CN111515936A - 外骨骼仿生手指及仿生机械手 - Google Patents

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陈睿
郭隽
黎程
周珊瑶
顾宇灵
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Guangdong Provincial Institute Of Traditional Medicine And Sports Injury Rehabilitation
Shanghai Tianyin Biotechnology Co ltd
Guangdong No 2 Peoples Hospital
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Guangdong Provincial Institute Of Traditional Medicine And Sports Injury Rehabilitation
Shanghai Tianyin Biotechnology Co ltd
Guangdong No 2 Peoples Hospital
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Abstract

本发明公开了一种外骨骼仿生手指，包括：若干指节，所述指节呈中空管体，从外到内依次为刚性层、软性层嵌套连接；用于依次连接所述若干指节的伸缩结构，所述伸缩结构连接所述软性层且设于所述刚性层内，所述软性层和所述伸缩结构内连通形成封闭气腔。本发明外骨骼仿生手指，通过分别设置刚性层和软性层，在满足指节柔性弯曲需求的同时，保证了指节的刚度，更加贴近人体的实际手指形态，可以满足在抓取、按摩等领域的各种仿生需求。

Description

外骨骼仿生手指及仿生机械手
技术领域
本发明涉及仿生机械领域，特别指一种外骨骼仿生手指及仿生机械手。
背景技术
目前，针对基于人体仿生的机械手，因为应用的广泛而得到了关注。仿生机械手的核心在于仿生手指，市场上的仿生手指大多采用气动多腔室结构，通过对气体腔室充气，使得软体手整体向一定的方向弯曲而实现抓取功能。如中国发明专利CN110142797A公开的一种软体手指，包括至少一组气动弯曲模块和折纸式连接机构；每个所述折纸式连接机构包括折纸式伸缩模块和两个连接件，两个所述连接件分别连接于所述折纸式伸缩模块的两端，一端的所述连接件与所述气动弯曲模块连接；另一端的所述连接件与相邻的所述气动弯曲模块或支撑机构连接；每个所述连接件与所述折纸式伸缩模块之间安装有复位板簧，所述复位板簧用于弯曲时为对应的所述连接件及所述折纸式伸缩模块提供回复力。
但是上述方案在实际抓取物体时，折纸式连接机构会因为负载而导致变形，导致整个手指出现反向弯曲，从而导致抓取不牢等现象。
基于此，如何提供一种刚度可以满足真正仿生要求的仿生手指，成为了业内亟需解决的技术问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够满足刚度要求的仿生手指。
技术方案：一种外骨骼仿生手指，包括：
若干指节，所述指节呈中空管体，从外到内依次为刚性层、软性层嵌套连接；
用于依次连接所述若干指节的伸缩结构，所述伸缩结构连接所述软性层且设于所述刚性层内，所述软性层和所述伸缩结构内连通形成封闭气腔。
进一步地，所述刚性层顶部的水平两端设有水平向凸起，当每两个相邻所述指节处于平直状态时，所述凸起彼此抵接。
进一步地，每两个相邻指节的所述凸起上分别设有突出部和凹陷部，当所述凸起彼此抵接时，所述突出部与所述凹陷部咬合。
进一步地，所述刚性层底部的水平两端设有水平向凹陷。
进一步地，所述封闭气腔内底部设有加热组件和弯曲传感器。
进一步地，所述伸缩结构包括线性底面和连接所述线性底面的波浪形结构，所述波浪形结构包括至少一个波峰和至少一个波谷，所述波峰和波谷依次相连。
进一步地，每相邻两个所述指节的刚性层上分别设有圆形凹陷和圆形凸起，每相邻两个所述指节通过所述圆形凹陷和圆形凸起实现活动连接。
进一步地，所述波浪形结构的横截面为圆弧形。
进一步地，所述指节包括指尖段、指腹段和指根段，所述指尖段、指腹段和指根段通过所述伸缩结构依次连接，所述指根段尾端封闭并通过气管与外界气路连通，所述指尖段前端高度沿指尖方向逐渐降低。
本发明还提供一种仿生机械手，包括：基座和设置于所述基座上的如所述的外骨骼仿生手指。
有益效果：本发明外骨骼仿生手指，通过分别设置刚性层和软性层，在满足指节柔性弯曲需求的同时，保证了指节的刚度，更加贴近人体的实际手指形态，可以满足在抓取、按摩等领域的各种仿生需求。
附图说明
附图1为本发明外骨骼仿生手指的一个实施例的立体结构示意图；
附图2为图1所示外骨骼仿生手指的平面剖视结构示意图；
附图3为图1所示外骨骼仿生手指的平面结构示意图；
附图4为本发明外骨骼仿生手指的另一个实施例的突起部结构示意图；
附图5为本发明仿生机械手的一个实施例的立体结构示意图；
附图6为本发明仿生机械手的另一个实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1至3所示的本发明外骨骼仿生手指的一个实施例，包括:若干指节1，所述指节1呈中空管体，从外到内依次为刚性层11、软性层12嵌套连接；用于依次连接所述若干指节1的伸缩结构2，所述伸缩结构2连接所述软性层12且设于所述刚性层11内，所述软性层12和所述伸缩结构2内连通形成封闭气腔。本发明外骨骼仿生手指，通过分别设置刚性层11和软性层12，在满足指节1柔性弯曲需求的同时，保证了指节1的刚度，更加贴近人体的实际手指形态，可以满足在抓取、按摩等领域的各种仿生需求。
在本实施例中，刚性层11为钛合金制成的中空管体，软性层12为硅胶制成的中空管体，在其他实施例中，刚性层11和软性层12也可以采用其他材料制成，这样的材料变化依旧落入本发明的保护范围之内。每相邻两个所述指节1的刚性层11上分别设有圆形凹陷和圆形凸起的配合结构14，每相邻两个所述指节1通过所述圆形凹陷和圆形凸起实现活动连接，非常易于拆装，便于维护。
在本实施例中，所述指节1包括指尖段、指腹段和指根段，所述指尖段、指腹段和指根段通过所述伸缩结构2以及圆形凹陷和圆形凸起的配合结构14依次连接，所述指根段尾端封闭并通过气管与外界气路连通，所述指尖段前端高度沿指尖方向逐渐降低。指尖段、指腹段和指根段的设置，更加贴近人体实际手指的形态，能够提供更优的仿生效果，特别适用于按摩、抓取等领域，能够更加精准的模拟人手的抓取、按压效果。
伸缩结构2包括线性底面和环绕所述线性底面设置的波浪形结构，波浪形结构包括多个依次连接的波峰和波谷，波峰的宽度沿竖直向上方向渐变小，而波谷的宽度沿竖直向上方向渐变大，所述波浪形结构的横截面为圆弧形。在实际工作中，因为线性底面的弹性模量大于波浪形结构的弹性模量，在封闭气腔内充气时，波浪形结构的形变也就大于线性底面，从而导致波浪形结构伸展，形成了弯曲；而封闭气腔内放气时，波浪形结构在波峰和波谷的弹性作用下收缩，形成软性层的平直状态。而波浪形结构圆弧形横截面的设置，可以保证相对较好的扭矩，抵抗外骨骼仿生手指在受力时发生的扭转变形。
在其他实施例中，线性底面的横截面为“ㄩ”型，波浪形结构位于线性底面的上侧，这种方式可以保证弯曲的方向性，不会发生外骨骼仿生手指径向或周向的变形。
在本实施例中，所述刚性层11顶部的水平两端设有水平向凸起111，当每两个相邻所述指节1处于平直状态时，所述凸起111彼此抵接，从而可以保证两相邻指节1不会出现反向弯曲，保证了轴向的强度，更加贴近真实人体手指。
作为对本实施例的进一步优化，所述刚性层1底部的水平两端设有水平向凹陷112，从而使得指节1弯曲时指节下底面不会因为彼此抵接而出现干涉现象，同时也保证了弯曲动作的流畅性。
在其他实施例中，每两个相邻指节1的所述凸起111上分别设有突出部和凹陷部113，当所述凸起111彼此抵接时，所述突出部与所述凹陷部113咬合。通过设置突出部和凹陷部113，在咬合时可以进一步提升在凸起111抵接时抵抗外骨骼仿生手指发生周向扭转变形的能力，进一步保证弯曲的方向精度，同时也保证了在外骨骼仿生手指处于平直状态时的强度与刚度，如图4所示。
作为对本实施例进一步地优化，为了提高仿生性能，与人体手指更加近似，所述封闭气腔内底部设有加热组件(图示未给出)，所述加热组件(图示未给出)包括紧贴封闭气腔内底部设置的加热线路(图示未给出)和温度传感器(图示未给出)。所述封闭气腔内底部还设有用于感应外骨骼仿生手指弯曲度的弯曲传感器(图示未给出)。所述指节1下侧设有仿生层，优选地，仿生层采用硅胶制成。
本发明还提供如图5所示的一种仿生机械手，包括：基座6和设置于所述基座上的如前所述的软体的外骨骼仿生手指。基座6可以为圆形基座，外骨骼仿生手指呈阵列设置于外骨骼仿生手指上，也可以采用仿人体手掌的形式，将两到四个外骨骼仿生手指呈直线依次排布于基座6上，再将一个外骨骼仿生手指单独布置于直线外骨骼仿生手指一侧，如图6所示。这样，则形成符合人体实际的手掌，更加贴近人体实际抓取、按压动作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种外骨骼仿生手指，其特征在于，包括：
若干指节，所述指节呈中空管体，从外到内依次为刚性层、软性层嵌套连接；
用于依次连接所述若干指节的伸缩结构，所述伸缩结构连接所述软性层且设于所述刚性层内，所述软性层和所述伸缩结构内连通形成封闭气腔。
2.根据权利要求1所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述刚性层顶部的水平两端设有水平向凸起，当每两个相邻所述指节处于平直状态时，所述凸起彼此抵接。
3.根据权利要求2所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：每两个相邻指节的所述凸起上分别设有突出部和凹陷部，当所述凸起彼此抵接时，所述突出部与所述凹陷部咬合。
4.根据权利要求2所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述刚性层底部的水平两端设有水平向凹陷。
5.根据权利要求1所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述封闭气腔内底部设有加热组件和弯曲传感器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述伸缩结构包括线性底面和连接所述线性底面的波浪形结构，所述波浪形结构包括至少一个波峰和至少一个波谷，所述波峰和波谷依次相连。
7.根据权利要求6所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：每相邻两个所述指节的刚性层上分别设有圆形凹陷和圆形凸起，每相邻两个所述指节通过所述圆形凹陷和圆形凸起实现活动连接。
8.根据权利要求6所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述波浪形结构的横截面为圆弧形。
9.根据权利要求6所述的外骨骼仿生手指，其特征在于：所述指节包括指尖段、指腹段和指根段，所述指尖段、指腹段和指根段通过所述伸缩结构依次连接，所述指根段尾端封闭并通过气管与外界气路连通，所述指尖段前端高度沿指尖方向逐渐降低。
10.一种仿生机械手，其特征在于，包括：基座和设置于所述基座上的如权利要求1-9中任一项所述的外骨骼仿生手指。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113427504A (zh) * 2021-07-09 2021-09-24 北京理工大学 一种应用于空间机械臂的软抓手手指

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