CN109176588B - 一种多自由度变刚度柔性抓持装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度变刚度柔性抓持装置，包括：气动肌腱、通气接头、密封接头、上圆盘、下圆盘、弹性柔绳、波纹管、橡胶底盖以及气管，所述气动肌腱包括横向气动肌腱和纵向气动肌腱，其中横向气动肌腱为螺旋式缠绕结构，纵向气动肌腱为竖直安装结构，其中三根纵向气动肌腱竖直放置，一根横向气动肌腱螺旋式缠绕在三根纵向气动肌腱外部，通过控制纵向气动肌腱的气压在空间内任意方向进行弯曲，通过控制横向气动肌腱和纵向气动肌腱的气压调整刚度。本发明能够实现空间内任意方向弯曲，灵巧性更强。本发明大大简化变刚度的结构以及控制方法，实现对不同质量的物体进行抓取，在增大手指刚度的同时，提高抓持装置的抓取力，增强了重量抓取能力。

Description

一种多自由度变刚度柔性抓持装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种多自由度变刚度柔性抓持装置。

背景技术

随着现代人类科学技术的发展，智能机器人也越来越多地被应用到各个领域，其中机械抓持装置作为人类现代自动化工业的重要工具，就在食品运输配送、自动化机械装配、医疗护理、核能利用以及智能家居等多种领域得到了大量应用。传统的机械抓持装置均为刚性材料制成，通常机构复杂，体积大，控制系统较为复杂，价格也十分昂贵。近年来，随着柔性软体技术在机械领域的发展，使得软体机器人得到了长足的发展。运用软体技术所生产制造的柔性抓持装置，相较于传统的刚性抓持装置，其灵活性和柔顺性好，并且具有很强环境适应性和人机协作性，能够在许多有人类无法适应的恶劣环境下工作，因此在很多特殊场合能够实现刚性机械手爪所无法完成的功能。

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，柔性软体抓持装置普遍抓取力小，且不具备变刚度的特性。本发明提供了一种基于缠绕仿生理论的柔性变刚度手爪，具有柔性机器人的灵巧性、柔顺性以及环境适应性等一系列优点。该装置中的手指由纵向和横向气动肌腱组成，具有变刚度特性，简化了柔性机器人变刚度的控制方法，使其控制程序更加简易。本发明由柔性材料制成，自适应能力强，可实现对不同形状物体的抓取，柔顺性好，可防止抓取过程中对物体造成损伤，并且具有变刚度特性，可实现在抓取过程中抓取力的调节，从而实现对于不同质量物体的抓取。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多自由度变刚度柔性抓持装置。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，包括：气动肌腱、通气接头、密封接头、上圆盘、下圆盘、弹性柔绳、波纹管、橡胶底盖以及气管，其中，所述气动肌腱包括横向气动肌腱和纵向气动肌腱，其中横向气动肌腱为螺旋式缠绕结构，纵向气动肌腱为竖直安装结构，其中三根纵向气动肌腱竖直放置，一根横向气动肌腱螺旋式缠绕在三根纵向气动肌腱外部，通过控制纵向气动肌腱的气压在空间内任意方向进行弯曲，通过控制横向气动肌腱的气压调整刚度；

横向气动肌腱和纵向气动肌腱都为收缩型柔性驱动器，其都由柔性段、通气接头和密封接头组成，其中气动肌腱柔性段是通过弹性乳胶管外套上一层编织网形成的，柔性段的一端套在金属材质的通气接头上，柔性段的另一端套在金属材质的密封接头上，通过锁紧环分别将柔性段的两端和两个金属接头锁紧，所述通气接头包括外螺纹部件和内螺纹部件，中心均设有轴向通孔，外螺纹部件与所述气动肌腱柔性段一端相连，通过内螺纹部件的端部接头与气管连接，所述密封接头设置有带有内螺纹的密封件和螺母，密封件的一端与气动肌腱柔性段的另一端相连接，两个接头被套入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，并且两个金属接头轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩用以与上下圆盘的安装孔固定。上圆盘周围设有安装固定板和波纹管的法兰式结构，下圆盘周围设有安装波纹管和橡胶盖的法兰式结构；橡胶底盖为半球形橡胶盖，橡胶底盖的上端面周围设有法兰式结构，通过螺栓与下圆盘固定连接；气管的一端与通气接头相连，另一端与气动控制系统连接作为气动肌腱的充放气通道。

上述技术方案中，所述上圆盘和所述下圆盘的中部均设有四个固定气动肌腱的安装孔，其中三个在圆盘中心按圆周均布，另一个在三个安装孔的其中一个安装孔一侧，所述纵向气动肌腱上端的通气接头与上圆盘中心的三个安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的三个安装孔固连，所述横向气动肌腱的上端的通气接头与上圆盘的安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的安装孔固连，所述上圆盘和所述下圆盘均为圆形薄片结构。

上述技术方案中，所述固定板为三分支板状结构，三个分支中部均上折一定角度，增大抓持开口，在分支末端均设有法兰式结构，通过螺栓与上圆盘固定连接，在固定板中心位置设有与连接架相接的法兰式结构，靠外侧设有与防护罩相连的法兰式结构。

上述技术方案中，所述连接架为圆柱结构，连接架上端的法兰式结构与机械臂的末端法兰盘相接，连接架下端的法兰式结构与固定板中心的法兰式结构固定连接，

上述技术方案中，所述防护罩为与所述固定板匹配的三分支壳体结构，所述防护罩的底端位置设有三个按圆周均布的光孔，防护罩的一侧设有多个通孔，使得气管从通孔中穿出与外部的气动控制系统相连。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的自由度变刚度柔性抓持装置都能够实现空间内任意方向的弯曲，灵巧性更强。基于仿生缠绕原理进行变刚度的结构设计，大大简化了变刚度的结构以及控制方法。由于本发明的抓持装置的变刚度特性，使其能实现对不同质量的物体进行抓取，并且在增大手指刚度的同时，提高了该抓持装置的抓取力，增强了本发明的重量抓取能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的整体示意图；

图2为本发明的内部立体示意图；

图3为本发明的固定板立体示意图；

图4为本发明的连接架立体示意图；

图5为本发明的气动肌腱主面剖视示意图；

图6为本发明的常规抓取状态的立体示意图；

图中：1-连接架、2-固定板、3-防护罩、4-上圆盘、5-下圆盘、6-气管、7-通气接头、7.1-内螺纹部件、8-密封接头、8.1-密封件、9-气动肌腱、10-弹性柔绳、11-波纹管、12-橡胶底盖、13-锁紧环、14-乳胶管、15-编织网。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本发明的多自由度变刚度柔性抓持装置，包括：气动肌腱、通气接头、密封接头、上圆盘、下圆盘、弹性柔绳、波纹管、橡胶底盖以及气管，其中，所述气动肌腱包括横向气动肌腱和纵向气动肌腱，其中横向气动肌腱为螺旋式缠绕结构，纵向气动肌腱为竖直安装结构，其中三根纵向气动肌腱竖直放置，一根横向气动肌腱螺旋式缠绕在三根纵向气动肌腱外部，其缠绕后形成的薄壁圆柱体的内壁直径略大于三根纵向气动肌腱所形成的圆柱体的直径，通过控制纵向气动肌腱的气压在空间内任意方向进行弯曲，通过控制横向气动肌腱和纵向气动肌腱的气压调整刚度；从而使得整个抓持装置具有变刚度特性。

所述的弹性柔绳10螺旋式穿过三根纵向气动肌腱外侧的编织网15的网眼，将三个纵向气动肌腱缠绕在一起。

横向气动肌腱和纵向气动肌腱都为收缩型柔性驱动器，其由柔性段、通气接头和密封接头组成，其中柔性段是通过弹性乳胶管外套上一层编织网形成的，柔性段的一端套在金属材质的通气接头上，柔性段的另一端套在金属材质的密封接头上，通过锁紧环分别将柔性段的两端和金属接头锁紧，所述通气接头设置外螺纹部件和内螺纹部件，中心均设有轴向通孔，外螺纹部件与所述气动肌腱柔性段一端相连，通过内螺纹部件的端部接头与气管连接，所述密封接头设置有带有内螺纹的密封件和螺母，密封件的一端与气动肌腱柔性段的另一端相连接。气动肌腱主面剖视示意图如图5所示。

两种接头被套入柔性段内的一端均设有凸棱用以防止气动肌腱9柔性部段从接头上分离，并且两个金属接头轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩用以与上下圆盘的安装孔固定，上圆盘周围设有安装固定板和波纹管的法兰式结构，波纹管为薄壁柔性橡胶管，其内壁直径略大于横向气动肌腱所形成的薄壁圆柱体的外壁直径，下圆盘周围设有安装波纹管和橡胶盖的法兰式结构；橡胶底盖为半球形橡胶盖，橡胶底盖的上端面周围设有法兰式结构，通过螺栓与下圆盘固定连接；气管的一端与通气接头相连，另一端与气动控制系统连接作为气动肌腱的充放气通道。

上述技术方案中，所述上圆盘和所述下圆盘的中部均设有四个固定气动肌腱的安装孔，其中三个在圆盘中心按圆周均布，另一个在三个安装孔的其中一个安装孔一侧，所述纵向气动肌腱上端的通气接头与上圆盘中心的三个安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的三个安装孔固连，所述横向气动肌腱的上端的通气接头与上圆盘的安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的安装孔固连，所述上圆盘和所述下圆盘均为圆形薄片结构。

固定板2、连接架1和防护罩3构成本发明的固定装置。固定装置下端连接三根手指，其中三根纵向和一根横向气动肌腱组成手指，三根纵向气动肌腱竖直放置，在其周围螺旋式缠绕一层横向气动肌腱，通过对于纵向气动肌腱内气压的调节，可改变每根手指的弯曲状态。通过对于纵向和横向气动肌腱内部气压的调整，便可实现对于手指的刚度调节，从而使得整个抓持装置具有变刚度特性。

图3为本发明的固定板立体示意图；如图3所示，固定板为三分支板状结构，三个分支中部均上折一定角度，增大抓持开口，在分支末端均设有法兰式结构，通过螺栓与上圆盘4固定连接，在固定板2中心位置设有与连接架1相接的法兰式结构，靠外侧设有与防护罩相连的法兰式结构。图4为本发明的连接架立体示意图；如图4所示，连接架1为圆柱结构，连接架上端的法兰式结构与机械臂的末端法兰盘相接，连接架下端的法兰式结构与固定板中心的法兰式结构固定连接。防护罩为与所述固定板匹配的三分支壳体结构，所述防护罩的底端位置设有三个按圆周均布的光孔，，通过螺栓与固定板2的法兰式结构相固连，防护罩的一侧设有多个通孔，使得气管6从通孔中穿出与外部的气动控制系统相连。

本发明是面向大力承载的变刚度柔性抓持装置，抓取过程中通过对纵向气动肌腱充气，使得三根柔性手指变换成所需要的弯曲抓取姿态，通过对横向肌肉进行充气，可将纵行气动肌腱紧紧的缠绕住，加强了纵向气动肌腱内部的气压，同时也减小了纵向气动肌腱的弯曲程度，当调整纵向气动肌腱内部的气压使得手指达到相同的抓取位置时，便可实现了整根手指刚度的加强。通过纵向和横向气动肌腱的相互配合，实现了对不同质量物体的抓取。图6为本发明的常规抓取状态的立体示意图如图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，包括：气动肌腱、通气接头、密封接头、上圆盘、下圆盘、弹性柔绳、波纹管、橡胶底盖以及气管，其中，所述气动肌腱包括横向气动肌腱和纵向气动肌腱，其中横向气动肌腱为螺旋式缠绕结构，纵向气动肌腱为竖直安装结构，其中三根纵向气动肌腱竖直放置，一根横向气动肌腱螺旋式缠绕在三根纵向气动肌腱外部，通过控制纵向气动肌腱的气压在空间内任意方向进行弯曲，通过控制横向气动肌腱和纵向气动肌腱的气压调整刚度；所述的弹性柔绳螺旋式穿过三根纵向气动肌腱外侧的编织网的网眼，将三个纵向气动肌腱缠绕在一起；

横向气动肌腱和纵向气动肌腱都为收缩型柔性驱动器，其都由柔性段、通气接头和密封接头组成，其中气动肌腱柔性段是通过弹性乳胶管外套上一层编织网形成的，柔性段的一端套在金属材质的通气接头上，柔性段的另一端套在金属材质的密封接头上，通过锁紧环分别将柔性段的两端和两个金属接头锁紧，所述通气接头包括外螺纹部件和内螺纹部件，中心均设有轴向通孔，外螺纹部件与所述气动肌腱柔性段一端相连，通过内螺纹部件的端部接头与气管连接，所述密封接头设置有带有内螺纹的密封件和螺母，密封件的一端与气动肌腱柔性段的另一端相连接，两个接头被套入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，并且两个接头轴向中部均设有一段光滑轴段及轴肩用以与上下圆盘的安装孔固定；上圆盘周围设有安装固定板和波纹管的法兰式结构，下圆盘周围设有安装波纹管和橡胶底 盖的法兰式结构；橡胶底盖为半球形橡胶盖，橡胶底盖的上端面周围设有法兰式结构，通过螺栓与下圆盘固定连接；气管的一端与通气接头相连，另一端与气动控制系统连接作为气动肌腱的充放气通道。

2.根据权利要求1所述的多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，所述上圆盘和所述下圆盘的中部均设有四个固定气动肌腱的安装孔，其中三个在圆盘中心按圆周均布，另一个在三个安装孔的其中一个安装孔一侧，所述纵向气动肌腱上端的通气接头与上圆盘中心的三个安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的三个安装孔固连，所述横向气动肌腱的上端的通气接头与上圆盘的剩余的安装孔固连，下端的密封接头与下圆盘的剩余的安装孔固连，所述上圆盘和所述下圆盘均为圆形薄片结构。

3.根据权利要求1所述的多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，所述固定板为三分支板状结构，三个分支中部均上折一定角度，增大抓持开口，在分支末端均设有法兰式结构，通过螺栓与上圆盘固定连接，在固定板中心位置设有与连接架相接的法兰式结构，靠外侧设有与防护罩相连的法兰式结构。

4.根据权利要求3所述的多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，所述连接架为圆柱结构，连接架上端的法兰式结构与机械臂的末端法兰盘相接，连接架下端的法兰式结构与固定板中心的法兰式结构固定连接。

5.根据权利要求4所述的多自由度变刚度柔性抓持装置，其特征在于，所述防护罩为与所述固定板匹配的三分支壳体结构，所述防护罩的底端位置设有三个按圆周均布的光孔，防护罩的一侧设有多个通孔，使得气管从通孔中穿出与外部的气动控制系统相连。

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