CN110497439A - 一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手，其结构包括支架以及三个固定于支架上的软体手指，该软体手具有质量轻，易于控制，价格便宜，制造容易等特点，能够夹持复杂易碎物体，具有很高的柔顺性、安全性和适应性。相比于其他存在的软体手指，该软体手指由于变截面腔室在同等气压下，弯曲更大，响应速度更快，且与人体手指外廓相似等优点。
Description
技术领域
本发明涉及软体机器人领域，尤其是一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手。
背景技术
现有机械抓手多为刚性结构，对被抓物品的自适应能力差，传统的机械手与抓取的对象之间一般是刚性接触，难以实现对易碎物品的抓取，其结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差；为实现柔顺抓取常采用欠驱动的方式，由此带来设计的机械抓手结构复杂、控制难度大的问题；并且传统的机械手大部分都是针对特定的任务进行设计的，只能完成对特定物体的抓取，通用互换性比较差。随着工业的发展，机械手需要面对的抓取对象的种类越来越多，因此急需研究一种既可以抓取易碎品又可以抓取不同种类物品的机械手。传统的工业机械手已经不能满足人们的需求。
软体机器人已经成为一种新兴的机器人领域，其具有质量轻，易于控制，价格便宜，制造容易等特点。与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性。软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，可连续变形，从原理上具有无限自由度，具有广阔的开发空间。
软体机器人在一些特殊的应用中，如复杂易碎物体抓持、医疗手术，术后康复，人机交互和狭窄空间作业等具有巨大的优势。
现存在的软体手指大多是恒刚度恒截面，与人手指差别较大。并且现有的软体手指由于表面光滑，且手指长度较长，在抓取不同大小物体时，存在无法调节姿态，摩擦力较小，抓取范围小，抓取时易脱落，抓取不稳定等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手。该软体手具有质量轻，易于控制，价格便宜，制造容易等特点，能够夹持复杂易碎物体，具有很高的柔顺性、安全性和适应性。相比于其他存在的软体手指，该软体手指由于变截面腔室在同等气压下，弯曲更大，响应速度更快，且与人体手指外廓相似等优点。该软体手指采用双关节设计，具有抓取范围大，刚度大等优点，手指末端的粘贴的壁虎启发式微楔形，借鉴壁虎启发式粘合剂，与软体手配合使用使得其抓取物体时，具有较大摩擦力，抓取力更大，抓取物体更大，并且抓取稳定。本发明是通过以下技术方案实现的：
一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，由连接为一体的第一关节与第二关节构成，其中第一关节包括第一基体、设置于第一基体下方的第一不可延伸层以及缠绕于第一基体与第一不可延伸层的结合体外部的凯夫拉线，第一基体内部设有一端开口的第一气体通道，第二关节包括第二基体和设置于第二基体下方的第二不可延伸层，第二基体上由分隔槽分隔出关节凸起，关节凸起内形成有气体腔室，各气体腔室通过第二气体通道连通，第二气体通道延伸至第二基体与第一基体相接触一侧的上表面形成进气孔，所述第一不可延伸层和第二不可延伸层内部分别设置有第一颗粒填充腔与第二颗粒填充腔，第一颗粒填充腔与第二颗粒填充腔内填充有用于增大手指内侧刚度的填充颗粒，第二不可延伸层底部形成有楔形横纹。
在上述技术方案中，所述软体手指的长度为155-165mm，高度为9-11mm。
在上述技术方案中，所述第一关节与第二关节通过Ecoflex-30硅胶浇注连接。
在上述技术方案中，所述第一基体和第二基体的截面为半圆形。
在上述技术方案中，所述凯夫拉线缠绕螺距为3.2-3.6mm。
在上述技术方案中，所述第一气体通道的截面为半圆形，半径为6-8mm。
在上述技术方案中，所述气体腔室的数量为4-6个，气体腔室截面呈半圆形，半径为3-5mm。
在上述技术方案中，所述第一基体和第二基体采用Ecoflex系列硅胶材料制成。
在上述技术方案中，所述第一不可延伸层和第二不可延伸层采用PDMS材料。
在上述技术方案中，所述填充颗粒为研磨咖啡颗粒。
在上述技术方案中，所述楔形横纹由距离第一不可延伸层与第二不可延伸层交界处1/5-1/4处延伸至第二不可延伸层的最末端。
一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手，包括支架以及三个固定于支架上的上述软体手指，所述支架包括压盖，端盖，连接盖；所述压盖用于将软体手指固定在端盖上；所述连接盖用于将软体手与外部设备相连。
在上述技术方案中，所述支架所用材料为ABS树脂。
本发明的优点和有益效果为：
1、软体手指第一不可延伸层及第二不可延伸层内包含研磨咖啡颗粒，在手指弯曲时，内部研磨咖啡颗粒产生碰撞干扰，增加手指刚度。
2、软体手指的第二不可延伸层包含壁虎启发式的楔形横纹结构，在与物体接触时，发生剪切变形，增加与物体接触时的摩擦，使得抓取稳定，抓取范围大，抓取力更大，有利于抓取表面不规则物体，解决了抓取易脱落的难题。
3、软体手指第二关节具有吸气和充气双向弯曲特性，配以壁虎启发式的楔形横纹结构，增加了抓取大体积物体的可能性。
4、软体手指第一关节和第二关节分别受气源控制，可以实现多个运动，根据抓取物体大小控制通气顺序。
附图说明
图1软体手指总体结构图
图2第一关节软体手指装配图
图3第一关节软体手指半剖结构图
图4第二关节软体手指结构图
图5楔形横纹局部结构示意图，其中d为单条楔形横纹的宽度，t为楔形横纹与第二不可延伸层间的垂直距离。
图6软体手指内部结构透视图。
图7软体手总装配结构示意图
图8软体手去除连接盖总装配结构示意图
其中：
1为第一基体，1-1为凯夫拉线缠绕槽，1-2为第一气体通道，2为第一不可延伸层，2-1为第一颗粒填充腔，3为凯夫拉线，4为第二基体，4-1为进气孔，4-2为分隔槽，4-3为关节凸起，4-4为第二气体通道，4-5为气体腔室，5为第二不可延伸层，5-1为楔形横纹，5-2为第二颗粒填充腔，6为连接盖，7为压盖，8为端盖。
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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手，所述软体手包括三个相同的软体手指和支架，所述软体手指包括第一关节第二关节，其中第一关节包括第一基体1、设置于第一基体下方的第一不可延伸层2以及缠绕于第一基体与第一不可延伸层的结合体外部的凯夫拉线3，第一基体内部设有一端开口的第一气体通道1-2，第二关节包括第二基体4和设置于第二基体下方的第二不可延伸层5，第二基体上由分隔槽4-2分隔出关节凸起4-3，关节凸起内形成有气体腔室4-5，各气体腔室通过第二气体通道4-4连通，第二气体通道延伸至第二基体与第一基体相接触一侧的上表面形成进气孔4-1，所述第一不可延伸层和第二不可延伸层内部分别设置有第一颗粒填充腔2-1与第二颗粒填充腔5-2，第一颗粒填充腔与第二颗粒填充腔内填充有用于增大手指内侧刚度的填充颗粒，第二不可延伸层底部形成有楔形横纹5-1。
软体手指的第一基体1采用Ecoflex-30硅胶制成，是一个具有第一气体通道1-2的变截面半圆柱型结构。第一基体1底部粘贴第一不可延伸层2，第一不可延伸层2的第一颗粒填充腔2-1内部填充研磨咖啡粉末；凯夫拉线缠绕槽1-1为对称式螺旋槽，用于缠绕凯夫拉线3；凯夫拉线3的作用一是将第一基体1和第一不可延伸层2进一步约束在一起，二是束缚软体手指的第一关节在充气时的径向膨胀；第一关节的基体近端穿过端盖8的固定通孔固定在端盖8上，压盖7通过螺钉连接进一步将第一关节固定在端盖8，保证连接的气密性，连接盖6用于将软体手与其他设备相连。软体手指的第一关节通过气体腔室通道与外部气源相连通。
软体手指的第二关节的第二基体4采用Ecoflex-30硅胶制成，是一个具有5个气体腔室4-5的变截面半圆柱型结构。第二基体4底部粘贴第二不可延伸层5，不可延伸层5底部加工出壁虎启发式楔形横纹结构5-1；5个气体腔室4-5通过第二气体通道4-4相连；第二关节通过进气孔4-1与外部气源相连；第二关节与第一关节的结合处通过Ecoflex-30硅胶浇注连接。
软体手指的长度为160mm，高度为10mm；凯夫拉线缠绕螺距为3.4mm；第一气体通道的截面半径为7mm，气体腔室截面半径为4mm，楔形横纹的尺寸为：d＝40-70um，t＝90-120um，d为单条楔形横纹的宽度，t为楔形横纹与第二不可延伸层间的垂直距离。
实施例2
在上述技术方案中所述的一种软体手指在使用时，压缩空气通过气体腔室通道进入软体手指的第一关节的第一气体通道1-2中，第一气体通道1-2中在气压的作用下向四周膨胀，凯夫拉线3约束了第一气体通道1-2的径向膨胀，第一不可延伸层2约束了第一气体通道1-2平面侧轴向的伸长，于是第一气体通道1-2圆弧面的轴向伸长成为主导因素，使第一关节整体向平面侧弯曲，实现弯曲动作。第一关节发生弯曲时，第一不可延伸层2的第一颗粒填充腔2-1内部填充的研磨咖啡粉末发生挤压干扰，增加了第一关节的刚度。
压缩空气通过进气孔4-1进入第二气体通道4-4，进而进入第二关节的5个气体腔室4-5中，5个气体腔室4-5在气压的作用下向四周膨胀，相互挤压，第二不可延伸层5约束了气体腔室4-5平面侧轴向的伸长，于是气体腔室4-5圆弧面的轴向伸长成为主导因素，使第二关节整体向平面侧弯曲，实现弯曲动作。第二关节发生弯曲时，楔形横纹结构5-1与物体接触，发生剪切变形，增大了与物体接触时的摩擦力。当取消压缩空气通气，第二关节恢复弯曲前状态，楔形横纹结构5-1恢复变形，与抓取物体分开。
实施例3
三个软体手指配合弯曲实现抓取和拾取物体。两个气源分别控制第一关节和第二关节。在抓取较小物体时，第一关节先通气，向内弯曲，靠近物体时，第二关节先吸气，反向弯曲增加抓取空间，再通气向内弯曲抓取物体；在抓取较大物体时，第二关节先吸气，反向弯曲增加抓取空间，第一关节和第二关节再同时通气，向内弯曲，抓取物体。根据不同的抓取情况，可以改变通气顺序。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：由连接为一体的第一关节与第二关节构成，其中第一关节包括第一基体、设置于第一基体下方的第一不可延伸层以及缠绕于第一基体与第一不可延伸层的结合体外部的凯夫拉线，第一基体内部设有一端开口的第一气体通道，第二关节包括第二基体和设置于第二基体下方的第二不可延伸层，第二基体上由分隔槽分隔出关节凸起，关节凸起内形成有气体腔室，各气体腔室通过第二气体通道连通，第二气体通道延伸至第二基体与第一基体相接触一侧的上表面形成进气孔，所述第一不可延伸层和第二不可延伸层内部分别设置有第一颗粒填充腔与第二颗粒填充腔，第一颗粒填充腔与第二颗粒填充腔内填充有用于增大手指内侧刚度的填充颗粒，第二不可延伸层底部形成有楔形横纹。
2.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述软体手指的长度为155-165mm，高度为9-11mm。
3.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述第一关节与第二关节通过Ecoflex-30硅胶浇注连接。
4.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述第一基体和第二基体的截面为半圆形。
5.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述凯夫拉线缠绕螺距为3.2-3.6mm。
6.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述第一气体通道的截面为半圆形，半径为6-8mm。
7.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述气体腔室的数量为4-6个，气体腔室截面呈半圆形，半径为3-5mm。
8.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述填充颗粒为研磨咖啡颗粒。
9.根据权利要求1所述的一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手指，其特征在于：所述楔形横纹由距离第一不可延伸层与第二不可延伸层交界处1/5-1/4处延伸至第二不可延伸层的最末端。
10.一种带有楔形横纹结构的双关节变截面软体手，其特征在于：包括支架以及三个固定于支架上的如权利要求1所述软体手指，所述支架包括压盖，端盖，连接盖；所述压盖用于将软体手指固定在端盖上；所述连接盖用于将软体手与外部设备相连。
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