CN110238835A - 基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其包括抓持部分和控制部分；抓持部分包括螺旋保持架、密封管、导气端盖、密封端盖和弹性体；螺旋保持架和弹性体置于密封管内部；螺旋保持架设置在弹性体上，以支撑密封管；密封管第一端连接密封端盖，密封管第二端连接导气端盖；控制部分包括底部外壳、顶部外壳、开关、第一端盖、第二端盖、第三端盖、电源、气源、电磁阀、单片机和继电器，顶部外壳为第一壳体，底部外壳为第二壳体；第一壳体设置在第二壳体的上方；第一壳体和第二壳体连接，第二端盖装于第一壳体内部凸缘上以放置继电器；电源设置于第二壳体上层，通过第二端盖内部凸棱支撑，气源设置于第二壳体下层，通过第一端盖支撑。

Description

基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更为具体地，本发明涉及一种基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置。

背景技术

软体机器人是区别于传统刚性机器人的新一代工程系统，其内在的潜力将会使其以更加多元化的方式为人类提供更优质的服务。近年来软体机器人的应用已经渗透到人机交互、运动探测、操作、医疗与外科应用、康复和穿戴机器人等多个领域，并取得了较好的应用效果。在众多的软体机器人中，软体机械臂与软体末端以其强大的非结构环境作业能力和广阔的发展前景，产生了较大的影响力。为了提高软体为了提高软体末端的综合性能，现有技术中通常从驱动传感一体化、自愈功能、变刚度等技术层面去展开了深入研究。在制作工艺方面，由于3D打印和4D打印技术已用于构造软体手结构，简化了工艺流程，改善了软体工程结构的力学性能。大多数已开发的柔性抓持装置是基于爪形结构，以及由多个软执行器驱动的人类手形结构，此外还有少部分以卷曲方式抓取的柔性触手及通用型软体。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其基于负压原理与缠绕原理进行设计，本发明软体机械手的工作过程通过气源吸气使软体机械手内出现真空度从而弯曲产生螺旋从而抓取物体，通过气源充气使软体机械手内部压强增大伸展从而松开物体，将软体机械手内部与大气相连从而恢复至正常状态。由于内部螺旋保持架的存在，不仅保证了软体机械手的结构，而且增大了软体机械手的承载能力。弹性体使软体机械手向一个方向缠绕，使一个气源便可控制整个缠绕抓取的动作，结构与安装简单，便于维护与更换部件。

本发明的技术方案如下:

一种基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其包括抓持部分和控制部分；所述抓持部分包括螺旋保持架、密封管、导气端盖、密封端盖以及弹性体；所述螺旋保持架和所述弹性体置于所述密封管的内部；所述螺旋保持架设置在所述弹性体上，以支撑密封管；所述密封管的第一端连接密封端盖，所述密封管的第二端连接导气端盖；所述控制部分包括底部外壳、顶部外壳、开关、第一端盖、第二端盖、第三端盖、电源、气源、电磁阀、单片机以及继电器，所述顶部外壳为第一壳体，所述底部外壳为第二壳体；第一壳体设置在第二壳体的上方；第一壳体和第二壳体连接，所述第二端盖装于所述第一壳体内部凸缘上以放置继电器；所述电源设置于所述第二壳体上层，通过所述第二端盖内部凸棱支撑，所述气源设置于所述第二壳体下层，通过所述第一端盖支撑；电磁阀与单片机设置于第一壳体下层，由第一壳体底部支撑，继电器设置于第二端盖上，通过第二端盖支撑；电源与气源、单片机、继电器相连；电磁阀与继电器相连；单片机控制继电器分路开关，继电器分路开关控制电磁阀通断；气泵进气口与出气口分别于两个电磁阀相连，两个电磁阀出口都与软体机械手内部相连，由开关控制单片机引脚电位输出，从而控制继电器分路开关，继而控制电磁阀通断，从而实现机械手装置的弯曲与伸直。

优选地，所述螺旋保持架固定在所述弹性体固定的一侧且弹性体上设有多个孔。

优选地，所述弹性体上的各个孔沿着弹性体长度方向上行均匀分布，所述螺旋保持架穿过各个孔位于所述弹性体的同一个侧面以便支撑所述密封管。

优选地，所述孔排列方式为多行2列，每行两个孔之间间距为7mm左右，行与行之间的距离与螺旋保持架螺距相同，行数与螺旋保持架圈数相同。

优选地，所述导气端盖为圆筒状结构，圆筒的侧面设有垂直气槽，供气源充放气，导气端盖与密封管连接处设有凸棱，该凸棱能够避免螺旋保持架脱落，导气端盖的另一侧设有法兰盘结构，通过该法兰盘结构将导气端盖连接至控制部分的外壳。

优选地，所述密封端盖为圆筒状结构，密封端盖与密封管连接处设有凸棱，以防止螺旋保持架脱落。

优选地，所述第三端盖连接至顶部外壳的上方，第一端盖连接至底部外壳的下方；第二端盖连接至顶部壳体的内部。

优选地，所述顶部外壳与底部外壳同为圆柱形结构且外径相同，所述顶部外壳的内部有凸缘，以便安装第二端盖，底部外壳和顶部外壳分别设置一个开关孔供开关安装，所述开关包括第一开关和第二开关；将第一开关装入分别装入第一壳体的开关孔中，将第二开关装入第二壳体的开关孔中。

优选地，所述第二端盖为半月形板，其安装于顶部外壳之内，第二端盖上安装有继电器；继电器设置在第二端盖的上部。

优选地，所述导气端盖与所述第三端盖整合为一体。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、良好的柔性：整个软体机械手结构内部压强低于大气压强，工作过程柔性缠绕部分刚度稳定，根据被抓取物体的形状，软体机械手可以自行调整缠绕方式，具有良好的自适应性。

2、高安全性：整个结构由密封管，螺旋保持架，端盖等组成，只有小部分金属材料且具有少量的弹性势能，对负载的物体与操作人员都比较安全。

3、适用性强：由于本发明柔性好，动作迅速，适用于许多刚性机械手无法胜任的场合，如夹取易碎、小型物体等，此外，由于本发明结构简单，安装方便，故产生故障时，维修更换方便。

4、经济性好：本发明所用元件皆为通用型零部件，价格低廉，经济性好。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置的结构示意图的主视图；

图2为根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置的软体机械手抓取物体立体示意图；

图3为根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置的工作状态图；

图4为根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置的螺旋保持架与弹性体装配立体示意图；以及

图5为根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置控制箱装配局部剖视图。

图中：1-密封端盖、2-第一螺钉、3-密封管、4-卡箍、5-第三端盖、6-第一壳体、7-第二螺钉、8-第二螺母、9-第二壳体、10-第一开关、11-第二开关、12-第一端盖、13-第一螺母、14-螺旋保持架、15-弹性体、16-继电器、17-第二端盖、18-二位三通电磁阀、19-单片机、20-电源、21-气源。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1至图5中示出了根据本发明的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置。

根据本发明实施例的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其包括抓持部分和控制部分。

抓持部分包括螺旋保持架14、密封管3、导气端盖、密封端盖1、卡箍4以及弹性体15；螺旋保持架14置于密封管3的内部，弹性体15置于密封管3的内部。弹性体15的形状决定了密封管3的形状。螺旋保持架14设置在弹性体15上，其配置用于支撑密封管3。密封管3的第一端连接密封端盖1，密封管3的第二端连接导气端盖。

优选地，导气端盖与第三端盖5整合为一体。进一步地，导气端盖位于第三端盖5的上方。

优选地，弹性体15为细长结构，其不能进行轴向伸缩。

更进一步地，螺旋保持架14固定在弹性体15固定的一侧，例如，内侧或外侧。弹性体15上设有多个孔。

优选地，弹性体15上的各个孔沿着弹性体长度方向上行均匀分布，螺旋保持架14穿过各个孔，且位于弹性体15的同一个侧面，以便支撑密封管3。

优选地，孔排列方式为多行2列，每行两个孔之间间距为7mm左右，行与行之间的距离与螺旋保持架14螺距相同，行数与螺旋保持架圈数相同。

优选地，螺旋保持架14为螺旋形弹性结构，如图4所示，其能够沿轴向方向伸缩。

优选地，密封管3为圆筒形薄膜结构。

优选地，密封管3长度超出螺旋保持架10％-15％，密封管3直径超出螺旋保持架10％-15％，以便方便螺旋保持架14安装。

优选地，螺旋保持架14的第一端与弹性体15的第一端固接。

优选地，导气端盖为圆筒状结构，圆筒的侧面设有垂直气槽，供气源充放气，导气端盖与密封管3连接处设有凸棱，该凸棱能够避免螺旋保持架14脱落，导气端盖的另一侧设有法兰盘结构，通过该法兰盘结构将导气端盖连接至控制部分的外壳。

优选地，密封端盖1为圆筒状结构，密封端盖1与密封管3连接处设有凸棱，以防止螺旋保持架14脱落。

优选地，控制部分包括底部外壳、顶部外壳、开关、第一端盖12、第二端盖17、第三端盖、电源、气源、电磁阀、单片机以及继电器。其中，顶部外壳为第一壳体6，底部外壳为第二壳体9。第一壳体6设置在第二壳体9的上方。第一壳体6和第二壳体9的连接处的端部的外表面均设置有连接边缘，各连接边缘上设置有均匀布置的连接孔，以便紧固件穿过该连接孔将第一壳体6和第二壳体9进行连接。第二端盖17安装于第一壳体9内部凸缘上，用于放置继电器16。电源设置于第二壳体9上层，通过第二端盖17内部凸棱支撑，气源设置于第二壳体9下层，通过第一端盖12支撑。

电磁阀与单片机设置于第一壳体6下层，由第一壳体6底部支撑，继电器16设置于第二端盖17上，通过第二端盖17支撑。电源与气源、单片机、继电器16相连；电磁阀与继电器相连；单片机控制继电器分路开关，继电器分路开关控制电磁阀通断；气泵进气口与出气口分别于两个电磁阀相连，两个电磁阀出口都与软体机械手内部相连，由开关控制单片机引脚电位输出，从而控制继电器分路开关，继而控制电磁阀通断，从而实现机械手装置的弯曲与伸直。

优选地，第三端盖5连接至顶部外壳的上方，第一端盖12连接至底部外壳的下方。第二端盖17连接至顶部壳体的内部。

优选地，底部外壳为圆柱型结构，内部安装有气源21和电源20。进一步地，顶部外壳与底部外壳同为圆柱形结构且外径相同，顶部外壳的内部有凸缘，凸缘上设置螺纹孔以便安装第二端盖17，底部外壳和顶部外壳分别设置一个开关孔供开关安装，开关包括第一开关10和第二开关11。将第一开关10装入分别装入第一壳体6的开关孔中，将第二开关11装入第二壳体9的开关孔中。

优选地，第二端盖17为半月形板，其安装于顶部外壳之内，第二端盖17上安装有继电器16。继电器16设置在第二端盖17的上部。电磁阀为二位三通电磁阀18，优选地，二位三通电磁阀18的数量为两个。继电器16为2路继电器，其控制两个二位三通电磁阀18的开闭。第一端盖12与第三端盖5均设有凸缘，凸缘上设有螺纹孔，第一端盖12与第二壳体9相连，其配置用于固定气源21。第三端盖5与第一壳体6相连，其配置用于控制箱封顶并与缠绕装置连接固定。继电器16固定安装在第二端盖17上，第二端盖17通过螺钉安装于第一壳体6内部凸缘上。

本发明中，将弹性体15通过螺旋缠绕方式固定在螺旋保持架14上，使弹性体15与螺旋保持架14轴线平行。将弹性体15与螺旋保持架14的组合安装进密封管3内，密封管3的第二端与导气端盖相连，密封管的第一端与密封端盖1相连，并都以卡箍4箍紧并依靠螺钉进行固定，软体机械手便安装完成。下面的壳体是第二壳体9，上面的壳体是第一壳体6。最下面的端盖是第一端盖12，安装于第一壳体6内部的端盖是第二端盖17，第一壳体6上方封顶的是第三端盖5。故第一端盖与第二壳体相连，安装于第二壳体底部，用于承受气源。第三端盖安装于第一壳体顶部，用于第二壳体的封顶与缠绕装置的连接。

本发明软体机械手的工作过程通过气源吸气使软体机械手内出现真空度从而弯曲产生螺旋从而抓取物体，通过气源充气使软体机械手内部压强增大伸展从而松开物体，将软体机械手内部与大气相连从而恢复至正常状态。由于内部螺旋保持架的存在，不仅保证了软体机械手的结构，而且增大了软体机械手的承载能力。弹性体使软体机械手向一个方向缠绕，使一个气源便可控制整个缠绕抓取的动作，结构与安装简单，便于维护与更换部件。

软体机械手抓取物体方式如图2所示。

在如图3所示的基于负压原理与缠食原理的软体机械手装置中，螺旋保持架14为螺旋形弹性结构，可沿轴向方向伸缩。密封管3为圆筒形薄膜结构。密封管3长度超出螺旋保持架14约10％，密封管3直径超出螺旋保持架14约10％，方便螺旋保持架14安装。第三端盖5为圆筒状结构，圆筒侧面设有垂直气槽，供气源充放气，端盖与密封管连接处设有凸棱，可防止螺旋保持架14脱落，端盖另一侧设有法兰盘结构。密封第一端盖为圆筒状结构，端盖与密封管连接处设有凸棱，可防止螺旋保持架14脱落。弹性体15为细长结构，不能轴向伸缩，可约束螺旋保持架14的一侧。将弹性体15打孔，所打的孔为多行2列，每行两个孔之间间距相同，行与行之间的距离与螺旋保持架14螺距相同，行数与螺旋保持架14圈数相同。将弹性体15通过螺旋缠绕方式固定在螺旋保持架14上，使弹性体15与螺旋保持架14轴线平行。将弹性体15与螺旋保持架14的组合体螺旋安装进密封管3内，密封管的一个端部与第三端盖5相连，例如，密封管的第一端部通过导气端盖的法兰盘结构连接至第三端盖5；密封管的另一个端部与密封端盖1相连，并都以卡箍4箍紧，以第一螺钉2与第一螺母13拧紧，负压软体机械手便安装完成。

如图5所示的控制箱安装图中，首先，将气源21从第二壳体9下部装入第二壳体9中，第二壳体与第一壳体同为圆柱形结构且外径相同，内部有凸缘，凸缘上有螺纹孔供第二端盖安装，且设有两个开关孔供开关安装。之后以第一端盖12与第二壳体9通过第二螺钉7与第二螺母8相连，安装好气源21后，将电源20从第二壳体9上部安装入第二壳体9中，安装好电源20之后，将第一壳体6与第二壳体9通过第二螺钉7与第二螺母8连接，在第一壳体6内部装入单片机19与两个二位三通电磁阀18，之后将第二端盖17与第一壳体通过第二螺钉7与第二螺母8连接，在第二端盖17上安装好继电器16，继电器16为2路12v继电器，安装好继电器16后，将第三端盖9与第一壳体6通过第二螺钉7与第二螺母8连接，将第一开关10装入分别装入第一壳体6的开关孔中，，将第二开关11装入第二壳体9的开关孔中，之后将气路从第三端盖5引出，与软体机械手抓持部分第三端盖5连接，以卡箍4箍紧，并以第一螺钉2与第一螺母13拧紧，软体机械手控制箱便安装完成。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，其包括抓持部分和控制部分；所述抓持部分包括螺旋保持架、密封管、导气端盖、密封端盖以及弹性体；所述螺旋保持架和所述弹性体置于所述密封管的内部；所述螺旋保持架设置在所述弹性体上，以支撑密封管；所述密封管的第一端连接密封端盖，所述密封管的第二端连接导气端盖；所述控制部分包括底部外壳、顶部外壳、开关、第一端盖、第二端盖、第三端盖、电源、气源、电磁阀、单片机以及继电器，所述顶部外壳为第一壳体，所述底部外壳为第二壳体；第一壳体设置在第二壳体的上方；第一壳体和第二壳体连接，所述第二端盖装于所述第一壳体内部凸缘上以放置继电器；所述电源设置于所述第二壳体上层，通过所述第二端盖内部凸棱支撑，所述气源设置于所述第二壳体下层，通过所述第一端盖支撑；

电磁阀与单片机设置于第一壳体下层，由第一壳体底部支撑，继电器设置于第二端盖上，通过第二端盖支撑；电源与气源、单片机、继电器相连；电磁阀与继电器相连；单片机控制继电器分路开关，继电器分路开关控制电磁阀通断；气泵进气口与出气口分别于两个电磁阀相连，两个电磁阀出口都与软体机械手内部相连，由开关控制单片机引脚电位输出，从而控制继电器分路开关，继而控制电磁阀通断，从而实现机械手装置的弯曲与伸直。

2.如权利要求1所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述螺旋保持架固定在所述弹性体固定的一侧且弹性体上设有多个孔。

3.如权利要求2所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述弹性体上的各个孔沿着弹性体长度方向上行均匀分布，所述螺旋保持架穿过各个孔位于所述弹性体的同一个侧面以便支撑所述密封管。

4.如权利要求3所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述孔排列方式为多行2列，每行两个孔之间间距为7mm左右，行与行之间的距离与螺旋保持架螺距相同，行数与螺旋保持架圈数相同。

5.如权利要求4所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述导气端盖为圆筒状结构，圆筒的侧面设有垂直气槽，供气源充放气，导气端盖与密封管连接处设有凸棱，该凸棱能够避免螺旋保持架脱落，导气端盖的另一侧设有法兰盘结构，通过该法兰盘结构将导气端盖连接至控制部分的外壳。

6.如权利要求5所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述密封端盖为圆筒状结构，密封端盖与密封管连接处设有凸棱，以防止螺旋保持架脱落。

7.如权利要求6所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述第三端盖连接至顶部外壳的上方，第一端盖连接至底部外壳的下方；第二端盖连接至顶部壳体的内部。

8.如权利要求7所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述顶部外壳与底部外壳同为圆柱形结构且外径相同，所述顶部外壳的内部有凸缘，以便安装第二端盖，底部外壳和顶部外壳分别设置一个开关孔供开关安装，所述开关包括第一开关和第二开关；将第一开关装入分别装入第一壳体的开关孔中，将第二开关装入第二壳体的开关孔中。

9.如权利要求8所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述第二端盖为半月形板，其安装于顶部外壳之内，第二端盖上安装有继电器；继电器设置在第二端盖的上部。

10.如权利要求9所述的基于负压原理的仿生缠绕软体机械手装置，其特征在于，所述导气端盖与所述第三端盖整合为一体。