CN110877344B - 一种多自由度气动柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度气动柔性机械手。包括多自由度柔性执行器、圆形底座和密封底座，圆形底座沿周向等间隔设有三个固定端，每个固定端开有三个气管通孔和一个导线放置孔，每个固定端端口向外延伸形成凸缘，密封底座嵌装于凸缘内，每个固定端通过密封底座安装有多自由度柔性执行器，多自由度柔性执行器内部设有三个气道，三个气道中间设有柱形空腔；密封底座的三个进气道分别插入三个气道，密封底座的柱形座插入柱形空腔；多自由度柔性执行器内部安装有两个通过弯曲导线相连的惯性传感器。本发明结构紧凑，多充气组件充气时可进行多个自由度的指定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法进行多自由度操作与角度反馈的问题。

Description

一种多自由度气动柔性机械手

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种多自由度气动柔性机械手。

背景技术

机械手作为一种广泛应用于工业自动化领域的执行机构，其作用包括物体运输、物体加工与物体组装等，传统的机械手为刚性材料，在操作过程中可能会对物体造成损坏。柔性机械手可对柔软易碎物体如水果、软组织等进行抓取与操作。目前已有的气动柔性执行器仅包含单一自由度即只能在一个方向进行弯曲，无法进行更加精密的操作；而且已有的气动柔性执行器并不含有弯曲与压力传感器来反应其弯曲程度与接触压力。因此，包含传感器的多自由度气动柔性机械手可进行在无法承受较大压力操作环境下的精密操作，对医疗康复、日常生活与精加工场合中操作与辅助具有重要的意义。

目前，国内外常用的气动柔性执行器的内部结构为网格式结构，在外部气压的作用下网格进行膨胀，网络式结构下部几乎无膨胀，通过对外部气压的维持形成了气动柔性执行器的形变。同时，常用的气动柔性执行器的内部未包含角度传感器。这些气动柔性执行器的缺点是无法进行多方向的弯曲，同时也无法得到角度的反馈，不利于进行复杂精密的操作。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种多自由度气动柔性机械手，可应用于柔性易碎物体的抓取，且具有角度检测与反馈。

本发明采用的技术方案如下

本发明的多自由度气动柔性机械手包括多自由度柔性执行器、圆形底座和密封底座，圆形底座沿周向等间隔设有三个固定端，每个固定端开有三个气管通孔和一个导线放置孔，每个固定端一侧端口的三个气管通孔通过气管与充气组件相连，每个固定端另一侧端口向外延伸形成凸缘；凸缘内侧面开有导槽，密封底座通过外侧面设有的与导槽配合安装的凸块嵌装于凸缘内，密封底座开有与固定端位置相对应的三个气管通孔和一个导线放置孔，密封底座的三个气管通孔向外延伸形成三个进气道，密封底座中间设置有柱形座。

每个固定端通过密封底座安装有多自由度柔性执行器，多自由度柔性执行器内部设有三个与多自由度柔性执行器端部相通的气道，三个气道分别对应多自由度柔性执行器的三个侧面，三个气道中间设有柱形空腔；密封底座的三个进气道分别插入三个气道，密封底座的柱形座插入柱形空腔；多自由度柔性执行器内部未设有气道的一侧安装有两个通过弯曲导线相连的惯性传感器。

所述多自由度柔性执行器内部三个气道对应的外侧面设有增大拉伸面积的弯曲褶皱，每个气道靠近外表面的一侧设有增大拉伸面积的梯形弯曲结构，梯形弯曲结构的凸起处对应外侧面弯曲褶皱的凸起处。

所述多自由度气动柔性执行器与密封底座连接的端部套装有金属环状夹具用于夹紧与密封。

所述多自由度柔性执行器的三个侧面分别对应由气道Ⅰ、气道Ⅱ和气道Ⅲ组成的三个气道，气道Ⅰ靠近圆形底座的外侧边缘，气道Ⅱ和气道Ⅲ分别位于气道Ⅰ的左右两侧；每个固定端的导线放置孔靠近圆形底座中心。

通过充气组件对气道充气，多自由度气动柔性执行器朝充气的反方向一侧弯曲；充气组件与控制器相连，控制器通过充气组件控制多自由度气动柔性执行器进行充气与吸气，实现多自由度气动柔性机械手多方向的弯曲。

当充气组件对每个多自由度气动柔性执行器的气道Ⅰ同时充气时，每个多自由度气动柔性执行器均朝向圆形底座中心弯曲，多自由度气动柔性执行器实现对物体的抓取。

当充气组件对每个多自由度气动柔性执行器的气道Ⅰ和气道Ⅱ或气道Ⅰ和气道Ⅲ同时充气时，每个多自由度气动柔性执行器均朝同一侧弯曲，多自由度气动柔性执行器实现顺时针旋转抓取或逆时针旋转抓取。

所述弯曲导线在多自由度柔性执行器弯曲状态下实现拉伸。

两个惯性传感器分别位于多自由度气动柔性执行器的两端，与控制器相连的导线依次经固定端和密封底座的导线放置孔与靠近密封底座的惯性传感器相连；控制器根据两个惯性传感器读取的数值检测多自由度气动柔性执行器的俯仰角、旋转角与偏航角。控制器根据检测到的角度反馈信息调整充气组件对气道的充气与吸气，实现多自由度气动柔性执行器在指定角度的弯曲。

本发明的有益效果：

本发明的多自由度气动柔性机械手可在充气组件的充吸气过程中进行抓取与旋转操作，解决了传统气动柔性执行器操作单一，无法进行多自由度操作的问题。

本发明通过惯性传感器实现多自由度气动柔性执行器的角度检测，控制器根据实时反馈信息进行充气与吸气实现多个自由度的指定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法得到角度反馈的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的圆形底座示意图。

图3为本发明的密封底座示意图。

图4为本发明的多自由度气动柔性执行器安装在密封底座示意图。

图5为本发明的多自由度气动柔性执行器示意图。

图6为本发明的多自由度气动柔性执行器剖面示意图。

图7为本发明的多自由度气动柔性执行器的传感器示意图。

图8为本发明的多自由度气动柔性执行器在弯曲过程中的剖面示意图，(a)(b)、(c)分别为三种不同弯曲状态。

图中：多自由度气动柔性机械手(1)、多自由度柔性执行器(2)、圆形底座(3)、固定端(4)、气管(5)、金属环状夹具(6)、导槽(7)、导线放置孔(8)、气管通孔(9)、密封底座(10)、凸块(11)、进气道(12)、柱形座(13)、弯曲褶皱(14)、气道Ⅰ(15)、气道Ⅱ(16)、气道Ⅲ(17)、柱形空腔(18)、导线(19)、梯形弯曲结构(20)、弯曲导线(21)、惯性传感器(22)。

具体实施方式

如图1所示，本发明的多自由度气动柔性机械手1包括多自由度柔性执行器2、圆形底座3和密封底座10，圆形底座3沿周向等间隔设有三个固定端4，每个固定端4开有三个气管通孔9和一个导线放置孔8，每个固定端4一侧端口的三个气管通孔9通过气管5与充气组件相连，每个固定端4另一侧端口向外延伸形成凸缘，凸缘内侧面开有导槽7；每个固定端4通过密封底座10安装有多自由度柔性执行器2，多自由度柔性执行器2内部设有三个与多自由度柔性执行器2端部相通的气道，三个气道分别对应多自由度柔性执行器2的三个侧面，三个气道中间设有柱形空腔18；密封底座10的三个进气道12分别插入三个气道，密封底座10的柱形座13插入柱形空腔18。

如图2所示，圆形底座3的三个固定端间隔120°，每个固定端口4包含3个气管通孔9，沿X方向2个，沿Y方向1个。

如图3所示，密封底座10通过外侧面设有的与导槽7配合安装的凸块11嵌装于凸缘内，密封底座10开有与固定端4位置相对应的三个气管通孔9和一个导线放置孔8，密封底座10的三个气管通孔9向外延伸形成三个进气道12，密封底座10中间设置有柱形座13。

如图4所示，多自由度气动柔性执行器2固定在密封底座10上，并由金属环状夹具6进行夹紧与密封，3个密封底座10通过导槽7固定在圆形底座3的三个固定端口4。

如图5所示，多自由度柔性执行器2内部三个气道对应的外侧面设有增大拉伸面积的弯曲褶皱14；多自由度柔性执行器2的三个侧面分别对应由气道Ⅰ15、气道Ⅱ16和气道Ⅲ17组成的三个气道，沿X方向2个，为气道Ⅱ16和气道Ⅲ17，沿Y方向1个，为气道Ⅰ15，并含有柱形空腔18。

如图6与图7所示，多自由度气动柔性执行器2的气道顶部含有梯形弯曲结构20。多自由度气动柔性执行器2的底部安装有两个通过弯曲导线21所连接的惯性传感器22，并由导线19进行信号数据的传输。

如图8中的(a)，(b)与(c)所示，多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅰ15、气道Ⅱ16和气道Ⅲ17顶部的梯形弯曲结构20出现膨胀，其膨胀体积远大于气道底部，多自由度气动柔性执行器2可在对气道Ⅰ15充气时向下产生弯曲，对气道Ⅱ16充气时向右产生弯曲，对气道Ⅲ17充气时向左产生弯曲。

具体实施时：由控制器控制充气组件进行充气与吸气。当充气组件只对气道Ⅰ15进行充气时，多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅰ15顶部的梯形结构出现膨胀，其膨胀体积远大于气道底部，多自由度气动柔性执行器2绕X轴进行向下弯曲。当充气组件只对气道Ⅱ16进行充气时，多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅱ16顶部的梯形结构出现膨胀，其膨胀体积远大于气道底部，多自由度气动柔性执行器2绕Y轴进行向右弯曲。当充气组件只对气道17进行充气时，多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅲ17顶部的梯形结构出现膨胀，其膨胀体积远大于气道底部，多自由度气动柔性执行器2绕Y轴进行向左弯曲。3个方向可各自独立进行充气与吸气过程，但是X方向的两个气道Ⅱ16与气道Ⅲ17无法同时进行充气与吸气。多自由度气动柔性执行器2的柱形空腔18可增大其弯曲程度。

实施例1：

对三个多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅰ15同时进行充气，每个多自由度气动柔性执行器2均朝向圆形底座3中心弯曲，可实现对物体的抓取操作。

实施例2：

对三个多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅰ15和气道Ⅱ16同时进行充气，每个多自由度气动柔性执行器2均朝同一侧弯曲，可实现顺时针旋转抓取。对三个多自由度气动柔性执行器2的气道Ⅰ15和气道Ⅲ17同时进行充气，每个多自由度气动柔性执行器2均朝同一侧弯曲，可实现逆时针旋转抓取。

多自由度气动柔性执行器2的两个惯性传感器22由弯曲结构导线21所连接，两个惯性传感器可将各自的俯仰角、旋转角与偏航角信息通过导线19将数据传输至控制器，并由控制器进行是否到达指定角度的判断。控制器可通过弯曲角度的实时反馈对多自由度气动柔性执行器2进行充气与吸气，通过三个方向指定角度的独立弯曲，可进行复杂的操作。

实施例2包括各种需要同时进行抓取和旋转两种动作的作业场景，例如采摘水果作业(如苹果、橘子与葡萄等)，该作业过程首先需要对水果进行抓取，在抓取时并通过旋转拧断梗并从果树取下；安装或拆卸各种螺纹连接件(如瓶盖、螺母与灯泡等)，该作业过程首先需要对螺纹连接件进行抓取，在抓取时并通过旋转操作对螺纹连接件进行旋紧与旋松等操作；操作旋钮作业(如仪器旋钮、门把手等)，该作业过程需要首先对旋钮进行抓取，在抓取时并通过旋转操作对旋钮进行打开与关闭或者旋转角度调节；物体摆放作业，该作业过程首先需要对被摆放物体进行抓取，在抓取时并通过旋转操作使物体达到相应的位置。

上述实例仅为本发明的已有的实例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多自由度气动柔性机械手，其特征在于，多自由度气动柔性机械手(1)包括多自由度柔性执行器(2)、圆形底座(3)和密封底座(10)，圆形底座(3)沿周向等间隔设有三个固定端(4)，每个固定端(4)开有三个气管通孔(9)和一个导线放置孔(8)，每个固定端(4)一侧端口的三个气管通孔(9)通过气管(5)与充气组件相连，每个固定端(4)另一侧端口向外延伸形成凸缘；凸缘内侧面开有导槽(7)，密封底座(10)通过外侧面设有的与导槽(7)配合安装的凸块(11)嵌装于凸缘内，密封底座(10)开有与固定端(4)位置相对应的三个气管通孔(9)和一个导线放置孔(8)，密封底座(10)的三个气管通孔(9)向外延伸形成三个进气道(12)，密封底座(10)中间设置有柱形座(13)；

每个固定端(4)通过密封底座(10)安装有多自由度柔性执行器(2)，多自由度柔性执行器(2)内部设有三个与多自由度柔性执行器(2)端部相通的气道，三个气道分别对应多自由度柔性执行器(2)的三个侧面，三个气道中间设有柱形空腔(18)；密封底座(10)的三个进气道(12)分别插入三个气道，密封底座(10)的柱形座(13)插入柱形空腔(18)；多自由度柔性执行器(2)内部未设有气道的一侧安装有两个通过弯曲导线(21)相连的惯性传感器(22)；

所述多自由度柔性执行器(2)的三个侧面分别对应由气道Ⅰ(15)、气道Ⅱ(16)和气道Ⅲ(17)组成的三个气道，气道Ⅰ(15)靠近圆形底座(3)的外侧边缘，气道Ⅱ(16)和气道Ⅲ(17)分别位于气道Ⅰ(15)的左右两侧；

通过充气组件对气道充气，多自由度气动柔性执行器(2)朝充气的反方向一侧弯曲；充气组件与控制器相连，控制器通过充气组件控制多自由度气动柔性执行器(2)进行充气与吸气，实现多自由度气动柔性机械手(1)多方向的弯曲；

当充气组件对每个多自由度气动柔性执行器(2)的气道Ⅰ(15)同时充气时，每个多自由度气动柔性执行器(2)均朝向圆形底座(3)中心弯曲，多自由度气动柔性执行器(2)实现对物体的抓取；

当充气组件对每个多自由度气动柔性执行器(2)的气道Ⅰ(15)和气道Ⅱ(16)或气道Ⅰ(15)和气道Ⅲ(17)同时充气时，每个多自由度气动柔性执行器(2)均朝同一侧弯曲，多自由度气动柔性执行器(2)实现顺时针旋转抓取或逆时针旋转抓取；

所述多自由度柔性执行器(2)内部三个气道对应的外侧面设有增大拉伸面积的弯曲褶皱(14)，每个气道靠近外表面的一侧设有增大拉伸面积的梯形弯曲结构(20)，梯形弯曲结构(20)的凸起处对应外侧面弯曲褶皱(14)的凸起处。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度气动柔性机械手，其特征在于，所述多自由度气动柔性执行器(2)与密封底座(10)连接的端部套装有金属环状夹具(6)用于夹紧与密封。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度气动柔性机械手，其特征在于，每个固定端(4)的导线放置孔(8)靠近圆形底座(3)中心。

4.根据权利要求1所述的一种多自由度气动柔性机械手，其特征在于，所述弯曲导线(21)在多自由度柔性执行器(2)弯曲状态下实现拉伸。

5.根据权利要求1所述的一种多自由度气动柔性机械手，其特征在于，两个惯性传感器(22)分别位于多自由度气动柔性执行器(2)的两端，与控制器相连的导线依次经固定端(4)和密封底座(10)的导线放置孔(8 )与靠近密封底座(10)的惯性传感器(22)相连；控制器根据两个惯性传感器读取的数值检测多自由度气动柔性执行器(2)的俯仰角、旋转角与偏航角。

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