CN112025749B - 一种大范围变刚度软体抓手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大范围变刚度软体抓手，包括柔性手指、固定座、驱动气囊、腱绳、第一气管、第二气管和气泵；所述柔性手指设置在固定座前端，所述驱动气囊固定连接在固定座的后端，所述腱绳连接在柔性手指内部和驱动气囊之间，所述气泵通过第一气管与柔性手指连接，所述气泵通过第二气管与驱动气囊连接。所述柔性手指根部固定在固定座上，指尖端自由，内部设有变刚度气囊、球形颗粒和摩擦片，可实现刚度调节；所述气泵可使变刚度气囊和驱动气囊膨胀或收缩，以实现软体抓手刚度的变化和对物体的自适应抓取。本发明结构和操作简单，实现从柔性到刚性的大范围刚度变化，既可根据物体的重量调节刚度，又能自适应贴合物体完成安全抓取。

Description

一种大范围变刚度软体抓手

技术领域

本发明涉及软体抓手技术领域，尤其涉及一种大范围变刚度软体抓手。

背景技术

传统的刚性操作手主要由金属材料制成，依靠精确的控制实现对物体的抓取，但刚性操作手柔顺性较差，不适合对易碎或柔软的物体进行抓取。近年来对于柔性抓手的研究发展迅速，软体材料具有更加复杂丰富的响应特性，这不仅带来功能上的灵活性和顺应性，在软体手的设计和控制方法上也具有了更多可能。

公开号为CN110142797A的发明专利，公开了一种应用折纸机构的变刚度分腔软体机械手，包括至少一组气动弯曲模块和折纸式连接机构；按照一定的充、排气规律向其通气可以实现对物体的抓取动作，控制输入气体的气压可以实现该软体手抓取力大小和弯曲程度的控制。该发明驱动控制简便，采用折纸连接方式，柔性高，抓取稳定性好，但其抓取力不足，且存在体积过大等问题。

公开号为CN111098321A的发明专利，公开了一种气动变刚度软体机械手，利用驱动气囊驱动能够实现机械手指在空间内的三个旋转自由度，由柔性驱动配合刚性传动控制，以提高控制精度，通过变刚度能够改变手指的刚度从而适应更多的抓取对象；通过吸附层在机械手指完全贴合抓取物体后，能够实现增加柱状凹槽(吸盘)内外压力差，提高抓取质量。但该机械手的结构较为复杂，且控制繁琐。

针对但目前现有的软体抓手，主要存在抓取力不够，无法进行大范围刚度变化以及控制繁琐、体积重量过大等问题，本发明提出了一种大范围变刚度软体抓手，控制方式简单，且变刚度现象明显，抓取力范围大。

发明内容

针对上述问题，本发明通过变刚度气囊、球形颗粒和仿鱼鳞排布摩擦片的设计，发明了一种大范围变刚度的软体抓手，既保证有足够的抓取刚度，又因软体材质而保证被抓物体的安全性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种大范围变刚度软体抓手，包括柔性手指、固定座、驱动气囊、腱绳、第一气管、第二气管和气泵；所述柔性手指设置在固定座前端，所述驱动气囊固定连接在固定座的后端，所述腱绳连接在柔性手指内部和驱动气囊之间，所述气泵通过第一气管分别与柔性手指连接，所述气泵通过第二气管与驱动气囊连接。

进一步的，所述柔性手指包括纤维袋、摩擦片、变刚度气囊、波浪形折纸机构、球形颗粒、内固定装置和外固定装置；所述摩擦片、变刚度气囊、波浪形折纸机构和球形颗粒由上至下依次设置在纤维袋内部；所述纤维袋的袋底与波浪形折纸机构的指尖端缝合，所述摩擦片一端固定缝合在纤维袋内部，另一端自由，所述变刚度气囊和波浪形折纸机构按形状贴合，且指尖端自由，指根端通过内固定装置固定，所述球形颗粒填充在波浪形折纸机构与纤维袋底部之间形成的空隙处，所述纤维袋的袋口包裹在指根处的内固定装置的外部，所述外固定装置与被纤维袋包裹的内固定装置通过螺钉连接；所述柔性手指的指根端设置在固定座的前端内部，并通过螺钉将柔性手指的外固定装置与固定座连接；所述变刚度气囊后端通过第一气管与气泵连接。

进一步的，所述内固定装置对称连接在变刚度气囊和波浪形折纸机构根部连接处的左右两侧；所述外固定装置对称连接在内固定装置的上下两侧，并通过螺钉分别与内固定装置和固定座连接；所述内固定装置之间和外固定装置之间安装后均留有微小间隙。

进一步的，所述腱绳以穿针引线的方式，由柔性手指根部一侧穿入纤维袋，绕至指尖后，由另一侧穿回至指根，所述腱绳末端缠绕在驱动气囊的外表面。

进一步的，所述变刚度气囊由橡胶或硅橡胶通过模具浇铸而成，且其底部呈锯齿状。

进一步的，所述摩擦片可以为一列或多列穿插叠放排布，一端以仿鱼鳞设计等距层叠缝合在纤维袋内部，另一端叠放在纤维袋和变刚度气囊之间可自由活动。

进一步的，所述纤维袋的内侧设置有条形凸起。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明体积小重量轻，且结构简单，由于外层为非超弹性材料，且基于颗粒、纤维、摩擦片和折纸机构的联合作用，刚度范围可实现从柔性到刚性的大范围变化，而且折纸机构的嵌入可实现软体抓手的侧向抓取，同时采用腱绳可实现快速抓取。

2、本发明中的变刚度气囊在无气压条件下整体呈柔性，可实现与物体的自适应贴合，安全系数高，柔顺性好；在抓取物体过程中，逐步增加气压可有效提高抓手的负载能力。

附图说明

图1是本发明所提出的一种大范围变刚度软体抓手一个实施例的整体结构示意图；

图2是图1中柔性手指的横截面结构示意图；

图3是图2中内固定装置的结构示意图；

图4是本发明中柔性手指和固定座的连接结构示意图。

其中，附图标记：1-柔性手指；2-固定座；3-驱动气囊；4-腱绳；5-第一气管；6-第二气管；7-气泵；11-纤维袋；111-拉链；112-条形凸起；12-摩擦片；13-变刚度气囊；14-波浪形折纸机构；15-球形颗粒；16-内固定装置；17-外固定装置；21-方孔；31-连接板。

具体实施方式

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见附图1-4，给出了本发明所提出的一种大范围变刚度软体抓手一个实施例的具体结构。所述软体抓手包括柔性手指1、固定座2、驱动气囊3、腱绳4、第一气管5、第二气管6和气泵7；本实施例中，所述柔性手指1设置有两个，所述固定座2中部的左右两侧设置有用于安装的方孔21，所述两个柔性手指1的根部分别对称连接在固定座2上的方孔21内，所述驱动气囊3横向固定连接在固定座2的后端，所述驱动气囊3的左右两端分别通过连接板31与固定座2后侧固定连接，且所述驱动气囊3的左右两侧分别与安装方孔21的位置对应，所述腱绳4连接在柔性手指1的内部和驱动气囊3之间，所述气泵7通过第一气管5分别与两个柔性手指1连接，所述气泵7通过第二气管与驱动气囊3连接。

所述柔性手指1包括纤维袋11、摩擦片12、变刚度气囊13、波浪形折纸机构14、球形颗粒15、内固定装置16和外固定装置17；所述内固定装置16由左右两个凹形件构成，且所述内固定装置16的中部设置有与变刚度气囊13和波浪形折纸机构14根部形状对应的凹槽，所述外固定装置17由上下两个凹形件构成，且安装后的内固定装置16之间，外固定装置17之间均留有微小间隙，以实现夹紧；所述纤维袋11内部由上至下依次套有摩擦片12、变刚度气囊13、波浪形折纸机构14和球形颗粒15，所述纤维袋11的袋底与波浪形折纸机构14的指尖端缝合；所述摩擦片12可以为一列或多列穿插叠放排布，且所述摩擦片12的一端以仿鱼鳞设计等距层叠缝合在纤维袋11内部，另一端叠放在纤维袋11和变刚度气囊13之间并可自由活动，在所述柔性手指1工作时，所述变刚度气囊13充气膨胀，从而对摩擦片12进行压紧，所述驱动气囊3拉动腱绳4，使所述两个柔性手指1向内弯曲，所述摩擦片12之间产生摩擦力，进而辅助刚度变化。

所述变刚度气囊13由橡胶或硅橡胶等柔性材料通过模具浇铸而成，且其底部呈锯齿状；所述变刚度气囊13底部和波浪形折纸机构14按形状贴合，指尖端自由，指根端放置在内固定装置16的凹槽内；所述球形颗粒15填充在波浪形折纸机构14与纤维袋底部共同形成的空隙处，且所述纤维袋11的侧面安装有拉链111，以方便球形颗粒15的填充和调整；所述纤维袋11的袋口包裹在指根处的内固定装置16的外部，所述外固定装置17与被袋包裹的内固定装置16通过螺钉连接；所述柔性手指1的指根端放置在固定座2的方孔21内，并由螺钉将柔性手指1的外固定装置17与固定座2连接，其中所述固定座2两侧的方孔21之间可以为平行或非平行设置，可以增大柔性抓手的抓取范围；所述腱绳4以穿针引线的方式，由柔性手指1根部一侧穿入纤维袋11，绕至指尖后，由另一侧穿回至指根，所述纤维袋11与被抓取物体接触的表面设置有条形凸起112，既可以增大柔性手指1与被抓取物体间的摩擦力，又可以防止抓取物体时，物体与腱绳4之间发生摩擦，影响抓取效果；所述腱绳4的末端缠绕在驱动气囊3的外表面；所述变刚度气囊13通过第一气管5与气泵7连接，所述驱动气囊3通过第二气管6与气泵7连接。

本发明的工作原理在于：所述气泵7可通过第二气管6为驱动气囊3进行充气，从而使驱动气囊3膨胀拉动腱绳4，所述腱绳4拉动柔性手指1指尖向内弯曲；所述气泵7可通过第一气管5为变刚度气囊13充气，使所述变刚度气囊13膨胀，进而挤压球形颗粒15和摩擦片12，所述球形颗粒15通过阻塞现象实现变刚度，同时所述摩擦片12受变刚度气囊13的挤压以及外层纤维袋11的限制，可通过分层干扰实现变刚度，由于多种变刚度的联合作用使得变刚度范围更大。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述软体抓手包括柔性手指、固定座、驱动气囊、腱绳、第一气管、第二气管和气泵；所述柔性手指设置在固定座前端，所述驱动气囊固定连接在固定座的后端，所述腱绳连接在柔性手指内部和驱动气囊之间，所述气泵通过第一气管分别与柔性手指连接，所述气泵通过第二气管与驱动气囊连接；

所述柔性手指包括纤维袋、摩擦片、变刚度气囊、波浪形折纸机构、球形颗粒、内固定装置和外固定装置；所述摩擦片、变刚度气囊、波浪形折纸机构和球形颗粒由上至下依次设置在纤维袋内部；所述纤维袋的袋底与波浪形折纸机构的指尖端缝合，所述摩擦片一端固定缝合在纤维袋内部，另一端自由，所述变刚度气囊和波浪形折纸机构按形状贴合，且指尖端自由，指根端通过内固定装置固定，所述球形颗粒填充在波浪形折纸机构与纤维袋底部之间形成的空隙处，所述纤维袋的袋口包裹在指根处的内固定装置的外部，所述外固定装置与被纤维袋包裹的内固定装置通过螺钉连接；所述柔性手指的指根端设置在固定座的前端内部，并通过螺钉将柔性手指的外固定装置与固定座连接；所述变刚度气囊后端通过第一气管与气泵连接。

2.根据权利要求1所述的一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述内固定装置对称连接在变刚度气囊和波浪形折纸机构根部连接处的左右两侧；所述外固定装置对称连接在内固定装置的上下两侧，并通过螺钉分别与内固定装置和固定座连接；所述内固定装置之间和外固定装置之间安装后均留有微小间隙。

3.根据权利要求1所述的一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述腱绳以穿针引线的方式，由柔性手指根部一侧穿入纤维袋，绕至指尖后，由另一侧穿回至指根，所述腱绳末端缠绕在驱动气囊的外表面。

4.根据权利要求1所述的一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述变刚度气囊由橡胶通过模具浇铸而成，且其底部呈锯齿状。

5.根据权利要求1所述的一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述摩擦片为一列或多列穿插叠放排布，一端以仿鱼鳞设计等距层叠缝合在纤维袋内部，另一端叠放在纤维袋和变刚度气囊之间可自由活动。

6.根据权利要求1所述的一种大范围变刚度软体抓手，其特征在于：所述纤维袋的内侧设置有条形凸起。

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