CN111791248B - 一种用于寒冷环境的柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于寒冷环境的柔性机械手，包括五根手指和一个手掌，手指和手掌分布在同一个平面，手指包括扩展区、非扩展区和固定区。通过本发明的技术方案，能够避免在寒冷环境下柔性机械手的加工材料不硬化、不脆化；能够保证柔性机械手在寒冷环境下的柔性功能；选用的凝胶型冰雪材料成本低、绿色环保无污染；能够通过气体或液体实现柔性机械手的快速、稳定相应。

Description

一种用于寒冷环境的柔性机械手

技术领域

本发明属于机器人的末端执行器技术领域，尤其涉及一种用于寒冷环境下的柔性机械手。

背景技术

柔性机械手采用弹性材料加工制作成特定的空腔结构，借助流体驱动，实现机械手的伸展、弯曲、侧摆等复杂动作，具有整体机构简单、可变形性强、环境适应性好等特点，在生物医疗、工业自动化、物流仓储等领域具有广泛的应用。

为了提高柔性机械手的动作复杂性和精度，现有研究通过改进柔性机械手的结构设计、增加传感器模块、引入仿生学的概念，以获得所期成效。

然而，柔性机械手采用弹性和强度都较低的柔性材料制作而成，这些柔性材料在寒冷环境下因温度的降低，弹性和强度会显著升高，发生硬化和脆化。因此，在寒冷环境下，机械手不仅失去柔性功能，脆化的材料也极易形成裂纹导致机械手的功能失效。但是，现有的专利都未考虑柔性机械手在寒冷环境下服役面临的材料硬化、脆化以及功能失效的问题。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种用于寒冷环境的柔性机械手，选用凝固温度可调的凝胶冰雪材料加工制作柔性机械手，确保柔性机械手的加工材料在低温条件下不发生硬化、脆化，进而获得寒冷环境下能够稳定服役的柔性机械手。本发明的具体技术方案如下：

一种用于寒冷环境的柔性机械手，其特征在于，包括五根手指和一个手掌，所述手指和所述手掌分布在同一个平面，其中，

所述手指包括扩展区、非扩展区和固定区；所述扩展区为长方体，沿所述长方体的最长边等距设置多个凹槽，形成梳齿形状，每个梳齿内部设置空腔，在所述空腔内安装密封管；所述非扩展区为与所述扩展区的相配合的表面设置凹槽的薄板；所述固定区为与所述扩展区、所述非扩展区和所述手掌相配合的设置通气孔的薄板；所述固定区的通气孔、所述非扩展区的凹槽、所述扩展区的空腔三者相通，流体能够在手指内部流动，通过密封管对手指进行充气或充入液体实现手指的弯曲，放气或抽出液体实现手指的伸张，通过对五根手指的协调充放气体或充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张；

所述手掌由上壳体和下壳体组装形成，内部中空，并与五根手指相配合安装形成柔性机械手。

进一步地，所述手指和手掌均由凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料制成，所述凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料由丙烯酰胺类聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、无机盐和水制成，其质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.1～30:100。

进一步地，所述手指和手掌均由双组元混合凝胶冰雪材料制成，所述双组元混合凝胶冰雪材料通过将质量分数为0.5～3wt％的海藻酸钠溶液和质量分数为0.1～5wt％的金属盐溶液混合搅拌或喷洒实现接触形成，海藻酸钠溶液和金属盐溶液的质量比为1:0.1～10。

进一步地，所述手指和手掌均由丙酰胺类晶体状雪材料制成，所述丙酰胺类晶体状雪材料的制备原材料为：聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、发泡剂、碳酸盐、铝盐、泡沫稳定剂和水，各原材料的质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.01～5.0:0.1～5.2:0.05～2.6:0.02～1.5:100。

进一步地，所述手指的非扩展区由聚二甲基硅氧烷制成，所述手掌和手指的固定区由环氧树脂、金属材料或陶瓷材料制成。

进一步地，所述手指和手掌分别通过模具浇筑成型、3D打印立体成型或粘结组装成型。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的柔性机械手能够避免在寒冷环境下柔性机械手的加工材料不硬化、不脆化；

2.本发明的柔性机械手能够保证柔性机械手在寒冷环境下的柔性功能；

3.本发明的柔性机械手选用的凝胶型冰雪材料成本低、绿色环保无污染；

4.本发明的柔性机械手能够通过气体或液体实现柔性机械手的快速、稳定相应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1(a)是本发明的手指整体结构图；

图1(b)是本发明的手指分解结构图；

图2是本发明的手指扩展区结构图；

图3是本发明的手指非扩展区结构图；

图4是本发明的手指固定区结构图；

图5(a)是本发明的手掌整体结构图；

图5(b)是本发明的手掌分解结构图；

图6是本发明的手掌下壳体结构图；

图7是本发明的手掌上壳体结构图；

图8是本发明的柔性机械手整体结构图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1(a)、图1(b)、图5(a)、图5(b)和图8所示，一种用于寒冷环境的柔性机械手，其特征在于，包括五根手指和一个手掌，手指和手掌分布在同一个平面，其中，

手指包括扩展区、非扩展区和固定区；扩展区为长方体，沿长方体的最长边等距设置多个凹槽，形成梳齿形状，每个梳齿内部设置空腔，在空腔内安装密封管；非扩展区为与扩展区的相配合的表面设置凹槽的薄板；固定区为与扩展区、非扩展区和手掌相配合的设置通气孔的薄板；固定区的通气孔、非扩展区的凹槽、扩展区的空腔三者相通，流体能够在手指内部流动，通过密封管对手指进行充气或充入液体实现手指的弯曲，放气或抽出液体实现手指的伸张，通过对五根手指的协调充放气体或充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张；

手掌由上壳体和下壳体组装形成，内部中空，并与五根手指相配合安装形成柔性机械手。

手指和手掌均由凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料制成，凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料由丙烯酰胺类聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、无机盐和水制成，其质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.1～30:100。

手指和手掌均由双组元混合凝胶冰雪材料制成，双组元混合凝胶冰雪材料通过将质量分数为0.5～3wt％的海藻酸钠溶液和质量分数为0.1～5wt％的金属盐溶液混合搅拌或喷洒实现接触形成，海藻酸钠溶液和金属盐溶液的质量比为1:0.1～10。

手指和手掌均由丙酰胺类晶体状雪材料制成，丙酰胺类晶体状雪材料的制备原材料为：聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、发泡剂、碳酸盐、铝盐、泡沫稳定剂和水，各原材料的质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.01～5.0:0.1～5.2:0.05～2.6:0.02～1.5:100。

手指的非扩展区由聚二甲基硅氧烷制成，手掌和手指的固定区由环氧树脂、金属材料或陶瓷材料制成。

手指和手掌分别通过模具浇筑成型、3D打印立体成型或粘结组装成型。

手指扩展区的结构如图2所示。手指扩展区的结构尺寸a、b、c、d、e、f、g、h、i的取值范围为：a＝3-20，b＝0.5-5，c＝5-30，d＝0.5-5，e＝3-50，f＝0.5-10，g＝0.5-5，h＝0.5-10，i＝0.5-20,单位为毫米(mm)。手指扩展区的总长度为J，可根据实际情况设定。

手指非扩展区的结构如图3所示。手指非扩展区的结构尺寸a1、c1、d1、e1、f1的取值范围为：a1＝0.5-20，c1＝3-50，d1＝0.5-10，e1＝0.5-20，f1＝0.5-5，单位为毫米(mm)。手指非扩展区的总长度为b1，可根据手指扩展区长度J视情况设定。

手指固定区的结构如图4所示。手指固定区的结构尺寸a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、J2的取值范围为：a2＝0.5-20，b2＝0.5-20，c2＝1-40，d2＝0.5-40，e2＝0.5-20，f2＝0.5-15，g2＝0.5-40，h2＝0.5-20，J2＝0.5-10，单位为毫米(mm)。

选用凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料、双组元混合凝胶冰雪材料、丙酰胺类晶体状雪材料，或者其它材料、如环氧树脂、金属材料、陶瓷材料等，通过模具浇筑成型或者3D打印立体成型或者粘结组装成型，制备手指的固定区。

将手指的扩展区、非扩展区、固定区通过粘粘的方式组装在一起，或者通过3D打印技术或者模具浇筑实现扩展区、非扩展区、固定区的一体成型。

机械手手掌下壳体的结构如图6所示。机械手手掌下壳体的结构尺寸a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、L3、m3、n3、o3、p3、q3、r3、α3、β3、γ3、δ3、ε3、η3、κ3、λ3的取值范围为：a3＝40-150、b3＝50-200、c3＝10-50、d3＝15-100、e3＝10-30、f3＝10-100、g3＝10-50、h3＝10-100、i3＝5-50、j3＝5-20、k3＝5-20、L3＝2-20、m3＝0.1-20、n3＝2-20、o3＝2-20、p3＝0.1-20、q3＝3-30、r3＝10-30，单位为毫米(mm)，α3＝45-175、β3＝80-175、γ3＝80-175、δ3＝80-175、ε3＝80-175、η3＝80-300、κ3＝20-175、λ3＝80-175，单位为度(°)。

选用凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料、双组元混合凝胶冰雪材料、丙酰胺类晶体状雪材料，或者其它材料、如环氧树脂、金属材料、陶瓷材料等，通过模具浇筑成型或者3D打印立体成型或者粘结组装成型，制备柔性机械手手掌下壳体。

机械手手掌上壳体的结构如图7所示。机械手手掌上壳体的结构尺寸a4、b4、c4、d4、e4、f4、g4、h4、p4、α4、β4、γ4、δ4、ε4、η4、κ4、λ4的取值范围为：a4＝40-150、b4＝50-200、c4＝10-50、d4＝15-100、e4＝10-30、f4＝10-100、g4＝10-50、h4＝10-100，单位为毫米(mm)，α4＝45-175、β4＝80-175、γ4＝80-300、δ4＝80-175、ε4＝80-175、η4＝80-175、κ4＝20-175、λ4＝80-175，单位为度(°)。

选用凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料、双组元混合凝胶冰雪材料、丙酰胺类晶体状雪材料，或者其它材料、如环氧树脂、金属材料、陶瓷材料等，通过模具浇筑成型或者3D打印立体成型或者粘结组装成型，制备柔性机械手手掌上壳体。

将手指和手掌组装为一整体，如图8所示。同时在每根手指上安装密封管。通过密封管对手指进行充气或者充入液体实现手指的弯曲，放气或者抽出液体实现手指的伸张；通过对五根手指的协调充放气体或者充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张。

下面通过具体实施例来说明本发明技术方案的有效性。

实施例1

针对零下40摄氏度的极寒环境，选择凝固温度为零下50摄氏度的丙烯酰胺类凝胶型冰雪材料，制备的原材料为丙烯酰胺类聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、凝固温度和透光度调节剂和水，各原材料的质量比为：5:0.05:0.01:0.008:0.6:100。

首先，制作柔性机械手手指，具体地：

1.如图2所示，手指扩展区的结构尺寸a、b、c、d、e、f、g、h、i的取值为：a＝6，b＝1，c＝14，d＝2，e＝20，f＝2，g＝2，h＝2，i＝2，单位为毫米(mm)；五根手指扩展区的总长度分别为69mm、83mm、90mm、83mm、62mm。选择凝固温度为零下50摄氏度的丙烯酰胺类凝胶型冰雪材通过模具浇筑成型制成料手指扩展区。

2.如图3所示，手指非扩展区的结构尺寸a1、c1、d1、e1、f1的取值为：a1＝3，c1＝2，d1＝2，e1＝1，f1＝2，单位为毫米(mm)；五根手指非扩展区的总长度分别为69mm、83mm、90mm、83mm、62mm。选择聚二甲基硅氧烷材料通过模具浇筑成型制成手指扩展区。

3.如图4所示，手指固定区的结构尺寸a2、b2、c2、d2、e2、f2、g2、h2、J2的取值为：a2＝9，b2＝5，c2＝10，d2＝20，e2＝9，f2＝2，g2＝15，h2＝2，J2＝2，单位为毫米(mm)；选择聚二甲基硅氧烷材料通过模具浇筑成型制成手指固定区。

将手指的扩展区、非扩展区、固定区通过胶水粘粘组装在一起。

其次，制作柔性机械手手掌，具体地：

1.如图6所示，手掌下壳体的结构尺寸a3、b3、c3、d3、e3、f3、g3、h3、i3、j3、k3、L3、m3、n3、o3、p3、q3、r3、α3、β3、γ3、δ3、ε3、η3、κ3、λ3的取值为：a3＝70、b3＝90、c3＝28、d3＝56、e3＝28、f3＝49、g3＝28、h3＝40、i3＝20、j3＝10、k3＝11.6、L3＝6.8、m3＝4、n3＝9、o3＝9、p3＝4、q3＝11、r3＝10.5，单位为毫米(mm)；α3＝104、β3＝101、γ3＝155、δ3＝172、ε3＝88、η3＝235、κ3＝90、λ3＝135，单位为度(°)。选择PLA材料通过3D打印立体成型技术制备机械手手掌下壳体。

2.如图7所示，机械手手掌上壳体的结构尺寸a4、b4、c4、d4、e4、f4、g4、h4、p4、α4、β4、γ4、δ4、ε4、η4、κ4、λ4的取值为：a4＝70、b4＝90、c4＝28、d4＝56、e4＝28、f4＝49、g4＝28、h4＝40，单位为毫米(mm)；α4＝104、β4＝101、γ4＝155、δ4＝172、ε4＝88、η4＝235、κ4＝90、λ4＝135，单位为度(°)。选择PLA材料通过3D打印立体成型技术制备机械手手掌上壳体。

将手指和手掌组装为一整体，在每根手指上安装气体密封管，通过气体密封管对手指进行充气实现手指的弯曲，放气实现手指的伸张；通过对五根手指的协调充放气体，实现柔性机械手的弯曲和伸张。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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 (3)

1.一种用于寒冷环境的柔性机械手，其特征在于，包括五根手指和一个手掌，所述手指和所述手掌分布在同一个平面，其中，

所述手指包括扩展区、非扩展区和固定区；所述扩展区为长方体，沿所述长方体的最长边等距设置多个凹槽，形成梳齿形状，每个梳齿内部设置空腔，在所述空腔内安装密封管；所述非扩展区为与所述扩展区相配合的表面设置凹槽的薄板；所述固定区为与所述扩展区、所述非扩展区和所述手掌相配合的设置通气孔的薄板；所述固定区的通气孔、所述非扩展区的凹槽、所述扩展区的空腔三者相通，流体能够在手指内部流动，通过密封管对手指进行充气或充入液体实现手指的弯曲，放气或抽出液体实现手指的伸张，通过对五根手指的协调充放气体或充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张；

所述手掌由上壳体和下壳体组装形成，内部中空，并与五根手指相配合安装形成柔性机械手；

所述手指和手掌均由凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料制成，所述凝固温度和透光度可调的丙烯酰胺类凝胶冰雪材料由丙烯酰胺类聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、无机盐和水制成，其质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.1～30:100；

所述手指的非扩展区由聚二甲基硅氧烷制成，所述手掌和手指的固定区由环氧树脂、金属材料或陶瓷材料制成；所述手指和手掌分别通过模具浇筑成型、3D打印立体成型或粘结组装成型。

2.一种用于寒冷环境的柔性机械手，其特征在于，包括五根手指和一个手掌，所述手指和所述手掌分布在同一个平面，其中，

所述手指包括扩展区、非扩展区和固定区；所述扩展区为长方体，沿所述长方体的最长边等距设置多个凹槽，形成梳齿形状，每个梳齿内部设置空腔，在所述空腔内安装密封管；所述非扩展区为与所述扩展区相配合的表面设置凹槽的薄板；所述固定区为与所述扩展区、所述非扩展区和所述手掌相配合的设置通气孔的薄板；所述固定区的通气孔、所述非扩展区的凹槽、所述扩展区的空腔三者相通，流体能够在手指内部流动，通过密封管对手指进行充气或充入液体实现手指的弯曲，放气或抽出液体实现手指的伸张，通过对五根手指的协调充放气体或充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张；

所述手掌由上壳体和下壳体组装形成，内部中空，并与五根手指相配合安装形成柔性机械手；

所述手指和手掌均由双组元混合凝胶冰雪材料制成，所述双组元混合凝胶冰雪材料通过将质量分数为0.5～3wt％的海藻酸钠溶液和质量分数为0.1～5wt％的金属盐溶液混合搅拌或喷洒实现接触形成，海藻酸钠溶液和金属盐溶液的质量比为1:0.1～10；

所述手指的非扩展区由聚二甲基硅氧烷制成，所述手掌和手指的固定区由环氧树脂、金属材料或陶瓷材料制成；所述手指和手掌分别通过模具浇筑成型、3D打印立体成型或粘结组装成型。

3.一种用于寒冷环境的柔性机械手，其特征在于，包括五根手指和一个手掌，所述手指和所述手掌分布在同一个平面，其中，

所述手指包括扩展区、非扩展区和固定区；所述扩展区为长方体，沿所述长方体的最长边等距设置多个凹槽，形成梳齿形状，每个梳齿内部设置空腔，在所述空腔内安装密封管；所述非扩展区为与所述扩展区相配合的表面设置凹槽的薄板；所述固定区为与所述扩展区、所述非扩展区和所述手掌相配合的设置通气孔的薄板；所述固定区的通气孔、所述非扩展区的凹槽、所述扩展区的空腔三者相通，流体能够在手指内部流动，通过密封管对手指进行充气或充入液体实现手指的弯曲，放气或抽出液体实现手指的伸张，通过对五根手指的协调充放气体或充入、抽出液体，实现柔性机械手的弯曲和伸张；

所述手掌由上壳体和下壳体组装形成，内部中空，并与五根手指相配合安装形成柔性机械手；

所述手指和手掌均由丙酰胺类晶体状雪材料制成，所述丙酰胺类晶体状雪材料的制备原材料为：聚合单体、交联剂、引发剂、催化剂、发泡剂、碳酸盐、铝盐、泡沫稳定剂和水，各原材料的质量比为5～25:0.02～0.1:0.01～0.2:0.001～0.02:0.01～5.0:0.1～5.2:0.05～2.6:0.02～1.5:100；

所述手指的非扩展区由聚二甲基硅氧烷制成，所述手掌和手指的固定区由环氧树脂、金属材料或陶瓷材料制成；所述手指和手掌分别通过模具浇筑成型、3D打印立体成型或粘结组装成型。

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