内侧。
通过液压泵，把高压液体注入软体手指，手指会因为有一边被伸长率很低的纤维限制，另外三面不受限而发生弯曲，弯曲程度取决于液压压力的大小。每个机械手使用多个软体手指，每个软体手指可单独或同时控制注入的压力大小，实现不同程度的弯曲或者同时弯曲。
上述抓取控制系统实现了保护物体完整性的抓取，由于软体，摩擦力较机械大，节省了抓取力量，另外软体手指由于采用了液体压力控制，可以在任何深度的水下正常运行，提高了软体手指的适用范围。
本发明也可以作为机器人的末端执行器，由于它可以产生类似于手指那样的多段式变形，因此可以像手那样进行物体的抓取，由于它的刚度较小，在抓取一般的物体时，不会对物体产生损害，在工业应用领域主要用做分拣、转移物体等任务，比如摘水果、分拣水果，不会对水果表面产生损害；家用领域则可以用来做家务(洗菜、按摩)等；民用领域则可以作为气动玩具，给人以活灵活现、惟妙惟肖的感觉。
在一定程度上弥补刚性机械手的不足，其根据人手的结构特点和运动特性制成，用以实现类似于人手与环境交互的功能。另外本实施例中的软体手指由于采用了液体压力控制，可以在任何深度的水下正常运行，提高了软体手指的适用范围。
综上所述，本发明实施例提供的一种软体手指抓取控制系统，由于软体手指本身为软体材质，内部为油，整体指身呈现一种柔软的状态，所以特别适合用于抓取类似于鸡蛋、软体动物之类的物体。同时，本发明提供的抓取控制系统，从整体上解决了如何抓取的技术问题，即通过抓取控制系统控制具有多个软体手指的抓取装置，具体为在空心腔体注入液体或气体，以使所述软体手指依据所述注入油的压力控制所述指身运动，进而实现了手指的抓取力度的调整。解决了抓取物体时因强硬的材质压坏抓取物体的问题。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种机械手臂，其特征在于，包括：
大臂(1)、肘关节(2)、小臂(3)、腕关节(4)以及机械手(5)；所述肘关节(2)连接所述大臂(1)和小臂(3)；所述腕关节(4)连接所述小臂(3)和机械手(5)；所述大臂(1)和小臂(3)为空心结构；
所述小臂(3)能够绕所述肘关节(2)沿手臂方向0-360°旋转；所述机械手(5)能够绕所述腕关节(4)沿垂直手臂方向0-360°旋转；
所述机械手(5)包括：指身(51)，所述指身(51)为软体材质，该软体材质具有第一伸缩系数；约束层(52)，所述约束层(52)为柔体材质或弹性材质，设置于所述指身(51)一侧，所述约束层(52)具有第二伸缩系数；所述第一伸缩系数大于所述第二伸缩系数；所述指身(51)的软体材质选自如下至少其中之一的材料：橡胶、硅胶、树脂和塑料；所述约束层(52)的柔体材质或弹性材质选自如下至少其中之一的材料：聚酰胺纤维、聚酯纤维、塑料、织物和金属；
所述指身(51)包括内胆，所述内胆具有褶皱结构，所述内胆为空心腔体用于注入油；所述指身还包括外胆(53)，套设于所述内胆外侧，并与所述指身(51)头部形成凸出部(531)；
还包括油囊(7)、油泵(8)和电机控制器(9)；所述油囊(7)、油泵(8)和电机控制器(9)均设置于所述机械手臂空心结构内，且所述电机控制器(9)置于所述油囊(7)内；所述电机控制器(9)安装在充绝缘油的密封薄壁容器内；
所述指身(51)内为空心腔体，所述空心腔体用于注入油，并通过所述油囊(7)、油泵(8)调整所述指身(51)内油的压力，以使所述指身(51)依据所述油的压力变化而弯曲运动；
所述指身(51)为多个，所述电机控制器(9)通过所述油囊(7)、油泵(8)单独控制每一个所述指身(51)的运动；
还包括位置传感器(10)，设置于所述油囊(7)中，用于实时定位所述机械手臂的位置。
2.根据权利要求1所述机械手臂，其特征在于：所述大臂(1)和小臂(3)均为轻体材质，所述轻体材质密度与水接近。
3.根据权利要求1或2所述机械手臂，其特征在于：还包括浮力调整配件(6)，设置于所述大臂(1)和小臂(3)四周；所述浮力调整配件(6)为空心结构。
4.根据权利要求3所述机械手臂，其特征在于：所述浮力调整配件(6)为空心小球，材料为混有碳纤的塑料材质。
5.根据权利要求1所述机械手臂，其特征在于：所述指身(51)为2或3或4个。
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