CN112720540A - 一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手。针对现有机械手所存在的不足，设计一种新的软体机械手。软体机械手主要由两部分组成，分别是软体机械手本体和外部设备。外部设备用于驱动软体手内部的负压驱动的气动人工肌肉。主要包括真空发生器、真空罐、电气比例控制阀和空气过滤器。软体机械手由掌骨和五根手指组成。掌骨用于固定各手指，拇指有三个自由度，其余四指有四个自由度。单根手指主要包含各节指骨、负压式气动人工肌肉、腱绳、导向轮和扭簧。通过调节电气比例控制阀的开度可实现对软体机械手各关节的运动控制。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手。
背景技术
目前已有的五指灵巧机械手采用的驱动方式主要为：电机、气动人工肌肉。由电机或者气动人工肌肉通过腱绳等连接各手指关节，实现对手指的运动控制。电机驱动主要包括内置式和外置式，电机内置式的缺点是结构复杂，手指与目标为刚性接触，灵巧机械手质量大；电机外置式的缺点是需要通过较长的腱绳连接手指关节，手指驱动不直接，控制精度不高。气动人工肌肉驱动主要分为正压式和负压式，相比于负压式驱动，正压式驱动需要使用高压气体，并配备空气压缩机、高压储气罐等外设，总体体积较大，具有一定的危险性。负压式驱动需要真空发生器、储气罐等，体积相对较小，安全性高，由气动人工肌肉驱动的灵巧手与目标之间的接触为柔性接触。
发明内容
本发明的目的在于提供一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，包括驱动控制机构和软体机械手；驱动控制机构连接软体机械手，用于驱动软体机械手；
软体机械手包括掌骨和机械手指，掌骨上连接有若干机械手指，形成软体机械手；
机械手指包括若干指骨、负压式气动人工肌肉、腱绳、转动关节和导向轮；每根指骨之间通过转动关节连接，除开最端部的所有指骨内均固定设置有负压式气动人工肌肉，负压式气动人工肌肉的端部连接腱绳的一端，每个转动关节的侧面均设置有两个平行的导向轮，腱绳的另一端依次绕过两个导向轮连接到转动关节上；负压式气动人工肌肉通过管道连接驱动控制机构。
进一步的，转动关节包括转动盘和扭簧；指骨的端部均固定设置有转动盘，两个转动盘通过转轴同轴连接，扭簧缠绕设置在转轴上，且扭簧的一端顶在后一个指骨的内侧壁，另一端顶在前一个指骨的内侧壁。
进一步的，软体机械手包括大拇指和其他四根手指，大拇指由三节指骨构成，其余四指由四节指骨构成。
进一步的，驱动控制机构包括真空罐、真空发生器、电气比例控制阀和空气过滤器；负压式气动人工肌肉通过软管与电气比例控制阀相连，电气比例控制阀与真空罐相连，真空罐与真空发生器相连，真空发生器连接空气过滤器；
进一步的，真空罐、真空发生器、电气比例控制阀和空气过滤器均设置在控制柜台上。
进一步的，掌骨为若干个锥型台模块并排铰接形成。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明机械手工作时，首先打开真空发生器，将真空罐造成所需要的真空状态，然后关闭真空发生器，根据手指要完成的动作控制电气比例控制阀的开度，各节指骨内的负压式气动人工肌肉收缩，负压式气动人工肌肉产生的拉力首先需要抵消扭簧的扭矩作用，然后拉动各节指骨转动，操作完成后电气比例控制阀主动破坏负压式气动人工肌肉内的真空环境，由扭簧带动各节指骨恢复初始伸展状态。
负压式气动人工肌肉嵌入各节指骨内，因此机械手的结构更紧凑，且负压式气动人工肌肉保证机械手与目标为柔性接触，可用于操作柔软易碎的目标；
传统的正压式气动人工肌肉工作时需要一个稳定的高压环境，通常由空气压缩机和储气罐组成，本发明所需的负压环境由真空发生器和真空罐组成，相比于正压式的环境，负压环境在使用过程中安全性更高，同时外部设备体积更小质量更轻。
附图说明
图1为负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手三维示意图；
图2为软体机械手手指剖面图；
图3为驱动控制机构结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
1)参照图1-图3，一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手主要是由掌骨7、五根手指、扭簧5、导向轮6、气动人工肌肉8、电气比例控制阀9、控制柜台10、空气过滤器11、真空发生器12、真空罐13组成；
2)掌骨7用来固定五根手指并提供机械手和其他机械机构的接口(如机械臂等)，各手指和掌骨7之间通过键连接，除拇指外的其余四指的旋转关节在同一平面内，拇指的旋转关节相对于其余四指的旋转关节偏转30度，方便机械手进行物体的抓取动作，符合人手的生理结构，掌骨7和各手指关节的旋转力矩由电机提供，其转动范围在-15°～+15°内，由不同的操作对象改变手指的包络大小，此外掌骨在手心一侧切割出三角形的凹槽，当接机械手抓取物体时可以被动的将掌骨向手心内弯曲，提供更好的抓握姿态；
3)各手指内部的组成详见图2，1号指骨通过键与2号指骨连接，2号指骨通过键与3号指骨连接，各旋转关节中加入扭簧5，用于提供手指恢复张开状态的力矩，2号指骨内嵌入负压式气动人工肌肉8，负压式气动人工肌肉8通过螺纹连接在指骨内的挡板上，负压式气动肌肉8的抽气口穿过各挡板中间的圆孔，抽气口连接软管；
4)其他外部设备的选择：如图3所示，本发明中所使用的外部设备电气比例控制阀9、控制柜台10、空气过滤器11、真空发生器12、真空罐13都是可以直接购买的商品级设备，可以根据使用场景确定各设备的不同规格；
5)各部件的材料及加工方式：掌骨7采用尼龙材料，使用激光3D打印制成，手指各节指骨采用尼龙材料，通过激光3D打印制成，扭簧5采用碳素弹簧钢通过卷簧加回火制作，导向轮使用尼龙材料通过激光3D打印制成；
6)负压式气动人工肌肉内骨架选择尼龙材料，结构为螺旋状构型，使用激光3D打印制作；
7)负压式气动人工肌肉的PE包覆膜根据内部骨架的实际尺寸，裁剪合适面积的PE薄膜。
本发明未详细说明部分属于领域技术人员公知常识。
Claims (6)
1.一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，包括驱动控制机构和软体机械手；驱动控制机构连接软体机械手，用于驱动软体机械手；
软体机械手包括掌骨(7)和机械手指，掌骨(7)上连接有若干机械手指，形成软体机械手；
机械手指包括若干指骨、负压式气动人工肌肉(8)、腱绳、转动关节和导向轮(6)；每根指骨之间通过转动关节连接，除开最端部的所有指骨内均固定设置有负压式气动人工肌肉(8)，负压式气动人工肌肉(8)的端部连接腱绳的一端，每个转动关节的侧面均设置有两个平行的导向轮(6)，腱绳的另一端依次绕过两个导向轮(6)连接到转动关节上；负压式气动人工肌肉(8)通过管道连接驱动控制机构。
2.根据权利要求1所述的一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，转动关节包括转动盘和扭簧(5)；指骨的端部均固定设置有转动盘，两个转动盘通过转轴同轴连接，扭簧(5)缠绕设置在转轴上，且扭簧(5)的一端顶在后一个指骨的内侧壁，另一端顶在前一个指骨的内侧壁。
3.根据权利要求1所述的一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，软体机械手包括大拇指和其他四根手指，大拇指由三节指骨构成，其余四指由四节指骨构成。
4.根据权利要求1所述的一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，驱动控制机构包括真空罐(13)、真空发生器(12)、电气比例控制阀(9)和空气过滤器(11)；负压式气动人工肌肉(8)通过软管与电气比例控制阀(9)相连，电气比例控制阀(9)与真空罐(13)相连，真空罐(13)与真空发生器(12)相连，真空发生器(12)连接空气过滤器(11)。
5.根据权利要求4所述的一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，真空罐(13)、真空发生器(12)、电气比例控制阀(9)和空气过滤器(11)均设置在控制柜台(10)上。
6.根据权利要求1所述的一种由负压式气动人工肌肉驱动的软体机械手，其特征在于，掌骨(7)为若干个锥型台模块并排铰接形成。
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