CN109483574A - 变刚度内骨骼刚软耦合机械手指 - Google Patents

变刚度内骨骼刚软耦合机械手指 Download PDF

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Abstract

一种变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，包括：软体手指和设置于软体手指内的变刚度内骨骼，该变刚度内骨骼包括：依次连接的近节指骨、中节指骨和远节指骨，其中：中节指骨分别与近节指骨和远节指骨转动连接且近节指骨和远节指骨相连通，近节指骨和远节指骨内分别设有第一膨胀膜和第二膨胀膜，通过通入气体至远节指骨使第一膨胀膜与第二膨胀膜膨胀变形以改变刚度。本发明结构美观、体积小、适应性更强，对软体手指性能的提升明显；既保证了软体手指与环境安全高效的互动，也极大地提升了手指的抓取能力和承载力，减少了抓手装置体积，节约空间。

Description

变刚度内骨骼刚软耦合机械手指
技术领域
本发明涉及的是一种工业自动化机器人领域的技术，具体是变刚度内骨骼刚软耦合机械手指。
背景技术
现代机器人研究中特别活跃的领域涉及柔性部件的探索，无论是人造肌肉还是用于抓取物体的抓手等，这些更具延展性的部件都为人类开辟了新的可能性，并使机器更安全。其中软体手指的研究得到了学术界和工业界的广泛关注。软体手的手指能够像生物体一样，主动或者被动地改变自身的形状、刚度以及运动方式，从而更加安全高效地与环境互动。但是传统的软体手指由于材料的限制，不能达到同生物体一样的强度，极大地限制了软体抓手对较大质量物体的抓取能力和承载能力。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，通过在传统的软体手指内部增加具有变刚度的内骨骼来构建刚软耦合变刚度机械手指，在避免手指抓取物体过程中会发生的干涉同时，也实现了对软体抓手抓取力和抓取稳定性的提升，具有较好的适应性和可移植性，减少了软体手装置的体积。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：软体手指和设置于软体手指内的变刚度内骨骼，该变刚度内骨骼包括：依次连接的近节指骨、中节指骨和远节指骨，其中：中节指骨分别与近节指骨和远节指骨转动连接且近节指骨和远节指骨相连通，近节指骨和远节指骨内分别设有第一膨胀膜和第二膨胀膜，通过通入气体至远节指骨使第一膨胀膜与第二膨胀膜膨胀变形以改变刚度。
所述的软体手指包括：手指外层、气嘴和手指内芯，其中：手指内芯设置于手指外层内，气嘴设置于手指外层一端。
所述的手指内芯为半圆柱体结构，该半圆柱体结构上设有用于防止径向形变的纤维丝线和防止侧形变的纤维层，其中：纤维层设置于手指内芯平面一侧，纤维丝线缠绕于手指内芯上。
所述的近节指骨和远节指骨之间设有用于连通的连通管。
所述的近节指骨为中空结构，侧面设有与连通管相配合的第一孔道，末端为球形并设有第一孔槽。
所述的近节指骨内设有第一压环和第一膨胀膜，其中：第一压环设置于近节指骨的第一孔槽内，第一膨胀膜设置于第一压环和近节指骨之间并与第一孔槽过盈配合。
所述的远节指骨为中空结构，侧面设有与连通管相配合的第二孔道，末端为球形并设有第二孔槽。
所述的远节指骨内设有第二压环和第二膨胀膜，其中：第二压环设置于远节指骨的第二孔槽内，第二膨胀膜设置于第二压环和远节指骨之间并与第二孔槽过盈配合。
技术效果
与现有技术相比，本发明结构美观、体积小、适应性更强，对软体手指性能的提升明显；既保证了软体手指与环境安全高效的互动，也极大地提升了手指的抓取能力和承载力，相比未安装内骨骼的软体手指相比，承载力理论上可以提高1到2个数量级，同时减少了抓手装置体积，节约空间。
附图说明
图1为本发明手指伸直状态的总体结构部分剖视图；
图2为本发明手指弯曲状态的总体结构部分剖视图；
图3为本发明软体手指爆炸结构示意图；
图4为本发明的内骨骼总体结构示意图；
图5为本发明的内骨骼爆炸结构示意图；
图6为本发明的总体结构部件分解图；
图中：软体手指1、变刚度内骨骼2、近节指3、中节指骨4、远节指骨5、手指外层6、气嘴7、手指内芯8、纤维丝线9、纤维层10、第一孔道11、第一孔槽12、第一压环13、第一膨胀膜14、第二孔道15、第二孔槽16、第二压环17、第二膨胀膜18、连通管19。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其中包含：软体手指1和设置于软体手指1内的变刚度内骨骼2，其中：变刚度内骨骼2一端设置于软体手指1外。
所述的变刚度内骨骼2包括：依次连接的近节指骨3、中节指骨4和远节指骨5，其中：中节指骨4分别与近节指骨3和远节指骨5转动连接，近节指骨3一端设置于软体手指1外，远节指骨5一端设置于软体手指1中。
所述的软体手指1包括：手指外层6、气嘴7和手指内芯8，其中：手指内芯8设置于手指外层6内，气嘴7设置于手指外层6一端。
所述的手指外层6由硅胶通过模具浇注而成，为长条形形状。
所述的手指内芯8为半圆柱体结构，该半圆柱体结构上设有用于防止径向形变的纤维丝线9和防止侧形变的纤维层10，其中：纤维层10设置于手指内芯8平面一侧，纤维丝线9缠绕于手指内芯8上。
所述的近节指骨3和远节指骨5之间设有用于连通的连通管19。
所述的近节指骨3为中空结构，侧面设有与连通管19相配合的第一孔道11，末端为球形并设有第一孔槽12。
所述的近节指骨3内设有第一压环13和第一膨胀膜14，其中：第一压环13设置于近节指骨3的第一孔槽12内，第一膨胀膜14设置于第一压环13和近节指骨3之间并与第一孔槽12过盈配合。
所述的远节指骨5为中空结构，侧面设有与连通管19相配合的第二孔道11，末端为球形并设有第二孔槽16。
所述的远节指骨5内设有第二压环17和第二膨胀膜18，其中：第二压环17设置于远节指骨5的第二孔槽16内，第二膨胀膜18设置于第二压环17和远节指骨5之间并与第二孔槽16过盈配合。
所述的第一膨胀膜18与第二膨胀膜18材质为弹性体，当其内部通入气体后会开始膨胀，刚度发生变化，挤压中节指骨4的末端产生较大的摩擦力，从而阻止变刚度内骨骼2的各关节之间的相对运动。
本装置在工作时，气泵通过气嘴1输入一定气压的气体时，软体手指1的内部会膨胀变形，随着气泵通入气压的增加，软体手指1的变形程度也会随之增大。软体手指1的弯曲变形会带动与之相连的远节指骨5发生转动，继而带动中节指骨4与近节指骨3和远节指骨5发生相对转动；当软体手指1运动到位后，使用气阀向近节指骨3的气孔内输入一定气压的气体，当气体通过连通管19输入远节指骨5时，第一膨胀膜14与第二膨胀膜18膨胀变形，刚度发生变化，与中节指骨3的末端接触挤压产生一定的摩擦力，导致近节指骨3、中节指骨4以及远节指骨5之间难以产生相对运动，此时可以切断对气嘴7的供气，第一膨胀膜14和第二膨胀膜18的膨胀变形，与中节指骨4之间的摩擦力增加，阻碍手指相对转动，而且远节指骨5的末端持续与软体手指6保持固定状态，所以软体手指会保持抓取状态，在断气之后不会恢复伸直状态；由于装置在抓取过程中可以承受被抓取物体的绝大部分载荷，所以软体抓手可以抓取更重的物体；当无需继续抓取物体时，停止向近节指骨3的通气孔通入空气，第一膨胀膜14和第二膨胀膜18恢复至自由状态，刚度发生变化，与中节指骨4之间的摩擦力减小，近节指骨3、中节指骨4、远节指骨5可以发生相对运动，软体手指1此时会恢复原始状态同时带动内骨骼机构回到初始位置，放下工件。在手指夹取以及松开物体的过程中，关键在于变刚度内骨骼关节处的摩擦力变化，随着气泵通入气压的增加，变刚度内骨骼的刚度也会随之增大，且由于变刚度内骨骼的支撑作用，变刚度内骨骼刚柔耦合手指相较于传统软体手指，其承载力理论上可以提升1到2个数量级。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征在于，包括：软体手指和设置于软体手指内的变刚度内骨骼，该变刚度内骨骼包括：依次连接的近节指骨、中节指骨和远节指骨，其中：中节指骨分别与近节指骨和远节指骨转动连接且近节指骨和远节指骨相连通，近节指骨和远节指骨内分别设有第一膨胀膜和第二膨胀膜，通过通入气体至远节指骨使第一膨胀膜与第二膨胀膜膨胀变形以改变刚度。
2.根据权利要求1所述的变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征是，所述的软体手指包括：手指外层、气嘴和手指内芯，其中：手指内芯设置于手指外层内，气嘴设置于手指外层一端。
3.根据权利要求2所述的变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征是，所述的手指内芯为半圆柱体结构，该半圆柱体结构上设有用于防止径向形变的纤维丝线和防止侧形变的纤维层，其中：纤维层设置于手指内芯平面一侧，纤维丝线缠绕于手指内芯上。
4.根据权利要求1所述的变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征是，所述的近节指骨和远节指骨之间设有用于连通的连通管。
5.根据权利要求1或4所述的变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征是，所述的近节指骨为中空结构，侧面设有与连通管相配合的第一孔道，末端为球形并设有第一孔槽；
所述的近节指骨内设有第一压环，其中：第一压环设置于近节指骨的第一孔槽内，第一膨胀膜设置于第一压环和近节指骨之间并与第一孔槽过盈配合。
6.根据权利要求1或4所述的变刚度内骨骼刚软耦合机械手指，其特征是，所述的远节指骨为中空结构，侧面设有与连通管相配合的第二孔道，末端为球形并设有第二孔槽；
所述的远节指骨内设有第二压环，其中：第二压环设置于远节指骨的第二孔槽内，第二膨胀膜设置于第二压环和远节指骨之间并与第二孔槽过盈配合。
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