CN110091348A - 一种仿人手气动软体手爪 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种仿人手气动软体手爪，包括有：多个手指单元、多个手指关节、掌体以及连接机构。其中手指单元是由柔性材料所制成的柱状结构，在其内部有两个平行分布且高度不等的圆柱状腔室，分别为第一腔室和第二腔室，在其外表面缠绕着两组螺旋状排列的约束纤维，用来限制手指单元的横向膨胀。手指关节是一个由较硬硅胶材料制成的圆环状结构，可改变手指单元的弯曲角度。掌体和人的手掌形状类似，是一个中空的腔体，内置若干气管和电磁阀，用来控制手指单元的运动。连接机构由刚性材料制成，可实现手指单元的上、下运动和左、右运动。掌体通过若干个连接机构与多个手指单元连接。本专利实现了软体材料和刚性材料的结合，通过气体来驱动手指的弯曲和多姿态运动，极大程度上还原了人手的运动状态，实现对物体的有效抓取。

Description

一种仿人手气动软体手爪

技术领域

本技术属于软体机器人技术领域，涉及一种仿生气动手爪装置。

背景技术

近年来，软体机器人成为机器人领域的一个新兴且极具前景的研究方向。软体机器人是仿生机器人研究的延续，模仿自然界中的软体动物，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，由于其出色的灵活性和适应性，在军事、探测、医疗等领域具有广泛的应用前景。

目前大多数软体机器人均采用柔性材料制作，如：硅橡胶、形状记忆合金SMA、电活性聚合物EAP等。这些材料的快速发展，在很大程度上也加快了软体机器人的发展。软体机器人相比于传统的刚性机器人，在其驱动方式上也有很大的改进，大多采用气动驱动，通过气动的压力来改变软体机器人的弯曲动作和刚度调节。

最近几年，研究人员主要将软体机器人技术应用到人机交互、医疗康复中，取得了显著的效果。但是，由于软体机器人的基体整体上采用柔性材料制作而成，其在抓取功能上存在不足，抓持力一般，一些特定领域无法胜任。

发明内容

本技术的目的是提供一种自由度多，动作灵活，抓取物品方便的仿人手气动软体手抓。

本技术所述的一种仿人手气动软体手抓，包括掌体和多个手指单元，所述掌体通过连接结构与每个手指单元连接；连接结构包括水平转动座、竖直转动座；水平转动座通过第一枢轴与掌体转动连接，水平转动座上有位于在第一枢轴左右两侧的左通气孔、右通气孔，左通气孔、右通气孔分别与左通气管、右通气管相连；竖直转动座通过第二枢轴与水平转动座转动连接，竖直转动座上有位于在第二枢轴上下两侧的上通气孔、下通气孔，上通气孔、下通气孔分别与上通气管、下通气管相连；

手指单元是柔性材料制成柱状结构，其外表面缠绕着两组螺旋方向相反的螺旋状排列的约束纤维，内部有沿着手指单元轴向延伸但延伸高度不相等的第一腔室、第二腔室；

手指单元的端部与竖直转动座相连；竖直转动座上开有与第一腔室、第二腔室相通的第一通气孔、第二通气孔，第一通气孔、第二通气孔分别与第一通气管、第二通气管相连。

本专利的有益效果：

当给所述竖直转动座的上通气孔充气时，所述竖直转动座的上端受到一个推力，竖直转动座和连接该竖直转动座上的手指单元将会绕第二枢轴向下转动；当给所述竖直转动座的下通气孔充气时，竖直转动座下端受到一个推力，所述竖直转动座和手指单元将会绕所述第二枢轴向上转动。

当给所述竖直转动座的左通气孔充气时，所述手指单元的左端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第一枢轴向右转动；当给所述竖直转动座的右通气孔充气时，所述手指单元的右端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第一枢轴向左转动。

当给一个手指单元的第一腔室和第二腔室同时充气时，腔室内的压力变大，由于其材料的柔韧性和外围约束纤维的限制，所述手指单元将会伸长并形成弯曲。如果所述第二腔室的高度大于所述第一腔室的高度，第二腔室这侧的弯曲程度大于第一腔室这侧，所述手指单元向所述第一腔室这侧弯曲。

这样，该仿人手气动软体手爪即可多自由度灵活转动弯曲，方便抓取物品，实现类似人手功能。

作为对上述的仿人手气动软体手抓的进一步改进，第一枢轴与第二枢轴垂直；第一腔室、第二腔室均位于与第二枢轴垂直的平面内。

作为对上述的仿人手气动软体手抓的进一步改进，它还包括紧套手指单元外表面的圆环状手指关节，手指关节材料的硬度大于所述手指单元材料的硬度。

所述手指关节是圆环状结构，紧紧地套在所述手指单元外表面，由于所述手指关节材料的硬度大于所述手指单元材料的硬度，所述手指关节会约束所述手指单元套装手指关节处材料的弯曲，使得所述手指单元在套装手指关节处的弯曲程度发生明显变化，这样便使得所述手指单元出现断层式的弯曲，形成和人手手指关节处类似的弯曲。

作为对上述的仿人手气动软体手抓的进一步改进，手指单元为5个，其中外侧部的一个手指单元上的手指关节为一个，其它手指单元上的手指关节为两个；每个手指单元上的手指关节在手指单元的长度方向上均布。

作为对上述的仿人手气动软体手抓的进一步改进，掌体上设置多个通孔，与每个手指相连的左通气管、右通气管、上通气管、下通气管、第一通气管、第二通气管分别穿过一个通孔，在掌体内设置有分别控制与每个手指相连的左通气管、右通气管、上通气管、下通气管、第一通气管、第二通气管的通断的电磁阀。

把各个电磁阀放入掌体内，结构更加紧凑，根据美观。

附图说明

图1是仿人手气动软体手抓立体示意图；

图2是仿人手气动软体手抓立体图（删除了手指单元11等）；

图3是手指单元结构示意图；

图4是手指单元、手指关节等的示意图；

图5是手指单元的弯曲示意图；

图6是连接机构的结构示意图；

图7是水平转动座等结构示意图；

图8是竖直转动座等结构示意图；

图9是手指单元和竖直转动座装配示意图；

图10是掌体示意图；

图11是软体手爪装置的总装配图；

图12是掌体示意图。

图中，手指单元1、手指单元11、手指单元12、手指单元13、手指单元14、手指单元15、第一腔室16、第二腔室17、约束纤维18；

手指关节2、掌体3；

连接机构4、第一枢轴41、水平转动座42、第二枢轴43、竖直转动座44、上通气孔441、下通气孔442、第一通气孔443、第二通气孔444、左通气孔425、右通气孔426；

上通气管51、下通气管52、左通气管55、右通气管56。

具体实施方案

下面结合附图对本专利做进一步说明。

参照图1、2，一种仿人手气动软体手抓由5个手指单元1、9个手指关节2、掌体3以及5个连接机构4组成。

5个手指单元从左至右，分别为手指单元11、手指单元12、手指单元13、手指单元14、手指单元15。其中手指单元11比其它手指单元少一个所述手指关节，只能形成一个明显的弯曲，和人手的大拇指类似。

参见图3、4，手指单元1是一个柱状结构，由柔性材料制成，如硅橡胶、形状记忆合金SMA等，其外表面缠绕着用来限制手指单元的横向膨胀的两组螺旋状排列的约束纤维18，其内部有两个圆柱状腔室，分别为第一腔室16和第二腔室17。所述手指单元的下端对称分布着两个通气孔：与第一腔室相通的第一腔室通气孔和与第二腔室相通的第二腔室通气孔，上端是一个半球体柔性结构。所述第一腔室和第二腔室关于所述手指单元的轴对称分布，但所述第一腔室和第二腔室的高度不同，所述第一腔室的顶端在所述手指单元的2/3处，所述第二腔室的顶端在所述手指单元的顶部。所述约束纤维可选用凯夫拉线或钓鱼线。

参见图1、2、4，所述手指关节2是一个硅胶材料制成的圆环状结构，紧紧地套在所述手指单元11外表面的1/2处和所述手指单元12、13、14、15外表面的1/3、2/3处。由于所述手指关节材料的硬度大于所述手指单元材料的硬度，所述手指关节会约束所述手指单元11外表面的1/2处和手指单元12、13、14、15外表面1/3、2/3处材料的弯曲，使得所述手指单元11在1/2处和手指单元12、13、14、15在1/3和2/3处的弯曲程度发生明显变化，这样便使得所述手指单元断层式的弯曲，形成和“人手”类似的弯曲。

每个手指单元通过一个连接结构与掌体相连。

参见图1、2、6-8，每个连接机构4由刚性材料制成，包括固定在掌体上的第一枢轴41、转动设置在第一枢轴上的水平转动座42、转动在水平转动座上的第二枢轴43和固定设置在第二枢轴上的竖直转动座44。所述第一枢轴和所述第二枢轴呈垂直安装，所述手指单元可绕所述第二枢轴轴线实现前后运动，所述手指单元和竖直转动座可绕所述第一枢轴轴线完成左右运动。

所述竖直转动座44，与所述手指单元的端部用胶水粘连，且留有4个通气孔：上通气孔441、下通气孔442、第一通气孔443、第二通气孔444。

第一通气孔443、第二通气孔444分别用来与所述手指单元的第一腔室通气孔、第二腔室通气孔连通，第一通气孔443、第二通气孔444分别与第一通气管、第二通气管（未示出）相连，用来控制所述手指单元的弯曲运动。

上通气孔441、下通气孔442均是盲孔，并分别与上通气管51、下通气管52相连，用来控制竖直转动座的上下转动（即前后转动）。

水平转动座42上开有左通气孔425和右通气孔426，左通气孔425、右通气孔426均是盲孔，并分别与左通气管55、右通气管56相连，用来控制所述水平转动座的左右转动。

所述掌体3和人的手掌形状类似，内部有一个腔室，用来布置各通气管和各电磁阀。上端和左侧有5个固定支座，用来与所述连接机构连接。同时，在上端和左侧留有5个通孔，下部也开有5个通孔。

气管通过这些通气孔与所述弯曲关节和所述连接机构连通。所述掌体下端通气孔通过的气管与外界的驱动气泵连接，用电磁阀来控制气路的通断，从而来控制所述手指单元的运动。

与每个手指单元及连接机构都有6路气管（上通气管51、下通气管52、第一通气管、第二通气管、左通气管55、右通气管56）相连，该6路气管从掌体底部的一个通孔进入，从掌体左侧和上部的一个通孔穿出。各气管均与外界的驱动气泵连接。在掌体内设置有分别控制与每个手指单元及连接结构相连的左通气管、右通气管、上通气管、下通气管、第一通气管、第二通气管的通断的电磁阀，通过该电磁阀分别控制一个手指单元及连接机构的运动，这样便能够实现整个手爪装置的多姿态动作。

当给所述手指单元的第一腔室和第二腔室同时充气时，腔室内的压力变大，由于其材料的柔韧性和外围约束纤维的限制，所述手指单元将会伸长并形成弯曲。由于所述第二腔室的高度大于所述第一腔室的高度，所以所述第二腔室这侧的弯曲程度大于所述第一腔室这侧，所述手指单元向所述第一腔室这侧弯曲。

当给所述竖直转动座的上通气孔充气时，所述手指单元的上端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第二枢轴向下转动；当给所述竖直转动座的下通气孔充气时，所述手指单元的下端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第二枢轴向上转动。

当给所述水平转动座的左通气孔充气时，所述手指单元的左端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第一枢轴向右转动；当给所述水平转动座的右通气孔充气时，所述手指单元的右端受到一个推力，所述手指单元将会绕所述第一枢轴向左转动。

掌体和人的手掌形状类似，是一个中空的腔体，内置若干气管和电磁阀，用来控制手指单元的运动。连接机构由刚性材料制成，可实现手指单元的上、下运动和左、右运动。掌体通过若干个连接机构与多个手指单元连接。本专利实现了软体材料和刚性材料的结合，通过气体来驱动手指的弯曲和多姿态运动，极大程度上还原了人手的运动状态，实现对物体的有效抓取。

Claims (5)

1.一种仿人手气动软体手抓，包括掌体和多个手指单元，其特征是：所述掌体通过连接结构与每个手指单元连接；连接结构包括水平转动座、竖直转动座；水平转动座通过第一枢轴与掌体转动连接，水平转动座上有位于在第一枢轴左右两侧的左通气孔、右通气孔，左通气孔、右通气孔分别与左通气管、右通气管相连；竖直转动座通过第二枢轴与水平转动座转动连接，竖直转动座上有位于在第二枢轴上下两侧的上通气孔、下通气孔，上通气孔、下通气孔分别与上通气管、下通气管相连；

手指单元是柔性材料制成柱状结构，其外表面缠绕着两组螺旋方向相反的螺旋状排列的约束纤维，内部有沿着手指单元轴向延伸但延伸高度不相等的第一腔室、第二腔室；

手指单元的端部与竖直转动座相连；竖直转动座上开有与第一腔室、第二腔室相通的第一通气孔、第二通气孔，第一通气孔、第二通气孔分别与第一通气管、第二通气管相连。

2.如权利要求1所述的仿人手气动软体手抓，其特征是：第一枢轴与第二枢轴垂直；第一腔室、第二腔室均位于与第二枢轴垂直的平面内。

3.如权利要求1所述的仿人手气动软体手抓，其特征是：它还包括紧套手指单元外表面的圆环状手指关节，手指关节材料的硬度大于所述手指单元材料的硬度。

4.如权利要求3所述的仿人手气动软体手抓，其特征是：手指单元为5个，其中外侧部的一个手指单元上的手指关节为一个，其它手指单元上的手指关节为两个；每个手指单元上的手指关节在手指单元的长度方向上均布。

5.如权利要求1所述的仿人手气动软体手抓，其特征是：掌体上设置多个通孔，与每个手指相连的左通气管、右通气管、上通气管、下通气管、第一通气管、第二通气管分别穿过一个通孔，在掌体内设置有分别控制与每个手指相连的左通气管、右通气管、上通气管、下通气管、第一通气管、第二通气管的通断的电磁阀。