CN110142798A - 一种类圆形阶梯式软体手爪 - Google Patents

Abstract

本发明属于软体机器人技术领域，涉及一种类圆形阶梯式软体手爪。该软体手爪包括软体执行器、基座和气源分配器；基座包括机械臂连接件、手爪基体、手爪支架连接件和手指扣板；软体执行器采用一体式抛物线型设计，变形原理为气动网络原理，能有效改善软体执行器普遍存在的应力集中问题及架空现象。通过对软体执行器内部施加压强，可以实现软体执行器的弯曲变形；通过改变软体执行器内部压强大小，可以实现对待抓物体的包络抓取。本发明的软体手爪可以更全面有效的适应非结构化的工作环境下，在柔性抓取领域可以得到很好的应用。

Description

一种类圆形阶梯式软体手爪

技术领域

本发明属于软体机器人技术领域，涉及一种类圆形阶梯式软体手爪。

背景技术

随着智能机器人技术的发展，对机器人的共融性提出了新的要求。软体执行器凭借其柔性大、灵活性强、安全性高等优点，为现代智能型、服务型机器人的设计提供了新的思路。其中，气动网络型软体执行器因其制备简单，结构稳定等优点，广泛被研究者们采用。

专利《一种关节式内骨骼气动软体》(CN 109048980 A)就是典型的气动网络结构，其结构简单、制造方便，但也存在一定的问题：首先，气室壁存在应力集中问题。由于在加压过程中，气腔壁的变形过大，应力也随之增大，气腔壁处产生了应力集中现象，不利于执行器刚度的提升。另外，执行器存在架空现象。对于提高软体夹持装置的抓握能力，仅仅提高软体执行器的刚度是远远不够的。典型结构的执行器发生弯曲变形时，其各处曲率半径都相同。在抓取物体时，所施加的夹持力很容易全部集中在执行器末端，其他部分则被架空，这种情况不仅会使夹持装置的额定负载大大降低，还会降低夹持的稳定性，导致夹持装置的抓取性能降低。针对以上问题，专利《自适应软体抓手》(CN 108555958 A)采用了分体式阶梯型结构，可提高手爪对待抓物体的包络性，但却在尖点处存在应力集中等问题；专利《一种气动三指构型柔性夹爪》(CN 207027549 U)内腔采用了圆弧形结构，但由于气室的不连通性使得其弯曲曲线不能达到理想效果。已有方案对现有问题进行了不同程度的解决，但仍有提高的空间。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种类圆形阶梯式软体手爪，通过调节软体手指的内部气压，可自适应目标物体的形状和尺寸，形成包络，从而实现对目标物体的自适应抓取。

本发明所采用的技术方案是：

一种类圆形阶梯式软体手爪，包括软体执行器5、基座和气源分配器；所述基座包括机械臂连接件1、手爪基体2、手爪支架连接件3和手指扣板4；

所述机械臂连接件1上部设有螺纹孔，用于旋入螺丝，实现与机械臂螺纹连接；机械臂连接件1内部为空腔结构，用于放置气源分配器，机械臂连接件1采用半封闭结构防止气源分配器掉落，同时便于气管通过镂空处伸出；

所述气源分配器包括进气端、微型电磁阀、调压阀、三通接头和出气端，用于将进气端提供的气源进行调压分配，所述进气端连接微型气泵，所述出气端设有多个输出供气孔，通过气管分别与各个软体执行器5连接；

所述手爪基体2，用于连接机械臂连接件1与手指扣板4；手爪基体2内设通槽，所述手爪支架连接件3穿过所述通槽与机械臂连接件1螺纹连接，实现手爪基体2与机械臂连接件1的连接；手爪基体2上设置凸台用于手指扣板4的限位；

所述手指扣板4螺接在手爪基体2的外表面上，手指扣板4上设置卡槽与导气孔，用于与软体执行器5连接；

所述软体执行器5，即手爪部分，其根部设有圆形凸台和进气口，圆形凸台与手指扣板4的卡槽配合，实现软体执行器5与基座的连接，进气口与气管相连；所述软体执行器5分为上下两层，上层为硅胶材质的膨胀层51，膨胀层为多个类圆弧形结构阶梯式相邻排布，所述膨胀层51厚度为2-4mm；下层为聚氨酯材质的底部限制层52，底部限制层52厚度为3-5mm；膨胀层51和底部限制层52之间为与进气口连通的气室53；通过气源分配器控制软体执行器5内部气压的大小，实现软体执行器5的弯曲变形；

所述阶梯式相邻排布，即其它气室与气室一之间的高度差满足的函数关系为：

其中，h₀为气室一，即最靠近固定端的气室的高度；h_s表示其它气室的高度，s＝1,2,3,….

所述软体执行器5的气室结构根据仿生结构等比例计算得到，气室最大高度h与气室的横向范围为l之比为1.05。

所述软体执行器5的膨胀层51的内壁轮廓为椭圆型，正弦函数型或抛物线型结构相邻排布；三种气室内壁曲线分别为：

式中，l表示单一气室的横向范围，h表示气室最大高度。x为气室横向范围，单位mm，即气室宽度为l；y为气室纵向范围，单位mm，y∈[0，h]，即气室最大高度为h。

所述软体执行器5为两指、三指或四指分布。

本发明的有益效果

1.类圆形气室分布较传统的方形气室分布相比，更加符合能量最低原理，同时各部分材料的应力值较为平均，应力集中现象得到了解决，同时提高了执行器的夹紧能力。

2.阶梯型结构可以解决软体执行器中普遍存在的架空现象。架空现象产生的原因为：执行器弯曲后各部分扭矩大小相同，从而导致执行器末端变形量和固定端变形量相同，导致执行器的轨迹近似于圆形，无法实现更好的包络抓取。因此，在软体执行器的设计中，希望执行器的固定端尽可能产生较大变形，而执行器末端变形量适当减小，以此来更好的贴合物体表面。

3.实现了针对多种不同工作环境的多种物体的自适应抓取，体现了良好的结构柔性、驱动柔性、运动柔性，执行器的刚度得以改善。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为类圆形阶梯式软体手爪的整体结构示意图；

图2为软体手爪中间位置的剖视图；

图3为三种执行器气室内壁曲线；

图4(a)为软体执行器的内部结构图；

图4(b)为软体执行器的俯视图；

图5为最前端气室内壁曲线；

图6(a)为二指类圆形阶梯式软体手爪安装在机械臂上的示意图；

图6(b)为三指类圆形阶梯式软体手爪安装在机械臂上的示意图；

图7为软体手爪中部及末端理论与实际位移曲线；

图中1机械臂连接件；2手爪基体；3手爪支架连接件；4手指扣板；5软体执行器；51膨胀层；52限制层；53气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。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。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的具体实施方式如下：

如图1所示，实施时，气管由手指扣板4穿入软体执行器5的进气口内，实现对软体执行器的供气。通过控制软体执行器5内部气压的大小，实现软体执行器中弯曲变形。

软体执行器气室结构根据仿生结构进行等比例计算，气室最大高度h与气室的横向范围为l之比为：

设计三种气室内壁曲线为：

式中，l表示单一气室的横向范围为，h表示气室最大高度，取l＝10mm，则h＝10.5mm。x为气室横向范围，单位mm，即气室宽度为l；y为气室纵向范围，单位mm，y∈[0，h]，即气室最大高度为h，如图2所示。

图3所描述的是软体执行器(手指)的内部结构图，51为上部膨胀层，52底部限制层。结构为阶梯式分布，即相邻气室高度有差值，且高度差满足一定的函数关系：

其中，h₀为气室1(最靠近固定端的气室)气室高度；h₀＝10.5mm。

执行器各个气室内壁曲线为：

当执行器内部压强增大时，膨胀层产生膨胀，带动限制层弯曲，从而实现执行器的弯曲变形。执行器最前端气室内壁曲线如图4所示。

图5为软体手爪安装在机械臂上的实际应用情况，本实施例中提供了两种配置方式：二指平行分布式及三指均布式。二指平行分布式适用于体积大、质量小且形状复杂的负载，三指均布式适用于体积小、质量大且形状规则的负载。

图6为软体手爪中部及末端理论与实际位移曲线，其中虚线表示理论位移，实线表示实际位移，实际位移与理论位移的误差保证在合理范围内，其运动学模型得到验证。

下面以表格形式对软体手爪的实施例进行描述。物体1、2、3为日常中常见的水果，体现了执行器针对不同接触表面的适应性和灵活性；物体4、5为柔软形物体，执行器在抓取时保证了柔软物体原有的形态，体现了执行器的柔性；物体6为大质量物体，执行器在抓取时保证了抓取的稳定性，体现出执行器的刚性；物体7、8、9为光滑表面物体，体现了执行器良好的适应性。

序号	名称	质量(g)	形状	表面	抓取成功率
						1	橙子	276.7	球型	轻微颗粒感	98％
2	苹果	257.2	球型	微光滑	96％
						3	桃子	249.1	球型	较粗糙	98％
4	海绵垫	9.1	扁平	柔软	100％
						5	面包	7.6	异性	轻微油感	100％
6	食盐	509	袋装	光滑	94％
						7	可乐	260.8	圆柱	较光滑	94％
8	胶带	173.2	圆柱	较光滑	96％
						9	卷尺	228.3	异型	较光滑	94％

通过软体手爪的实施例，本发明实现了对多种不同形状、不同表面以及不同质量物体的抓取。通过调节软体手指的内部气压，可自适应目标物体的形状和尺寸，形成包络，从而实现对目标物体的自适应抓取。

Claims (5)

1.一种类圆形阶梯式软体手爪，其特征在于，所述的类圆形阶梯式软体手爪包括软体执行器(5)、基座和气源分配器；所述基座包括机械臂连接件(1)、手爪基体(2)、手爪支架连接件(3)和手指扣板(4)；

所述机械臂连接件(1)上部设有螺纹孔，用于旋入螺丝，实现与机械臂螺纹连接；机械臂连接件(1)内部为空腔结构，用于放置气源分配器，机械臂连接件(1)采用半封闭结构，防止气源分配器掉落，同时便于气管通过镂空处伸出；

所述气源分配器包括进气端、微型电磁阀、调压阀、三通接头和出气端，用于将进气端提供的气源进行调压分配，所述进气端连接微型气泵，所述出气端设有多个输出供气孔，通过气管分别与各个软体执行器(5)连接；

所述手爪基体(2)，用于连接机械臂连接件(1)与手指扣板(4)；手爪基体(2)内设通槽，所述手爪支架连接件(3)穿过所述通槽与机械臂连接件(1)螺纹连接，实现手爪基体(2)与机械臂连接件(1)的连接；手爪基体(2)上设置凸台用于手指扣板(4)的限位；

所述手指扣板(4)螺接在手爪基体(2)的外表面上，手指扣板(4)上设置卡槽与导气孔，用于与软体执行器(5)连接；

所述软体执行器(5)，即手爪部分，其根部设有圆形凸台和进气口，圆形凸台与手指扣板(4)的卡槽配合，实现软体执行器(5)与基座的连接，进气口与气管相连；所述软体执行器(5)分为上下两层，上层为硅胶材质的膨胀层(51)，膨胀层(51)为多个类圆弧形结构阶梯式相邻排布，所述膨胀层(51)厚度为2-4mm；下层为聚氨酯材质的底部限制层(52)，底部限制层(52)厚度为3-5mm；膨胀层(51)和底部限制层(52)之间为与进气口连通的多个气室(53)；通过气源分配器控制软体执行器(5)内部气压的大小，实现软体执行器(5)的弯曲变形；

所述阶梯式相邻排布，即其它气室与气室一之间的高度差满足的函数关系为：

其中，h₀为气室一，即最靠近固定端的气室的高度；h_s表示其它气室的高度，s＝1,2,3,…。

2.根据权利要求1所述的一种类圆形阶梯式软体手爪，其特征在于，所述软体执行器(5)的气室(53)结构根据仿生结构等比例计算得到，气室最大高度h与气室的横向范围为l之比为1.05。

3.根据权利要求1或2所述的一种类圆形阶梯式软体手爪，其特征在于，所述软体执行器(5)的膨胀层(51)为椭圆型、正弦函数型或抛物线型结构相邻排布；三种曲线分别为：

式中，l表示单一气室的横向范围，h表示气室最大高度；x为气室横向范围，单位mm，即气室宽度为l；y为气室纵向范围，单位mm，y∈[0，h]，即气室最大高度为h。

4.根据权利要求1或2所述的一种类圆形阶梯式软体手爪，其特征在于，所述软体执行器(5)为两指、三指或四指分布。

5.根据权利要求3所述的一种类圆形阶梯式软体手爪，其特征在于，所述软体执行器(5)为两指、三指或四指分布。