CN110653840A - 一种仿生螺旋缠绕软体夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其不仅具有良好的柔顺性与安全性、适用范围大，而且可有效增强抓握的稳固性、提高工作精准度，安装和使用方便，其包括柔性套和气管，柔性套内设有螺旋缠绕结构，气管与螺旋缠绕结构连通，柔性套通过连接装置与工业机械臂相连，螺旋缠绕结构包括偏心螺旋管，偏心螺旋管的偏心位置靠近偏心螺旋管的外侧；在偏心螺旋管的内径管和外径管之间并且靠近偏心螺旋管的内侧，偏心螺旋管设有不可延展层；偏心螺旋管的表面设有螺纹圈，螺纹圈沿偏心螺旋管的螺旋方向布置，且过螺纹圈轮廓线上点的切线与过该点的偏心螺旋管截面切线之间的夹角为2°~5°。

Description

一种仿生螺旋缠绕软体夹持器

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体为一种仿生螺旋缠绕软体夹持器。

背景技术

夹持器是仿生机器人研究的重要方向之一，通常位于机械臂的末端，主要模仿人手抓握物件等对象的形态或行为动作，因此也称为末端执行器。

传统的夹持器通常采用刚性连杆结构，其虽然能体现人手关节预期的力和力矩特性，从而模拟并完成人手的大多数操作，具有一定工作精度，但是刚性连杆结构的自由度有限、柔顺性差，与抓持对象之间一般也为刚性接触，导致夹持器在抓握物件时无法贴合物体表面，特别对于一些柔软、不规则形状或者尺寸不一的物件紧固力较弱、抓握稳定性差，对于一些易碎物品的抓取还易造成物件毁损，安全性差、影响工作精准度、适用范围小。

而随着新材料与快速成型技术的发展，出现了一些软体夹持器，其具有良好的柔顺性与安全性，可弥补传统夹持器的不足：例如公开号为CN107932533A的“基于缠食原理的气动柔性大力抓持装置” 和公开号为CN108436954A的“仿生气动柔性抓持装置”即是通过“模仿缠食性动物缠取猎物过程”的软体夹持器，二者均是在柔性保持架上穿设气动肌腱形成螺旋缠绕仿生结构，“气动肌腱柔性段是在高弹性乳胶管外套上一层编织网”，然后在“螺旋仿生结构外面套有柔性套”、“用以容纳和抓持物体”；二者虽然在一定程度上提高了抓握的柔顺性、稳定性和安全性，但是一方面，其是“通过充放气过程实现抓持装置内腔的缩紧和舒张，从而配合机器人完成抓取和释放工作”，即穿设于柔性保持架上通孔之间的气动肌腱所形成的是网状收缩袋式抓取器，其仅能在径向进行缩扩，则在抓握物件时其并不具有螺旋缠绕的效果，换言之，其仅具有缠食性动物收缩的功能，而不能实现卷曲缠住猎物的效果，从而影响了抓握物件的稳固性，特别对于较重或者较小的物件易发生脱落的情形，对于易碎的物件还易造成损毁；另一方面，其气动肌腱是从柔性保持架上N行M列的通孔或者半圆孔依次穿出，因此易发生穿设错误、进而导致气动肌腱相互缠绕，安装和使用不便。

发明内容

针对传统夹持器柔顺性和安全性差、影响工作精准度、适用范围小，而现有软体夹持器抓握稳固性差、安装和使用不便的缺点，本发明提供了一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其不仅具有良好的柔顺性与安全性、适用范围大，而且可有效增强抓握的稳固性、提高工作精准度，安装和使用方便。

本发明采用如下技术方案：其包括柔性套和气管，所述柔性套内设有螺旋缠绕结构，所述气管与所述螺旋缠绕结构连通，所述柔性套通过连接装置与工业机械臂相连，其特征在于：所述螺旋缠绕结构包括偏心螺旋管，所述偏心螺旋管的偏心位置靠近所述偏心螺旋管的外侧；在所述偏心螺旋管的内径管和外径管之间并且靠近所述偏心螺旋管的内侧，所述偏心螺旋管设有不可延展层；所述偏心螺旋管的表面设有螺纹圈，所述螺纹圈沿所述偏心螺旋管的螺旋方向布置，且过所述螺纹圈轮廓线上点的切线与过该点的所述偏心螺旋管截面切线之间的夹角为2°~5°。

其进一步特征在于：

所述螺旋缠绕结构还包括挂袋式吊架，所述挂袋式吊架设有挂袋，所述挂袋的大小和形状与所述偏心螺旋管的螺旋环圈相适应，所述挂袋的顶部与所述挂袋式吊架的侧壁为可拆卸式连接；

所述挂袋的顶部通过粘扣与所述挂袋式吊架侧壁的内侧相连；

所述挂袋式吊架的侧壁开有细缝，所述挂袋的顶部穿过所述细缝后通过粘扣与所述挂袋式吊架侧壁的外侧相连；

所述柔性套包括相连的端盖和套体，所述套体包括内芯和防护层，在所述内芯和所述防护层之间设有网状纤维层；

所述内芯为环形套管内芯，所述环形套管内芯侧壁的轴向截面呈U形；

所述偏心螺旋管的表面还设有皮肤层，且所述皮肤层包覆所述螺纹圈；

所述偏心螺旋管的顶端与所述气管连通；

在所述端盖和所述套体的连接处套接有卡箍式紧固套；

所述连接装置包括法兰盘和连接座，所述端盖开有通孔，所述连接座穿过所述通孔后与所述法兰盘螺纹连接，所述法兰盘连接所述工业机械臂。

本发明采用上述结构后，偏心螺旋管整体呈外侧壁薄、内侧壁厚的结构，当连通的气管进行充气时，偏心螺旋管在径向进行扩张的同时在轴向进行拉伸、发生单向弯曲：在偏心结构以及壁厚一侧受到不可延展层的限制作用下，偏心螺旋管壁薄的一侧充气膨胀时的轴向拉伸程度大于壁厚一侧，而过螺纹圈轮廓线上点的切线与过该点的偏心螺旋管截面切线之间的夹角为2°~5°，使得螺纹圈既可以限制偏心螺旋管在径向的过度膨胀，还对偏心螺旋管具有扭转的引导作用，从而在局部使偏心螺旋管发生单向弯曲，进而使偏心螺旋管整体实现卷曲和缠绕的效果，不仅具有良好的柔顺性与安全性、适用范围大，而且有效提高了抓握的稳固性，而整体式的偏心螺旋管不需要逐次穿设于柔性保持架，通过卷曲和缠绕的双重作用即可对物件进行稳固抓取，有效提高了安装和使用的便捷性。

挂袋式吊架通过挂袋顶部与挂袋式吊架侧壁的可拆卸式连接即可将偏心螺旋管的螺旋环圈放入挂袋中，不仅能保持螺旋缠绕结构的螺旋状态，进一步提高抓握的稳固性、延长使用寿命，而且方便维护和安装。

附图说明

图1为本发明一个视角的立体图。

图2为本发明另一个视角的立体图。

图3为本发明分解结构的示意图。

图4为本发明剖视结构的示意图。

图5为本发明偏心螺旋管的结构示意图（去除皮肤层）。

图6为本发明螺纹圈的结构示意图。

图7为本发明挂袋式吊架一种应用例展开的正面、反面结构示意图。

图8为本发明挂袋式吊架另一种应用例展开的正面、反面结构示意图。

图9为本发明柔性套的套体结构示意图。

图10为本发明偏心螺旋管部分段的卷曲缠绕效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图1~10对本发明作进一步的说明：

如图1~3所示，本发明提供一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其包括柔性套和气管2，柔性套内设有螺旋缠绕结构，气管2与螺旋缠绕结构连通，柔性套通过连接装置与工业机械臂（未示出）相连，螺旋缠绕结构包括偏心螺旋管8，如图3~5所示，偏心螺旋管8的偏心位置靠近偏心螺旋管8的外侧，在偏心螺旋管8的内径管8c和外径管8b之间并且靠近偏心螺旋管8的内侧、偏心螺旋管8设有不可延展层8d，如图5和图6所示，偏心螺旋管8的表面设有螺纹圈8a，螺纹圈8a沿偏心螺旋管8的螺旋方向布置，且过螺纹圈8a轮廓线上点的切线与过该点的偏心螺旋管8截面切线之间的夹角α为2°~5°，优选的，夹角α为3°；如图5所示，偏心结构使得偏心螺旋管整体呈外侧壁薄、内侧壁厚的结构，当连通的气管进行充气时，偏心螺旋管在径向进行扩张的同时在轴向进行拉伸、发生单向弯曲：在偏心结构以及壁厚一侧受到不可延展层的限制作用下，偏心螺旋管壁薄的一侧充气膨胀时的轴向拉伸程度大于壁厚一侧，而过螺纹圈轮廓线上点的切线与过该点的偏心螺旋管截面切线之间的夹角为2°~5°，使得螺纹圈既可以限制偏心螺旋管在径向的过度膨胀，还对偏心螺旋管具有扭转的引导作用，从而在局部使偏心螺旋管发生单向弯曲，如图10所示，进而使偏心螺旋管整体实现卷曲和缠绕的效果，不仅具有良好的柔顺性与安全性、适用范围大，而且有效提高了抓握的稳固性，而整体式的偏心螺旋管不需要逐次穿设于柔性保持架、通过卷曲和缠绕的双重作用即可对物件进行抓取，有效提高了安装和使用的便捷性。

优选的，如图5所示，偏心螺旋管8的内径管8c半径r、偏心距m和外径管8b半径R之间的比例r:m:R为6:3:10，在同等气压条件下，可提高偏心螺旋管8的卷曲缠绕效果，进一步增强抓握的稳固性，还可防止输入的压强过大对偏心螺旋管造成损害，从而延长使用寿命。

如图3~5、图7和图8所示，螺旋缠绕结构还包括挂袋式吊架9（9＇），挂袋式吊架9（9＇）设有挂袋91（91＇），挂袋91（91＇）的大小和形状与偏心螺旋管8的螺旋环圈13相适应，挂袋91（91＇）的顶部与挂袋式吊架9（9＇）的侧壁92为可拆卸式连接。

如图7所示，挂袋式吊架9侧壁92的内侧设有粘扣的公扣10，挂袋91的顶部设有粘扣的母扣11，挂袋91的顶部与挂袋式吊架9侧壁92的内侧通过粘扣的公扣10和母扣11相连。

如图8所示，挂袋式吊架9＇的侧壁开有细缝12，挂袋式吊架9＇侧壁92的外侧设有粘扣的公扣10，挂袋91＇的顶部设有粘扣的母扣11，挂袋91＇的顶部穿过细缝后与挂袋式吊架9＇侧壁92的外侧通过粘扣的公扣10和母扣11相连。

优选的，如图3和图4所示，挂袋式吊架9（9＇）设有至少两层挂袋91（91＇），挂袋91（91＇）的顶部与挂袋式吊架9（9＇）的侧壁92相连后形成中空筒状的挂袋，可以放置偏心螺旋管8的螺旋环圈13；可拆卸式的连接结构不需要进行穿设即可将偏心螺旋管8的螺旋环圈13放入挂袋中，不仅能保持螺旋缠绕结构的螺旋状态，进一步提高抓握的稳固性、延长使用寿命，而且方便维护和安装；优选的，挂袋91（91＇）的层数与偏心螺旋管8的螺旋环圈13可以一一对应，也可以根据螺旋环圈13的紧密程度进行调整，例如一层挂袋91（91＇）内放置多层螺旋环圈13；同样地，挂袋式吊架9（9＇）的数量也可以根据偏心螺旋管8的实际工况进行调整，例如，如图3所示，沿偏心螺旋管8的周向布置对称的两个挂袋式吊架9（9＇）；或者沿偏心螺旋管8的周向设置三个挂袋式吊架9（9＇），且相邻挂袋式吊架9（9＇）呈120°角布置，可增强本装置的稳定性。

如图3所示，柔性套包括相连的端盖6和套体1，如图9所示，套体1包括内芯1c和防护层1a，在内芯1c和防护层1a之间设有网状纤维层1b；网状纤维层可防止偏心螺旋管充气后向外过度膨胀，使其只能向内挤压，从而包裹抓取对象；内芯1c为环形套管内芯1c，环形套管内芯1c侧壁的轴向截面呈U形，如图4所示，分体式的柔性套以及呈U形截面的环形套管内芯1c方便螺旋缠绕结构安装。

优选的，偏心螺旋管和挂袋式吊架采用硬度为shore A30的硅胶材料制成，韧性好，可提高使用寿命和卷曲、缠绕的效果；柔性套采用硬度为shore A50的硅胶材料制成，可保证夹持器与被抓取对象间有较大摩擦系数，进一步增强抓握的稳固性。

如图3和图5所示，偏心螺旋管8的表面还设有皮肤层16，且皮肤层16包覆螺纹圈8a，可保持螺纹圈的绕型，提高使用寿命并进一步增强偏心螺旋管的卷曲缠绕效果。

如图1~3所示，偏心螺旋管8的顶端与气管2连通；在端盖6和套体1的连接处套接有卡箍式紧固套4；优选的，卡箍式紧固套4的接口处通过三对螺栓螺母5锁紧，可提高端盖6和套体1的连接强度，保证工业机械臂抓握操作的精准度；连接装置包括法兰盘3和连接座7，端盖6开有通孔14，连接座7穿过通孔14后与法兰盘3螺纹连接，法兰盘3连接工业机械臂（未示出）。

其工作原理是：如图7和图3所示，通过挂袋91顶部与挂袋式吊架9侧壁92的可拆卸式连接将偏心螺旋管8的螺旋环圈13放入挂袋91中形成螺旋缠绕结构，将螺旋缠绕结构放入环形套管内芯1c呈U形截面的侧壁内，并将挂袋式吊架9与环形套管内芯1c通过硅胶粘合剂粘接，将盖体6与套体1盖合，并通过密封胶密封，在盖体6与套体1的连接处套接卡箍式紧固套4，连接座7穿过盖体6的通孔14与法兰盘3螺纹连接，法兰盘3连接工业机械臂，如图1所示，气管2的一端与偏心螺旋管8的顶端相连通，另一端穿过端盖6上的过孔15后与外接气源相连，当通过气管对偏心螺旋管充气时，偏心螺旋管在压力的作用下同时发生径向膨胀和轴向拉伸，偏心结构使得偏心螺旋管的外侧壁薄、内侧壁厚，则充气膨胀后，偏心螺旋管壁薄的一侧膨胀程度较大、壁厚一侧的膨胀程度较小，且壁厚一侧受到不可延展层的限制，偏心螺旋管壁薄一侧继续轴向拉伸、而壁厚一侧轴向拉伸程度放缓，偏心螺旋管发生单向弯曲变形，而在螺纹圈的作用下，偏心螺旋管沿螺纹圈引导的螺旋方向发生螺纹变形，并增强了偏心螺旋管单向弯曲变形的趋势，两种变形的结合使偏心螺旋管整体实现螺旋缠绕结构如缠食性动物身体收缩、卷曲缠绕猎物的效果，从而不仅具有良好的柔顺性与安全性、适用范围大，而且可有效增强抓握的稳固性、提高工作精准度，安装和使用方便。

Claims (10)

1.一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其包括柔性套和气管，所述柔性套内设有螺旋缠绕结构，所述气管与所述螺旋缠绕结构连通，所述柔性套通过连接装置与工业机械臂相连，其特征在于：所述螺旋缠绕结构包括偏心螺旋管，所述偏心螺旋管的偏心位置靠近所述偏心螺旋管的外侧；在所述偏心螺旋管的内径管和外径管之间并且靠近所述偏心螺旋管的内侧，所述偏心螺旋管设有不可延展层；所述偏心螺旋管的表面设有螺纹圈，所述螺纹圈沿所述偏心螺旋管的螺旋方向布置，且过所述螺纹圈轮廓线上点的切线与过该点的所述偏心螺旋管截面切线之间的夹角为2°~5°。

2.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述螺旋缠绕结构还包括挂袋式吊架，所述挂袋式吊架设有挂袋，所述挂袋的大小和形状与所述偏心螺旋管的螺旋环圈相适应，所述挂袋的顶部与所述挂袋式吊架的侧壁为可拆卸式连接。

3.根据权利要求2所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述挂袋的顶部通过粘扣与所述挂袋式吊架侧壁的内侧相连。

4.根据权利要求2所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述挂袋式吊架的侧壁开有细缝，所述挂袋的顶部穿过所述细缝后通过粘扣与所述挂袋式吊架侧壁的外侧相连。

5.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述柔性套包括相连的端盖和套体，所述套体包括内芯和防护层，在所述内芯和所述防护层之间设有网状纤维层。

6.根据权利要求5所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述内芯为环形套管内芯，所述环形套管内芯侧壁的轴向截面呈U形。

7.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述偏心螺旋管的表面还设有皮肤层，且所述皮肤层包覆所述螺纹圈。

8.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述偏心螺旋管的顶端与所述气管连通。

9.根据权利要求5所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：在所述端盖和所述套体的连接处套接有卡箍式紧固套。

10.根据权利要求5所述的一种仿生螺旋缠绕软体夹持器，其特征在于：所述连接装置包括法兰盘和连接座，所述端盖开有通孔，所述连接座穿过所述通孔后与所述法兰盘螺纹连接，所述法兰盘连接所述工业机械臂。

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