CN113183123A - 一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，包括指尖、中指节和末指节，中指节与指尖以及中指节与末指节之间均通过关节活动连接；关节包括壳体、设置于壳体内的气囊以及穿过壳体壁且共轴线设置的一组旋转凸台；旋转凸台能沿所述轴线移动；相互连接的中指节与指尖的其中一个与旋转凸台转动连接，相互连接的中指节与末指节的其中一个与旋转凸台转动连接；壳体上设置有用于为气囊充气的气管伸入的管口；气囊膨胀时，气囊外壁抵靠旋转凸台的一端以驱动旋转凸台沿轴线向两侧移动，使得旋转凸台的另一端抵紧指尖、中指节或末指节。本发明能够实现快速高效地改变软体机器人手指关节的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架。
背景技术
早在大半个世纪以前，第一台工业机器人已经问世，并且关于刚体机器人的研究体系也已经变得十分成熟。机器人的应用在工业方面取得了全面的发展与推广。随着科技的发展与生活水平的提高，我们希望机器人的应用与推广不单单在工业领域还可以进入生活，得到更加实际的运用。但现在还存在一些问题，比如目前刚体机器人的交互性不强，驱动形式比较单一，大多为电机驱动，这样的驱动方式导致在运动过程中会产生较大的惯性。我们想要解决这一问题，希望机器人可以直接和人、环境进行交互。这类机器人的推广，可以在许多方面得到运用，例如：康复、协助老人、人机协作等。
因此，这些年科学家们一直想要通过设计出软体触手型机器或连续触手型机器人来改善解决这类问题。软体触手型机器人是由柔软的材料制作而成，软体触手型机器人的优点在于它可以实现很多刚体机器人不能完成的运动和动作。例如：扭转、伸展、柔性接触等操作。但是软体机器人牺牲了刚度才换取来高柔性和无限自由度的特点，也正是因为软体机器人缺少了刚度，导致了该类型机器人很难在生活中得到运用。如何能够让软体机器人在不改变其高柔性和无限自由度的特点同时可以快速的提高其刚度，这一直以来就是一个热门话题。
机器人的手指关节是与人交互最为频繁的部位，因此机器人单指关节的变刚问题是目前所要解决的问题。
公告号为CN111185927A的专利说明书中公开了一种柔性灵巧手，该柔性灵巧手包括柔性手掌和安装在柔性手掌上的柔性手指。该柔性手指刚度较差，在生活中较难适用。
公告号为CN111993449A的专利说明书中公开了一种基于形状记忆合金的多自由度柔性灵巧手，包括：腕骨，大拇指、食指、中指、无名指、小拇指及其关节机构；每根手指都包括掌骨及包覆柔性材料的可弯曲段，大拇指的可弯曲段固定在连接件上直接与掌骨连接，利用十字轴关节连接大拇指掌骨与腕骨，实现大拇指正向、侧向摆动的两个旋转自由度，其余四指的可弯曲段固定在连接件上通过转轴关节与掌骨连接，具有侧向摆动的旋转自由度，且四指的掌骨直接固定连接在腕骨上；通过加热布置在可弯曲段内部及手指侧面的形状记忆合金，驱使可弯曲段弯曲变形及关节摆动；贴在手指表面的柔性传感器阵列能检测各指弯曲与摆动角度。此方案中，各手指关节具有灵活的弯曲能力，但是无法快速改变手指关节的刚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，能够实现快速高效地改变软体机器人手指关节的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。
一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，包括指尖、中指节和末指节，所述中指节与指尖以及中指节与末指节之间均通过关节活动连接；
所述关节包括壳体、设置于壳体内且能膨胀的气囊以及穿过壳体壁且共轴线设置的一组旋转凸台；所述旋转凸台能沿所述轴线移动；相互连接的中指节与指尖的其中一个与旋转凸台转动连接，相互连接的中指节与末指节的其中一个与旋转凸台转动连接；指尖与中指节的转动方向一致；所述壳体上设置有用于为气囊充气的气管伸入的管口；
所述气囊膨胀时，气囊外壁抵靠旋转凸台的一端以驱动旋转凸台沿轴线向两侧移动，使得旋转凸台的另一端抵紧指尖、中指节或末指节。
本方案中，通过气囊充气膨胀来驱动关节壳体及旋转凸台与相对应的指尖、中指节或末指节产生挤压摩擦来改变单指骨架的刚度；单指骨架在未变刚度时对外部气动肌肉的运动几乎没有影响，使得单指骨架能跟随气动肌肉实现共同运动。单指骨架在变刚度时不影响机器人手的实际运动状态，且改变刚度的过程有效且高效。
作为优选，所述壳体包括两个相互扣合的半球壳体，旋转凸台垂直于两半球壳体的扣合面，气囊膨胀时，气囊外壁抵靠壳体的内壁以驱动两半球壳体沿所述轴线向两侧移动，使得壳体的外壁抵紧指尖、中指节或末指节。
作为优选，两半球壳体扣合的部位设置有相互配合的凸台、凹台，便于两半球壳体装配，也防止气囊充气时漏出。
作为优选，所述旋转凸台靠近气囊的端部上设置有在气囊膨胀时与气囊外壁贴合的弧形接触面。
作为优选，所述壳体的外壁上设置有相对分布且连线垂直于所述轴线的一组固定凸台；
相互连接的中指节与指尖的其中一个上设置有用于旋转凸台伸入的第一旋转凹槽，另一个上设置有用于固定凸台伸入的第一固定滑槽；
相互连接的中指节与末指节的其中一个上设置有用于旋转凸台伸入的第二旋转凹槽，另一个上设置有用于固定凸台伸入的第二固定滑槽。
作为优选，所述中指节与指尖连接的端部上设置有相对分布的第一连接耳，所述指尖与中指节连接的端部上设置有相对分布的第二连接耳，所述第一固定滑槽分别设置在对应的第一连接耳上，所述第一旋转凹槽分别设置在对应的第二连接耳上。
作为优选，所述中指节与末指节连接的端部上设置有相对分布的第三连接耳，所述末指节与中指节连接的端部上设置有相对分布的第四连接耳，所述第二旋转凹槽分别设置在对应的第三连接耳上，所述第二固定滑槽分别设置在对应的第四连接耳上。
作为优选，指尖、中指节、末指节以及关节的壳体、旋转凸台均是由树脂材料3D打印成型；气囊的材质为硅胶。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过气囊充气膨胀来驱动关节壳体及旋转凸台与相对应的指尖、中指节或末指节产生挤压摩擦来实现快速高效地改变软体机器人手指关节的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。
(2)单指骨架在未变刚度时对外部气动肌肉的运动几乎没有影响，使得单指骨架能跟随气动肌肉实现共同运动。单指骨架在变刚度时不影响机器人手的实际运动状态，且改变刚度的过程有效且高效。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为关节的爆炸结构示意图；
图3为指尖的结构示意图；
图4为中指节的结构示意图；
图5为末指节的结构示意图；
图6为指尖与关节的装配示意图；
图7为中指节与关节的装配示意图；
图8为旋转凸台的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1-8所示，一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，包括指尖1、中指节2和末指节3，中指节2与指尖1以及中指节2与末指节3之间均通过关节4活动连接。
关节4包括壳体41、设置于壳体内的气囊42以及穿过壳体41壁且共轴线设置的一组旋转凸台43；其中，旋转凸台43能沿上述轴线移动；壳体41上设置有用于为气囊42充气的气管伸入的管口411，因此，气囊42存在充气状态下的膨胀状态。
本实施例中，壳体41包括两个相互扣合的半球壳体，旋转凸台43垂直于两半球壳体的扣合面，具体地，两半球壳体的壁上分别设置有一个通孔412，两个旋转凸台43分别穿过对应的通孔412，且能在通孔412内移动。此外，管口411设置在两半球壳体的结合部位上，即两半球壳体上均设置有半圆形孔，两半球壳体扣合时，形成完整的管口411。气囊42在充气膨胀时，气囊42外壁抵靠壳体41的内壁以及旋转凸台43的一端以驱动两半球壳体以及旋转凸台43沿上述轴线向两侧移动。
在一些可选的实施例中，两半球壳体扣合的部位设置有相互配合的凸台413、凹台414，便于两半球壳体装配，也防止气囊42充气时漏出。
在一些可选的实施例中，旋转凸台43靠近气囊42的端部上设置有在气囊42膨胀时与气囊42外壁贴合的弧形接触面431，以便于气囊42在膨胀过程中推动旋转凸台43沿轴线向两侧移动。
相互连接的中指节2与指尖1的其中一个与旋转凸台43转动连接，相互连接的中指节2与末指节3的其中一个与旋转凸台43转动连接。
具体地，壳体41的外壁上设置有相对分布且两者连线垂直于上述轴线的一组固定凸台415；相互连接的中指节2与指尖1的其中一个上设置有用于旋转凸台43伸入的第一旋转凹槽111，另一个上设置有用于固定凸台415伸入的第一固定滑槽211；相互连接的中指节2与末指节3的其中一个上设置有用于旋转凸台43伸入的第二旋转凹槽221，另一个上设置有用于固定凸台415伸入的第二固定滑槽311。其中，固定凸台415设置在两半球壳体的结合部位上，两半球壳体扣合时，形成完整的固定凸台415。
本实施例中，中指节2与指尖1连接的端部上设置有相对分布的第一连接耳21，第一固定滑槽211分别设置在对应的第一连接耳21上；指尖1与中指节2连接的端部上设置有相对分布的第二连接耳11，第一旋转凹槽111分别设置在对应的第二连接耳11上。
同样的结构，中指节2与末指节3连接的端部上设置有相对分布的第三连接耳22，第二旋转凹槽221分别设置在对应的第三连接耳22上；末指节3与中指节2连接的端部上设置有相对分布的第四连接耳31，第二固定滑槽311分别设置在对应的第四连接耳31上。
通过固定凸台415与第一固定滑槽211、第二固定滑槽311的配合，实现关节4的固定，本实施例中，固定凸台415与第一固定滑槽211、第二固定滑槽311均为方形结构，两半球壳体分离时，固定凸台415随之分离，并在第一固定滑槽211、第二固定滑槽311内滑动。
通过旋转凸台43与第一旋转凹槽111、第二旋转凹槽221的配合，实现指尖1、中指节2的弯曲能力，本实施例中，第一旋转凹槽111和第二旋转凹槽221采用圆孔结构，旋转凸台43与第一旋转凹槽111和第二旋转凹槽221配合的部分为圆台结构，且圆台的顶部直径小于圆孔直径，根部直径大于圆孔直径，方便圆台伸入圆孔时能顶紧。
需要说明的是：本实施例中，相对分布的第一连接耳21间的连线与相对分布的第四连接耳31间的连线相互平行，相对分布的第二连接耳11间的连线与相对分布的第三连接耳22间的连线相互平行，从而保证指尖1、中指节2的弯曲方向一致。
本实施例中，指尖1、中指节2、末指节3以及关节4的壳体41、旋转凸台43均是由树脂材料3D打印成型；气囊42的材质为硅胶。
本发明单指骨架的变刚原理：
在气囊42未充气时，关节4的壳体41以及旋转凸台43与指尖1的第二连接耳11以及中指节2的第三连接耳22之间不产生挤压，指尖1、中指节2具有良好的弯曲能力。
在气囊42充气时，气囊42不断膨胀，挤压壳体41的内壁以及旋转凸台43的一端，以驱动两半球壳体以及旋转凸台43沿上述轴线向两侧移动，壳体41的外壁以及旋转凸台43的另一端不断挤压指尖1的第二连接耳11以及中指节2的第三连接耳22，产生摩擦，壳体41的外壁以及旋转凸台43同时卡紧从而达到一个很好的变刚效果。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，包括指尖、中指节和末指节，其特征在于：所述中指节与指尖以及中指节与末指节之间均通过关节活动连接；
所述关节包括壳体、设置于壳体内且能膨胀的气囊以及穿过壳体壁且共轴线设置的一组旋转凸台；所述旋转凸台能沿所述轴线移动；相互连接的中指节与指尖的其中一个与旋转凸台转动连接，相互连接的中指节与末指节的其中一个与旋转凸台转动连接；所述壳体上设置有用于为气囊充气的气管伸入的管口；
所述气囊膨胀时，气囊外壁抵靠旋转凸台的一端以驱动旋转凸台沿轴线向两侧移动，使得旋转凸台的另一端抵紧指尖、中指节或末指节。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：所述壳体包括两个相互扣合的半球壳体，旋转凸台垂直于两半球壳体的扣合面，气囊膨胀时，气囊外壁抵靠壳体的内壁以驱动两半球壳体沿所述轴线向两侧移动，使得壳体的外壁抵紧指尖、中指节或末指节。
3.根据权利要求2所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：两半球壳体扣合的部位设置有相互配合的凸台、凹台。
4.根据权利要求1所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：所述旋转凸台靠近气囊的端部上设置有在气囊膨胀时与气囊外壁贴合的弧形接触面。
5.根据权利要求1-4任一所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：所述壳体的外壁上设置有相对分布且连线垂直于所述轴线的一组固定凸台；
相互连接的中指节与指尖的其中一个上设置有用于旋转凸台伸入的第一旋转凹槽，另一个上设置有用于固定凸台伸入的第一固定滑槽；
相互连接的中指节与末指节的其中一个上设置有用于旋转凸台伸入的第二旋转凹槽，另一个上设置有用于固定凸台伸入的第二固定滑槽。
6.根据权利要求5所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：所述中指节与指尖连接的端部上设置有相对分布的第一连接耳，所述指尖与中指节连接的端部上设置有相对分布的第二连接耳，所述第一固定滑槽分别设置在对应的第一连接耳上，所述第一旋转凹槽分别设置在对应的第二连接耳上。
7.根据权利要求5所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：所述中指节与末指节连接的端部上设置有相对分布的第三连接耳，所述末指节与中指节连接的端部上设置有相对分布的第四连接耳，所述第二旋转凹槽分别设置在对应的第三连接耳上，所述第二固定滑槽分别设置在对应的第四连接耳上。
8.根据权利要求1所述的刚柔耦合灵巧手的可变刚度单指骨架，其特征在于：指尖、中指节、末指节以及关节的壳体、旋转凸台均是由树脂材料3D打印成型；气囊的材质为硅胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210730 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |