CN108748250B - 一种嵌入橡胶软管的软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌入橡胶软管的软体机械手，包括3只相同规格的软体触手、用来安装软体触手的刚性固定架。每只触手内部嵌有高弹性乳胶管，省去传统机械手制造的复杂工艺；进行分层注胶时，在触手一侧硅胶层中掺杂不可拉伸的纤维，使其在弯曲时更易于向单侧弯曲；触手另一侧表面进行开槽，降低了其表面刚度，使得软体手在满足一定的弯曲度时所需驱动力更小；每只触手末端弯曲时形成圆柱形状的凸柱进以增加对不同物体的包覆能力，能够更好地对不同形状物体进行抓持。本发明利用对橡胶软管的合理布局以及机械手自身结构的优化设计，通过控制压强大小实现对不同形状物体进行抓取，在不更换机械手的情况下实现对多种物品的抓取作业，适用于复杂生产线。

Description

一种嵌入橡胶软管的软体机械手

技术领域

本发明属于软体机器人领域，具体涉及一种嵌入橡胶软管的软体机械手。

背景技术

目前，在传统工业中大多依靠刚性材料制成的机械手实现物品的抓取，其对单一品种、特定形状的物品有着一定的抓取效率和准确度。但是，当面临需要处理多种复杂形状的物品时，其表现并不佳。目前的机械手基于机械结构实现手指关节的弯曲，通过多关节串联组成机械手手指，通过微型电机、推举气缸、钢丝绳牵引等方式带动机械结构来实现手指的收缩运动，达到精确控制的目的，但是结构都比较复杂,控制过程繁琐，对于仅抓取物品功能的应用经济性较差，并且成本高、机械结构复杂、易损坏、控制难度高无法达到柔性控制需求。

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。

申请号为CN201510311981.6的专利公开了一种机器人仿生手指，包括保持架和气囊，所述气囊为长条筒状结构，所述保持架为长条片状结构，由弹性材料制成，自然状态下呈弯曲状，所述保持架轴向贴合在气囊的气囊壁上，使得气囊在自然状态下呈弯曲状；气囊与保持架贴合，可以在气囊气压较小时保持一定刚度，气囊截面曲率小的一侧壁厚大于另一侧可保证压强增大时薄壁侧伸长量大于壁厚侧以利于驱动手指伸直，气囊内嵌簧丝以减小气囊伸长过程中径向的变形，在减压时利于气囊恢复原状，气囊负压时仍可保持初始形状，气囊外侧设有若干凸点可增加气囊的摩擦力，有利于抓取物品。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种嵌入橡胶软管的软体机械手，通过对橡胶软管的合理布局以及机械爪自身结构的优化设计，可以增加抓取系统的冗余度，实现对不同物体抓取的需求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种嵌入橡胶软管的软体机械手，包括3只相同规格的软体触手、用以安装软体触手的刚性固定架，所述触手每只的长度为120～160mm，厚度为16～18mm，宽度为28～32mm，重量为700～900g，所述触手内部采用分层注胶，在靠近所述触手抓取侧一层为硅胶与纤维的复合层，中间一层硅胶中按连续U型状铺设橡胶软管，外侧一层为硅胶,连续U型的橡胶软管使得气体输送通畅，且增大了抓手的有效利用面积，能够实现更大程度的弯曲。

在硅胶中掺杂不可拉伸纤维，如无纺布，达到使其不同层次间刚度不同，从而使其在弯曲时更易向单侧弯曲，同时在中间一层呈连续U型铺设橡胶软管，在对橡胶软管进行充气加压后，橡胶软管膨胀产生轴向力，驱使触手进行拉伸。由于第一层中为硅胶与纤维的混合物，其刚度强于第三层，故其相较于第三层难于拉伸。因此上下两层的伸长量必然不同，故而触手能够进行单侧弯曲。

进一步的，在所述触手外侧进行阵列开槽，所述槽的形状为U形或V形；降低了其表面刚度，使得软体爪在达到一定的弯曲度时所需的驱动力更小。

进一步的，在所述触手的末端设计线性阵列的圆柱形的凸柱结构；以增加对不同物体的包覆能力，使得其具有更好的适应能力，能够对不同大小的物体进行抓持。

进一步的，所述刚性固定架包括上支撑板、支撑柱、下支撑板以及支撑环，所述刚性固定架整体采用3d打印一体成型；防止气泵气压过大使其分离。

进一步的，所述下支撑板上设有三个用以规定触手的固定槽，所述固定槽的凹槽中心设有孔道，所述孔道直径为8mm-10mm，气泵的气孔穿过此处与触手相连接，并用热熔胶密封，保持密闭；优选的，所述固定槽按正三角分布。

进一步的，设定橡胶软管连续U型铺设的宽度为W₁、单个U型的开口间距为L₁，其特征在于，1/2＜W₁/W＜1，1/10＜L₁/L＜1/6，触手弯曲效果取决于W₁/W、L₁/L的值，在气泵所通气压P一定的情况下，触手弯曲程度与W₁/W成正比，与L₁/L成反比，W₁/W越大，橡胶软管铺设的U型状宽度越宽，L₁/L越小，橡胶软管在触手中铺设的越密集，触手弯曲的程度越大，通过充入气源来改变橡胶软管在触手内部的分布疏密程度，进而改变其膨胀力度，使得触手抓取的力度更大。

进一步的，所述橡胶软管为高弹性乳胶管；与传统机械手相比，使用已有的高弹性乳胶管。该高弹性乳胶管的使用省去了传统产品对内部气道、气腔进行加工所需的复杂工艺。其能够实现对表面易碎易损物品进行柔性抓取，且高弹性乳胶管的回弹性能良好，能极大程度的提高软体机械手的使用寿命，让其更能够适应较大强度的变形及较频繁的变形，以适应不同物体的抓取。

依据上述结构，本发明能够很好地实现对不同形状物体的抓取能力，尤其在表面易碎物品上能够得到很好的体现。装置的控制相对传统软体机械手也是极为简单，通过气源给予不同大小的压强，导致软体机械手弯曲程度的改变，且由于设计成连续U型铺设的橡胶软管在充气时候导致机械手接触抓取物的一面形成凸起状，增大摩擦力，有利于物体的抓取，橡胶软管的使用，更极大程度地提高该装置大规模加工的能力，进而使本装置能更有利于推广。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、材料方面固定器采用3d打印，触手采用硅胶材料，利用其特性，能够实现对表面易碎易损物品进行柔性抓取。

2、结构设计方面采用触手末端设计，通过在其表面形成圆柱形凸柱而增加对不同物体的包覆能力，使得其具有更好的适应能力，能够对不同大小的物体进行抓持。

3、控制层面通过气源，给予乳胶管内不同大小的压强，从而实现对不同量度范围的物体进行抓取。

4、制造工艺上省去了传统机械手加工内部气道所需的复杂工艺，具有利于被大规模加工的特点。

附图说明

图1为本发明单只触手结构示意图；

图2为本发明单只触手末端结构示意图；

图3为本发明单只触手橡胶软管布局图(剖视)；

图4为本发明固定槽结构示意图；

图5为本发明刚性固定架结构示意图；

图6为本发明整体结构示意图；

图中：1、硅胶与纤维的复合层；2、橡胶软管层；3、硅胶层；4、V形凹槽；5、固定槽；6、孔道；7、上支撑板；8、支撑柱；9、下支撑板；10、支撑环；11、连续U型分布的橡胶软管。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图6所示，一种嵌入橡胶软管的软体机械手，包括3只相同规格的软体触手、用以安装软体触手的刚性固定架，所述触手内部采用分层注胶，在靠近所述触手抓取侧一层为硅胶与纤维的复合层，中间一层硅胶中按连续U型状铺设橡胶软管11，所述橡胶软管为高弹性乳胶管，外侧一层为硅胶。设定每只触手的长度为L，宽度为W，橡胶软管连续U型铺设的宽度为W₁、单个U型的开口间距为L₁，其中1/2＜W₁/W＜1，1/10＜L₁/L＜1/6，触手弯曲效果取决于W₁/W、L₁/L 的值，在气泵所通气压P一定的情况下，触手弯曲程度与W₁/W成正比，与L₁/L成反比，W₁/W 越大，橡胶软管铺设的U型状宽度越宽，L₁/L越小，橡胶软管在触手中铺设的越密集，触手弯曲的程度越大，通过充入气源来改变橡胶软管在触手内部的分布疏密程度，进而改变其膨胀力度，使得触手抓取的力度更大。单只触手采用分层浇注的方法，具体见图1，底层1为硅胶与纤维的复合层，将催化剂与硅胶按1：50比例混合，再在上面铺一层纤维，均匀调配，放入真空干燥箱中保持 2-6h，温度设置为30-50℃固化成型；中间层2的硅胶中按一定形状铺设橡胶软管，如图3所示；上层3则为硅胶。4处为一定规律均匀分布的V形凹槽，其张开角度设为50～70度，降低了其表面刚度，使得其能更易于弯曲，从而获得更大的弯曲度。启动气源在橡胶软管中进行充气加压，此时高弹性乳胶管开始膨胀，产生轴向力，驱使触手进行拉伸。此时，由于第一层中为硅胶与纤维的混合物，其刚度强于第三层，故其相较于第三层难于拉伸。因此上下两层的伸长量必然不同，故而触手能够进行单侧弯曲，且橡胶软管的膨胀使得接触抓取物一面形成凸起，加大了与抓取物间的摩擦力。另外，触手末端设置有线性阵列的圆柱形的凸柱结构(图1中a角度视图)，圆形凸柱直径为8mm，左右间距为10mm，上下间距为15mm，见图2使得接触面摩擦力增加，可用来适应不同大小物体的抓取。

如图4所示，5为固定槽，所述固定槽5呈正三角分布，用来固定单只触手，其宽度厚度均预留1mm的间隙，装上后可用热熔胶填充，并向外侧倾斜20度，当三只触手弯曲完全时可刚好形成严密闭合状；6为孔道，直径8mm-10mm，气泵的气孔穿过此处与触手相连接，并用热熔胶密封，保持密闭。

软体机械手固定架，见图5，由上支撑板7、支撑柱8、下支撑板9以及支撑环10组成。上支撑板7尺寸为80x80mm；采用螺栓连接与装置台连结，下支撑板9设置为100x100mm便于容纳三只触手；支撑柱8和支撑环10均是起支撑作用。固定架整体采用3d打印一体成型，防止气泵气压过大使其分离。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种嵌入橡胶软管的软体机械手，其特征在于，包括3只相同规格的软体触手、用以安装软体触手的刚性固定架，所述触手每只的长度L为120～160mm，厚度D为16～18mm，宽度W为28～32mm，重量M为700～900g，所述触手内部采用分层注胶，在靠近所述触手抓取侧一层为硅胶与纤维的复合层，中间一层硅胶中按连续U型状铺设橡胶软管，外侧一层为硅胶，在所述触手外侧进行阵列开槽，所述槽的形状为U形或V形，在所述触手的末端设计线性阵列的圆柱形的凸柱结构，设定橡胶软管连续U型铺设的宽度为W₁、单个U型的开口间距为L₁，1/2＜W₁/W＜1，1/10＜L₁/L＜1/6。

2.如权利要求1所述的一种嵌入橡胶软管的软体机械手，其特征在于，所述刚性固定架包括上支撑板、支撑柱、下支撑板以及支撑环，所述刚性固定架整体采用3d打印一体成型。

3.如权利要求2所述的一种嵌入橡胶软管的软体机械手，其特征在于，所述下支撑板上设有三个用以固定触手的固定槽，所述固定槽的凹槽中心设有孔道，所述孔道直径为8mm-10mm。

4.如权利要求1所述的一种嵌入橡胶软管的软体机械手，其特征在于，所述橡胶软管为高弹性乳胶管。

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