CN112589828B - V型快速变刚度柔性抓手 - Google Patents

Abstract

一种V型快速变刚度柔性抓手，包括：抓手安装座，以及两组弧形夹紧座和柔性片状手指，其中：两个柔性片状手指设置于抓手安装座的两端，并通过弧形夹紧座固定，根据待夹取物体的大小决定两个柔性片状手指与抓手安装座所呈的角度，柔性片状手指的端部随弧形夹紧座转动。本发明V型抓手为层状结构，具有结构简单、轻质、成本低、成型容易、动作迅速的优点。通过控制膨胀气压即可实现抓手刚度和承载力的快速提升，具有良好的安全性、适应性和稳定性。

Description

V型快速变刚度柔性抓手

技术领域

本发明涉及的是一种机器人领域的技术，具体是一种V型快速变刚度柔性抓手。

背景技术

传统的刚性机器人通常由连杆、铰链、齿轮、电机等刚性部件构成，具有动力足、功率大、速度快、精度高等优点，因此在传统工业制造领域得到广泛应用。但其结构和控制复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差，在一些特殊的应用中，如复杂易碎物体抓取和人机交互等具有极大的挑战。软体机器人通常由柔软材料制成，具有成本低、自由度高、适应性强、柔顺性和安全性好等优点。其中最具代表性的是软体抓手，如美国Soft Robotics公司和北京软体机器人科技有限公司开发的硅胶气动软体抓手，通过简单的充气膨胀使柔软硅胶手指弯曲变形，从而实现对物体的自适应包裹抓取，其已经被成功地应用于食品、电子、日化、生鲜等物品的分拣和包装。虽然软体抓手具有良好的安全性和柔顺性，特别适用于复杂易碎物品的抓取，但是由于硅胶机体本身的低刚度特性，使其抓持力、承载力、抓取速度和稳定性远远不如传统刚性抓手。虽然通过现有的变刚度技术，如颗粒阻塞、层间阻塞、低熔点合金和形状记忆聚合物相变等，可以在一定程度上弥补软体抓手的不足，但同时带来了动作变慢、结构和控制复杂、重量和功耗增加等问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种V型快速变刚度柔性抓手，通过充气膨胀使柔性片状手指发生截面弯曲变形，从而迅速获得较高的抗弯刚度和承载力，又由于V型手指之间的膨胀气囊可以柔顺地施压于被抓持物体，因而保证了抓取的安全性、适应性和稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种V型快速变刚度柔性抓手，包括：抓手安装座，以及两组弧形夹紧座和柔性片状手指，其中：两个柔性片状手指设置于抓手安装座的两端，并通过弧形夹紧座固定，根据待夹取物体的大小决定两个柔性片状手指与抓手安装座所呈的角度，柔性片状手指的端部随弧形夹紧座转动。

所述的抓手安装座包括：带与机械臂连接的安装孔的方形凸台和矩形块，其中：方形凸台设置于矩形块的中央。

所述的弧形夹紧座包括：弧形连接座和弧形压板，其中：弧形连接座的上端与抓手安装座连接，弧形连接座和弧形压板将柔性片状手指的一端固定。

所述的柔性片状手指包括：矩形弹性薄片，以及控制手指位姿的膨胀硬化气囊和外展结构，其中：矩形弹性薄片为中间层，膨胀硬化气囊设置于矩形弹性薄片的内侧，外展结构设置于矩形弹性薄片的外侧，膨胀硬化气囊的上端与弧形夹紧座连接。

所述的外展结构为膨胀展开气囊或橡皮筋。

所述的膨胀展开气囊位于矩形弹性薄片的中部，其长度为矩形弹性薄片的一半，且中部设有两个连通气室。

所述的橡皮筋连接矩形弹性薄片的远抓手安装座端和抓手安装座的外边缘。

技术效果

本发明采用层状结构，每层片状部件易于大规模批量制备，通过充气膨胀可在1秒内使柔性片状手指迅速获得较高的抗弯刚度和承载力，且完全气动控制，无需多余的控制方式，可方便与工业自动化集成；整体结构简单、轻质、成本低、成型容易、动作迅速。全气动控制，驱动气压低，具有较好的可靠性和工作寿命，适用于多种尺寸、材质、形状和重量物体的灵活抓取。

附图说明

图1为实施例1的总体结构图和局部细节图；

图2为实施例1的抓手安装座的结构示意图；

图3为实施例1的弧形夹紧座的结构示意图；

图4为实施例1的柔性片状手指的结构示意图；

图中：a为柔性片状手指的各部分组成结构图；b为柔性片状手指的整体结构图；

图5为实施例1抓取工作的示意图；

图中：a为柔性片状手指的展开图；b为柔性片状手指的夹取图；

图6为实施例2抓取工作的示意图；

图中：a为柔性片状手指的展开图；b为柔性片状手指的夹取图；

图7为实施例1样机实物图和承载能力展示；

图8为实施例1样机抓取不同物体功能展示；

图中：抓手安装座1、安装孔101、通孔102、弧形夹紧座2、弧形连接座201、弧形压板202、夹紧连接孔203、弧形腰孔204、定位孔205、柔性片状手指3、矩形弹性薄片301、膨胀硬化气囊302、膨胀展开气囊303、待夹取物体4、橡皮筋5。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例，包括：抓手安装座1，以及两组弧形夹紧座2和柔性片状手指3，其中：两个柔性片状手指3设置于抓手安装座1的两端，并通过弧形夹紧座2固定，柔性片状手指3和弧形夹紧座2能够一起转动，两个柔性片状手指3根据待夹取物体4的大小而改变在抓手安装座1上的安装角度以确定不同夹角V型的安装。

如图2所示，所述的抓手安装座1包括：带有四个与机械臂连接的安装孔101的方形凸台和矩形块，其中：方形凸台设置于矩形块的中央上端。

所述的矩形块的两端分别对称布置8个通孔102以与弧形夹紧座2连接。

如图3所示，所述的弧形夹紧座2包括：弧形连接座201和弧形压板202，其中：弧形连接座201的上端与抓手安装座1的矩形块两侧的通孔102通过螺栓连接，弧形连接座201和弧形压板202通过各自两端的夹紧连接孔203将柔性片状手指3的一端夹紧。

所述的弧形连接座201的上端设有带弧形腰孔204和定位孔205的凸台，其下端的两侧设有夹紧连接孔203，其中：定位孔205用于固定弧形连接座201在抓手安装座1上的位置，弧形腰孔204用于调整弧形连接座201的夹角，夹紧连接孔203用于连接弧形连接座201和弧形压板202。

所述的弧形连接座201的弧形面的曲率半径R根据柔性片状手指3的材质和尺寸确定。

所述的弧形压板202的弧形面的曲率半径大于弧形连接座201的弧形面。

如图4所示，所述的柔性片状手指3为矩形薄片状的多层结构，包括：矩形弹性薄片301，以及分别外接气管的膨胀硬化气囊302和膨胀展开气囊303，其中：中间层为矩形弹性薄片301，膨胀硬化气囊302设置于矩形弹性薄片301的内侧，膨胀展开气囊303设置于矩形弹性薄片301的外侧，膨胀硬化气囊302在宽度方向上对称布置于矩形弹性薄片301上，在长度方向上与矩形弹性薄片301的下端对齐，膨胀硬化气囊302的上端与弧形夹紧座2连接，膨胀展开气囊303设置于矩形弹性薄片301的中间部位。

所述的矩形弹性薄片301的材料为塑料麦拉板或薄钢片。

所述的膨胀硬化气囊302的宽度为矩形弹性薄片301的3/4，其长度小于矩形弹性薄片301。

所述的膨胀展开气囊303的长度为矩形弹性薄片301的一半，且中间设有两个连通气室。

所述的膨胀硬化气囊302和膨胀展开气囊303的加工过程如下：二者均采用热塑性弹性薄膜TPU或TPU尼龙复合面料，经过激光切割成片状后，再由两层矩形TPU薄膜叠合经热封工艺封装而成，其中：膨胀硬化气囊302只需将两片矩形TPU薄膜四周热封，而膨胀展开气囊303除了将两片矩形TPU薄膜四周热封外，中间也采用热封并留一定宽度的气道形成两个连通气室，膨胀硬化气囊302和膨胀展开气囊303分别与两根气管连接，制好的气囊再通过热压合工艺或者粘结剂与中间的矩形弹性薄片301粘合形成柔性片状手指3。当膨胀硬化气囊302通过气管充气膨胀时，会使矩形弹性薄片301的横截面均匀弯曲，在曲率诱导的刚化作用和充气膨胀压力的共同作用下会使柔性片状手指3的抗弯刚度和承载力成倍提高。

如图5所示，本装置在初始状态时，柔性片状手指3截面曲率在固定端与弧形连接座201下端的弧形面一致，并沿着长度方向往自由端逐渐减小，最后展平，此时柔性片状手指3容易弯曲，具有较高的柔顺性，并呈V型闭合状态，当需要抓取物体时，对膨胀展开气囊303充气，使柔性片状手指3向外弯曲展开，如图5a所示，此时抓手向下移动并对准待夹取物体4使其处于两指之间，然后膨胀展开气囊303放气，同时膨胀硬化气囊302充气，柔性片状手指3恢复到V型闭合状态并将待夹取物体4压紧，当待夹取物体4厚度大于1cm时，夹紧位置偏上以获得更高的抓取刚度，当待夹取物体4厚度小于1cm时，夹紧位置靠下，类似使用筷子拿捏物体，如图5b所示，由于膨胀硬化气囊302直接与待夹取物体4接触，并对其起到包裹和保护的作用，因此该柔性抓手可以轻松应付柔软易碎的物体，另外抓取力还可以通过施加气压进行调节，经过反复的抓取实验证明20kPa左右的低气压就能使膨胀硬化气囊302工作，从而实现稳定抓取，当释放物体时只需对膨胀硬化气囊302泄气，柔性片状手指3恢复初始柔顺状态，物体在自重作用下会自然滑落。

本实施例所述的V型快速变刚度柔性抓手，除标准件和上述有说明材料的部件，其它各部件采用环氧树脂或工程塑料，通过机加工、注塑或3D打印成型，或通过铝合金材料加工而成。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1相比，柔性片状手指3为矩形薄片状的多层结构，包括：矩形弹性薄片301、外接气管的膨胀硬化气囊302和橡皮筋5，其中：中间层为矩形弹性薄片301，膨胀硬化气囊302设置于矩形弹性薄片301的内侧，橡皮筋6连接矩形弹性薄片301的末端和抓手安装座1的边缘。

本实施例中的橡皮筋6初始的预紧力将柔性片状手指3拉弯并向外展开；当抓取物体时，只需将初始张开的抓手对准物体，然后对膨胀硬化气囊302充气，柔性片状手指3克服橡皮筋6的预紧力实现闭合抓取，本实施例所需驱动气压较实施例1更高；当卸掉气压时，柔性片状手指3恢复柔软状态，橡皮筋6又会将手指向外拉开，从而释放物体。

如图7所示，制作的V型快速变刚度柔性抓手初始时具有良好的柔顺性，单个柔性片状手指重量约6.9g，且可以轻易弯曲变形，可保证良好的人机交互安全性；当对柔性片状手指外侧的膨胀展开气囊施加30kPa的气压时，手指会向两边展开，以便抓取物体；实验中对膨胀硬化气囊施加30kPa的气压可抓取3.1kg左右的重物，约为两片手指重量的220倍。

如图8所示，制作的V型快速变刚度柔性抓手还可灵活的抓取手机、胶带、鸡蛋和砝码等不同大小、形状、材质和重量的物体，表现出良好的适应性。

与现有技术相比，本装置可在1s之内实现抓手刚度和承载能力的提升，承载力可达到两片手指重量的200倍以上，且完全采用气压控制，V型设计既可实现类似筷子较精细地捏取动作，也能承载较大的重量。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种V型快速变刚度柔性抓手，其特征在于，包括：抓手安装座，以及两组弧形夹紧座和柔性片状手指，其中：两个柔性片状手指设置于抓手安装座的两端，并通过弧形夹紧座固定，根据待夹取物体的大小决定两个柔性片状手指与抓手安装座所呈的角度，柔性片状手指的端部随弧形夹紧座转动；

所述的柔性片状手指包括：矩形弹性薄片，以及控制手指位姿的膨胀硬化气囊和外展结构，其中：矩形弹性薄片为中间层，膨胀硬化气囊设置于矩形弹性薄片的内侧，外展结构设置于矩形弹性薄片的外侧，膨胀硬化气囊的上端与弧形夹紧座连接；

所述的抓手安装座包括：带有 与机械臂连接的安装孔的方形凸台和矩形块，其中：方形凸台设置于矩形块的中央；

所述的矩形块的两端分别对称布置多个通孔以与弧形夹紧座连接；

所述的弧形夹紧座包括：弧形连接座和弧形压板，其中：弧形连接座的上端与抓手安装座连接，弧形连接座和弧形压板将柔性片状手指的一端固定。

2.根据权利要求1所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的矩形弹性薄片的材料为塑料麦拉板或薄钢片。

3.根据权利要求1所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的膨胀硬化气囊的宽度为矩形弹性薄片的3/4，其长度小于矩形弹性薄片。

4.根据权利要求1所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的外展结构为膨胀展开气囊或橡皮筋。

5.根据权利要求4所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的膨胀展开气囊位于矩形弹性薄片的中部，其长度为矩形弹性薄片的一半，且其中部设有两个连通气室。

6.根据权利要求4所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的橡皮筋连接矩形弹性薄片的远抓手安装座端和抓手安装座的外边缘。

7.根据权利要求5所述的V型快速变刚度柔性抓手，其特征是，所述的气囊采用热塑性弹性薄膜TPU或TPU尼龙复合面料。

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