CN112809720B

CN112809720B - 软体机械手

Info

Publication number: CN112809720B
Application number: CN202110254335.6A
Authority: CN
Inventors: 肖华平; 郝天泽; 刘书海; 徐泉; 张超; 马豪
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2041-03-09
Also published as: CN112809720A

Abstract

本说明书提供了一种软体机械手，包括：仿生手掌，具有掌心面、端面和侧面；仿生手指机构，包括：连接于端面的第一手指单元、第二手指单元；连接于侧面的拇指单元，第一手指单元在背离掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第一气腔，第二手指单元在背离掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第二气腔，拇指单元在背离掌心面的表面上横向间隔设置有左气腔和右气腔；气动控制机构，包括：气泵；连接于气泵与仿生手指机构之间的第一开关机构，用于独立控制向每个第一气腔、每个第二气腔、左气腔和右气腔供压；用于独立控制每个第一气腔、每个第二气腔、左气腔和右气腔泄压的第二开关机构。本申请能够适应被抓取物体形状、材料，动作灵活且安全性高。

Description

软体机械手

技术领域

本申请涉及软体机器人技术领域，尤其涉及一种软体机械手。

背景技术

长期以来，人类为了提高自身的活动能力，不断地向自然界中的生物学习。自然界中的软体生物能够利用身体的软组织和顺应性结构减少外界环境带来的负面影响，通过模仿这种柔软特性，人们研制出了软体机器人。

软体机器人通过使用柔软材料具有无限多自由度和连续变形能力，在探索未知环境、康复医疗等领域有广阔应用前景。而软体机械手作为软体机器人中重要的一类，相关研究正逐渐兴起。柔软的抓手可以通过材料的柔软性将应力均匀地分布在整个接触区域上，从而使其可以通过柔性变形抓握不同尺寸，形状和重量的物体，同时具有安全，轻便和高度柔韧性的优势。

现有技术中，软体机械手的驱动方式多种多样，气体驱动是目前应用最广泛的驱动方式。气体介质施加到柔软基体中引起局部变形，响应快速，并且只受到材料强度限制，具有较大的工作负荷、良好的可逆性和可控性。

但是，目前软体机械手的每个手指活动形式单一，并不能充分模仿人手指的单个关节的固定运动或多个关节的联合运动，难以实现复杂的目标运动。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种软体机械手，能够适应被抓取物体形状、材料，动作灵活且安全性高。

为了达到上述目的，本申请提供的技术方案如下所述：

一种软体机械手，包括：

仿生手掌，具有掌心面、端面和侧面；

仿生手指机构，包括：连接于所述端面的第一手指单元、第二手指单元；连接于所述侧面的拇指单元，所述第一手指单元、所述第二手指单元能朝向所述掌心面弯曲，所述拇指单元能朝向所述掌心面旋转；所述第一手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第一气腔，所述第二手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第二气腔，所述拇指单元在背离所述掌心面的表面上横向间隔设置有左气腔和右气腔；

气动控制机构，包括：气泵；连接于所述气泵与所述仿生手指机构之间的第一开关机构，所述第一开关机构用于独立控制向每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔和所述右气腔供压；用于独立控制每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔和所述右气腔泄压的第二开关机构。

作为一种优选的实施方式，所述拇指单元包括：第一主体段和第二主体段，所述第一主体段与所述第二主体段之间形成预定夹角，所述第二主体段连接于所述第一主体段与所述侧面之间，所述左气腔和所述右气腔设置在所述第一主体段，所述第二主体段在背离所述掌心面的表面上设置有鱼际气腔。

作为一种优选的实施方式，所述鱼际气腔的内部呈栅格结构，所述鱼际气腔的外部设置有第一纤维线，所述第一纤维线的缠绕方向与所述第二主体段的延伸方向之间呈锐角。

作为一种优选的实施方式，所述气动控制机构包括：

与所述气泵相连的多个进气流道，所述多个进气流道与每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔、所述右气腔和所述鱼际气腔一一对应；

与外界大气相连的多个泄压流道，所述多个泄压流道与每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔、所述右气腔和所述鱼际气腔一一对应，所述第一开关机构包括设置在每个所述进气流道上的第一电磁阀，所述第二开关机构包括设置在每个所述泄压流道上的第二电磁阀；

用于控制每个所述第一电磁阀、每个所述第二电磁阀通断的控制器。

作为一种优选的实施方式，所述侧面包括：第一侧面和第二侧面，所述拇指单元连接于所述第一侧面；所述仿生手指机构包括：第三手指单元、第四手指单元，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元和所述第四手指单元在所述端面上沿着自所述第一侧面朝向所述第二侧面的方向依次排列，所述第三手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第三气腔，所述第四手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第四气腔，所述第一开关机构能控制向所有所述第三气腔和所述第四气腔的同时供压，所述第二开关机构能控制所有所述第三气腔和所述第四气腔的同时泄压。

作为一种优选的实施方式，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元均具有本体，所述本体采用第一柔性材料制作，所述气腔采用第二柔性材料制作，所述第二柔性材料的刚度低于所述第一柔性材料；所述第一气腔、所述第二气腔、所述第三气腔、所述第四气腔、所述左气腔、所述右气腔在平行于所述本体纵长延伸方向上的横截面呈直角梯形。

作为一种优选的实施方式，所述第一气腔、所述第二气腔、所述第三气腔、所述第四气腔、所述左气腔和所述右气腔的外壁上均缠绕有第二纤维线。

作为一种优选的实施方式，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元在朝向所述掌心面的表面上设置有用于产生吸附力的吸附机构。

作为一种优选的实施方式，所述仿生手指机构与所述仿生手掌之间设置有连接机构，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元通过所述连接机构与所述仿生手掌之间可拆卸连接。

作为一种优选的实施方式，所述软体机械手设置有底座，所述底座内安装有与所述控制器电连接的摄像头，用于获取距离所述掌心面预定范围内的视觉信息。

有益效果：

本申请实施方式提供的软体机械手的第一手指单元、第二手指单元各有背离掌心面的多个气腔，在向气腔充气的过程中，气腔内的压力能够推动手指单元朝向掌心面移动，从而能够做出类似于人手关节的弯曲动作。每个气腔的供气和泄压可以单独控制，从而手指的每个“关节”可以单独弯曲。拇指单元有左右两个的气腔，大拇指可以相对于手掌进行左旋和右旋动作。

本发明中的软体机械手不仅有向手掌内侧的弯曲动作，还有大拇指的左旋和右旋动作，从而可以实现对指动作，即大拇指能依次和其余手指进行对碰，例如做出：“1-10”、“OK”、“V”字等手势动作，可以抓取不同形状、表面、重量的物体。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书实施例提供的软体机械手结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的仿生手掌结构示意图；

图3为本说明书实施例提供的手指单元、气腔的示意图；

图4为本说明书实施例提供的手指单元上的第二纤维线示意图；

图5为本说明书实施例提供的拇指单元、气腔的示意图；

图6为本说明书实施例提供的拇指单元上的第一纤维线和第二纤维线示意图；

图7为本说明书实施例提供的吸附机构示意图；

图8为本说明书实施例提供的软体机械手的视野范围示意图；

图9为本说明书实施例提供的气动控制机构的示意图。

附图标记说明：

1、第一连接件；2、鱼际气腔；3、左气腔；4、拇指单元；41、第一主体段；42、第二主体段；43、第一纤维线；5、右气腔；6、第一手指单元；7、第二手指单元；8、第三手指单元；9、第四手指单元；10、远端气腔；11、近端气腔；12、掌指气腔；13、第二连接件；14、仿生手掌；141、端面；142、侧面；143、掌背面；15、本体；151、本体上端；152、本体下端；153、倾斜的接触表面；154、注气部；155、第二纤维线；16、吸附机构；161、六棱柱凸起；17、气泵；18、进气流道；19、泄压流道；20、第一电磁阀；21、第二电磁阀；22、底座；23、摄像头；24、稳压阀；25、过滤器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所限定的范围内。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

下面将结合图1至图9对本说明书实施例的软体机械手进行解释和说明。需要说明的是，为了便于说明，在本发明的实施例中，相同的附图标记表示相同的部件。而为了简洁，在不同的实施例中，省略对相同部件的详细说明，且相同部件的说明可互相参照和引用。

具体的，将图1至图9中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1至图9中所示意的向下的方向定义为“下”，以图中所示的向左的方向定义为“左”，以图中所示的向右的方向定义为“右”。值得注意的是，本说明书中的对“上”、“下”、“左”、“右”各方向定义，只是为了说明本说明书技术方案的方便，并不限定本说明书实施例的软体机械手在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。

本说明书实施例提供了一种软体机械手，包括：仿生手掌14，具有掌心面、端面141和侧面142；仿生手指机构，包括：连接于所述端面141的第一手指单元6、第二手指单元7；连接于所述侧面142的拇指单元4，所述第一手指单元6、所述第二手指单元7能朝向所述掌心面弯曲，所述拇指单元4能朝向所述掌心面旋转；所述第一手指单元6在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第一气腔，所述第二手指单元7在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第二气腔；所述拇指单元4在背离所述掌心面的表面上横向间隔设置有左气腔3和右气腔5；气动控制机构，包括：气泵17；连接于所述气泵17与所述仿生手指机构之间的第一开关机构，所述第一开关机构用于独立控制向每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔3和所述右气腔5供压；用于独立控制每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔3和所述右气腔5泄压的第二开关机构。

该手指单元具有高度灵活性，第一手指单元6、第二手指单元7各有背离掌心面的多个气腔，相当于人体手指上的关节，在向气腔充气的过程中，气腔内的压力能够推动手指单元朝向掌心面移动，从而能够做出类似于人手关节的弯曲动作。第一手指单元6和第二手指单元7上的每个气腔的供气和泄压可以单独控制，从而手指的每个“关节”可以单独弯曲。拇指单元4有左右两个的气腔，大拇指可以相对于手掌进行左旋和右旋动作。

具体的，第一手指单元6、第二手指单元7上的气腔开设于手指单元背离掌心面的表面上，通过向气腔充气，气腔内的压力能够推动手指单元朝向掌心面移动。所述第一气腔和所述第二气腔均设置有多个，优选的，具有三个，类似于人体手指，气腔可以包括远端气腔10、近端气腔11和掌指气腔12，从而通过控制向远端气腔10、近端气腔11和掌指气腔12充气以及充气量，可以模仿人手指上三个关节的活动度。

拇指单元4设置在仿生手掌14的侧面142，拇指单元4上的左、右气腔开设于拇指单元4背离掌心面的表面上，通过向左、右气腔充气，气腔内的压力能够推动拇指单元4进行左旋或者右旋的动作。例如，当向左气腔3充气时，推动拇指单元4进行右旋动作，当需要拇指单元4回到原位时，向右气腔5充气，推动拇指单元4进行左旋动作，直至回到原位。

本实施例提供的软体机械手在工作时，基于每个气腔(关节)充气和泄压的独立性以及大拇指的横向移动能力，不仅有向手掌内侧的弯曲动作，还有大拇指的左旋和右旋动作，从而可以实现对指动作，即大拇指能依次和其余手指进行对碰，例如做出：“1-10”、“OK”、“V”字，用手语表达字母“B”、“J”“K”“L”和“N”等手势动作，可以抓取不同形状、表面、重量的物体。

在进行抓取动作时，不可避免的需要用到大拇指，为了能够提高大拇指的灵活性，如图5和图6所示，拇指单元4包括：第一主体段41和第二主体段42，所述第一主体段41与所述第二主体段42之间形成预定夹角，所述第二主体段42连接于所述第一主体段41与所述侧面142之间，所述左气腔3和所述右气腔5设置在所述第一主体段41，所述第二主体段42在背离所述掌心面的表面上设置有鱼际气腔2。其中，仿照人体的大鱼际和手指，第一主体段41和第二主体段42之间的预定夹角大于90°。

人手拇指作为最灵活的手指，大拇指掌骨与三角骨形成一个鞍状关节，关节内侧发达的大鱼际肌肉群给大拇指的运动提供有力支撑，使得大拇指在手掌方向的一个圆锥形空间中有很大的运动范围。人手拇指实现外展、屈曲、对掌和内收等动作都依赖深、浅两层排列的大鱼际肌肉。本实施例通过增加鱼际气腔2，通过向鱼际气腔2充气，实现了“大鱼际”肌肉对拇指单元4运动的有力支撑，大大提高了拇指单元4的活动范围，让拇指单元4可以相对仿生手掌14内旋和外旋，灵活性大大提升。

进一步的，所述鱼际气腔2的内部呈栅格结构，所述鱼际气腔2的外部设置有第一纤维线43，所述第一纤维线43的缠绕方向与所述第二主体段42的延伸方向之间呈锐角。

如图5和图6所示，通过在鱼际气腔2的外部缠绕第一纤维线43，第一纤维线43的缠绕方向与第二主体段42的延伸方向之间呈锐角。在本实施例中，第二主体段42的延伸方向可以是水平面方向，第一纤维线43的缠绕方向与第二主体段42的延伸方向之间优选为60°，即第一纤维线43的缠绕方向与竖直方向成30°。在鱼际气腔2的压力增大时，大鱼际带动拇指单元4不仅能向掌心方向弯曲，鱼际气腔2在第一纤维线43的限制下还能产生与掌心面呈30°的外翻动作，在抓取时利于整个拇指单元4和大尺寸物体表面进行接触。另外，将鱼际气腔2的主体部分设计成栅格结构，鱼际气腔2中的栅格结构减小了同样弯曲效果所需的气体量，使得弯曲速度更快，另外栅格结构让鱼际气腔2中空腔的体积缩减，同样的弯曲效果需要更小的压强，有利于弯曲效果的进一步提升。

在本说明书中，所述侧面142包括：第一侧面和第二侧面，拇指单元4连接于所述第一侧面。仿生手指机构包括：第三手指单元8、第四手指单元9，第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8和第四手指单元9在仿生手掌14的端面141上沿着自所述第一侧面朝向所述第二侧面的方向依次排列，所述第三手指单元8在背离掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第三气腔，第四手指单元9在背离掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第四气腔，第一开关机构能控制所有第三气腔和第四气腔的同时供压，第二开关机构能控制所有第三气腔和第四气腔的同时泄压。

具体的，第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8和第四手指单元9分别可以用于仿生人体手指中的食指、中指、无名指和小指。其中第三手指单元8和第四手指单元9上的气腔分别具有三个，类似于人体手指上的关节，从而气腔可以包括远端气腔10、近端气腔11和掌指气腔12。

在实际生活中的抓取、做手势等动作中，拇指、食指和中指通常起主要的动态控制作用，各个关节由于被抓物体大小、形状、表面材料的不同，往往不同时地弯曲或伸展，进而配合工作。而无名指和小指通常在抓取、做手势等功能中起支撑和静态控制作用，他们同时弯曲、同时伸展。在本实施例中，气动机械手中的拇指、食指、中指的各个气腔(关节)独立控制，无名指和小指中的气腔(关节)同时控制，实现与人手相似的同时弯曲、同时伸展。

在本说明书中，通过第一开关机构控制向所有第三气腔和第四气腔的同时供气，也即第三手指单元8和第四手指单元9同时弯曲。并通过第二开关机构控制向所有第三气腔和第四气腔的同时泄压，也即第三手指单元8和第四手指单元9同时伸展。与第一手指单元6、第二手指单元7、拇指单元4上的气腔控制方式不同，仿生无名指的第三手指单元8和仿生小指的第四手指单元9通过气动控制机构同时弯曲和同时伸展。

本发明中的气动机械手通过设置拇指单元4、第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8和第四手指单元9可以做出复杂的手势，在较为复杂的手势中，“7”和“9”动作是传统机械手难以实现的动作，因为需要不同手指做出全弯曲和半弯曲动作。抓取动作作为衡量机械手能力的一个重要指标，可以分为“有力抓取”和“精细抓取”两种。在执行“有力抓取”时，通常是五根手指同时弯曲，达到较大的抓握力度以及较大的抓取范围，在执行“精细抓取”时，则改变为拇指和食指的两指抓取或者拇指、食指和中指的三角抓取动作，需要精细控制每个气腔的进气量，达到抓取细小物体和特殊形状物体的目的。

如图3和图4所示，第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8、第四手指单元9和拇指单元4均具有本体15，所述本体15采用第一柔性材料制作，所述气腔采用第二柔性材料制作，所述第二柔性材料的刚度低于所述第一柔性材料；所述第一气腔、所述第二气腔、所述第三气腔、所述第四气腔、所述左气腔3、所述右气腔5在平行于所述本体15纵长延伸方向上的横截面呈直角梯形。

本体15和气腔都由柔性材料制作，当气腔腔室内气压增大时，由于材料刚性的不同会发生定向的弯曲运动。所述本体15采用刚度较高的硅胶材料制作。所述本体15具有纵长延伸方向，在其延伸方向上具有相对的本体上端151和本体下端152，本体上端151与本体下端152之间开设有三个间隔的气腔，从而通过向每个气腔注气，能够推动对应的本体移动。例如通过向远端气腔10注气，能够推动本体上端151朝向掌心面移动。在抓取物体时，通过向掌指气腔12、近端气腔11和远端气腔10注气，能够推动本体15朝向掌心面弯曲，可以使得本体15大面积的与被抓取物接触。

上述单元均设置有注气部154，该注气部154构成了所述气腔，本体15上可以开设有气孔，该气孔的个数与注气部154(气腔)的个数相同，且每个气孔与对应的注气部154相连通，具体可以开设于与其对应的注气部154的下端。气孔通过导管与气动控制机构相连，为了使得气腔充气时获得较大的弯曲角度，注气部154由刚度较低的硅胶材料制作。

为了便于气腔充气后能够顺利的推动对应的本体15部分移动，第一气腔、第二气腔、第三气腔、第四气腔、左气腔3、右气腔5在平行于本体15纵长延伸方向上的横截面呈直角梯形。其中，左气腔3和右气腔5对应的本体15为第一主体段41。上述气腔的横截面呈直角梯形，从而气腔与本体15之间必然具有倾斜的接触表面153，由于拇指和其他手指的作用方向不同，该倾斜的接触表面153设置的方向也必然存在区别。该倾斜的接触表面153能够使得气腔在充气时压力能够作用到对应的本体15部分，迫使手指的关节能够弯曲或者旋转。

进一步的，如图4所示，第一气腔、第二气腔、第三气腔、第四气腔、左气腔3和右气腔5的外壁上均缠绕有第二纤维线155。上述气腔外部均匀地缠绕第二纤维线155，以获得更好的变形效果。当气腔腔室内气压增大时，不缠第二纤维线155时，气腔会像气球一样鼓起来，作用到弯曲方向的力很小。缠绕第二纤维线155后能够限制气腔向外鼓起，作用到弯曲方向的力更大，也就是说作用到本体15上的力更大。另外，由于本体15和气腔在采用硅橡胶材质制作时，硅橡胶本身具有弹性，气腔充气后在推动本体15时会径向伸长，通过缠绕第二纤维线155，能够限制硅橡胶材质径向伸长。

在本说明书中，所述第一手指单元6、所述第二手指单元7、所述第三手指单元8、所述第四手指单元9和所述拇指单元4在朝向所述掌心面的表面上设置有用于产生吸附力的吸附机构16。

如图7所示，该吸附机构16是由微米级别规律排列的六棱柱凸起161组成。这些微小的棱柱状凸起可以在一定程度上增加切向粘附力，对于光滑表面物体效果更加良好。具体的，该吸附机构16是模仿壁虎爪子上的微小刚毛结构，可以在手指朝向掌心面的表面涂一层PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，在硅片模板上压制出10微米级别规律排列的六棱柱凸起161以制作吸附机构16。

壁虎爪子上的刚毛在与墙壁接触时，都会产生范德华力，这是一种分子间的引力，是一种非常弱的相互吸附作用力。然而，这上万根刚毛加上先端数以千万计的铲状绒毛，在与墙壁表面接触时，各自范德华力的叠加产生巨大的吸力，足以支撑壁虎的体重。这种吸力和普通胶带的吸力截然不同，壁虎松开爪子之后，不会在物体上留下任何痕迹。

在本说明书中，仿生手指机构与仿生手掌14之间设置有连接机构，第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8、第四手指单元9和拇指单元4通过所述连接机构与仿生手掌14之间可拆卸连接。在该气动机械手做手势和抓取动作时，气腔快速地充放气，非常容易产生应力集中，导致破损。

在本实施例中，该连接机构具体包括：第一连接件1和第二连接件13，通过第一连接件1施加预紧力将拇指单元4安装在仿生手掌14的侧面142上，以及通过第二连接件13施加预紧力将其他手指安装在仿生手掌14的端面141，当任何手指有损坏、漏气等现象时，可以方便更换。

具体的，如图2所示，仿生手掌14的端面141以及侧面142均可以预留出与手指个数对应的凹槽以及螺栓孔，所述凹槽用于安装手指，螺栓孔与对应的连接件相连。具体的，第一连接件1上设置有与螺栓孔对应的连接孔，通过螺栓将拇指单元4锁紧在侧面142的凹槽中，第二连接件13上设置有与螺栓孔对应的连接孔，通过螺栓将第一手指单元6、第二手指单元7、第三手指单元8和第四手指单元9锁紧在端面141的凹槽中。

在本说明书中，通过气动控制机构控制对气腔的充气、保持和放气三种状态，实现手指的伸直、半弯曲和弯曲动作，不同手指的配合工作可以实现复杂的手部动作以及灵活的抓取动作。

具体的，如图9所示，气动控制机构还包括：与所述气泵17相连的多个进气流道18，所述多个进气流道18与每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔3、所述右气腔5和所述鱼际气腔2一一对应；与外界大气相连的多个泄压流道19，所述多个泄压流道19与每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔3、所述右气腔5和所述鱼际气腔2一一对应。所述第一开关机构包括设置在每个所述进气流道18上的第一电磁阀20，所述第二开关机构包括设置在每个所述泄压流道19上的第二电磁阀21；用于控制每个所述第一电磁阀20、每个所述第二电磁阀21通断的控制器。

所述进气流道18、泄压流道19的个数均与第一气腔、所述第二气腔、所述左气腔3、所述右气腔5和鱼际气腔2个数相等，通过第一电磁阀20控制上述气腔的供气，通过第二电磁阀21控制气腔的泄压。具体的，单个第一电磁阀20和单个第二电磁阀21构成一组电磁阀，则每个气腔通过一组电磁阀控制进气和出气。

另外，仿生无名指的第三手指单元8和仿生小指的第四手指单元9为了实现同时弯曲和同时伸展，区别于其他手指上的气腔控制方式，第三气腔和第四气腔共由一组电磁阀控制，即通过单个第一电磁阀20控制第三气腔和第四气腔的同时供气，通过单个第二电磁阀21控制第三气腔和第四气腔的同时泄压。

进一步的，气动控制机构还可以包括与气泵17相连的稳压阀24和过滤器25，经过稳压阀24和过滤器25处理后的气体分别进去各个进气流道18，为各个气腔供气。

在本实施例中，所述电磁阀共10组，每组电磁阀均包括：控制供气的第一电磁阀20和控制泄压的第二电磁阀21，通过控制器调节每个第一电磁阀20和每个第二电磁阀21的打开和关闭。所述第一电磁阀20和所述第二电磁阀21均为两位两通电磁阀。

所述控制器用于接收信号，并能发出命令。所述控制器还可以与气泵17电连接，用于控制气泵17的启闭。所述控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该微处理器或处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)和嵌入微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)的形式。

在本说明书中，如图8所示，所述软体机械手设置有底座22，所述底座22内安装有与所述控制器电连接的摄像头23，用于获取距离所述掌心面预定范围内的视觉信息。

摄像头23用于获取机械手前方视野的视觉信息，控制器可以接收摄像头23反馈回的视觉信息，并对不同形状的待抓取物体自动选择适合的抓取方式。例如，细抓取、有力抓取的手势是不一样的，视觉信息决定了哪些手指应该弯曲，对应的，决定了哪些气腔应该充气，从而做出与待抓取物体相对应的手势。

在不同压力下手指弯曲角度的不同，决定了能抓取多大的物体，控制器通过外置摄像头23的视觉图像反馈，将图像信号传送给图像处理系统，得到待抓取目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，根据这些特征判断目标物的外形，然后按照预存的指令反馈给气动控制机构，控制电磁阀的开闭，从而使得软体机械手做出合适的手势，以抓取物体。

具体的，通过在底座22上安装的摄像头23反馈的视觉信息，进行图像识别处理。首先运用OpenCV函数库读取原始图像库中的图像数据，随后对数据进行预处理，并形成待训练数据。将模型大概分为圆柱形物体、长方体以及细小物体。对经过预处理的数据进行参数寻优，最终确定摄像头前0.3-1m远处目标物的轮廓形状，然后对摄像头反馈回的图像进行数据特征的提取后，将特征数据放进模型中进行预测并得到识别率预测形状，并反馈给气动与控制系统，让气动软体手执行相应的命令。

本说明书实施例的软体机械手制作时，仿生手掌14采用光固化3D打印的方式，如图1所示，仿生手掌14内置嵌入12个M2.5螺母。仿生手指机构是使用模具铸模方式制作的，这种方法更适合于形成气腔。所有模具均使用光敏树脂材料通过3D打印机(StratasysObjet J750)进行打印，打印精度为0.05mm。执行器使用两种硬度不同的硅橡胶，具有较高硬度的Mold Star^TM 30用于制造手指的主体部分，而Ecoflex^TM00-50用于关节部分。

在制作时先将装有硅橡胶的烧杯放入真空箱中，并使用旋转叶片真空泵抽出其中的气泡。组装模具并用橡皮筋固定，然后将混合的Ecoflex^TM00-50倒入以完全填充主模具。将模具放置在干燥箱中并加热至65℃，持续时间40分钟。冷却至室温后，将混合物从模具中移出以获得手指单元。

使用相同方法，对Mold Star^TM 30进行脱气处理，然后倒入模具中以制备手指主体。如图2组装好，在边缘涂抹Ecoflex^TM00-50用来连接各关节和大鱼际部分。将适量的脱气的Ecoflex^TM00-50倒入模具中，然后放入图4所示纤维缠绕过的手指，将Ecoflex^TM00-50均匀地倒入两侧和顶部的缝隙中。

将其再次放入干燥箱中40分钟，然后冷却至室温，脱模可得带有保护层的软体手指。该层可有效防止硅橡胶接头在加压过程中破裂，并为执行器提供更高的柔韧性。凝固好后，从个关节后45°位置插入气管，同样在边缘位置涂抹少量Ecoflex^TM00-50用于密封。

使用和制作手指的相同方法，将模具组装好制备得拇指和大鱼际腔，将五根手指按图1位置安装在手掌预留的凹槽处，将第一连接件1和第二连接件13用螺栓拧紧，至此整个气动软体机械手制作完成。

上述实施例中的软体机械手制作方法只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。

Claims

1.一种软体机械手，其特征在于，包括：

仿生手掌，具有掌心面、端面和侧面；

气动控制机构，包括：气泵；连接于所述气泵与所述仿生手指机构之间的第一开关机构，所述第一开关机构用于独立控制向每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔和所述右气腔供压；用于独立控制每个所述第一气腔、每个所述第二气腔、所述左气腔和所述右气腔泄压的第二开关机构；

所述拇指单元包括：第一主体段和第二主体段，所述第一主体段与所述第二主体段之间形成预定夹角，所述第二主体段连接于所述第一主体段与所述侧面之间，所述左气腔和所述右气腔设置在所述第一主体段，所述第二主体段在背离所述掌心面的表面上设置有鱼际气腔。

2.如权利要求1所述的软体机械手，其特征在于，所述鱼际气腔的内部呈栅格结构，所述鱼际气腔的外部设置有第一纤维线，所述第一纤维线的缠绕方向与所述第二主体段的延伸方向之间呈锐角。

3.如权利要求1所述的软体机械手，其特征在于，所述气动控制机构包括：

4.如权利要求1所述的软体机械手，其特征在于，所述侧面包括：第一侧面和第二侧面，所述拇指单元连接于所述第一侧面；所述仿生手指机构包括：第三手指单元、第四手指单元，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元和所述第四手指单元在所述端面上沿着自所述第一侧面朝向所述第二侧面的方向依次排列，所述第三手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第三气腔，所述第四手指单元在背离所述掌心面的表面上纵向间隔设置有多个第四气腔；

所述第一开关机构能控制所有所述第三气腔和所述第四气腔的同时供压，所述第二开关机构能控制所有所述第三气腔和所述第四气腔的同时泄压。

5.如权利要求4所述的软体机械手，其特征在于，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元均具有本体，所述本体采用第一柔性材料制作，所述气腔采用第二柔性材料制作，所述第二柔性材料的刚度低于所述第一柔性材料；所述第一气腔、所述第二气腔、所述第三气腔、所述第四气腔、所述左气腔、所述右气腔在平行于所述本体纵长延伸方向上的横截面呈直角梯形。

6.如权利要求4所述的软体机械手，其特征在于，所述第一气腔、所述第二气腔、所述第三气腔、所述第四气腔、所述左气腔和所述右气腔的外壁上均缠绕有第二纤维线。

7.如权利要求4所述的软体机械手，其特征在于，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元在朝向所述掌心面的表面上设置有用于产生吸附力的吸附机构。

8.如权利要求4所述的软体机械手，其特征在于，所述仿生手指机构与所述仿生手掌之间设置有连接机构，所述第一手指单元、所述第二手指单元、所述第三手指单元、所述第四手指单元和所述拇指单元通过所述连接机构与所述仿生手掌之间可拆卸连接。

9.如权利要求3所述的软体机械手，其特征在于，所述软体机械手设置有底座，所述底座内安装有与所述控制器电连接的摄像头，用于获取距离所述掌心面预定范围内的视觉信息。