CN112060114A - 一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手 - Google Patents

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Abstract

一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，包括大手掌、小手掌、硅胶可调连接及安装在手掌上的五根可双向弯曲的手指执行器组成，手掌由两块硬质材料及中间的软体硅胶连接组成，每根气动手指采用模块化设计，由三个软体关节、两个软体的增强型结构的指节和弯曲传感器组成，弯曲传感器粘接在手指执行器的下层。软体关节采用气动网络原理，指节采用等距的增强型结构，二者分别设置气孔与气路连接，在充气时实现独立或耦合的驱动控制。本发明结构简单，可实时监测和控制弯曲角度，掌关节的双向弯曲模块能够实现正向的弯曲和反向的主动伸缩运动；采用多模块的形式，能够实现多自由度的灵活操作，具有更好的手部康复训练效用。

Description

一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手
技术领域
本发明属于气动软体机器人技术领域，涉及一种可双向弯曲的多模块软体灵巧手，可应用于柔性自适应抓取及手部康复训练。
背景技术
灵巧手作为仿生学与机器人学结合的产物，具有人手的一些外形特征和功能，可以模拟人手的运动。为了在危险环境或精细操作中代替人手完成任务，需要提高灵巧手的自由度。近年来，由中风等疾病引起的手部功能丧失的患者人数逐年上升。对于这类患者，需要多功能灵巧手作日常生活辅助并进行康复训练。但是现阶段的灵巧手自由度不够，没有很好的区分不同关节的弯曲角度，且大多为整体式弯曲与人手的贴合性不好。
随着柔性机器人和软材料科学的发展，出现了一些采用柔性技术或者软材料的灵巧手结构，比如基于纤维增强原理的软体康复手和仿鱼骨结构的软体灵巧手。专利《一种灵巧手手指及多指灵巧手》(CN201911067818.4)介绍了灵巧手的结构及控制电路的设计；专利《一种一体化成型的软体康复手》(CN201811091905.9)和专利《一种仿鱼骨结构的软体康复手》(CN201811276358.1)介绍了纯柔性的一体化成型的气动康复手指的结构。国外研究学者Panagiotis Polygerinos在论文《Towards a Soft Pneumatic Glove for HandRehabilitation》中提出气动网络结构原理用于康复手；Bobak Mosadegh和PanagiotisPolygerinos在论文《Pneumatic Networks for Soft Robotics that Actuate Rapidly》中提出用于软体执行器的快气网与慢气网结构。现有的灵巧手虽然大多采用硅橡胶等软体材料且制作简单，但是充气后结构会发生整体式弯曲，运动自由度不够，且掌关节只能有弯曲一个自由度，对人手训练的效果不好，不能很好地贴合人手，因此会带来不适感，达不到较好的效果。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，包括软体手指模块化结构的设计及弯曲传感器的布置方案。该灵巧手手指执行器采用模块化结构设计，关节采用气动网络原理，指节采用增强型结构原理，可以在对应的位置实现弯曲或伸长，具有与人手贴合性好的特点。掌关节设计为双向弯曲模块，可实现多自由度的灵活操作并对人手进行训练，且结构简单制作简便、成本低。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，包括大手掌1、安装在手掌上的五根可双向弯曲的气动手指执行器2、小手掌3及硅胶可调连接件4、气动手指执行器2作为气动手指，其中，第一根气动手指执行器2安装在小手掌3上，类比大拇指，其他四根气动手指执行器2安装在大手掌1上，类比其他四指。所述大手掌1和小手掌3由硬质材料制成，二者之间通过硅胶可调连接件4连接，硅胶可调连接件4能够实现尺寸的调节，以适应不同人的手背及手腕。
所述每根气动手指执行器2结构相同，采用模块化设计，均由掌关节21、近端关节22、远端关节23、近端指节24、远端指节25、指尖26及粘接在上述结构件下方的弯曲传感器27组成，其中，掌关节21、近端关节22和远端关节23为三个气动软体关节，近端指节24、远端指节25为两个软体的增强型结构。所述掌关节21、近端指节24、近端关节22、远端指节25、远端关节23、指尖26彼此独立，依次通过氰基丙烯酸酯粘接。所述三个气动软体关节和两个增强型结构均设有气孔28，通过气孔28分别与气路相连，实现独立或耦合的驱动控制。所述弯曲传感器27粘接在可双向弯曲的气动手指执行器2的下层，端部通过螺纹孔29与大手掌1、小手掌3固连，弯曲传感器能够实现对各关节弯曲角度的实时监测与控制。通入压力气体时掌关节21、近端关节22和远端关节23能够实现弯曲，近端指节24、远端指节25能够实现伸长。
进一步的，所述软体掌关节21、近端关节22和远端关节23由超弹性硅胶材料Ecoflex30制成，采用分体式浇筑的工艺，软体掌关节21、近端关节22和远端关节23采用气动网络原理，各部件结构如下：
所述掌关节21由上层快气网结构、中间薄板和下层慢气网结构组成，上、下层之间与中层薄板粘接，彼此不连通。所述上层和下层结构等长，中层薄板厚度为1.5mm。上、下层结构侧面分别设置气孔28用于与气路的单独连接，通过气路分别对掌关节1的上下层充气时，由上层快气网结构实现正向的弯曲运动，由下层快气网结构实现反向的主动伸缩运动。所述上层快气网结构：由三个向上凸起的矩形中空膨胀气腔组成，气腔上壁及侧壁厚度为1.5mm、腔室之间的内壁厚度为1mm当加压时，扩展腔室的顶部并拉伸腔室的内壁，使软体执行器掌关节1向下弯曲，类似于人手的握拳动作。所述下层慢气网结构：内部由半圆形通道连接的间隔排布的矩形气腔组成，每个独立的矩形气腔厚度为2mm，矩形气腔之间的间隔厚1.5mm，当加压时，扩展腔室的底部并拉伸腔室的内壁，使软体执行器掌关节1向上弯曲，类似于人手向手背方向的主动伸缩运动。
根据人手实际弯曲特性，所述近端关节22、远端关节23为倒梯形、上宽下窄，与弯曲传感器27相邻的为窄边，，即贴近手指一侧的长度小于外层，保证与手指更好的贴合。所述近端关节22、远端关节23内部与掌关节21上层快气网结构相似，在上表面设置气孔28用于与气路连接，在充气时能够实现正向(单向)的弯曲。所述近端关节22、远端关节23倒梯形的上边长22mm，下边长16mm。
进一步的，所述近端指节24、远端指节25由超弹性硅胶材料制成，采用分体式浇筑的工艺，其上表面的气孔28与气路连接，在充气时实现伸长，用于更好地贴合人手。所述近端指节24、远端指节25为了减小径向膨胀在通体中空的结构基础上改为增强型结构，内部设计为等距的增强型结构，由厚度为2mm、半径分别为5mm和6mm的圆柱空腔交替排布。
进一步的，所述弯曲传感器27由硅胶材料包裹。
佩戴使用时，使掌关节21与人手掌关节对齐，保证大手掌1及小手掌3与人手的手背与手腕处贴合，并通过绑带固定在手上。由气泵通过气管向掌关节21的上层侧面的气孔28及近端关节22、远端关节23的气孔28中充气，气动手指执行器2产生弯曲并驱动手指的正向弯曲；向掌关节21的下层侧面气孔28充气，气动手指执行器2产生反向的主动伸缩运动；同时可以根据人手的具体情况向近端指节24、远端指节25的气孔28有选择性地充气，气动手指执行器2伸长，保证与人手的贴合，适应不同人手的尺寸差异，以达到更好的康复训练效果。
本发明的创新点为：现阶段用于康复训练的灵巧手大多为一体式，不能实现各个关节及指节的独立运动，且掌关节只能实现单向的弯曲运动，对人手的自由度训练不够。本发明采用模块化的方式设计软体手，使各个关节及指节能够实现独立或耦合运动，并且结合快气网与慢气网的结构使掌关节能够实现弯曲及反向的主动伸缩运动，多个自由度的训练可以达到更好的康复效果。同时本发明将指节设计为中空的增强型结构，既可以减小径向膨胀，又可以根据人手实际的长度调节指节的尺寸，实现与人手的更好贴合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，采用了模块化结构设计的优点，采用气动网络结构的软体关节与软体增强型结构的指节结合的形式，可以实现在确定位置的弯曲和伸长，软体关节上宽下窄，符合手指弯曲特性，具有可双向弯曲的掌关节，在手指执行器下层粘接的弯曲传感器实现对各关节弯曲角度的实时监测与控制，保证与手指的贴合性，且结构简单、成本低，可实现灵活的操作，且有效提高软体手指康复训练的性能。
附图说明
图1是本发明实例中可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手的结构轴测图。
图2是本发明实例中可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手的结构俯视图。
图3是本发明实例中可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手的结构仰视图。
图4是本发明实例中气动手指执行器结构模型。
图5是本发明实例中软体掌关节结构模型。
图6是本发明实例中近端指节增强型结构模型。
图7是本发明实例中控制系统框图。
图中：1-大手掌；2-气动手指执行器；3-小手掌；4-硅胶可调连接件；21-掌关节；22-近端关节；23-远端关节；24-近端指节；25-远端指节；26-指尖；27-弯曲传感器；28-气孔；29-螺纹孔。
具体实施方式
本发明采用模块化的方式设计软体手，使各个关节及指节能够实现独立或耦合运动，并且结合快气网与慢气网的结构使掌关节能够实现弯曲及反向的主动伸缩运动，多个自由度的训练可以达到更好的康复效果。同时本发明将指节设计为中空的增强型结构，既可以减小径向膨胀，又可以根据人手实际的长度调节指节的尺寸，实现与人手的更好贴合。
下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明。
一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手。如图1、图2、图3所示，可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手由大手掌1、气动手指执行器2、小手掌3及硅胶可调连接件4组成，手掌腕部的硅胶可调连接4可实现尺寸的调节，五根气动手指执行器2安装在大手掌1或小手掌3的凹槽内，类似于人的五根手指。如图4所示，掌关节21、近端关节22和远端关节23采用气动网络原理，其中掌关节21由快气网和慢气网两层结构组成，近端指节24、远端指节25采用等距的增强型结构，在分别浇筑制成掌关节21、近端关节22和远端关节23、近端指节24、远端指节25及指尖26后，采用硅胶粘接剂氰基丙烯酸酯粘接起来。软体关节与指节在各模块侧面或上表面分别设置气孔28，保证其独立或耦合运动。如图5所示，掌关节21结构分为三层，上下结构等长，上层快气网结构由三个向上凸起的矩形中空膨胀气腔组成，气腔上壁及侧壁厚度为1.5mm、腔室之间的内壁厚度为1mm，下层慢气网结构内部由半圆形通道连接的间隔排布的矩形气腔组成，每个独立的矩形气腔厚度为2mm，矩形气腔之间的间隔厚1.5mm。上下层之间分别与中层的1.5mm薄板粘接。上下层的侧面设置气孔28用于与气路连接。如图6所示，近端指节24内部设计为等距的增强型结构，由厚度为2mm半径分别为5mm和6mm的圆柱空腔交替排布，上表面设置气孔28用于与气路的连接。
如图7所示为气动手指执行器2的控制系统框图，其中虚线表示电路控制，上位机通过Arduino对电磁阀进行逻辑控制，实现所需的动作；实线表示气回路，由气泵提供动力，通过减压阀使出口压力自动保持稳定、节流阀控制管道流体的流量，以实现稳定的控制，两个两位三通阀组合可以实现加压、保持和减压三种状态，图7气路状态为加压过程。
佩戴多功能软体灵巧手应注意掌关节21与人手掌关节对齐，保证大手掌1及小手掌3与人手的手背与手腕处贴合，并通过绑带固定在手上。由气泵通过气管向掌关节21的上层侧面的气孔28及近端关节22、远端关节23的气孔28中充气，气动手指执行器2产生弯曲并驱动手指的正向弯曲；向掌关节21的下层侧面气孔28充气，气动手指执行器2产生反向的主动伸缩运动；同时可以根据人手的具体情况向近端指节24、远端指节25的气孔28有选择性地充气，气动手指执行器2伸长，保证与人手的贴合，适应不同人手的尺寸差异，以达到更好的康复训练效果。
虽然上文中已经结合附图和实例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明范围的情况下，可对其进行各种改进，且可以用等效物替换其中的部件。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述的模块化多功能软体灵巧手包括大手掌(1)、安装在手掌上的五根可双向弯曲的气动手指执行器(2)、小手掌(3)及硅胶可调连接件(4)、气动手指执行器(2)作为气动手指，其中，第一根气动手指执行器(2)安装在小手掌(3)上，其他四根气动手指执行器(2)安装在大手掌(1)上指；所述大手掌(1)和小手掌(3)之间通过硅胶可调连接件(4)连接，硅胶可调连接件(4)能够调节尺寸，以适应不同人的手背及手腕；
所述每根气动手指执行器(2)结构相同，采用模块化设计，均由掌关节(21)、近端关节(22)、远端关节(23)、近端指节(24)、远端指节(25)、指尖(26)及弯曲传感器(27)组成，其中，掌关节(21)、近端关节(22)和远端关节(23)为三个气动软体关节，近端指节(24)、远端指节(25)为两个软体的增强型结构；所述掌关节(21)、近端指节(24)、近端关节(22)、远端指节(25)、远端关节(23)、指尖(26)彼此独立，依次通过氰基丙烯酸酯粘接；所述三个气动软体关节和两个增强型结构均设有气孔(28)，通过气孔(28)与气路相连，实现独立或耦合的驱动控制；所述弯曲传感器(27)端部与大手掌(1)、小手掌(3)固连，粘接在气动手指执行器(2)下方，能够实现对各关节弯曲角度的实时监测与控制；通入压力气体时掌关节(21)、近端关节(22)和远端关节(23)能够实现弯曲，近端指节(24)、远端指节(25)能够实现伸长；
所述软体掌关节(21)、近端关节(22)和远端关节(23)采用气动网络原理，各部件结构如下：
所述掌关节(21)由上层快气网结构、中间薄板和下层慢气网结构组成，上、下层之间与中层薄板粘接，彼此不连通；上、下层结构侧面分别设置气孔(28)用于与气路的单独连接，通过气路分别对掌关节(21)的上下层充气时，由上层快气网结构实现正向的弯曲运动，由下层快气网结构实现反向的主动伸缩运动；
根据人手实际弯曲特性，所述近端关节(22)、远端关节(23)为倒梯形、上宽下窄，保证与手指更好的贴合；所述近端关节(22)、远端关节(23)内部与掌关节(21)上层快气网结构相似，在上表面设置气孔(28)用于与气路连接，在充气时能够实现正向的弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述的掌关节(21)中，所述上层快气网结构由三个向上凸起的矩形中空膨胀气腔组成，气腔上壁及侧壁厚度为1.5mm、腔室之间的内壁厚度为1mm，当加压时，扩展腔室的顶部并拉伸腔室的内壁，使软体执行器掌关节1向下弯曲，类似于人手的握拳动作；所述下层慢气网结构：内部由半圆形通道连接的间隔排布的矩形气腔组成，每个独立的矩形气腔厚度为2mm，矩形气腔之间的间隔厚1.5mm，当加压时，扩展腔室的底部并拉伸腔室的内壁，使软体执行器掌关节1向上弯曲，类似于人手向手背方向的主动伸缩运动。
3.根据权利要求1所述的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述软体掌关节(21)、近端关节(22)和远端关节(23)由超弹性硅胶材料制成，采用分体式浇筑的工艺。
4.根据权利要求1所述的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述近端指节(24)、远端指节(25)由超弹性硅胶材料制成，采用分体式浇筑的工艺，其上表面的气孔(28)与气路连接，在充气时实现伸长，用于更好地贴合人手。
5.根据权利要求1所述的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述近端指节(24)、远端指节(25)内部设计为等距的增强型结构，由厚度为2mm、半径分别为5mm和6mm的圆柱空腔交替排布。
6.根据权利要求1所述的一种可双向弯曲的模块化多功能软体灵巧手，其特征在于，所述弯曲传感器(27)由硅胶材料包裹。
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