CN111923034A - 一种可变刚度的软体手指及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的软体手指及其控制方法，旨在解决现有刚性机械手柔软，不能进行主动变刚度，安全性与灵活性受到限制的不足。该发明包括指段和指节，指段中沿轴向设有磁流变液通道，指段围绕磁流变液通道设置有气路管道，所述磁流变液通道中嵌装有磁液软管，磁液软管中设有磁流变液，指段与指节间隔设置，所述指节对应气路管道位置设有对应的贯通开孔，指节上连通有电极，所述电极在指段上形成有磁场，相邻指段经过的磁场方向相反。可变刚度的柔性手指兼顾了刚性手指和柔性手指的优点，柔软易碎物体的抓取定位之外还可以保持较大的刚度，能够输出较大的抓取力。

Description

一种可变刚度的软体手指及其控制方法

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，更具体地说，它涉及一种可变刚度的软体手指。

背景技术

目前，传统刚性机械手在工业、医疗等诸多领域已经有了广泛的积累和运用。但是随着环境要求的不断提高，在一些特殊的应用场景，如柔软易碎物体抓持，精密零件抓取和定位装配，狭窄空间中的操作等，传统刚性机械手由于其刚度固定，碰到障碍物不能主动变形，安全性和灵活性受到极大限制，不能很好地完成特定任务。随着3D打印技术与新型智能材料的发展，针对于软体手的研究逐渐开始兴起，其良好的柔韧性与灵活性可以很好地弥补刚性机械手的不足。但是由于材料和控制方面的原因，软体手指普遍存在刚度小，抓取力不足的特点使其不具备较大的抓取力量，从而抓取时容易产生侧向弯曲或偏转，难以达到的预期动作目标，因此结合新型材料设计开发具有可变刚度的软体手指成为弥补现有软体手指刚度不足有效方式之一。

中国专利公告号CN106965200A，名称为一种气体驱动柔性高分子软体机械手，该申请案公开了一种气体驱动柔性高分子软体机械手，软体手指设有气腔，气腔的下端与外界连通，气腔的上端封闭；软体手指包括大拇指、食指、中指、无名指和小拇指，大拇指胶接在下手掌一侧的安装槽内，下手掌设有与大拇指气腔连通的大拇指气管连接通道，下手掌另一侧安装舵机，舵机的动作端安装上手掌，下指节的上端与关节的下端的安装凹槽连接，关节的上端的安装凹槽与上指节的下端连接，关节上设有与上指节的气腔连通的上指节气管连接通道；食指、中指、无名指和小拇指的下指节分别胶接在的上手掌的上端的安装凹槽内，上手掌设有与下指节的气腔连通的下指节气管连接通道，各个气管连接通道均通过控制阀接入气泵。本发明灵活性好、机械结构简单、造价较低。它具有夹持性能较差的不足。

发明内容

本发明克服了现有刚性机械手柔软，不能进行主动变刚度，安全性与灵活性受到限制的不足，提供了一种可变刚度的软体手指，它能主动变刚度，具有更好的安全性和灵活性。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种可变刚度的软体手指，所述手指安装在基座上，手指包括指段和指节，指段中沿轴向设有磁流变液通道，指段围绕磁流变液通道设置有气路管道，所述磁流变液通道中嵌装有磁液软管，磁液软管中设有磁流变液，指段与指节间隔设置，所述指节对应气路管道位置设有对应的贯通开孔，指节上连通有电极，所述电极在指段上形成有磁场，相邻指段经过的磁场方向相反。

磁流变液是一种新型智能材料，由磁性颗粒、基载液和添加剂组成，具有良好的磁致相变特性，在无外磁场环境下，磁性颗粒在无磁场影响下自由分散在基载液中，其状态为牛顿流体；而在外磁场环境下，磁性颗粒瞬间沿磁场方向链状排列，磁流变液表观黏度增大，变为类固态的黏塑性体，这种转变过程可逆可控，瞬时响应。将磁流变液应用于软体手指关节，通过改变外部磁场的强度，使得软体手指指节具有可变刚度特性，保证了在抓取物体的同时既有本质柔顺性不会损伤易碎物体，又能有充足的力量抓取物体，实现预期的动作目标。各个指段的长度分布按照人的手指的大小设置，共具有两个指节和三个指段。各个指段中的磁流变液是不相通的，而气路管道是相通的。上述设置使得可以简单通过基座上的连接气路管道的充气口就可以调节手指的各向弯曲。而磁流变液是单独封装在指段中的，弯曲可以根据需要对对应的指段进行磁场的控制，分别控制例如靠近对应指根位置、中段位置以及末端位置产生硬度变化，分别用于对应不同的使用场景。为适应这种气路管道连通而磁液软管不通的场景，设置了指节具有对应的连通气路管道的贯通开孔。由于磁流变液是需用磁场才会产生硬度上的变化，因此在各个指节和末端指段的顶部具有一个励磁电极用于产生磁场。

作为优选，手指安装在基座上，基座上设有对应气路管道的导气孔，所述气路管道插装在导气孔上。若干基座联结在一起，形成有机械仿真手。基座对应人的手掌位置。基座上储存有实现动作而预分配的高压气体。

作为优选，手指远离末端以及基座上分别连接有电极，所述电极与相邻指节上的电极方向相反。上述设置使得在磁液软管中的磁场更大，刚度更高。若仅在指节上设置电极，那么两端的两个指段上的磁场强度不够大，刚度变化不足以满足设计要求。

作为优选，所述气路管道的数量为三条，气路管道等间距围绕在磁流变液通道周围。在设计非仿真机械手的时候，可以设置若干软体手指形成阵列，相邻手指之间可以配合。手指可以进行三向的弯曲。通过与相邻的手指的配合，实现对多位置的夹持抓取。

作为优选，指节呈圆饼状，指节对应贯通开孔位置凸出形成有气体接头。指节上的气体接头贯通，气体接头凸出是为了更好接续上气路管道。

作为优选，所述气体接头上设有避免气体泄露的密封圈。上述结构避免了气路管道漏气，气压不足，无法到达预定弯曲度。

作为优选，气路管道径向方向上连通有若干弯折槽，弯折槽向远离磁液软管方向布置。指段中的弯折槽在充气后相比气路管道无弯折槽的设计具有更大的弯曲度，可以适应体积更大的抓取物体。弯折槽的横截面呈扇形，扇形边长较小的一端连通对应的气路管道，扇形边长较大的一端靠近气路管道靠近边缘位置。

作为优选，所述弯折槽在指段靠近中部位置的内腔厚度较指段两端位置的更大。在靠近指段中部的弯折槽体积更大，适应指段在形变过程中的中部受到的曲度更大的特点。

一种可变刚度的软体手指的控制方法，包括步骤：

（1）指段两端电极断路，消磁；

（2）手指随基座运动到待抓持物体周围；

（3）手指中的气路管道中通入预先分配的压缩气体，各指段弯曲形成抓持待抓持物体的姿态；

（4）各电极通电，在指段处磁场强度增大，磁流变液向黏塑性体转变，黏度增加，直到达到所需要的刚度特性；

（5）手指将待抓持物体移动；

（6）完成移动后，压缩气体导出，再次消磁。

上述步骤中提供的是一种三个指段同时进行充磁，使得三个指段同时达到最大刚度时的使用场景。对应的，以靠近基座至手指末端分别为第一指段、第二指段和第三指段，还分别具有第一指段、第二指段以及第三指段单独磁化，第一、第二或第一、第三或第二第三指段磁化，可分别用于不同的使用场景。对于需要高速移动软体机械手的场景，在移动和停止的过程中，如果第一、第二指段是柔软的，那么会产生不必要的晃动。因此可以在抓取时仅硬化第三指段，保持第一、第二指段软化，提高兼容性，而在移动机械手的时候保持第一指段和第二指段硬化，减少晃动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）可变刚度的柔性手指兼顾了刚性手指和柔性手指的优点，柔软易碎物体的抓取定位之外还可以保持较大的刚度，能够输出较大的抓取力；（2）多段式手指分别具有可变刚性的特点使得手指应对各种工况的能力大大提升。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明的指段的示意图；

图3是本发明的指节的示意图；

图4是本发明的指段的剖视图；

图5是本发明的指段轴向的剖视图；

图6是本发明实施例2指段的剖视图；

图中：基座1、指段2、指节3、磁流变液通道4、气路管道5、磁液软管6、气体接头7、弯折槽8、螺旋电线9。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1：

一种可变刚度的软体手指，如图1至3所示，所述手指安装在基座1上，基座1上设有对应气路管道5的导气孔，所述气路管道5插装在导气孔上。若干基座1联结在一起，形成有机械仿真手。基座1对应人的手掌位置。基座1上储存有实现动作而预分配的高压气体。手指包括指段2和指节3，指段2中沿轴向设有磁流变液通道4，指段2围绕磁流变液通道4设置有气路管道5，所述气路管道5的数量为三条，气路管道5等间距围绕在磁流变液通道4周围。在设计非仿真机械手的时候，可以设置若干软体手指形成阵列，相邻手指之间可以配合。手指可以进行三向的弯曲。通过与相邻的手指的配合，实现对多位置的夹持抓取。所述磁流变液通道4中嵌装有磁液软管6，磁液软管6中设有磁流变液，指段2与指节3间隔设置，所述指节3对应气路管道5位置设有对应的贯通开孔，指节3上连通有电极，所述电极在指段2上形成有磁场，相邻指段2经过的磁场方向相反。手指远离末端以及基座1上分别连接有电极，所述电极与相邻指节3上的电极方向相反。上述设置使得在磁液软管6中的磁场更大，刚度更高。若仅在指节3上设置电极，那么两端的两个指段2上的磁场强度不够大，刚度变化不足以满足设计要求。

指节3呈圆饼状，指节3对应贯通开孔位置凸出形成有气体接头7。指节3上的气体接头7贯通，气体接头7凸出是为了更好接续上气路管道5。所述气体接头7上设有避免气体泄露的密封圈。上述结构避免了气路管道5漏气，气压不足，无法到达预定弯曲度。

如图4、5所示，气路管道5径向方向上连通有若干弯折槽8，弯折槽8向远离磁液软管6方向布置。指段2中的弯折槽8在充气后相比气路管道5无弯折槽8的设计具有更大的弯曲度，可以适应体积更大的抓取物体。弯折槽8的横截面呈扇形，扇形边长较小的一端连通对应的气路管道5，扇形边长较大的一端靠近气路管道5靠近边缘位置。所述弯折槽8在指段2靠近中部位置的内腔厚度较指段2两端位置的更大。在靠近指段2中部的弯折槽8体积更大，适应指段2在形变过程中的中部受到的曲度更大的特点。

磁流变液是一种新型智能材料，由磁性颗粒、基载液和添加剂组成，具有良好的磁致相变特性，在无外磁场环境下，磁性颗粒在无磁场影响下自由分散在基载液中，其状态为牛顿流体；而在外磁场环境下，磁性颗粒瞬间沿磁场方向链状排列，磁流变液表观黏度增大，变为类固态的黏塑性体，这种转变过程可逆可控，瞬时响应。将磁流变液应用于软体手指关节，通过改变外部磁场的强度，使得软体手指指节3具有可变刚度特性，保证了在抓取物体的同时既有本质柔顺性不会损伤易碎物体，又能有充足的力量抓取物体，实现预期的动作目标。各个指段2的长度分布按照人的手指的大小设置，共具有两个指节3和三个指段2。各个指段2中的磁流变液是不相通的，而气路管道5是相通的。上述设置使得可以简单通过基座1上的连接气路管道5的充气口就可以调节手指的各向弯曲。而磁流变液是单独封装在指段2中的，弯曲可以根据需要对对应的指段2进行磁场的控制，分别控制例如靠近对应指根位置、中段位置以及末端位置产生硬度变化，分别用于对应不同的使用场景。为适应这种气路管道5连通而磁液软管6不通的场景，设置了指节3具有对应的连通气路管道5的贯通开孔。由于磁流变液是需用磁场才会产生硬度上的变化，因此在各个指节3和末端指段2的顶部具有一个励磁电极用于产生磁场。

一种可变刚度的软体手指的控制方法，包括步骤：

（1）指段2两端电极断路，消磁；

（2）手指随基座1运动到待抓持物体周围；

（3）手指中的气路管道5中通入预先分配的压缩气体，各指段2弯曲形成抓持待抓持物体的姿态；

（4）各电极通电，在指段2处磁场强度增大，磁流变液向黏塑性体转变，黏度增加，直到达到所需要的刚度特性；

（5）手指将待抓持物体移动；

（6）完成移动后，压缩气体导出，再次消磁。

上述步骤中提供的是一种三个指段2同时进行充磁，使得三个指段2同时达到最大刚度时的使用场景。对应的，以靠近基座1至手指末端分别为第一指段2、第二指段2和第三指段2，还分别具有第一指段2、第二指段2以及第三指段2单独磁化，第一、第二或第一、第三或第二第三指段2磁化，可分别用于不同的使用场景。对于需要高速移动软体机械手的场景，在移动和停止的过程中，如果第一、第二指段2是柔软的，那么会产生不必要的晃动。因此可以在抓取时仅硬化第三指段2，保持第一、第二指段2软化，提高兼容性，而在移动机械手的时候保持第一指段2和第二指段2硬化，减少晃动。

实施例2：

如图6所示，实施例2在实施例1的基础上还具有以下特征：

相邻电极之间连接有螺旋电线9，所述螺旋电线9围绕磁流软管设置，所述螺旋电线9是柔性的。螺旋电线9嵌装在指段2上，指段2上设有对应螺旋电线9的通道。

由于各路气路管道5之间的充入的气体量不同，造成的手指弯曲程度也不一定。而两两电极之间的磁场必然是在二者连成直线状态时磁场最强，对应的手指刚度也会更高。由于手指弯曲，对应的磁液软管6中的磁流变液所对应的磁力线是较弱的。为了避免这种情况，设置了会与磁液软管6同步形变的螺旋电线9，螺旋电线9可以产生沿磁液软管6方向的磁场。无论软体手指处于何种情况，螺旋电线9的存在可以保证提供最大强度的磁场。

以上所述的实施例只是本发明的较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种可变刚度的软体手指，所述手指安装在基座上，其特征是，手指包括指段和指节，指段中沿轴向设有磁流变液通道，指段围绕磁流变液通道设置有气路管道，所述磁流变液通道中嵌装有磁液软管，磁液软管中设有磁流变液，指段与指节间隔设置，所述指节对应气路管道位置设有对应的贯通开孔，指节上连通有电极，所述电极在指段上形成有磁场，相邻指段经过的磁场方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，手指安装在基座上，基座上设有对应气路管道的导气孔，所述气路管道插装在导气孔上。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，手指远离末端以及基座上分别连接有电极，所述电极与相邻指节上的电极方向相反。

4.根据权利要求2所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，所述气路管道的数量为三条，气路管道等间距围绕在磁流变液通道周围。

5.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，指节呈圆饼状，指节对应贯通开孔位置凸出形成有气体接头。

6.根据权利要求5所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，所述气体接头上设有避免气体泄露的密封圈。

7.根据权利要求1所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，气路管道径向方向上连通有若干弯折槽，弯折槽向远离磁液软管方向布置。

8.根据权利要求7所述的一种可变刚度的软体手指，其特征是，所述弯折槽在指段靠近中部位置的内腔厚度较指段两端位置的更大。

9.一种根据权利要求1所述的可变刚度的软体手指的控制方法，其特征是，包括步骤：

（1）指段两端电极断路，消磁；

（2）手指随基座运动到待抓持物体周围；

（3）手指中的气路管道中通入预先分配的压缩气体，各指段弯曲形成抓持待抓持物体的姿态；

（4）各电极通电，在指段处磁场强度增大，磁流变液向黏塑性体转变，黏度增加，直到达到所需要的刚度特性；

（5）手指将待抓持物体移动；

（6）完成移动后，压缩气体导出，再次消磁。

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