CN112589821B - 一种线气拮抗驱动软体手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线气拮抗驱动软体手指。包括手指基体、充气腔和穿插在手指基体的驱动线；所述手指基体沿手指长度方向开设有多个V形缺口，每个V形缺口内均具有一个充气腔，各个V形缺口内的充气腔通过沿手指长度方向贯穿手指基体布置的通气口连通，最边缘一端的V形缺口的充气腔经导气管连接到外部的充气装置；充气腔的侧方设有驱动线，驱动线一端沿手指长度方向穿过各个V形缺口后固定系到所述手指基体的一端，驱动线另一端穿出手指基体后连接到外部的拉线装置上。本发明利用线驱动与气驱动的拮抗作用，产生可控的刚度和运动，提高手指刚度，提升抓取稳定性。

Description

一种线气拮抗驱动软体手指

技术领域

本发明属于软体机器人技术领域的一种机械手指，具体是涉及了一种线气拮抗驱动软体手指，。

背景技术

软体机器人由可承受大应变的柔软材料制成，具有较大的柔韧性和连续变形的能力，环境适应性较强，在复杂易碎物体抓持、人机交互和狭窄空间作业等具有极大的应用前景。作为软体机器人的典型代表，软体手受到国内外研究人员的广泛关注。软体手通常可以根据实际使用情况，可以采取不同的驱动方式，包括气体驱动方式、线驱动方式、介电弹性体驱动和形状记忆合金驱动方式等。其中气体驱动的软体抓手，具有柔顺性好、控制简单等优点，但其存在运动不精确、抓取力不够和抓取稳定性不足等缺点。线驱动方式控制精确，但是其无法产生刚度变化，容易导致抓取物体过程中软体手的柔顺性不足。同时，在各种驱动方式的软体手在快速运动时都面临一个相同的问题，由于材料自身的柔性，常常产生在运动时产生抖动，导致抓取物体的掉落。

发明内容

本发明的目的是解决现有的软体抓手运动精度不高、刚度不可调和抓取稳定性不足等问题，提出了一种线气拮抗驱动软体手指，通过线驱动精确控制软体手指运动，同时配合气驱动产生拮抗力调整手指刚度，提高抓取稳定性。

本发明提出结合线驱动与气驱动两种方式拮抗作用，进行软体手指的驱动，增强软体抓手的抓取稳定性和抓取强度，扩大气动软体抓手的使用范围。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明包括手指基体、充气腔和穿插在手指基体的驱动线；所述手指基体沿手指长度方向开设有多个V形缺口，每个V形缺口内均具有一个充气腔，各个V形缺口内的充气腔通过沿手指长度方向贯穿手指基体布置的通气口连通，最边缘一端的V形缺口的充气腔经导气管连接到外部的充气装置；充气腔的侧方设有驱动线，驱动线一端沿手指长度方向穿过各个V形缺口后固定系到所述手指基体的一端，驱动线另一端穿出手指基体后连接到外部的拉线装置上。

所述手指基体在充气腔放气情况下通过驱动线拉动弯曲，在驱动线放松情况下通过充气腔充气作用伸直。

所述的拉线装置包括驱动电机，所述驱动线一端固定于驱动电机的输出端，所述驱动线另一端从所述线槽内沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于驱动电机的输出端。

所述手指基体在充气腔的两侧均设置有水平线槽，在充气腔的两侧均布置有驱动线。

所述驱动线为尼龙线、碳素线、钢丝线、编织线及合成线中的任一种。

所述手指基体采用柔性3D打印方式制备。

当需要提高抓取稳定性时，驱动线和充气腔同时作用下，产生拮抗作用，提高手指刚度，提升抓取稳定性。

本发明利用线驱动与气驱动的拮抗作用，产生可控的刚度和运动，抓取稳定性高。

本发明的特点及有益效果：

本发明的线气拮抗驱动软体手指，结合线驱动运动控制精确和气驱动刚度可控的优点，实现两种驱动方式的有机结合优势互补，利用拮抗作用解决软体抓手快速运动时的抖动问题，增强软体抓手的抓取稳定性和抓取强度，扩大气动软体抓手的使用范围。

附图说明

图1是软体手指的结构示意图；

图2是软体手指内部空腔的剖切结构示意图；

图3是软体手指的俯视图；

图4是双软体手指组合的软体抓手结构示意图。

图中：手指基体1、充气腔2、驱动线3、导气管4、通气口5、通气管6、基座7、易碎抓取对象8、V形缺口9。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构和工作原理：

如图1-图3所示，包括手指基体1、充气腔2和穿插在手指基体1的驱动线3；手指基体1沿手指长度方向开设有多个V形缺口9，每个V形缺口9内均具有一个充气腔2，各个V形缺口9内的充气腔2通过沿手指长度方向贯穿手指基体1布置的通气口5连通，使得多个充气腔2内部相通，最边缘一端的V形缺口9的充气腔2经导气管4连接到外部的充气装置；

充气腔2的侧方设有驱动线3，驱动线3一端沿手指长度方向穿过各个V形缺口9后固定系到手指基体1的一端，驱动线3另一端穿出手指基体1后连接到外部的拉线装置上。

手指基体在线驱动条件下，V形缺口闭合，产生弯曲运动。充气腔在线驱动条件下被压缩。充气腔在充气条件下驱动手指伸直。

手指基体1在充气腔2正好放气情况下通过驱动线3拉动弯曲，边拉动驱动线3边逐渐对充气腔2放气；在驱动线3正好放松情况下通过充气腔2充气作用伸直，边对充气腔2充气边逐渐对驱动线3进行放松。当驱动线3和充气腔2同时相互作用，软体手指产生拮抗作用，更真实地模拟手指的肌肉，提升软体手指刚度，从而提升抓取稳定性。

拉线装置包括驱动电机，驱动线3一端固定于驱动电机的输出端，驱动线3另一端从线槽内沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于驱动电机的输出端。

手指基体1在充气腔2的两侧均设置有水平线槽，在充气腔2的两侧均布置有驱动线3。驱动线3的端部最终通过手指基体1端部开设的通气管6连通到外部。

具体实施中，驱动线3为尼龙线、碳素线、钢丝线、编织线及合成线中的任一种。手指基体1采用柔性3D打印方式制备，采用柔性材料。手指基体1采用柔性3D打印材料为Stratasys公司的Agilus软胶。

具有实施中，将两个线气拮抗驱动软体手指构成的软体手，包括两个在基座7两侧对称安装的线气拮抗驱动软体手指；两个线气拮抗驱动软体手指的根部分别连接到基座7的同一端，两个线气拮抗驱动软体手指的末端部受控制向中心弯曲后夹住抓取易碎抓取对象8，这样两个线气拮抗驱动软体手指可同时向内弯曲，进行易碎抓取对象8的抓取动作。

本实施例中的手指功能说明如下：

手指基体1为手指的主要形变部分，用于实现手指的弯曲和伸直。手指基体1为采用软材料3D打印制成(本实例中采用的是Stratasys公司的Agilus软胶)。手指基体1开有V形缺口9，这些缺口相当于手指的关节。手指基体1的弯曲通过线驱动实现。手指基体1两侧具有3D打印成型的线槽5(见图2)。驱动线3一端固定于外部驱动电机的输出端，所述驱动线另一端从所述线槽内沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于外部电机的输出端(见图1)。当外界电机拉动驱动线3的时候，驱动线3的长度变短，手指基体1能够沿着V形缺口9处产生弯曲变形。

手指基体1的伸直通过气驱动实现。手指基体1在V形缺口9内部利用3D打印有多个气囊结构2(见图2)。多个气囊结构2连通至手指末端的通气口5，并通过通气管6连接外界气源。当手指基体1处于弯曲状态时，通过外界气源给气囊结构2施加气压，会使手指完成伸直的趋势。

下面以图四中的双指软体手为例，说明线驱动与气驱动如何共同工作产生拮抗作用，增强抓取稳定性。

两个软体手指对称安装在基座7，在线驱动作用时，两侧手指均向内弯曲，手指末端靠近并紧贴易碎抓取对象8。此时，手指基体1的刚度较小，如果想要保证手指运动时候不发生抖动，需要增大线驱动的拉力，但是这样会增大对易碎抓取对象8的压力。因此，利用外界气源向气囊结构2充入一定量气体，气囊结构有推动手指伸直的趋势，线驱动结构有拉动手指弯曲的趋势，两个驱动产生对抗的力，产生类似人体关节肌肉的拮抗作用，增大整个结构的刚度和运动过程的稳定性。

Claims (4)

1.一种线气拮抗驱动软体手指，其特征在于：包括手指基体(1)、充气腔(2)和穿插在手指基体(1)的驱动线(3)；所述手指基体(1)沿手指长度方向开设有多个V形缺口(9)，每个V形缺口(9)内均具有一个充气腔(2)，各个V形缺口(9)内的充气腔(2)通过沿手指长度方向贯穿手指基体(1)布置的通气口(5)连通，最边缘一端的V形缺口(9)的充气腔(2)经导气管(4)连接到外部的充气装置；充气腔(2)的侧方设有驱动线(3)，驱动线(3)一端沿手指长度方向穿过各个V形缺口(9)后固定系到所述手指基体(1)的一端，驱动线(3)另一端穿出手指基体(1)后连接到外部的拉线装置上；

所述手指基体(1)在充气腔(2)放气情况下通过驱动线(3)拉动弯曲，在驱动线(3)放松情况下通过充气腔(2)充气作用伸直；

所述手指基体(1)在充气腔(2)的两侧均设置有水平线槽，在充气腔(2)的两侧均布置有驱动线(3)。

2.根据权利要求1所述的线气拮抗驱动软体手指，其特征在于：

所述的拉线装置包括驱动电机，所述驱动线(3)一端固定于驱动电机的输出端，所述驱动线(3)另一端从所述线槽内沿手指长度方向穿入、从指尖穿出，然后反向由指尖穿入、从手指根部穿出并固定于驱动电机的输出端。

3.根据权利要求1所述的线气拮抗驱动软体手指，其特征在于：

所述驱动线(3)为尼龙线、碳素线、钢丝线、编织线及合成线中的任一种。

4.根据权利要求1所述的线气拮抗驱动软体手指，其特征在于：

所述手指基体(1)采用柔性3D打印方式制备。

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