CN111687867A - 一种具有主动变刚度功能的软体机械手 - Google Patents

Abstract

一种具有主动变刚度功能的软体机械手，涉及软体机器人技术领域。为解决现有的具有变刚度功能的软体机械手，柔顺性、结构紧凑性较差，制备工艺复杂，变刚度与变形存在耦合的问题。支架的下表面沿圆周方向均匀的设有三个软体指，支架的上表面沿圆周方向均匀的设有三个柔性带驱动机构，且每个软体指对应一个柔性带驱动机构，支架的上表面中心处设有一个镂空框架，框架内部设有一个四通，四通的竖直端口与主气管的一端固定连接，主气管的另一端与外界的气源输出端连接，四通的三个水平端口分别与一根软管的一端固定连接，软管的另一端插入到软体指的内部。本发明适用于对工业分拣、农业采摘、家庭服务、康复助力等领域。

Description

一种具有主动变刚度功能的软体机械手

技术领域

本发明涉及软体机器人技术领域，具体涉及一种具有主动变刚度功能的软体机械手。

背景技术

目前，机器人技术在人类生产与生活中发挥着重要作用，相关研究的开展对推进我国智能制造事业具有重要意义。其中，机械手作为末端执行器，是机器人系统的核心组成部件之一。相比于传统的刚性机械手，软体机械手柔软易变形的特点使其在柔顺性、抗冲击性、交互友好性等方面具有独特的优势，在工业分拣、农业采摘、家庭服务、康复助力等方面具有广阔的应用前景。然而，柔软易变形的特点意味着刚度低，软体机械手在负载能力、操控精度及稳定性等方面存在不足。因此，研制具有主动变刚度功能的软体机械手，兼顾高柔顺性与高刚度，能够大大提高软体机械手的整体性能及其实际应用价值。现有的软体机械手，其变刚度功能的实现均是基于附加的变刚度机构实现的，例如利用颗粒阻塞原理，通过抽真空增加刚度；利用低熔点合金，通过加热实现高/低刚度的切换；模仿生物鳞片结构，通过挤压提高刚度。这些变刚度方法，变刚度机构体积大，降低了软体机械手结构紧凑型，提高了制备复杂性；包含刚性部件，降低了软体机械手的柔顺性；利用电加热的方式，响应慢；变刚度过程与软体机械手变形存在耦合。这些缺点均限制了其在软体机械手技术中的实际应用。

综上所述，现有的具有变刚度功能的软体机械手，柔顺性、结构紧凑性较差，制备工艺复杂，变刚度与变形存在耦合的问题。

发明内容

本发明为解决现有的具有变刚度功能的软体机械手，柔顺性、结构紧凑性较差，制备工艺复杂，变刚度与变形存在耦合的问题，而提出一种具有主动变刚度功能的软体机械手。

本发明的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其组成包括软体指、支架、柔性带驱动机构、主气管、四通和软管；

支架的下表面沿圆周方向均匀的设有三个软体指，支架的上表面沿圆周方向均匀的设有三个柔性带驱动机构，且每个软体指对应一个柔性带驱动机构，支架的上表面中心处设有一个镂空框架，框架内部设有一个四通，四通的竖直端口与主气管的一端固定连接，主气管的另一端与外界的气源输出端连接，四通的三个水平端口分别与一根软管的一端固定连接，软管的另一端插入到软体指的内部；

进一步的，所述的软体指包括本体、柔性带导槽、气腔和限制层；本体的上表面设有一个柔性带导槽，且本体的内部沿轴向方向设有n个气腔，n为正整数，本体的侧面设有限制层；

进一步的，所述的本体的材质采用超弹性材料硅胶，弹性模量为0.1MPa；

进一步的，所述的软管外表面均匀的设有m个气孔，m为正整数，且所有的气孔的圆心共线设置，每个气孔对应一个本体内部的气腔10；

进一步的，所述的柔性驱动机构包括柔性带、电机支架、伺服电机和带轮；电机支架的底面与支架的上表面固定连接，电机支架的上表面设有伺服电机，伺服电机的输出轴上设有带轮，带轮上缠有柔性带，柔性带的末端依次穿过支架和柔性带导槽，与软体指的底端固定连接；

进一步的，所述的电机支架和带轮的材质均为ABS塑料；

进一步的，所述的限制层和柔性带的材质均为柔性材质；

进一步的，所述的气孔的数量m等于气腔的数量n，m＝n；

进一步的，所述的气腔的数量n，1≤n≤30；

进一步的，在使用时，将主气管的另一端与外界的气源输出端连接，打开外界的气泵，通过外部气源调节充气气压，柔性带驱动机构中的柔性带的末端依次穿过支架和柔性带导槽，与软体指的底端固定连接，通过控制伺服电机的转动，调节柔性带的长度，再通过向气腔内充气使软体指弯曲变形实现软体机械手的抓取动作，当弯曲角度随充气气压升高而接近目标角度时，柔性带被拉紧，形成约束限制软体指的进一步弯曲，之后通过调整充气气压和柔性带长度，使软体指达到既定的弯曲角度和刚度，实现软体机械手的主动变刚度功能。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明克服了现有技术的缺点，采用当弯曲角度随充气气压升高而接近目标角度时，柔性带被拉紧，形成约束限制软体指的进一步弯曲，之后通过调整充气气压和柔性带长度，使软体指在任一弯曲角度下获得不同的刚度，实现软体机械手的主动变刚度功能，并且提高软体指在工作时的柔顺度，同时避免出现变刚度与变形(即软体指的弯曲角度)存在耦合的问题。

二、本发明克服了现有技术的缺点，采用支架的上表面中心处设有一个镂空框架，框架内部设有一个四通，四通的竖直端口与主气管的一端固定连接，主气管的另一端与外界的气源输出端连接，四通的三个水平端口分别与一根软管的一端固定连接，软管的另一端插入到软体指的内部，结构紧凑，制备工艺比较简单。

三、本发明操作简单，使用方便。

附图说明

图1是本发明所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手的三维立体结构示意图；

图2是本发明所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手中软体指的三维立体结构示意图；

图3是本发明所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手中软体指与柔性带驱动机构的连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手包括软体指1、支架2、柔性带驱动机构3、主气管4、四通5和软管7；

支架2的下表面沿圆周方向均匀的设有三个软体指1，支架2的上表面沿圆周方向均匀的设有三个柔性带驱动机构3，且每个软体指1对应一个柔性带驱动机构3，支架2的上表面中心处设有一个镂空框架，框架内部设有一个四通5，四通5的竖直端口与主气管4的一端固定连接，主气管4的另一端与外界的气源输出端连接，四通5的三个水平端口分别与一根软管7的一端固定连接，软管7的另一端插入到软体指1的内部；

本具体实施方式，在使用时，将主气管4的另一端与外界的气源输出端连接，打开外界的气泵，通过外部气源调节充气气压，柔性带驱动机构3中的柔性带9的末端依次穿过支架2和柔性带导槽8，与软体指1的底端固定连接，通过控制伺服电机14的转动，调节柔性带的长度，再通过向气腔10内充气使软体指弯曲变形实现软体机械手的抓取动作，当弯曲角度随充气气压升高而接近目标角度时，柔性带09被拉紧，形成约束限制软体指1的进一步弯曲，之后通过调整充气气压和柔性带长度，使软体指1达到既定的弯曲角度和刚度，实现软体机械手的主动变刚度功能。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的软体指1包括本体6、柔性带导槽8、气腔10和限制层12；本体6的上表面设有一个柔性带导槽8，且本体6的内部沿轴向方向设有n个气腔10，n为正整数，本体6的侧面设有限制层12；

本具体实施方式，可应用于工业分拣、农业采摘、家庭服务、康复助力等领域，特别是友好性、安全性要求高的场合，本实施方案单个软体指重约36g，软体机械手整体重约200g，充气气压越高刚度越高，当充气气压为35kPa时，刚度提高了6倍，软体机械手的软体指向指背一侧弯曲最高达到120°，向指腹一侧弯曲最高达到90°，抓取物体的负载能力达到3.6kg，负重比高大18。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的本体6的材质采用超弹性材料硅胶，弹性模量为0.1MPa；

本具体实施方式，采用本体6的材质采用超弹性材料硅胶，弹性模量为0.1MPa，提高柔顺度。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的软管7外表面均匀的设有m个气孔11，m为正整数，且所有的气孔11的圆心共线设置，每个气孔11对应一个本体6内部的气腔10；

本具体实施方式，采用将多个气腔10通过一根软著7连通，提高装置的可靠性，若出现损坏，维修时可对软管7进行更换，维修简单、方便。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的气孔11的数量m等于气腔10的数量n，m＝n。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的气腔10的数量n，1≤n≤30；

本具体实施方式，采用气腔10的数量n，1≤n≤30，实现软体指1进行不同角度的弯曲。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的柔性带驱动机构3包括柔性带9、电机支架13、伺服电机14和带轮15；电机支架13的底面与支架2的上表面固定连接，电机支架13的上表面设有伺服电机14，伺服电机14的输出轴上设有带轮15，带轮15上缠有柔性带9，柔性带9的末端依次穿过支架2和柔性带导槽8，与软体指1的底端固定连接；

本具体实施方式，采用当弯曲角度随充气气压升高而接近目标角度时，柔性带被拉紧，形成约束限制软体指的进一步弯曲，之后通过调整充气气压和柔性带长度，使软体指达到既定的弯曲角度和刚度，实现软体机械手的主动变刚度功能，并且提高软体指在工作时的柔顺度。

具体实施方式八：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的电机支架13和带轮15的材质均为ABS塑料；

本具体实施方式，采用电机支架13和带轮15的材质均为ABS塑料，此种材料比较耐用，不易损坏，并其制作工艺比较简单，成本低。

具体实施方式九：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式七所述的软体机械手的进一步的限定，本实施方式所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，所述的限制层12和柔性带9的材质均为柔性材质；

本具体实施方式，采用限制层12和柔性带9的材质均为柔性材质，提高软体指1的柔顺度。

工作原理

在使用时，将主气管4的另一端与外界的气源输出端连接，打开外界的气泵，通过外部气源调节充气气压，柔性带驱动机构3中的柔性带9的末端依次穿过支架2和柔性带导槽8，与软体指1的底端固定连接，通过控制伺服电机14的转动，调节柔性带的长度，再通过向气腔10内充气使软体指弯曲变形实现软体机械手的抓取动作，当弯曲角度随充气气压升高而接近目标角度时，柔性带9被拉紧，形成约束限制软体指1的进一步弯曲，之后通过调整充气气压和柔性带长度，使软体指1达到既定的弯曲角度和刚度，实现软体机械手的主动变刚度功能。

Claims (9)

1.一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：其包括软体指(1)、支架(2)、柔性带驱动机构(3)、主气管(4)、四通(5)和软管(7)；

支架(2)的下表面沿圆周方向均匀的设有三个软体指(1)，支架(2)的上表面沿圆周方向均匀的设有三个柔性带驱动机构(3)，且每个软体指(1)对应一个柔性带驱动机构(3)，支架(2)的上表面中心处设有一个镂空框架，框架内部设有一个四通(5)，四通(5)的竖直端口与主气管(4)的一端固定连接，主气管(4)的另一端与外界的气源输出端连接，四通(5)的三个水平端口分别与一根软管(7)的一端固定连接，软管(7)的另一端插入到软体指(1)的内部。

2.根据权利要求1所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的软体指(1)包括本体(6)、柔性带导槽(8)、气腔(10)和限制层(12)；本体(6)的上表面设有一个柔性带导槽(8)，且本体(6)的内部沿轴向方向设有n个气腔(10)，n为正整数，本体(6)的侧面设有限制层(12)。

3.根据权利要求2所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的本体(6)的材质采用超弹性材料硅胶，弹性模量为0.1MPa。

4.根据权利要求2所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的软管(7)外表面均匀的设有m个气孔(11)，m为正整数，且所有的气孔(11)的圆心共线设置，每个气孔(11)对应一个本体(6)内部的气腔(10)。

5.根据权利要求4所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的气孔(11)的数量m等于气腔(10)的数量n，m＝n。

6.根据权利要求5所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的气腔(10)的数量n，1≤n≤30。

7.根据权利要求1所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的柔性带驱动机构(3)包括柔性带(9)、电机支架(13)、伺服电机(14)和带轮(15)；电机支架(13)的底面与支架(2)的上表面固定连接，电机支架(13)的上表面设有伺服电机(14)，伺服电机(14)的输出轴上设有带轮(15)，带轮(15)上缠有柔性带(9)，柔性带(9)的末端依次穿过支架(2)和柔性带导槽(8)，与软体指(1)的底端固定连接。

8.根据权利要求7所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：所述的电机支架(13)和带轮(15)的材质均为ABS塑料。

9.根据权利要求2或7所述的一种具有主动变刚度功能的软体机械手，其特征在于：限制层(12)和柔性带(9)的材质均为柔性材质。

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