CN110281256A - 一种基于气动软体致动器的软体抓手及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于气动软体致动器的软体抓手及其制造方法,包括底座及至少一个抓手指,所述抓手手指是气动软体致动器,所述气动软体致动器为螺线构型。该抓手只需一次脉冲输入即可实现展开变形,并可根据其自身特点逐步恢复螺旋状态。该抓手初始无需保持输入的气压,即能保持弯曲形状。这样即可避免浪费资源,并且能延长抓手的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域,尤其涉及基于气驱动的软体致动器抓手的设计。
背景技术
气动软体致动器是一种新型的气驱动致动器,具有质轻、柔顺性好、响应迅速、抗压能力强、安全性高等优点。因而在连续型机械臂、软体手爪、辅助康复手套以及仿生鱼等研究方向应用广泛。气动软体致动器成为了软体机器人领域的重要研究对象之一。几种典型的气动软体致动器是:上世纪50年代,J.L.Mckibben发明的McKibben气动肌肉、Jamming-based致动器、Pneumatic-nets气动网格、纯扭转致动器以及不同类型的致动器的组合。现阶段,气动软体致动器具有如下结构特点:1)致动器的基体由弹性材料制成,内部留有气腔或气动网格。利用输入的高压气体作为驱动,可以实现收缩、伸长、弯曲、扭转等高柔顺、高冗余的复杂运动;2)致动器的初始构型多是直线拉伸型,截面是圆形、半圆形或矩形;3)现有的致动器多是通过保持输入气压不变来保持形状不变。
气动软体致动器有多种用途,用于设计抓手是其中一个重要用途之一。但已有文献中所设计的传统软体抓手只有保持输入的气压,才能保持弯曲形状。然而,这将浪费资源,减少抓手的寿命。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题,提出一种基于气动软体致动器的软体抓手。
为解决上述技术问题,本发明提出一种基于气动软体致动器的软体抓手,包括底座及至少一个抓手指,所述抓手手指是气动软体致动器,所述气动软体致动器为螺线构型,其极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式的关系如下式所示:
其中φ角为螺线角度;r为螺线半径,不同螺线类型,r与φ之间的函数关系不同;x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。
在本发明的一些实施例中,还包括以下技术特征:
所述气动软体致动器为圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种螺线中的一种,其中,阿基米德螺线的极坐标方程式为:
r=R0+C0φ
其中,R0为螺线起点与极坐标原点的距离;C0为螺线半径r随螺线角度变化的速率;对于确定的螺线构型,螺线的极坐标方程表达式唯一,此时R0和C0均为常系数;
圆形为阿基米德螺线的一种,其极坐标方程式为:
r=R0+C0φ,C0=0
对数螺线的极坐标方程式为:
致动器的基体由超弹性材料制作成形,基体内部有一个充气气腔。
基体横截面与气腔横截面是如下形状中的一种:圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面。
利用输入的气压作为驱动,实现展开运动;气压越大其曲率越小,曲率减小到0之后可以实现负曲率展开运动。
基体外侧粘贴有应变限制层,用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。
基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔,防止漏气。
制造致动器基体的材料包括如下材料之一:树脂材料、橡胶材料、硅胶材料等,硬度小于等于50A;螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作。
本发明还提出一种基于气动软体致动器的软体抓手制造方法,用于制造上述的气动软体致动器,包括如下步骤:S1、根据螺线的数学表达式,设计单个螺线型致动器;S2、根据抓手工作范围选择致动器弧长长度;S3、将抓手手指组装于底座上,形成所述基于气动软体致动器的软体抓手;其中,步骤S1中,设计单个螺线型致动器包括如下步骤:
S11、制造致动器的基体;S12、选择应变限制层材料,裁剪应变限制层;S13、将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面,将密封阻塞头粘贴在致动器末端。
其中,步骤S11包括如下步骤:首先组装模具,包括底槽、中间弯曲杆和末端端盖;然后注入超弹性材料;在上表面覆盖钢板使得基体壁厚均匀平整,并在室温下等待其固化;在步骤S2中还包括:在应变限制层上等间距的刻画若干形状刻度线。
与现有技术相比,本发明的有益效果有:
附图说明
图1a、1b、1c分别为本发明实施例三种螺线型气动软体致动器模型图。
图2a、2b分别为本发明实施例螺线型致动器的制造工艺中浇铸弹性基体和粘贴应变限制层示意图。
图3a、3b、3c分别为本发明实施例三种螺线型致动器样机实物图。
图4a为本发明实施例基于螺线型致动器的软体抓手设计图。
图4b-4e为本发明实施例基于螺线型致动器的软体抓手设计效果图。
图5a为本发明实施例软体抓手抓取多种不同大小和重量的物体示意图。
图5b为本发明实施例抓手的载荷试验实物图。
具体实施方式
为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外,连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是,术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
本申请下述实施例利用螺线型气动软体致动器设计一种只需一次脉冲输入即可实现展开变形的新型夹持器(抓手),并可根据其自身特点逐步恢复螺旋状态。该抓手初始无需保持输入的气压,即能保持弯曲形状。这样即可避免浪费资源,并且能延长抓手的寿命。
其中所用到的螺线型气动软体致动器是一种新型气驱动的动器,具有质轻、柔顺性好、响应迅速、抗压能力强、安全性高、仿生性能突出等优点。在较小的输入气压下,螺线型致动器可以实现较大范围的展开运动,同时具有广阔的应用前景。
自然界中存在多种螺线形式的生物构型,如鹦鹉螺、货币虫、植物藤蔓、海马尾巴[17]等,其中,海马的尾巴通常保持为对数螺线构型,当海马尝试抓住海藻、珊瑚等物体以抵抗海水冲击时,尾巴会先进行展开运动,然后再进行弯曲运动以环抱物体;生活中唱片音槽、蚊香、凸轮等物体也是螺线构型。这些生物或物品的构型大多符合阿基米德螺线或对数螺线等螺线构型。本申请所用到的螺线型气动软体致动器就是受此启示而设计的。下面对其进行具体的说明。
螺线型致动器结构:
根据解析几何基础知识,螺线的数学表达式有极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式,两者的关系如公式(1)所示:
其中φ角为螺线角度;r为螺线半径,不同螺线类型,r与φ之间的函数关系不同;x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。
特别的,针对圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种常见的具有代表意义的螺线,公式(1)中,阿基米德螺线的极坐标方程式为:
r=R0+C0φ (2)
其中,R0为螺线起点与极坐标原点的距离;C0为螺线半径r随螺线角度变化的速率。对于确定的螺线构型,螺线的极坐标方程表达式唯一,此时R0和C0均为常系数。
圆形可以看作特殊的阿基米德螺线,其极坐标方程式为:
r=R0+C0φ,C0=0 (3)
对数螺线的极坐标方程式为:
根据公式(1)-(4)可知,螺线的构型参数有螺线角度φ、螺线起点与极坐标原点的距离R0;螺线半径r随螺线角度变化的速率C0。可以用于设计螺线型致动器的螺线数学表达式包括但不限于圆形、阿基米德螺线和对数螺线以及不同螺线的组合等。
螺线型气动软体致动器具有以下特点:
1)致动器的基体由超弹性材料制作成形,基体内部有一个充气气腔。基体横截面与气腔横截面包括但不限于圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面等;
2)致动器利用输入的气压作为驱动,实现展开运动。气压越大其曲率越小,曲率减小到0之后可以实现一定程度的负曲率展开运动(正曲率方向是指致动器在二三象限内的展开运动,负曲率是指致动器在四一象限内的展开运动)。
3)基体外侧粘贴有应变限制层,用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。
4)基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔,防止漏气。
三种常见的具有代表意义的圆形、阿基米德螺线和对数螺线构型的螺线型致动器,如图1a、1b、1c所示。
螺线型致动器材料:
螺线型致动器的基体由超弹性材料制作,可以用于制造致动器基体的材料包括但不限于树脂材料、橡胶材料、硅胶材料等(硬度小于等于50A)。
螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作,可以用于制造应变限制层的材料包括但不限于普通纸张、纤维编织物(硬度大于普通A4纸张)等。弹性材料与超弹性材料的区别在于:弹性材料的应力应变曲线通常呈线性状态,常用杨氏模量和泊松比表示;超弹性是指材料的应力和应变不再是线性对应的关系,而是以应变能密度函数表示。
螺线型致动器制造方法:
螺线型致动器的制造工艺分为三步:
1)制造致动器的基体。首先组装利用3D打印技术制造的模具,包括底槽、中间弯曲杆和末端端盖;然后注入超弹性材料;最后优选可在上表面覆盖钢板使得基体壁厚均匀平整,并在室温下等待其固化;
2)选择合适材料,裁剪适合尺寸的应变限制层(宽度等于A,长度等于L);为了便于标记展开后的形状,在应变限制层上等间距的刻画若干形状刻度线;
3)将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面(用专门的硅胶处理胶水),将密封阻塞头粘贴在致动器末端。
以对数螺线型方形横截面的螺线型致动器为例,其制造过程如图2a、2b所示。其中图2a是浇铸弹性基体,图2b是粘贴应变限制层。
制造完成的圆形、阿基米德螺线和对数螺线构型的螺线型致动器分别如图3a、3b、3c所示。
为了突出不同螺线构型对致动器性能的影响,本实例中,三种螺线型致动器的外侧弧长长度统一选为150mm。根据公式(2)-(4)和模具制备的难易程度,计算得到的其他结构参数如表1所示。各组分的制备材料,如表2所示。
表1螺线型气动软体致动器结构参数
表2螺线型气动软体致动器制备材料
抓手的设计步骤分为六步:
1)根据S1节所述螺线的数学表达式,设计单个螺线型致动器;主要参数是致动器的外侧弧长长度,这要根据被抓物体的尺寸选取,例如要抓取直径50mm-120mm的物体则选用外侧弧长为150mm的致动器即可。一个抓手的致动器不限于某一种致动器,也可以是多种致动器的组合。
2)根据抓手工作范围选择合适的致动器弧长长度;请举例请见下图,这要根据抓手用于抓取什么来计算,下图以外侧弧长为150mm的对数螺线型致动器为一个例子,说明它可以抓取多种尺寸的物品,适用于多数抓取场景中。
3)制造各个螺线型致动器;
4)设计抓手底座(无特殊要求),抓手手指包括但不限于1指型、2指型、3指型、4指型等;(1指型是指只用到一个致动器,2指型是指用到2个致动器,依此类推)
5)组装成完整的抓手;
本抓手步骤(5)可采用各种方式进行组装。
本实例针对3指型软体抓手进行展示,其设计原理图如图4所示。本例子是以外侧弧长为150mm的对数螺线型致动器为例,作为演示的。结果表明其能抓取质量为0-1kg的物体,且不限物体形状。
图4a是基于螺线型致动器的软体抓手设计图,其中,包括手柄1、气管接头2、致动器接头3。图4b-4e是基于螺线型致动器的软体抓手设计效果图。
如图5a所示,该软体抓手可以抓取多种不同大小和重量的物体。图5b为抓手的载荷试验。该实例下抓手的最大载荷为1kg。需要注意的是,被测载荷受目标物体形状和抓取方向的影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,包括底座及至少一个抓手指,所述抓手手指是气动软体致动器,所述气动软体致动器为螺线构型,其极坐标方程式和笛卡尔坐标方程式的关系如下式所示:
其中φ角为螺线角度;r为螺线半径,不同螺线类型,r与φ之间的函数关系不同;x和y分别为相应的笛卡尔坐标系下坐标值。
2.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,所述气动软体致动器为圆形、阿基米德螺线和对数螺线三种螺线中的一种,其中,阿基米德螺线的极坐标方程式为:
r=R0+C0φ
其中,R0为螺线起点与极坐标原点的距离;C0为螺线半径r随螺线角度变化的速率;对于确定的螺线构型,螺线的极坐标方程表达式唯一,此时R0和C0均为常系数;
圆形为阿基米德螺线的一种,其极坐标方程式为:
r=R0+C0φ,C0=0
对数螺线的极坐标方程式为:
3.如权利要求1所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,致动器的基体由超弹性材料制作成形,基体内部有一个充气气腔。
4.如权利要求3所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,基体横截面与气腔横截面是如下形状中的一种:圆形截面、半圆形截面、方形截面、矩形截面。
5.如权利要求3所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,利用输入的气压作为驱动,实现展开运动;气压越大其曲率越小,曲率减小到0之后可以实现负曲率展开运动。
6.如权利要求3所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,基体外侧粘贴有应变限制层,用于限制轴向的伸展运动并且增强展开运动。
7.如权利要求3所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,基体末端密封阻塞头用于堵塞气腔,防止漏气。
8.如权利要求6所述的基于气动软体致动器的软体抓手,其特征在于,制造致动器基体的材料包括如下材料之一:树脂材料、橡胶材料、硅胶材料,硬度小于等于50A;螺线型致动器的外侧应变限制层由弹性材料制作。
9.一种基于气动软体致动器的软体抓手制造方法,用于制造如权利要求1-8中任一项所述的气动软体致动器,其特征在于,包括如下步骤:
S1、根据螺线的数学表达式,设计单个螺线型致动器;
S2、根据抓手工作范围选择致动器弧长长度;
S3、将抓手手指组装于底座上,形成所述基于气动软体致动器的软体抓手;
其中,步骤S1中,设计单个螺线型致动器包括如下步骤:
S11、制造致动器的基体;
S12、选择应变限制层材料,裁剪应变限制层;
S13、将应变限制层均匀地粘贴在致动器外侧表面,将密封阻塞头粘贴在致动器末端。
10.如权利要求9所述的基于气动软体致动器的软体抓手制造方法,其特征在于,步骤S11包括如下步骤:
首先组装模具,包括底槽、中间弯曲杆和末端端盖;然后注入超弹性材料;在上表面覆盖钢板使得基体壁厚均匀平整,并在室温下等待其固化;在步骤S2中还包括:在应变限制层上等间距的刻画若干形状刻度线。
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