CN111152209B

CN111152209B - 线驱动仿生软体机械手

Info

Publication number: CN111152209B
Application number: CN202010020414.6A
Authority: CN
Inventors: 任丽丽; 周亮; 牛士超; 徐健; 焦志彬; 薛浩; 丁汉良; 佟金
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN111152209A

Abstract

本发明公开了一种线驱动仿生软体机械手，包括线驱动总成、机架总成、执行器总成；多个执行器总成以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在机架总成上；线驱动总成依次穿过所有执行器总成用于将外部驱动力传递给执行器总成。执行器总成包括执行器座体、弹簧机构、滚轮机构、涨紧气囊；弹簧机构主体位于执行器座体内，弹簧机构顶端与执行器座体滑动连接，底端伸出执行器座体外并与滚轮机构固定连接；涨紧气囊安装在滚轮机构底部；线驱动总成滚动连接穿过滚轮机构并与滚轮机构连接。本发明模仿了自然界中蟒蛇缠绕抓取的方式，在保证机械手柔顺性的前提下，可以获取更大的抓取力，同时，采用单个线绳的驱动方式，可以自动适应形状复杂的抓取目标。

Description

线驱动仿生软体机械手

技术领域

本发明涉及软体机械手技术领域，具体涉及一种线驱动仿生软体机械手。

背景技术

近年来，软体机器人因具有能够适应各种应用环境、与人类交互更加安全等优势，得到研究人员的广泛关注。

软体机械手是软体机器人研究领域的一个重要组成部分，主要负责与外界的交互，具有运动灵活、结构可靠、控制简单、柔顺性强等优势，在科学教育、农业生产及医疗健康等领域得到广泛应用。但是，随着软体机械手进一步的推广应用，其仍然存在抓取力小、只能应用于轻质目标的抓取等问题，限制了软体机械手的广泛应用。研究人员试图通过变刚度抓取等方式提高软体机械手的负载能力，但效果不够理想。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有软体机械手夹持力低、负载能力差的问题，而提出一种线驱动仿生软体机械手，该仿生软体机械手模仿了自然界中蟒蛇缠绕抓取的方式，在保证机械手柔顺性的前提下，可以获取更大的抓取力，同时，采用单个线绳的驱动方式，可以自动适应形状复杂的抓取目标。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种线驱动仿生软体机械手，包括线驱动总成、机架总成、执行器总成；多个执行器总成以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在机架总成上；线驱动总成依次穿过所有执行器总成且与执行器总成滚动连接，线驱动总成用于将外部驱动力传递给执行器总成。

进一步地，所述线驱动总成包括驱动输入接头、导向槽、柔性钢丝绳，两个驱动输入接头固连在柔性钢丝绳的两端，用于柔性钢丝绳驱动力的输入，柔性钢丝绳依次穿过所有执行器总成且与执行器总成滚动连接，两个导向槽通固连在机架总成上，导向槽用于对柔性钢丝绳导向。

进一步地，所述机架总成包括主体机架、机械手连接件，主体机架整体呈筒状，多个执行器总成以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在主体机架上，机械手连接件固定在主体机架一端。

进一步地，所述执行器总成包括执行器座体、弹簧机构、滚轮机构、涨紧气囊；弹簧机构主体位于执行器座体内，弹簧机构顶端与执行器座体滑动连接，底端伸出执行器座体外并与滚轮机构固定连接；涨紧气囊安装在滚轮机构底部；执行器总成呈径向安装在主体机架上，执行器座体固定在主体机架外侧，滚轮机构位于主体机架内部，所述线驱动总成滚动连接穿过滚轮机构并与滚轮机构连接。

进一步地，所述弹簧机构由滑块、弹簧推杆、压缩弹簧组成，滑块固定在弹簧推杆顶端，且滑块通过基座滑轨与执行器座体构成移动副，压缩弹簧套接在弹簧推杆上且抵接在执行器座体与滑块之间，弹簧推杆底端伸出执行器座体底部连接所述滚轮机构。

进一步地，所述滚轮机构由滚轮支座、滚轮、销轴组成，滚轮通过销轴与滚轮支座构成转动副，滚轮支座固连在所述弹簧机构的底端，滚轮用于对所述线驱动总成支撑并导向。

进一步地，所述涨紧气囊粘接在滚轮机构的底部凹槽上，涨紧气囊设有两个对称分布的导气管。

本发明的有益效果：

1、本发明模仿了自然界中蟒蛇缠绕抓取的方式，这种方式在保证机械手柔顺性的前提下，可以获取更大的抓取(挤压)力，在抓取大质量物体时更加稳定。采用单个线绳的驱动方式，可以自动适应形状复杂的抓取目标。

2、本发明同时引入气动涨紧气囊，通过调节涨紧气囊内部的压力，可以进一步地适应抓取物复杂的形状结构，提高机械手的抓取力及抓取稳定性。

附图说明

图1为本发明的三维示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的局部剖视图。

图4为线驱动总成的三维视图。

图5为执行器总成的三维示意图。

图6为执行器总成的主视图。

图7为执行器基座的三维示意图。

图8为涨紧气囊的三维示意图。

图9为滚轮支座的三维示意图。

图10为机械手连接件的三维示意图。

图中：1-线驱动总成；11-驱动输入接头；12-导向槽；13-第一螺钉；14-柔性钢丝绳；2-机架总成；21-主体机架；22-第二螺钉；23-第三螺钉；24-机械手连接件；3-执行器总成；31-底座；32-滑块；33-基座；331-基座滑轨；34-弹簧推杆；35-压缩弹簧；36-第四螺钉；37-滚轮支座；371-底部凹槽；38-滚轮；39-销轴；310-涨紧气囊；3101-导气管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细介绍本发明的技术方案：

自然界中的大多柔性生物在保持其柔软特性的前提下，依然拥有强大的抓取(挤压)力。例如，蟒蛇在捕获抓取猎物时，以身体缠绕的方式可以提供远远大于其身体重力几倍的挤压力，以防止被捕获目标挣脱，从而快速地完成对猎物的抓取。这种柔性生物以缠绕身体抓取猎物的方式，是在保证软体抓取适应性强的前提下，以极大的抓取力完成与外界的交互。受此启发，将蟒蛇的抓取方式应用在软体机械手上，以解决现有软体机械手夹持力低、负载能力差的缺点。

请参阅图1至图10所示，本实施例一种线驱动仿生软体机械手，包括线驱动总成1、机架总成2、执行器总成3；多个执行器总成3通过第二螺钉22以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在主体机架21上；线驱动总成1依次穿过所有执行器总成3且与执行器总成3滚动连接，线驱动总成1用于将外部驱动力通过滚轮38传递给执行器总成3。

如图1、图2、图3、图4所示，所述线驱动总成1包含驱动输入接头11、导向槽12、第一螺钉13、柔性钢丝绳14。柔性钢丝绳14采用柔性钢丝制作，在被拉伸时长度变化极小，从而保证位置控制精度及抓取力的有效施加。两个驱动输入接头11固连在柔性钢丝绳14的两端，用于柔性钢丝绳14驱动力的输入。两个导向槽12通过第一螺钉13固连在主体机架21上，导向槽12主要起到对柔性钢丝绳14的导向作用。这里，当外界的驱动力通过两个驱动输入接头11传递给柔性钢丝绳14时，柔性钢丝绳14通过滚轮38将驱动力传递给执行器总成3。

如图1、图2、图3、图10所示，所述机架总成2包含主体机架21、第二螺钉22、第三螺钉23、机械手连接件24。主体机架21整体呈筒状，多个执行器总成3通过第二螺钉22以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在主体机架21上。机械手连接件24通过第三螺钉23固定在主体机架21一端，机械手连接件24用于连接外部操作臂。

如图1、图2、图3、图5、图6、图7、图8、图9所示，所述执行器总成3包括执行器座体、弹簧机构、滚轮机构、涨紧气囊310，弹簧机构主体位于执行器座体内，弹簧机构顶端与执行器座体滑动连接，底端伸出执行器座体外并与滚轮机构固定连接，涨紧气囊310安装在滚轮机构底部。执行器总成3呈径向安装在主体机架21上，执行器座体通过第二螺钉22固定在主体机架21外侧，滚轮机构位于主体机架21内部。

所述执行器座体包括底座31及基座33，底座31通过四个对称布置的第四螺钉36固连在基座33上。弹簧机构由滑块32、弹簧推杆34、压缩弹簧35组成，滑块32固定在弹簧推杆34顶端，且滑块32通过固定在基座33内侧的基座滑轨331与基座33构成移动副，压缩弹簧35套接在弹簧推杆34上且抵接在基座33与滑块32之间，弹簧推杆34底端伸出基座33底部。滚轮机构由滚轮支座37、滚轮38、销轴39组成，滚轮38通过销轴39与滚轮支座37构成转动副，滚轮支座37固连在弹簧推杆34的底端。为了实现准确、稳定的连接，涨紧气囊310粘接在滚轮支座37的底部凹槽371上。涨紧气囊310在充气状态下具有一定的柔性，对抓取目标有一定的保护作用。涨紧气囊310有两个对称分布的导气管3101，导气管3101通过硬质材料制作，这有利于它随着滚轮支座37上下移动，选用两个导气管3101同时充气和出气，可以提高在挤压条件下的气囊充气和出气效率。

执行器总成3的驱动力是由柔性钢丝绳14提供的，随着柔性钢丝绳14不断地收紧，滚轮38带动滚轮支座37沿着主体机架21的径向运动，从而产生夹紧力，在这个过程中，压缩弹簧35也随之逐渐压缩，存储了回弹所需的弹性势能。由于所有的执行器总成3都由一个柔性钢丝绳14提供驱动力，所以，机械手可以适应不同形状的抓取目标，在一部分执行器总成3接触到抓取目标的轮廓之后，剩余未接触到抓取目标的执行器总成3仍然会在柔性钢丝绳14的驱动下继续运动，直到接触到抓取目标。之后，再利用涨紧气囊310的充气膨胀，实现更加可靠的接触。在释放抓取物体时，停止柔性钢丝绳14的驱动力输入，涨紧气囊310释放内部压力气体，此时，执行器总成3中的压缩弹簧35回弹，将滚轮支座37及柔性钢丝绳14恢复到初始状态。

以下介绍本发明的工作过程和工作原理：

在具体的实施过程中，需要外部驱动源对柔性钢丝绳14进行驱动，柔性钢丝绳14依次通过滚轮38与多个执行器总成3构成接触关系，当柔性钢丝绳14收紧时，多个执行器总成3产生同步的向心运动，从而实现对目标的抓取。由于采用了单根柔性钢丝绳14驱动，当部分执行器总成3与抓取目标接触后，其余未形成接触的执行器总成3在柔性钢丝绳14的驱动下，仍然会继续完成向心运动，直到全部的执行器总成3完成可靠夹紧。这一特性可以使机械手方便地适应各种不同形状的抓取目标，增加了机械手的适用范围和抓取力。在柔性钢丝绳14完全收紧之后，对涨紧气囊310充气加压，可以再次提高对抓取物体的挤压力，从而进一步提高抓取的稳定性，在不需要抓取力非常大的场合，可以适当降低涨紧气囊310内的压强，使机械手具有更好的柔顺性。在释放抓取目标时，在每个执行器总成3中压缩弹簧35的驱动下，柔性钢丝绳14及执行器总成3可以快速恢复到初始状态。整个机械手作为执行装置，通过机械手连接件24与外部的操作臂连接，可以实现高适应性，大抓取力的抓取任务。

Claims

1.一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，包括线驱动总成、机架总成、执行器总成；多个执行器总成以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在机架总成上；线驱动总成依次穿过所有执行器总成且与执行器总成滚动连接，线驱动总成用于将外部驱动力传递给执行器总成；所述执行器总成包括执行器座体、弹簧机构、滚轮机构、涨紧气囊；弹簧机构主体位于执行器座体内，弹簧机构顶端与执行器座体滑动连接，底端伸出执行器座体外并与滚轮机构固定连接；涨紧气囊安装在滚轮机构底部；执行器总成呈径向安装在主体机架上，执行器座体固定在主体机架外侧，滚轮机构位于主体机架内部，所述线驱动总成滚动连接穿过滚轮机构并与滚轮机构连接。

2.如权利要求1所述的一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，所述线驱动总成包括驱动输入接头、导向槽、柔性钢丝绳，两个驱动输入接头固连在柔性钢丝绳的两端，用于柔性钢丝绳驱动力的输入，柔性钢丝绳依次穿过所有执行器总成且与执行器总成滚动连接，两个导向槽通固连在机架总成上，导向槽用于对柔性钢丝绳导向。

3.如权利要求1所述的一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，所述机架总成包括主体机架、机械手连接件，主体机架整体呈筒状，多个执行器总成以圆柱螺旋线的布置形式均匀固定在主体机架上，机械手连接件固定在主体机架一端。

4.如权利要求1所述的一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，所述弹簧机构由滑块、弹簧推杆、压缩弹簧组成，滑块固定在弹簧推杆顶端，且滑块通过基座滑轨与执行器座体构成移动副，压缩弹簧套接在弹簧推杆上且抵接在执行器座体与滑块之间，弹簧推杆底端伸出执行器座体底部连接所述滚轮机构。

5.如权利要求1所述的一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，所述滚轮机构由滚轮支座、滚轮、销轴组成，滚轮通过销轴与滚轮支座构成转动副，滚轮支座固连在所述弹簧机构的底端，滚轮用于对所述线驱动总成支撑并导向。

6.如权利要求1所述的一种线驱动仿生软体机械手，其特征在于，所述涨紧气囊粘接在滚轮机构的底部凹槽上，涨紧气囊设有两个对称分布的导气管。