CN109834721A - 一种多指节变刚度软体手指 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种多指节变刚度软体手指，属于软体机器人技术领域，包括电机、腱绳、牵绳滚轮、基座、负压装置和手指本体；手指本体一端固定于基座上，另一端为自由端，该手指本体由若干个首尾层叠粘附的变刚度指节组成，各变刚度指节分别通过导气管与负压装置连通，各变刚度指节均分别由软基体和封装在该软基体内部的刚度调节介质组成，位于各变刚度指节同一面的两侧分别间隔设有导线管；电机的转动轴带动牵绳滚轮同步旋转；随着牵绳滚轮的转动，腱绳缠绕或松开于牵绳滚轮表面并带动手指本体模拟手指的弯曲与伸直。本发明具有刚柔可控的特点，且抓取构型多变，工作效率高、操作简单、抓取稳定、适应性强，适用于软体机器人的多种抓取操作过程。

Description

一种多指节变刚度软体手指

技术领域

本发明涉及一种多指节变刚度软体手指，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不稳定和控制精度不高等问题，提出一种多指节变刚度软体手指。采用电机与负压装置协同控制，电机驱动腱绳来构造手指形状，并通过负压装置来定型，实现刚柔可控的性能，抓取范围大；仅用一个电机来驱动多个变刚度指节，无需复杂的传感和控制系统；本发明还具有多种可变的抓取构型，可以适应对不同物体的抓取操作。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种多指节变刚度软体手指，其特征在于，包括电机、腱绳、牵绳滚轮、基座、负压装置和手指本体；所述手指本体一端固定于所述基座上，所述手指本体另一端为自由端，该手指本体由若干个首尾层叠粘附的变刚度指节组成，各变刚度指节分别通过导气管与所述负压装置连通，各变刚度指节均分别由软基体和封装在该软基体内部的刚度调节介质组成，位于各变刚度指节同一面的两侧分别间隔设有导线管；所述电机和牵绳滚轮均固定在所述基座上，所述电机的转动轴带动牵绳滚轮同步旋转；所述腱绳一端穿过所述牵绳滚轮后从指根处依次穿过位于各变刚度指节一侧的导线管并在指尖穿出，然后反向依次穿入位于各变刚度指节另一侧的导线管后穿过牵绳滚轮、与腱绳另一端形成闭环，随着牵绳滚轮的转动，腱绳缠绕或松开于牵绳滚轮表面。

进一步地，所述软基体为采用热塑性聚氨酯塑料薄膜或硅橡胶形成的封闭空间。

进一步地，所述刚度调节介质为表面涂有热熔胶薄层的层叠复印纸。

进一步地，所述刚度调节介质中，在层叠的复印纸之间还设有钢片。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的多指节变刚度软体手指，利用电机、负压装置、牵绳滚轮和变刚度指节等综合实现了软体手指抓取构型多变、刚柔可控的功能；电机与负压装置协同控制软体手指，提高了抓取的控制精度，且控制系统简单易操作；仅用一个电机驱动多个变刚度指节，无需复杂的传感和控制系统；该手指结构简单、重量轻，加工、装配和维修成本低，抓取范围大，适用于多种场合的抓取操作。

附图说明

图1是本发明实施例的一种多指节变刚度软体手指的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的软体手指在工作过程中的几个状态示意图：图(a)中该手指完全处于伸直状态，图(b)中仅第一指节处于弯曲状态，图(c)中仅第二指节处于弯曲状态，图(d)中仅第三指节处于弯曲状态。

在图1和图2中：

1—电机， 2—基座， 21—底座，

211—第一通孔， 212—第二通孔， 22—压盖，

23—支撑板， 24—限位架， 25—螺钉，

3—牵绳滚轮， 31—通孔， 32—凸出结构，

4—负压装置， 5—腱绳， 6—导气管，

7—变刚度指节， 71—软基体， 72—复印纸，

73—导线管。

具体实施方式

本发明提出的一种多指节变刚度软体手指结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的多指节变刚度软体手指的一种实施例如图1所示，包括电机1、基座2、牵绳滚轮3、负压装置4、腱绳5和手指本体；手指本体一端固定于基座2上，手指本体另一端为自由端，该手指本体由若干个(一般为2～4个，本实施例采用3个，分别模拟人手的三个指节)首尾层叠粘附的变刚度指节7组成，各变刚度指节7分别通过导气管6与负压装置4连通，各变刚度指节7均分别由软基体71和封装在该软基体71内部的刚度调节介质组成，位于各变刚度指节7同一面的两侧分别间隔设有导线管73；电机1和牵绳滚轮3均固定在基座2上，电机1的转动轴带动牵绳滚轮3同步旋转；腱绳5一端穿过牵绳滚轮3后从指根处依次穿过位于各变刚度指节7一侧的导线管73并在指尖(腱绳5在绕过位于指尖的变刚度指节7自由端时，可选择将腱绳5与自由端粘贴或不粘贴)穿出，然后反向依次穿入位于各变刚度指节7另一侧的导线管73后穿过牵绳滚轮3、与腱绳5另一端形成闭环，随着牵绳滚轮3的转动，腱绳5缠绕或松开于牵绳滚轮3表面。

本实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：

基座2由第一固定部和第二固定部构成。其中，第一固定部由底座21和压盖22构成，两者通过固定件(如螺钉25)可拆卸连接，通过底座21和压盖22的配合，使得位于手指根部的变刚度指节7一端固定于底座21和压盖22之间，且底座21和压盖22接触处设有用于放置变刚度指节7的第一通孔211和供腱绳5穿过的第二通孔212；第二固定部为一支撑板23，该支撑板23固定于第一固定部的底座21上，通过该支撑板23来安装电机1和牵绳滚轮3，本实施例中，牵绳滚轮3为一圆柱状结构，其上对称设有穿过腱绳5的两个通孔31，电机1的转动轴嵌入牵绳滚轮3的底部，为了增加电机1转动轴与牵绳滚轮3之间的接触面积，从而保证电机1转动轴与牵绳滚轮3之间不发生相对滑动，嵌入牵绳滚轮3的电机1转动轴的横截面形状为由圆弧线和直线构成的截面，牵绳滚轮3底部形状与该截面相配合；在第二固定部上还固定有限位架24，牵绳滚轮3顶部设有凸出结构32与该限位架24相配合，用于限制牵绳滚轮3沿其轴向的移动。

各变刚度指节7的结构相同，现以其中一个为例进行说明。由软基体71和封装在该软基体71内部的刚度调节介质组成，其中，软基体71(软基体的厚度约为0.2mm～2mm，长宽比为2:1～4:1)为采用热塑性聚氨酯塑料薄膜或硅橡胶形成的封闭空间，软基体71上设有用于连接导气管6的导气管接口；刚度调节介质为表面涂有热熔胶薄层的层叠复印纸72，当负压装置4通过导气管接口和导气管6向软基体71内抽气时，软基体71内部压强变小，软基体71与层叠的复印纸72成为“一体”且变“硬”，当断开气路时，即软基体71内的气压恢复大气压强，软基体71与层叠的复印纸72分离且变“软”。进一步地，在层叠的复印纸72之间还设有与复印纸摆放方式一致且尺寸相同钢片，钢片设置于复印纸之间可避免钢片划破软基体71，另外，通过钢片可减少层叠的复印纸弯折时的折痕，增加复印纸的使用次数。

导线管73采用常用的塑料管制成(导气管同样采用普通塑料制成)，可通过热熔胶粘附的方式将各导线管73固定于相应的变刚度指节7上。通过导线管73可防止腱绳5的磨损，此外，导线管73间隔设置是为了留给各指节变形弯曲的空间，便于腱绳5缩短时拉扯指节。

本实施例的软体手指的构型变化过程参见图2，具体为：若3个变刚度指节7均通过导气管6被负压装置4抽气而呈现负压状态，则软体手指构型呈现如图2中(a)所示的状态，即三个变刚度指节均为伸直状态；若靠近基座2的两个变刚度指节7均呈现负压状态，腱绳5带动软体手指呈现如图2中(b)所示姿态，即靠近指尖的第一指节处于弯曲状态，其余两指节处于伸直状态；若靠近基座2和远离基座2的两个变刚度指节7均呈现负压状态，对应的软体手指的状态如图2中(c)所示，即中间的第二指节处于弯曲，其余两指节处于伸直状态；若远离基座2的两个变刚度指节7均呈现负压状态，软体手指的状态如图2中(d)所示，即靠近指根的第三指节处于弯曲，其余两指节处于伸直状态。此外，通过电机1驱动腱绳5和负压装置4对变刚度指节7进行抽气两个结合还可构造多种构型，不一一赘述。

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。电机1转动，牵绳滚轮3随之转动，腱绳5缠绕在牵绳滚轮3上，腱绳5带动各变刚度指节7适应物体形状而变形，待变刚度指节7包络物体的同时启动负压装置4，软基体71内的空气被压缩(软基体71内的空气被抽出，形成负压)，复印纸72间的摩擦增大，使得变刚度指节7由“软”变“硬”，从而牢牢抓住物体。

释放物体时，关闭负压装置4，软基体71内的气压恢复成大气压，变刚度指节7由“硬”变“软”，同时电机1反转，变刚度指节7伸直恢复初始状态，物体掉落。

本发明利用电机驱动腱绳和负压装置控制变刚度指节的结合来实现软体手指构型多变、刚柔可控的特点，结构简单，质量轻，成本低，使用电机腱绳带动变刚度指节运动来代替气体驱动，提高了抓取的控制精度；变刚度指节能够实现该软体手指的刚度可调节性能，可实现对易碎柔软物体的操作抓取。刚度可调节、抓取构型多变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 (7)

1.一种多指节变刚度软体手指，其特征在于，包括电机、腱绳、牵绳滚轮、基座、负压装置和手指本体；所述手指本体一端固定于所述基座上，所述手指本体另一端为自由端，该手指本体由若干个首尾层叠粘附的变刚度指节组成，各变刚度指节分别通过导气管与所述负压装置连通，各变刚度指节均分别由软基体和封装在该软基体内部的刚度调节介质组成，位于各变刚度指节同一面的两侧分别间隔设有导线管；所述电机和牵绳滚轮均固定在所述基座上，所述电机的转动轴带动牵绳滚轮同步旋转；所述腱绳一端穿过所述牵绳滚轮后从指根处依次穿过位于各变刚度指节一侧的导线管并在指尖穿出，然后反向依次穿入位于各变刚度指节另一侧的导线管后穿过牵绳滚轮、与腱绳另一端形成闭环，随着牵绳滚轮的转动，腱绳缠绕或松开于牵绳滚轮表面。

2.根据权利要求1所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述软基体为采用热塑性聚氨酯塑料薄膜或硅橡胶形成的封闭空间。

3.根据权利要求1所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述软基体的厚度为0.2mm～2mm，长宽比为2:1～4:1。

4.根据权利要求1所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述刚度调节介质为表面涂有热熔胶薄层的层叠复印纸。

5.根据权利要求3所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述刚度调节介质中，在层叠的复印纸之间还设有钢片。

6.根据权利要求1所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述导线管通过热熔胶粘附的方式固定于所述变刚度指节的软基体上。

7.根据权利要求1所述的多指节变刚度软体手指，其特征在于，所述基座由第一固定部和第二固定部构成；其中，所述第一固定部由底座和压盖可拆卸连接；位于手指根部的所述变刚度指节一端固定于所述底座和压盖之间，且所述底座和压盖接触处设有用于放置变刚度指节第一通孔和供所述腱绳穿过的第二通孔；所述第二固定部为一支撑板，该支撑板固定于所述第一固定部的底座上，通过该支撑板用于安装所述电机和牵绳滚轮；在所述第二固定部上还固定有限位架，所述牵绳滚轮顶部设有凸出结构与该限位架配合，用于限制所述牵绳滚轮沿其轴向的转动和移动。