CN112757329B - 一种基于折纸原理的气动软体抓取器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于折纸原理的气动软体抓取器，包括端盖、导气管、气动柔性制动器和折纸单元，气动柔性制动器为软性材质硅胶制成，气动柔性制动器连接在端盖的底部，导气管连接并固定在端盖，导气管与气动柔性制动器内部连通，折纸单元设置在气动柔性制动器的内表面，通过气动柔性制动器和折纸单元产生变形来对待抓取物体进行环抱状抓取，变形由上述两部分协调作用形成，气动柔性制动器使抓取器整体产生大变形以便于环抱物体，而折纸单元受到气流推动后产生折起，使得锯齿结构的刚性末端与待抓取物体的粗糙面界面实现机械锁合，以达到抓取所需的高切向力；该结构实现大变形抓取，兼容了刚性、柔性抓取器的优点，有效提高接触界面负载能力。

Description

一种基于折纸原理的气动软体抓取器

技术领域

本发明涉及柔性抓取机械技术领域，具体而言，涉及一种基于折纸原理的气动软体抓取器。

背景技术

在表面粗糙的类球状物体抓取作业过程中，柔性抓取器与物体接触界面的摩擦力不足导致界面滑脱和抓持欠稳定，是阻碍抓持性能提升和广泛工业化应用的瓶颈。

现有的柔性抓取器主要有气动硅胶驱动和形状记忆合金驱动两种变形控制方式，使用气动硅胶制造的柔性抓取器，通过在内部设计气腔和在表面设计沟槽，使得在泵入高压空气时，因两边膨胀变形量不同，导致柔性单元向膨胀变形量较小的一侧弯曲，反之如果抽气的话，柔性单元会向收缩变形较大的一侧弯曲，通过充气和抽气可分别实现柔性抓取器的抓取与释放；气动硅胶致动在大范围变形要求下具有较快的反应速度和较稳定的抓持性能，但是对于粗糙物体表面的抓持，由于其材料刚度较低，难以提供法向高载荷夹持物体。使用形状记忆合金制造的柔性抓取器，利用形状记忆聚合物或金属加热和冷却过程中其弹性模量的变化来改变抓取器手指结构的刚度，但由于低熔点金属、形状记忆聚合物、超弹性形状记忆合金丝的弹性模量在温度变化前后改变程度小，因此关节刚度变化范围窄，响应速度慢。

柔性抓取器中折纸结构是由刚性平面材料折叠而成，由于其折痕具有一定的屈服柔度，因此折纸结构兼具刚性和柔性结构的特性。现有的折纸结构难以产生大范围变形，且制备成本和复杂程度远超柔性硅胶材料，另外，现有的折纸结构设计都缺乏对末端几何形态的考量，导致抓持面作用点位置和作用力方向的分布十分随机，极大的限制了抓取器的抓持性能。

总结现有的柔性抓取器，主要缺点有以下四点：

(a)纯柔性抓取器由于其材料天然的低刚度特性，难以在接触表面产生高法向力抓取物体，而且对于粗糙物体，产生的接触面积十分有限，这限制了通过增加法向力提高摩擦力的诱导机制的作用；

(b)以折纸机构作为抓取器的主要致动元件，难以产生大范围的变形；

(c)采用折纸表面抓取物体，尽管可以提供一定的局部刚度，但是由于缺乏几何构型的设计，无法与粗糙面凹坑形成有效的机械内锁合；

(d)在抓取器内表面设置取向排列的刚性小刺，可以与粗糙物体表面形成有效的机械内锁合，但是保持裸露在外的小刺容易给操作者带来安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于折纸原理的气动软体抓取器，能够实现大变形抓取，并在抓取器内表面设置了取向排列的折纸结构单元，良好的兼容了刚性、柔性抓取器的优点，有效提高接触界面负载能力，在保留柔性抓持灵活性的基础上，大幅提高了界面摩擦力调控范围，有效扩展了柔性抓取器的工业应用。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其包括端盖、导气管、气动柔性制动器和折纸单元，至少三个气动柔性制动器连接在端盖的底部，导气管贯穿端盖并连接至气动柔性制动器，气动柔性制动器内部设置有多个相连的中空腔体且中空腔体与导气管连通，导气管用于与外部气源连接，以对气动柔性制动器进行充气或抽气，气动柔性制动器的内表面阵列排布有折纸单元，折纸单元内部设置有与中空腔体连通的多个折纸腔体，多个折纸腔体依次连接且层叠设置形成褶皱，褶皱顶端的面积大于褶皱底端的面积，使得折纸单元的顶端折起高度大于底端折起高度，当折纸腔体内充满气体时，多个折纸单元的顶端比底端凸起形成朝向端盖的倾斜状。

在本发明较佳的实施例中，上述气动柔性制动器具有内层和外层，气动柔性制动器的内层为板状或条状结构，气动柔性制动器的外层设置有多个相互连通的叠置结构，叠置结构内为中空腔体。

在本发明较佳的实施例中，当上述气动软体抓取器准备抓取物体时，通过导气管向气动柔性制动器内注入高压气体，随着中空腔体内气压升高，各个中空腔体侧壁受压膨胀并互相挤压，使气动柔性制动器外层沿轴向发生膨胀，而内层不发生轴向变形，使得多个气动柔性制动器同时向内弯曲合拢，呈环抱状抓取物体。

在本发明较佳的实施例中，当上述气动软体抓取器准备释放物体时，通过导气管向外抽出气体，随着中空腔体内气压降低，多个气动柔性制动器同时向外弯曲，以释放抓取的物体。

在本发明较佳的实施例中，上述中空腔体与折纸腔体通过导气管同时充气或抽气，使得气动柔性制动器与折纸单元的变形运动同步进行。

在本发明较佳的实施例中，上述折纸单元的顶端褶皱边缘设置有尖端凸起，多个气动柔性制动器向内弯曲合拢时，多个折纸单元的尖端凸起卡在待抓取物体的表面，以形成机械锁合、提高抓取能力，而折纸单元内未充气体时，尖端凸起收缩在气动柔性制动器的内表面，以减少夹取安全隐患。

在本发明较佳的实施例中，上述尖端凸起为锯齿，多个尖端凸起排布为锯齿结构。

在本发明较佳的实施例中，上述褶皱为折纸单元层叠加工或制造时，在折纸单元边缘留下折痕形成的。

在本发明较佳的实施例中，上述气动柔性制动器为软性材质制成，柔性材质包括硅胶。

本发明的有益效果是：

(1)柔性抓取器采用气动硅胶驱动技术，充气时由于外侧腔室膨胀挤压，使得抓取器手指向内弯曲合拢，在大变形范围下呈环抱姿态抓取物体。

(2)在抓取器的内侧表面设置有取向排列的折纸结构单元，在内腔气压作用下沿表面设计的折痕发生膨胀，在小变形范围内与物体表面接触。由于折纸结构相比于柔性硅胶材料刚度较高，因此可以在摩擦产生的局部范围提供更稳定的法向力载荷，有效避免界面滑脱。通过与粗糙物体表面形成机械锁合实现抓取界面摩擦力大范围调控，克服传统柔性抓取器负载能力不足的问题。

(3)在折纸单元的抓取末端设置了单向生长的尖端凸起，在随着折纸单元变形接触到物体表面后，与表面粗糙峰之间产生机械锁合作用。随着每个单元上的锯齿末端钩住物体，在整个抓取界面就形成了高摩擦力。

(4)充分利用折纸结构的可变形特性，在非工作状态时折纸单元嵌在气动硅胶内表面中，工作时向抓取器内腔泵入高压空气，在气流推动下折纸单元被顶起并按照折痕伸展弹出气动硅胶表面。此设计确保了抓取器在工作状态和非工作状态之间的灵活切换，在非工作状态下将锯齿尖端隐藏在硅胶内表面也可以降低对操作人员的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明基于折纸原理的气动软体抓取器的示意图；

图2为本发明基于折纸原理的气动软体抓取器的装配图；

图3为本发明折纸单元的示意图；

图4为本发明折纸单元的剖视图；

图5为本发明基于折纸原理的气动软体抓取器的工作过程示意图；

图标：1-端盖；2-导气管；3-气动柔性制动器；4-折纸单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其包括端盖1、导气管2、气动柔性制动器3和折纸单元4，本实施例的气动柔性制动器3设置有四个，本实施例的气动柔性制动器3为软性材质硅胶制成，气动柔性制动器3连接在端盖1的底部，导气管2连接并固定在端盖1，导气管2与气动柔性制动器3内部连通，折纸单元4设置在气动柔性制动器3的内表面，抓取过程通过导气管2向气动柔性制动器3内部充气，气动柔性制动器3和折纸单元4同时产生形变，气动柔性制动器3同时弯曲合拢，而折纸单元4折起，两者相互配合而将待抓取物体的表面进行机械锁合，锁合固定后，完成对物体的抓取。

请参照图2，本实施例的端盖1呈圆盘状，端盖1的顶部具有便于手提移动的提手，端盖1还设置有四个呈环状对称分布的气孔，导气管2穿过该气孔且与端盖1过盈配合固定，该设置使得导气管2贯穿端盖1且底端连接至气动柔性制动器3，导气管2用于与外部气源连接，以对气动柔性制动器3内部进行充气或抽气，气动柔性制动器3的顶端设置有两个用于固定的连接孔，端盖1的底部设置有四个对称分布的卡扣，卡扣两侧设置有螺栓孔，卡扣底部设置有卡槽，气动柔性制动器3的顶端卡入卡槽内并通过螺栓固定连接在端盖1的底部，四个气动柔性制动器3同时固定后形成抓取器的主体结构；气动柔性制动器3内部设置有多个相连的中空腔体且中空腔体与导气管2连通，气动柔性制动器3具有内层和外层，气动柔性制动器3的内层为板状或条状结构，且该结构内中空设置，以便于通入气体，本实施例的气动柔性制动器3的内层结构设置有多个用于减轻重量的镂空孔，镂空孔呈3×8的阵列排列，气动柔性制动器3的外层设置有多个相互连通的叠置结构，叠置结构内为中空腔体，多个叠置结构连接在内层的板状或条状结构并一体成型，叠置结构呈三棱柱中空结构，叠置结构的一侧开口而另一侧封闭，其中两个薄片硅胶构成三棱柱的中空结构的两个面，并使得叠置结构形成一个突起的锥形，抽气时，两片硅胶相互靠近进行折叠，充气时，腔体膨胀，两片硅胶片相互分开互成锐角，多个叠置结构如此相互作用，实现气动柔性制动器3的向内合拢和向外弯曲分开。

请参照图3和图4，气动柔性制动器3的内表面阵列排布有折纸单元4，折纸单元4为刚性材质制成，折纸单元4内部设置有与中空腔体连通的多个折纸腔体，多个折纸腔体依次连接且层叠设置形成褶皱，褶皱为折纸单元4层叠设置时，在折纸单元4边缘留下折痕形成的，这样折纸单元4的相邻腔体的结构之间可通过向腔体内充气或抽气，产生折叠和膨胀的两种形态，折叠时，折纸单元4叠在气动柔性制动器3的内表面，折起时，折纸单元4膨胀展开；折纸单元4展开时呈顶宽底窄状，折纸单元4折痕处的褶皱顶端的面积大于褶皱底端的面积，使得折纸单元4的顶端折起高度大于底端折起高度，当折纸腔体内充满气体时，多个折纸单元4的顶端比底端凸起形成朝向端盖1的倾斜状，折纸单元4的顶端褶皱边缘设置有排列在一排的尖端凸起，四个气动柔性制动器3向内弯曲合拢时，多个折纸单元4的尖端凸起卡在待抓取物体的表面，以形成机械锁合、提高抓取能力，而折纸单元4内未充气体时，尖端凸起收缩在气动柔性制动器3的内表面，以减少夹取安全隐患，本实施例的尖端凸起为锯齿，多个尖端凸起排布为锯齿结构。

请参照图5，气动柔性制动器3的中空腔体与折纸腔体通过气动柔性制动器3的内层结构内部腔体连通，导气管2连通该腔体后同时充气或抽气，使得气动柔性制动器3与折纸单元4的变形运动同步进行；当气动软体抓取器准备抓取物体时，通过导气管2向气动柔性制动器3内注入高压气体，随着中空腔体内气压升高，各个中空腔体侧壁受压膨胀并互相挤压，使气动柔性制动器3外层沿轴向发生膨胀，而内层不发生轴向变形，使得多个气动柔性制动器3同时向内弯曲合拢，呈环抱状抓取物体；当气动软体抓取器准备释放物体时，通过导气管2向外抽出气体，随着中空腔体内气压降低，多个气动柔性制动器3同时向外弯曲，进而释放抓取的物体。

综上所述，本发明实例通过气动柔性制动器和折纸单元产生变形来对待抓取物体进行环抱状抓取，变形由上述两部分协调作用形成，气动柔性制动器使抓取器整体产生大变形以便于环抱物体，而折纸单元受到气流推动后产生折起，使得锯齿结构的刚性末端与待抓取物体的粗糙面界面实现机械锁合，以达到抓取所需的高切向力，相比于现有技术，本发明融合了硅胶的高柔性和折纸结构的高刚度，可以在低法向力条件下实现高切向力抓取；该结构能够使用软体硅胶和折纸结构分别提供整体和局部的柔性约束，实现大变形抓取，兼容了刚性、柔性抓取器的优点，有效提高接触界面负载能力，在保留柔性抓持灵活性的基础上，大幅提高了界面摩擦力调控范围，有效扩展了柔性抓取器的工业应用。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。任何以柔性材料和折纸结构分别提供整体和局部变形能力的协同变形设计，均在本声明保护之列；任何通过气压调节方式控制刚性末端在嵌入和弹出+状态间完成转换的技术方案，均在本声明保护之列；任何通过对折纸结构末端进行取向性尖端设计，以求达到与粗糙表面之间形成机械锁合作用的技术方案，均在本声明保护之列。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，包括端盖、导气管、气动柔性制动器和折纸单元，至少三个所述气动柔性制动器连接在端盖的底部，所述导气管贯穿端盖并连接至气动柔性制动器，所述气动柔性制动器内部设置有多个相连的中空腔体且中空腔体与导气管连通，所述导气管用于与外部气源连接，以对气动柔性制动器进行充气或抽气，所述气动柔性制动器的内表面阵列排布有折纸单元，所述折纸单元内部设置有与中空腔体连通的多个折纸腔体，多个折纸腔体依次连接且层叠设置形成褶皱，褶皱顶端的面积大于褶皱底端的面积，使得折纸单元的顶端折起高度大于底端折起高度，当折纸腔体内充满气体时，多个所述折纸单元的顶端比底端凸起形成朝向端盖的倾斜状。

2.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述气动柔性制动器具有内层和外层，所述气动柔性制动器的内层为板状或条状结构，所述气动柔性制动器的外层设置有多个相互连通的叠置结构，叠置结构内为中空腔体。

3.根据权利要求2所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，当气动软体抓取器准备抓取物体时，通过导气管向气动柔性制动器内注入高压气体，随着中空腔体内气压升高，各个中空腔体侧壁受压膨胀并互相挤压，使气动柔性制动器外层沿轴向发生膨胀，而内层不发生轴向变形，使得多个气动柔性制动器同时向内弯曲合拢，呈环抱状抓取物体。

4.根据权利要求3所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，当气动软体抓取器准备释放物体时，通过导气管向外抽出气体，随着中空腔体内气压降低，多个气动柔性制动器同时向外弯曲，以释放抓取的物体。

5.根据权利要求4所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述中空腔体与折纸腔体通过导气管同时充气或抽气，使得气动柔性制动器与折纸单元的变形运动同步进行。

6.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述折纸单元的顶端褶皱边缘设置有多个并列排布的尖端凸起，多个所述气动柔性制动器向内弯曲合拢时，多个折纸单元的尖端凸起卡在待抓取物体的表面，以形成机械锁合、提高抓取能力，而所述折纸单元内未充气体时，尖端凸起收缩在气动柔性制动器的内表面，以减少夹取安全隐患。

7.根据权利要求6所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述尖端凸起为锯齿，多个所述尖端凸起排布为锯齿结构。

8.根据权利要求6所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述褶皱为折纸单元层叠加工或者制造时，在折纸单元边缘留下折痕形成的。

9.根据权利要求1所述的一种基于折纸原理的气动软体抓取器，其特征在于，所述气动柔性制动器为软性材质制成，所述柔性材质包括硅胶。

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