CN112873251B - 一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，属于软体机器人相关技术领域，包括波纹管、负极电极片、正极电极片和导管；波纹管本体内包括多个依次连通的腔室，本体外设有与腔室连通的导管接口；导管嵌于波纹管盖板并延伸至最后一个腔室；正负极电极片之间形成巨电流变液流通的通道；通过给所述腔室通道外的巨电流变液施加电场从而使对应位置的软体阀关闭并阻塞巨电流变液流通，使得所述软体手指实现预定的分段弯曲，在所述软体手指达到预定构型后，调节其他位置波纹管本体的刚度，以实现对物体的稳定抓取。本发明通过控制软体手指内部软体阀的开闭状态实现软体手指的分段弯曲，以实现软体手指的不同构型，适用于各种不同的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于软体机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指。
背景技术
近些年来，软体机器人的迅速发展为传统机器人在人机交互和复杂环境下安全性和灵活性差等问题的解决提供了新的解决方案。区别于传统意义上的由刚性部件所构成的机器人，软体机器人本体主要利用柔性材料制作，其运动依靠软体机器人本身的变形实现，因而具有内在的高灵活性、良好的顺应性、出色的适应性和自然安全的可交互性，这也使得软体机器人在医疗、教育、服务、救援、探索、探测、可穿戴设备等领域越来越受到重视，并显示出巨大的发展潜力。
而对于机器人的末端执行件软体手指而言，其灵活性和柔顺性是衡量机器人抓手性能好坏的重要依据。传统的刚性机器手虽然控制精确，但是由于其柔顺性差，故不适合用于抓取像鸡蛋、水果这类较为脆弱或者柔软的物体。而已有的一些软体机器手通常采用柔性材料来降低刚度，以达到柔顺抓取的目的。但是这种软体手在抓取物体时可能会出现颤动、抓取力度小、不稳定等问题。并且，目前的软体手指一般只能实现常曲率弯曲。造成软体手工作形态单一，不能很好适应于各种多变的应用场景。
中国专利申请CN106903709A公开了一种长度与刚度均可调节的柔性手指，这种手指依据被抓物体的大小可以灵活调节手指的长度，从而有效扩大了手指的抓取范围。但手指最终实现的工作构型有限，不能很好适应各种复杂的应用场景。中国专利申请CN110540676A公开了一种可以实现分段弯曲的软体手指，这种软体手指利用导电热塑性淀粉聚合物变刚度的方式实现手指工作构型的变化，虽然这种聚合物在加热过程中相变时间相对较短，但是由于聚合物冷却较慢而导致手指在实现重复抓取动作时会出现响应速度慢、耗时较长的问题。
因此，可以实现分段弯曲和变刚度以及快速响应的软体手指，既可以保证抓取物体时的稳定性和快速性，又可以根据实际需要改变手指的多种不同构型进而适应各种应用场景，具有很强的实用价值和重要的研究意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其目的在于利用软体阀阵列实现软体手变刚度的效果，由此解决现有气动式软体手结构复杂、抓取范围小的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，所述软体手指包括：波纹管、负极电极片、正极电极片和导管；
所述波纹管包括波纹管本体和波纹管盖板；
所述波纹管本体的内部包括多个依次连通的腔室，所述波纹管本体的一侧设有导管接口，所述导管接口用于连接外部导管以向所述腔室内注入巨电流变液从而使所述波纹管本体发生弯曲形变；
所述导管嵌于所述波纹管盖板并沿所述波纹管盖板向所述波纹管内部延伸且所述导管管口位于最后一个腔室；
所述正极电极片设置于各腔室之间相对所述波纹管盖板的一面，所述负极电极片设置于所述导管相对正极电极片一侧的表面；所述正极电极片与所述负极电极片之间形成巨电流变液流通的通道；
通过给所述腔室通道外的巨电流变液施加电场从而使对应位置的软体阀关闭并阻塞巨电流变液流通，以使得所述软体手指实现预定的分段弯曲，在所述软体手指达到预定构型后，调节其他位置波纹管本体的刚度，以实现对物体的稳定抓取。
优选地，还包括若干导线，所述正极电极片与所述负极电极片相对的一面分别粘接有导线，所述导线沿所述波纹管本体内向波纹管本体外延伸。
优选地，所述导线粘接于一个正极电极片上用于使对应正极电极片通电或所述导线粘接于多个正极电极片上用于将多个正极电极片并联后通电。
优选地，所述导管的材料包括但不限于PVC材料、橡胶材料其中之一。
优选地，所述波纹管本体背离所述波纹管盖板的一侧形成由多个间隔设置的矩形凸起，所述腔室沿所述矩形凸起的长度方向设置。
优选地，所述波纹管本体和所述波纹管盖板的材料包括但不限于聚氨酯胶体材料、硫化硅胶体材料其中之一。
优选地，所述腔室背离所述波纹管盖板的壁厚大于所述腔室通道的壁厚。
优选地，还包括：控制板；
工作时，所述导线依次与继电器及电源相连接，所述导管接口和所述导管分别依次连接外部阀及液泵，所述外部阀、所述继电器、所述液泵分别连接于所述控制板，所述控制板用于控制所述液泵、所述外部阀及所述继电器，以使得所述软体手指实现预定的弯曲。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指将巨电流变液填充在腔室内，通过控制软体手指各个容腔通道处外加电场的通断实现各个通道处巨电流变液的固化或液化，实现手指多种不同的构型，以适用于各种不同的应用场景；并且通过导线控制正极电极片具有多种不同组合的通电模式，可以使软体手指的分段弯曲从而实现各种形态变化，使得软体手指具有更大的抓取范围，在抓取不同形状的物体时，选取合适的手指构型可以实现与物体更大范围的接触面积。
2、本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指相比于气动式软体手，结构简单、应用简便、易于控制。
3、本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指全部采用弹性软体材料，可以很好地实现对物体的柔顺抓取。
4、本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指腔室背离波纹管盖板的壁厚大于腔室通道的壁厚，由此限制了波纹管径向方向上的膨胀变形，使得波纹管的膨胀变形尽量集中在长度方向的拉伸变形之上。
附图说明
图1是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指的外部结构图；
图2是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指的内部结构图；
图3是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指按图2中A面剖切的上半部分的横向剖面图；
图4是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指按图2中A面剖切的下半部分的横向剖面图；
图5中的(a)-(f)是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指在工作过程中的所有形态效果图；
图6是本发明提出的利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指的控制框图；
图7中的(a)展示的是图5的(a)中软体手指形态的抓取效果图；
图7中的(b)展示的是图5的(c)中软体手指形态的抓取效果图；
图8中的(a)展示的是图5的(a)中软体手指形态的抓取效果图；
图8中的(b)展示的是图5的(b)中软体手指形态的抓取效果图；
图9中的(a)展示的是图5的(a)中软体手指形态的抓取效果图；
图9中的(b)展示的是图5的(e)中软体手指形态的抓取效果图；
图10中的(a)展示的是图5的(a)中软体手指形态的抓取效果图；
图10中的(b)展示的是图5的(f)中软体手指形态的抓取效果图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：波纹管1；波纹管本体1-1；波纹管盖板1-2；腔室2；负极电极片3；正极电极片4；电极片4-5；电极片4-10；负极导线5；导线6-1；导线6-2；导线6-3；导管7。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供了一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，该软体手指包括：波纹管1、负极电极片3、正极电极片4、导管7和若干导线。所述波纹管1包括波纹管本体1-1和波纹管盖板1-2，所述波纹管本体1-1背离所述波纹管盖板1-2的一侧形成由多个间隔设置的矩形凸起，所述矩形凸起开设有腔室2。
具体的，所述导管7粘接于所述波纹管盖板1-2上，所述导管7的一端设置于所述波纹管1的外部，其另一端沿所述波纹管盖板1-2的方向延伸至所述波纹管本体1-1内的最后一个腔室下方。进一步地，所述导管7的上表面与相邻所述腔室2连接处的内壁形成通道，所述通道将各个腔室2连通，所述波纹管本体1-1的一端还设有导管接口，导管接口与第一个腔室连通，进而所述导管接口、所述通道和所述导管7构成一个供液体流通的回路。
更进一步的说明，在相邻所述腔室2连接处的内壁上设有所述正极电极片4，在导管7的外表面设有负极电极片3，所述正极电极片4与所述负极电极片3之间的半圆环状间距保持大约为1-2mm，且正对面积由正极电极片决定。
更进一步的说明，由图2可以看出，所述波纹管本体1-1的内部具有多个左右依次相连的腔室2，巨电流变液可以从所述导管接口进入所述腔室2中，然后从下方的所述导管7流出软体手指，形成一个闭合的流动回路。通过关闭其中一个通路而向另一个导管注入巨电流变液可以使得所述波纹管1向外膨胀，由于所述波纹管本体1-1的腔室上层的顶壁较厚，故限制了波纹管1径向方向上的膨胀变形，使得波纹管1的膨胀变形尽量集中在长度方向的拉伸变形之上，进而使得波纹管可以更加有效地弯曲。其中，所述波纹管1的材料应该选择聚氨酯胶或硫化硅胶等不与巨电流变液发生反应的软体材料，所述导管7则应该选择PVC、橡胶等容易弯曲、但很难膨胀变形且不与巨电流变液发生反应的材料。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。
如图1-图4所示，一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，包括波纹管1、负极电极片3、正极电极片4和导管7。所述负极电极片引出负极导线5至所述波纹管1外部，所述正极电极片4引出三条导线至所述波纹管1外部，分别为导线6-1、导线6-2和导线6-3。
本实施例中，请参阅图3，所述正极电极片4一共有14片，从左至右依次为正极电极片4-1至正极电极片4-14。14片正极电极片按照图3的方式分别粘接于波纹管本体1的腔室2底部向上弯曲的部分。所述导线6-1、导线6-2分别与正极电极片4-5、正极电极片4-10粘接，然后引出所述波纹管外。所述导线6-3分别与其余正极电极片粘接，使得剩下的正极电极片处于并联状态，最终导线6-3引出波纹管外。
进一步地，所述波纹管1的一端设有导管接口，用于连接外部导管以想所述腔室2内充入巨电流变液，外部导管和导管接口利用过盈配合并胶接连接。所述波纹管1底部的波纹管盖板1-2插有导管7，所述导管7的一端一直延伸到所述波纹管内部的最后一个腔室。
本发明的实施例中，所述波纹管1通过3d打印制得上下两个部分，分别为波纹管本体1-1和波纹管盖板1-2，然后在所述导管7和所述波纹管本体1-1对应的位置利用粘接的方式贴好正负极电极片。将正极电极片按照图3的方式与导向相粘接，负极电极片则直接与导线粘接。接着将所述导管7与所述波纹管盖板1-2进行粘接，最后将波纹管本体1-1和波纹管盖板1-2利用同种材料粘合性紧密粘接在一起。
请参阅图6，当软体手指工作时，所述导线5、导线6-1、导线6-2及导线6-3接外部继电器以及高压电源，所述波纹管1的导管接口和导管7分别接到第一外部阀和第二外部阀后接入液泵。开始工作时，所述软体手指的内部腔室2和导管7内部均充满巨电流变液，且第一外部阀和第二外部阀都处于关闭状态。首先根据需要的手指构型将正极电极片4-5或者正极电极片4-10通电使得波纹管腔室2内对应的通道处巨电流变液发生固化，使该处软体阀关闭从而起到阻塞巨电流变液的作用。然后根据需要打开第一外部阀、第二外部阀并控制液泵调节波纹管内的液压大小来实现手指弯曲以及想要得到的手指形态。在调整好手指的工作形态后，关闭第一外部阀、第二外部阀和液泵，然后将剩下未通电的正极电极片通电，此时整个腔室2内正极电极片正对部分刚度全部变大，使得手指整体刚度变大，以保证软体手指在工作时的抓取力度和稳定性。
本实施例中的软体手指的所有可以实现的构型效果如图5中的(a)～(f)所示，软体手指的正负极电极片的导线接外部继电器以及高压电源，波纹管1的导管接口连接外部导管并与导管7一起连接到第一外部阀、第二外部阀以及液泵。开始时，手指内部腔室2和导管7内部均充满巨电流变液。首先根据需要的手指构型将正极电极片4-10通电使得波纹管腔室2对应的通道处巨电流变液固化，从而使该处的软体阀关闭以阻塞液体流通。然后从导管接口通入巨电流变液并利用液泵调节波纹管内的液压大小来实现手指弯曲，从而得到手指构型如图5中的(b)。如果开始时不给任何正极电极片通电，即所有软体阀都处于开通状态而直接充入巨电流变液，那么整个手指都会弯曲，从而得到手指构型如图5中的(a)。在调整好工作形态后，关闭外部阀门和液泵，然后将剩下未通电的正极电极片通电，此时整个腔室2内正极电极片正对部分刚度全部变大，使得手指整体刚度变大，以保证软体手指在工作时的抓取力度和稳定性。因此，通过控制巨电流变液的流向和软体阀的开闭状态可以实现软体手指的各种工作构型变化，具体液体流向与正极电极片通电情况(即软体阀的开闭状态)和软体手指的形态对应情况如下表所示。
需要说明的是，上述的构型效果只是示意可以实现的手指形态，而手指的弯曲程度可以通过控制波纹管内部液体压力来进行调节。
更进一步的说明，上述波纹管内部的正极电极片4-5和正极电极片4-10将手指分为三段，可以通过增删正极电极片的数量使得软体手指可以分为更多段从而使得手指构型变化具有多样性，进而可以带来软体手指各种新的工作形状。
本实施例中的软体手指的实用对比效果请参与图7、图8、图9和图10。其中图7中的(a)和图8中的(a)展示的是图5的(a)中手指形态的抓取效果图，可以明显看出，抓手与物体的接触理论上均为点接触。图8中的(b)和图7中的(b)分别展示的是图5的(b)和图5的(c)中手指形态的抓取效果图，此时抓手与物体的接触均为面接触，可以实现对多种不同形状物体的稳定抓取。图9中的(a)和图10中的(a)展示的是图5的(a)中手指形态的抓取效果图，由于抓手形态单一容易造成与物体在尖锐处接触从而导致软体抓手损坏。而图9中的(b)和图10中的(b)分别展示的是图5的(e)和图5的(f)中手指形态的抓取效果图，由于抓手曲率可变从而可以实现托举形状复杂的物体，使得抓取过程更为稳定、可靠。抓取实际使用中可以通过增删正极电极片的数量使得软体手指可以分为更多段做出调整，以达到想要的抓取效果。
以上实施例仅仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。比如波纹管内部正极电极片与导线的连接可以改为每个电极片分别与导线连接，然后分别控制各个电极片的通断，使得软体手指有效弯曲长度变化更加多样，再比如可以在波纹管中间再引出通路连接导管，由此而带来的软体手新的形态应也属于本专利保护范围之内；利用本发明的软体手指而制成的形态各异的软体手也应属于本专利保护范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述软体手指包括：波纹管(1)、负极电极片(3)、正极电极片(4)和导管(7)；
所述波纹管(1)包括波纹管本体(1-1)和波纹管盖板(1-2)；
所述波纹管本体(1-1)的内部包括多个依次连通的腔室(2)，所述波纹管本体(1-1)的一侧设有导管接口，所述导管接口用于连接外部导管以向所述腔室(2)内注入巨电流变液从而使所述波纹管本体(1-1)发生弯曲形变；
所述导管(7)嵌于所述波纹管盖板(1-2)并沿所述波纹管盖板(1-2)向所述波纹管(1)内部延伸且所述导管管口位于最后一个腔室；
所述正极电极片(4)设置于各腔室(2)之间相对所述波纹管盖板的一面，所述负极电极片(3)设置于所述导管(7)相对正极电极片(4)一侧的表面；所述正极电极片(4)与所述负极电极片(3)之间形成巨电流变液流通的通道；
所述正极电极片(4)与所述负极电极片(3)相对的一面分别粘接有导线，所述导线沿所述波纹管本体(1-1)内向波纹管本体(1-1)外延伸；
还包括控制板；工作时，所述导线依次与继电器及电源相连接，所述导管接口和所述导管分别依次连接外部阀及液泵，所述外部阀、所述继电器、所述液泵分别连接于所述控制板，所述控制板用于控制所述液泵、所述外部阀及所述继电器，通过给所述腔室通道外的巨电流变液施加电场从而使对应位置的软体阀关闭并阻塞巨电流变液流通，以使得所述软体手指实现预定的分段弯曲，在所述软体手指达到预定构型后，调节其他位置波纹管本体的刚度，以实现对物体的稳定抓取。
2.根据权利要求1所述的一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述导线(6-1,6-2)粘接于一个正极电极片上(4-5)用于使对应正极电极片(4-5)通电或所述导线(6-3)粘接于多个正极电极片上用于将多个正极电极片并联后通电。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述导管(7)的材料为PVC材料或橡胶材料。
4.根据权利要求3所述的一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述波纹管本体(1-1)背离所述波纹管盖板(1-2)的一侧形成由多个间隔设置的矩形凸起，所述腔室(2)沿所述矩形凸起的长度方向设置。
5.根据权利要求4所述的一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述波纹管本体(1-1)和所述波纹管盖板(1-2)的材料为聚氨酯胶体材料或硫化硅胶体材料。
6.根据权利要求4或5所述的一种利用软体阀阵列实现分段弯曲的软体手指，其特征在于，所述腔室(2)背离所述波纹管盖板(1-2)的壁厚大于所述腔室(2)通道的壁厚。
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