CN111015706A - 伸缩件及抓手 - Google Patents

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Abstract

本申请属于机器人及其器部件设计领域，特别涉及一种伸缩件及抓手。其中，伸缩件包括：伸缩件本体，呈薄壁管状折纸结构，其管壁上浇筑成型有Origami结构的折痕纹路，充排气时能够伸展或收缩；密封连接件，设有第一通气孔，与伸缩件本体配合使用。抓手包括：抓手本体以及通过指部固定件固定的手指部件，每个手指部件包括至少一个伸缩件；气源，用于为手指部件充排气，另外，每个手指部件底端密封。本申请的伸缩件及抓手，具有较大伸缩比，通过对伸缩件内腔施加正压即可实现多物体的抓取，对伸缩件内腔施加负压可实现伸缩件的折叠，控制简捷，能够对多种物体进行无损安全、快速的抓持，实现在多种环境多种介质下的低成本、高寿命抓持。

Description

伸缩件及抓手
技术领域
本申请属于机器人及其器部件设计领域，特别涉及一种伸缩件及抓手。
背景技术
传统机械爪大都由刚性材料制成的刚体系统，有着惯量大，成本高，安全性低等不足，另外，缺乏被动适应性和较大的伸缩比。
而在较为特殊的条件下，需要有较大伸缩比的机械爪，还需要能有较多的自由度和被动适应性去适应和包络目标外形；另外，还需要机械爪有较低的质量和惯量，同时能够提供相对于自身体重较大的力，能够无损抓取多个尺寸大小的物品，例如太空捕获太空垃圾，深海生物采样等。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种伸缩件及抓手。
第一方面，本申请公开了一种伸缩件，所述伸缩件包括：
伸缩件本体，呈薄壁管状折纸结构，其管壁上浇筑成型有Origami结构的折痕纹路，其中
当所述伸缩件本体内腔中的气体排出时，所述伸缩件本体能够按照折痕纹路进行收缩；
当所述伸缩件本体内腔中充入预定量的气体时，所述伸缩件本体伸展成预定形状；
密封连接件，其中部贯穿开设有第一通气孔，所述密封连接件用于实现两个所述伸缩件本体端部与端部之间的连通，或用于实现所述伸缩件本体端部与气源连接，或用于实现所述伸缩件本体端部的密封。
根据本申请的至少一个实施方式，所述伸缩件本体采用硅胶材料制成。
第二方面，本申请还公开了一种抓手，包括抓手本体以及通过指部固定件固定的手指部件，每个所述手指部件包括至少一个上述的伸缩件；
所述抓手还包括：
气源，所述气源通过管道与每个所述手指部件顶端的第一通气孔连通，用于将所述手指部件的内腔中的气体排出或向所述手指部件的内腔中充入预定量的气体；另外
每个所述手指部件底端通过固定连接的端部密封件进行密封。
根据本申请的至少一个实施方式，所述端部密封件为顶端气囊，所述顶端气囊背向所述手指部件底部的一侧呈向外突出的半圆球体状，且所述气源通过管道与每个所述顶端气囊的内腔连通；另外
所述顶端气囊的外表面铺设有由刚性材料制成的多块粘附小片。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的抓手还包括：
环状气囊，固定套设在所述手指部件外环面上，且所述气源通过管道与每个所述环状气囊的内腔连通；其中
每个所述手指部件外环面上沿轴向方向均匀分布有多个所述环状气囊；另外
所述环状气囊的外表面铺设有由刚性材料制成的多块粘附小片。
根据本申请的至少一个实施方式，所述粘附小片具有仿壁虎毛表面结构。
根据本申请的至少一个实施方式，所述指部固定件一端与所述抓手本体铰接，所述伸缩件顶部通过密封连接件与所述指部固定件固定连接；
所述抓手还包括：
角度调节装置，所述角度调节装置与所述指部固定件的远离所述抓手本体的一端铰接，用于驱动所述指部固定件绕其与所述抓手本体的铰接点转动。
根据本申请的至少一个实施方式，所述角度调节装置包括：
调节支座，固定在所述抓手本体的背向所述手指部件的一侧面；
伸缩杆，其一端与所述调节支座铰接，另一端与所述指部固定件的远离所述抓手本体的一端铰接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述抓手本体呈正方形板状结构，所述手指部件的数量为4个，且分别通过所述指部固定件对称设置在所述抓手本体的四个边，其中，所述调节支座垂直固定在所述抓手本体的中心位置；
所述抓手本体的每个边与对应侧的所述指部固定件之间设置一个所述伸缩杆。
根据本申请的至少一个实施方式，所述指部固定件上设置有与所述密封连接件上的第一通气孔相适配的第二通气孔；其中
所述气源的管道穿过所述第二通气孔后与所述第一通气孔连通。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的伸缩件及抓手，具有较大伸缩比，通过对伸缩件内腔施加正压即可实现多物体的抓取，对伸缩件内腔施加负压可实现伸缩件的折叠，控制简捷，能够对多种物体进行无损安全、快速的抓持，实现在多种环境多种介质下的低成本、高寿命抓持。
附图说明
图1是本申请伸缩件的结构示意图；
图2是本申请伸缩件的侧视图；
图3是本申请手指部件的其中一个视角的结构示意图；
图4是本申请手指部件的另一个视角的结构示意图；
图5是本申请顶端气囊的结构示意图；
图6是本申请抓手的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
需要理解的是，在本申请的描述中，可能出现的术语例如“中心”、“纵向”、“横向”、“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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。
下面结合附图1-图6对本申请的伸缩件及抓手作进一步详细说明。
第一方面，本申请公开了一种伸缩件1；如图1和图2所示，伸缩件1可以包括伸缩件本体11以及密封连接件12。
伸缩件本体11呈薄壁管状折纸结构，其管壁上浇筑成型有Origami结构的折痕纹路，折痕处有非对称弹性体设计；其中，当伸缩件本体11内腔中的气体排出时，伸缩件本体11能够按照折痕纹路进行收缩；当伸缩件本体11内腔中充入预定量的气体时，伸缩件本体11伸展成预定形状。
伸缩件本体11可以由多种适合的材料制成，本实施例中，是利用杨氏模量较低的弹性材料(进一步优选为硅胶材料)和Origami结构，通过折痕处不均匀弹性体结构设计，使得伸缩件1具有类似折纸的特性，具有较大的伸缩比，且使伸缩件1具有被动变形的性能，从而可被动适应不同目标物的复杂表面。
还需要说明的是，硅胶折纸伸缩件1表面的Origami结构的折痕纹路是以Yoshimura图案为基础，通过控制预定弯曲方向两侧的颠倒交错的三角形折痕的大小和数量，设定硅胶折纸伸缩件1伸展和收缩的运动轨迹和充满气后的指定形状。
密封连接件12可以根据需要设置在伸缩件本体11的端部，其中部贯穿开设有第一通气孔13。
其中，密封连接件12可以用于实现两个伸缩件本体11端部与端部之间的连通(例如通过硅胶固连)，从而可以实现两个或两个以上伸缩件1的连接。密封连接件12还可以用于实现伸缩件本体11端部与气源连接。进一步，密封连接件12还可以用于实现伸缩件本体11端部的密封(通过与端部密封件密封连接)。
综上所述，本申请的伸缩件在具有柔性被动顺应性的同时，具有较大的伸缩比，且控制简捷，通过对伸缩件内腔施加正压即可实现伸长和弯曲，以对物体进行无损安全、快速的抓持，实现在多种环境多种介质下的低成本、高寿命抓持。
第二方面，本申请公开了一种抓手；如图6所示，抓手可以包括抓手本体21以及通过指部固定件22固定的手指部件，手指部件的数量可以根据需要设置为多个；并且，如图3和图4所示，每个手指部件包括至少一个上述的伸缩件1，具体数量也可以根据需要进行选择。
进一步，抓手还可以包括气源(图中未示出)，气源通过PU管道与每个手指部件顶端的第一通气孔13连通，用于通过第一通气孔13将手指部件的内腔中的气体排出或向手指部件的内腔中充入预定量的气体，从而实现手指部件伸缩变形；并且，可以通过不同段充气与否控制自由度，进而组合成不同的运动轨迹。另外，每个手指部件底端通过固定连接(例如通过硅胶固连)的端部密封件进行密封(即将底端的密封连接件12与端部密封件进行密封连接)，实现底端密封。
进一步，如图3-图5所示，优选端部密封件为顶端气囊14；顶端气囊14可以由硅胶材料制成，其背向手指部件底部的一侧呈向外突出的半圆球体状，且气源通过管道与每个顶端气囊14的内腔连通，以控制顶端气囊14的充气或放气。
进一步，如图3-图5所示，抓手还可以包括环状气囊15；环状气囊15可以由硅胶材料制成，通过硅胶固定套设在手指部件外环面上，每个手指部件外环面上沿轴向方向均匀分布有多个环状气囊15，具体数量可根据需要进行选择；同样，气源通过管道与每个环状气囊15的内腔连通，以控制环状气囊15的充气或放气。
进一步，在顶端气囊14和环状气囊15的外表面均浇筑有多个平面与硬质粘附小片16用硅胶固连，硬质粘附小片16由刚性材料制成，具有仿壁虎毛表面结构，可以在与目标物表面产生一定正向压力时与目标物表面发生粘附。
进一步，在本申请的抓手中，优选指部固定件22一端与抓手本体21铰接，构成手指部件的伸缩件1顶部，通过密封连接件12与指部固定件22固定连接。
相应地，抓手还可以包括角度调节装置，角度调节装置与指部固定件22的远离抓手本体21的一端铰接，用于驱动指部固定件22绕其与抓手本体21的铰接点转动，以实现各手指部件角度的调节，需要说明的是，角度调节装置可以实现每根手指部件的独立调节。
具体地，角度调节装置可以根据需要设置成多种适合的结构；本实施例中，如图6所示，角度调节装置可以包括调节支座231以及伸缩杆232。
调节支座231固定在抓手本体21的背向手指部件的一侧面；伸缩杆232的一端与调节支座231铰接，另一端与指部固定件22的远离抓手本体21的一端的凸台铰接，其中，伸缩杆232可以为多种适合的伸缩部件，例如可以选择为气缸，通过伺服控制气缸长度。
进一步，抓手本体21的形状可以根据手指部件的数量进行适合的调整；本实施例中，优选抓手本体21呈正方形板状结构，手指部件的数量为4个，且分别通过指部固定件22对称设置在抓手本体21的四个边；其中，调节支座231垂直固定在抓手本体21的中心位置；抓手本体21的每个边与对应侧的指部固定件22之间设置一个伸缩杆232。
并且，指部固定件22上设置有与密封连接件12上的第一通气孔13相适配的第二通气孔221；其中，气源的管道穿过第二通气孔221后与第一通气孔14连通。
综上，本申请的抓手，通过对Origami结构伸缩件1内腔进行充气实现对每个单元驱动器实现边弯曲边伸长的运动形式，并通过多单元组合，进一步合成出不同的能与不同复杂目标外扩拟合的复杂姿态。另外，通过每根手指部件底部的独立角度调节装置，控制每根手指部件的角度，进一步控制多根手指部件内表面所组成的包络曲面，以包络更为复杂的弯曲曲面，例如可以适应在太空捕获太空垃圾或深海生物采样等需要较高伸缩比和对不同复杂目标物表面包络的条件。进一步，在手指部件包络目标物表面后，通过PU气管冲气，使环状气囊15和顶端气囊14体积膨胀，通过硬质粘附小片16向目标物表面施加压力，将硬质粘附小片16于目标物表面粘附在一起，从而利用硬质粘附小片16刚性材料特性提高粘附后的剥离强度，同时利用环状气囊15和顶端气囊14的柔性材料特性减少粘附后的应力集中。进一步，本申请的抓手在水下不存在防锈蚀问题，在浅海作业时无需考虑密封问题。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种伸缩件，其特征在于，所述伸缩件(1)包括：
伸缩件本体(11)，呈薄壁管状折纸结构，其管壁上浇筑成型有Origami结构的折痕纹路，其中
当所述伸缩件本体(11)内腔中的气体排出时，所述伸缩件本体(11)能够按照折痕纹路进行收缩；
当所述伸缩件本体(11)内腔中充入预定量的气体时，所述伸缩件本体(11)伸展成预定形状；
密封连接件(12)，其中部贯穿开设有第一通气孔(13)，所述密封连接件(12)用于实现两个所述伸缩件本体(11)端部与端部之间的连通，或用于实现所述伸缩件本体(11)端部与气源连接，或用于实现所述伸缩件本体(11)端部的密封。
2.根据权利要求1所述的伸缩件，其特征在于，所述伸缩件本体(11)采用硅胶材料制成。
3.一种抓手，其特征在于，包括抓手本体(21)以及通过指部固定件(22)固定的手指部件，每个所述手指部件包括至少一个如权利要求1或2所述的伸缩件(1)；
所述抓手还包括：
气源，所述气源通过管道与每个所述手指部件顶端的第一通气孔(13)连通，用于将所述手指部件的内腔中的气体排出或向所述手指部件的内腔中充入预定量的气体；另外
每个所述手指部件底端通过固定连接的端部密封件进行密封。
4.根据权利要求3所述的抓手，其特征在于，所述端部密封件为顶端气囊(14)，所述顶端气囊(14)背向所述手指部件底部的一侧呈向外突出的半圆球体状，且所述气源通过管道与每个所述顶端气囊(14)的内腔连通；另外
所述顶端气囊(14)的外表面铺设有由刚性材料制成的多块粘附小片(16)。
5.根据权利要求3所述的抓手，其特征在于，还包括：
环状气囊(15)，固定套设在所述手指部件外环面上，且所述气源通过管道与每个所述环状气囊(15)的内腔连通；其中
每个所述手指部件外环面上沿轴向方向均匀分布有多个所述环状气囊(15)；另外
所述环状气囊(15)的外表面铺设有由刚性材料制成的多块粘附小片(16)。
6.根据权利要求4或5所述的抓手，其特征在于，所述粘附小片(16)具有仿壁虎毛表面结构。
7.根据权利要求3所述的抓手，其特征在于，所述指部固定件(22)一端与所述抓手本体(21)铰接，所述伸缩件(1)顶部通过密封连接件(12)与所述指部固定件(22)固定连接；
所述抓手还包括：
角度调节装置，所述角度调节装置与所述指部固定件(22)的远离所述抓手本体(21)的一端铰接，用于驱动所述指部固定件(22)绕其与所述抓手本体(21)的铰接点转动。
8.根据权利要求7所述的抓手，其特征在于，所述角度调节装置包括：
调节支座(231)，固定在所述抓手本体(21)的背向所述手指部件的一侧面；
伸缩杆(232)，其一端与所述调节支座(231)铰接，另一端与所述指部固定件(22)的远离所述抓手本体(21)的一端铰接。
9.根据权利要求8所述的抓手，其特征在于，所述抓手本体(21)呈正方形板状结构，所述手指部件的数量为4个，且分别通过所述指部固定件(22)对称设置在所述抓手本体(21)的四个边，其中，所述调节支座(231)垂直固定在所述抓手本体(21)的中心位置；
所述抓手本体(21)的每个边与对应侧的所述指部固定件(22)之间设置一个所述伸缩杆(232)。
10.根据权利要求9所述的抓手，其特征在于，所述指部固定件(22)上设置有与所述密封连接件(12)上的第一通气孔(13)相适配的第二通气孔(221)；其中
所述气源的管道穿过所述第二通气孔(221)后与所述第一通气孔(14)连通。
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