CN109623855A - 一种腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手，属于软体机器人技术领域，包括导气管、软体基体，穿插在软基体上的腱绳、以及位于软体基体外部的电机和负压装置；软体基体内部具有沿手指长度方向开设的密闭容纳腔，容纳腔的内部装载有被软薄膜封装的刚度调节介质，且软薄膜与刚度调节介质构成的阻塞部件与容纳腔之间具有一定的变形空间，软薄膜通过导气管与负压装置连通；所述软体基体通过腱绳受电机驱动来模拟手指弯曲与伸直。本发明具有刚柔可变的特性，其工作效率高，操作简单，抓取力大，可控性良好，变刚度效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及一种腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手，属于软体机器人技术领域。
背景技术
近十几年来软体机器人技术迅速发展，不同于由连杆和运动副构成的传统机器人，软体机器人是模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有较大的柔韧性和连续变形的能力，环境适应性较强，软体机器人是机器人技术研究的全新方向，弥补了传统机器人在某些功能上的缺陷，很多方面都有其用武之地，发展前景一片光明。
作为末端执行器的软体手也受到国内外研究人员的广泛关注。传统的刚性机械手，一般由刚性模块通过运动副连接构成，具有运动精确的优点，但刚性结构的环境适应性较差，缺少柔顺性，不适用抓取如玻璃杯或草莓这样易碎或柔软的物品。与现有的刚性机械手不同，软体手具有更高的柔顺性以及操作的安全性。现对目前已经研制出的几类软体手进行分别说明：
1、由硅橡胶材料制成、使用气体驱动的软体抓手，部分已经使用到生产线上，具有柔顺性好、控制简单等优点，由于其采用气体驱动方式，虽结构简单，控制操作容易，但其存在控制不精确、抓取力不够以及刚度不可变等不足，需要进一步的改进和提升。
2、基于阻塞变刚度方法的末端执行器，阻塞变刚度方法主要分为颗粒阻塞和层阻塞两种，利用颗粒阻塞技术，研究人员已经设计出了很多令人印象深刻的结构，实现了许多刚度不可变软体机器人所不能实现的功能。如由颗粒阻塞原理制成的“哆啦A梦”手，圆球状可变外形加上负压装置使得其能良好的适应对各种物体的抓取，抓取力较大且具有可变刚度的特点，但其不可精确控制就增加了控制操作抓取的难度。
3、由腱绳驱动的软体手，目前该类软体手所采用的软体材质相对较硬，需要提供较大的驱动力才能满足控制精度；由于所采用的软体材质相对较硬，导致缺少刚度变化的过程，从而降低了抓取物体过程中软体手的柔顺性。
发明内容
本发明的目的是解决现有的气动软体手抓取力不足和控制精度不高的问题，提出一种腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手，以精确控制软体手指的运动，提高抓取的精准性和抓取的力度，通过电机驱动腱绳带动软体手的运动加上负压装置与阻塞结构的配合，实现可变刚度的特点，也能更好的完成对物体的精确抓取操作。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种腱绳驱动的变刚度软体手指，其特征在于，包括导气管、软体基体，穿插在所述软基体上的腱绳、以及位于所述软体基体外部的电机和负压装置；所述软体基体内部具有沿手指长度方向开设的密闭容纳腔，容纳腔的内部装载有被软薄膜封装的刚度调节介质，且所述软薄膜与所述刚度调节介质构成的阻塞部件与所述容纳腔之间具有一定的变形空间，所述软薄膜通过所述导气管与所述负压装置连通；所述软体基体通过腱绳受电机驱动来模拟手指弯曲与伸直。
进一步地，所述软体基体采用硅橡胶材料制成。
进一步地，所述刚度调节介质采用颗粒状物品。
进一步地，所述刚度调节介质采用层叠的复印纸。
本发明还提出一种由上述腱绳驱动的变刚度软体手指构成的软体手，包括手掌和若干上述变刚度软体手指；各变刚度软体手指的根部与所述手掌相连，各变刚度软体手指内的电机均集成在所述手掌内，各变刚度软体手指内的负压装置均设置与所述手掌外。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的腱绳驱动的变刚度软体手指及其软体手，结构简单，成本低，使用电机驱动腱绳带动软体基体运动来代替气体驱动，提高了抓取的控制精度；由于设置有刚度调节部分，能够调节执行单元的刚度，在未对软薄膜内腔抽气时，整个执行器呈现较软的状态；在对软薄膜抽真空后，介质之间空隙被压缩，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。通过电机驱动腱绳的传动方式实现对手指的精确控制，通过负压装置驱动的层阻塞方式实现了手指刚度的变化，本发明使电机驱动与层阻塞原理进行了有机结合，优势互补。刚度可调节及控制精度高等特点使得本发明的软体手指及其软体手应用前景广泛。
附图说明
图1是本发明提出的腱绳驱动的变刚度软体手指的一种实施例的等轴测局部剖视图；
图2是图1所示实施例的俯视图；
图1至图2中：
1—电机，2—负压装置，3—软体基体，31—凹槽，4—腱绳，5—导气管，6—软薄膜，7—复印纸。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理内容：
本发明提出的一种腱绳驱动的变刚度软体手指的一种实施例如图1所示，包括导气管5、与手指形状相仿的软体基体3、穿插在软体基体3上的腱绳4、以及位于软体基体3外部的电机1和负压装置2；软体基体3内部具有沿手指长度方向开设的密闭容纳腔，容纳腔的内部装载有被软薄膜6封装的刚度调节介质7，且软薄膜6与刚度调节介质7构成的阻塞部件与容纳腔之间具有一定的变形空间，软薄膜6通过导气管5与负压装置2连通；软体基体3通过腱绳4受电机1驱动来模拟手指弯曲与伸直，腱绳4一端固定于电机1的输出端，腱绳4另一端从软体基体3内靠近内凹面侧的手指根部沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于电机1的输出端。
本实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：
软体基体3、腱绳4和电机1共同构成手指的形变部分，用于实现手指的弯曲与伸直。软体基体3为采用硅橡胶材料制成的类手指结构，软体基体3的内凹面设有垂直于手指长度方向的若干个凹槽31，参见图2，该凹槽31相当于人手的关节，便于软体手指的弯曲。软体基体3的使用使得手指在抓取时对物体的适应性比较高，也即柔顺性较好，同时软体基体的表面摩擦力较大，抓物体时能抓的比较牢固不易滑落。一根腱绳按顺序依次穿过软体基体，最终腱绳呈“U”形，腱绳所处软体基体的平面位于软体手指内凹面，腱绳两端同方向缠绕在电机转轴上。电机驱动腱绳，由于腱绳有序穿插在软体基体中，故腱绳可以带动软体基体弯曲。由于电机的运动可以精确控制，所以可以带动腱绳精确运动到指定位置进而实现抓取的控制精度。
负压装置2、导气管5和封装在软薄膜6内的刚度调节介质7共同构成手指的刚度调节部分，用于调节手指在弯曲后手指的刚度，使得抓取物体更加牢固。将刚度调节介质7装在软薄膜(一种实施例中，软薄膜采用TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)塑料)内，软薄膜的尺寸以能刚好轻松装下刚度调节介质为准，导气管一端插进软薄膜内，然后通过软薄膜实现对刚度调节介质层的密封，保证只有导气管内可进出气。导气管的另一端与负压装置相连，目的是通过导气管从软薄膜内抽取空气，在一个实施例中，负压装置抽取的压强为70kP-100kP。
在一个实施例中，刚度调节介质7采用颗粒状物品，选择(密度)均匀制造的圆球状颗粒，且硬质不易变形，如玻璃珠。
在另一个实施例中，刚度调节介质采用层叠的复印纸7。由于复印纸在单张时呈现很容易弯折的状态，层叠装在软薄膜袋中被抽真空之后，呈现刚度较大的状态，不容易弯折，从而实现可变刚度的特点。此外，还可采用表面摩擦力大的薄片状结构，单层易弯折，但不能像布一样软的薄片。
本发明还提出一种有上述软体手指构成的软体手，该软体手包括若干个(可根据具体的应用场景选择手指数量及具体的排布方式，例如可构成仿人手的五指软体手)软体手指，各个软体手指分别与一个硬质底座相连上，并通过硬质底座与手掌相连，各个软体手指的导气管和腱绳均穿过各自的硬质底座，各个电机集成在手掌内，负压装置设置在手掌外。
本实施例软体手指的工作原理，结合附图叙述如下：
本实施例处于初始状态时，如图1至图2所示。电机1转动，通过腱绳4带动软体基体3弯曲，此时手指整体呈现较软状态，待软体基体3包络物体的同时启动负压装置2，软薄膜6内空气被压缩(软薄膜内的空气被抽出，形成负压)，复印纸7间摩擦力增大，使得刚度调节部分由“软”变“硬”，从而牢牢抓住物体。
释放物体时，关闭负压装置2，刚度调节部分由“硬”变“软”，同时电机1反转，软体基体3伸直恢复初始状态，物体掉落。
本发明装置利用软体基体和刚度调节装置实现对物体的牢固抓取，结构简单，成本低，使用电机腱绳带动软体基体运动来代替气体驱动，提高了抓取的控制精度；由于设置有刚度调节部分，能够调节执行单元的刚度，在未对软薄膜内腔抽气时，整个执行器呈现较软的状态；在对软薄膜抽真空后，介质之间空隙被压缩，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。刚度可调节及控制精度高等特点使得本发明的软体手指应用前景广泛。
Claims (8)
1.一种腱绳驱动的变刚度软体手指，其特征在于，包括导气管、软体基体，穿插在所述软基体上的腱绳、以及位于所述软体基体外部的电机和负压装置；所述软体基体内部具有沿手指长度方向开设的密闭容纳腔，容纳腔的内部装载有被软薄膜封装的刚度调节介质，且所述软薄膜与所述刚度调节介质构成的阻塞部件与所述容纳腔之间具有一定的变形空间，所述软薄膜通过所述导气管与所述负压装置连通；所述软体基体通过腱绳受电机驱动来模拟手指弯曲与伸直。
2.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述腱绳一端固定于所述电机的输出端，所述腱绳另一端从所述软体基体内靠近内凹面侧的手指根部沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于所述电机的输出端。
3.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述软体基体采用硅橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述软体基体的内凹面设有垂直于手指长度方向的若干个凹槽。
5.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述软薄膜采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶塑料。
6.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述刚度调节介质采用颗粒状物品。
7.根据权利要求1所述的变刚度软体手指，其特征在于，所述刚度调节介质采用层叠的复印纸。
8.一种根据权利要求1～7中任意一项所述腱绳驱动的变刚度软体手指构成的软体手，包括手掌，其特征在于，还包括若干所述变刚度软体手指；各变刚度软体手指的根部与所述手掌相连，各变刚度软体手指内的电机均集成在所述手掌内，各变刚度软体手指内的负压装置均设置于所述手掌外。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190416 |