CN113183169A - 一种刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，包括手掌骨架及与手掌骨架转动连接的单指骨架，单指骨架包含拇指骨架；拇指骨架包括指尖和末指节，其他单指骨架包括指尖、中指节和末指节，中指节与指尖、中指节与末指节以及指尖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；相互连接的中指节与指尖、中指节与末指节以及指尖与末指节均通过旋转凸台转动连接；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。本发明可以快速改变手指关节的刚度，使整个手更好地贴合物体，抓取更加精细的物体并保证人类的安全性。
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可变刚度灵巧手骨架。
背景技术
传统刚性机器人经历了半个世纪的发展，已经十分成熟，并且随着科技的发展和生活水平的提高，如今机器人的应用不仅运用在工业领域，还可以进入生活，得到更加实际的运用。但由刚性组件、连杆和关节组成的传统机器人操作器通常适应性有限，缺乏顺应性，并且对人类不安全。所以软体机器人就得到了很大的关注，在科学家们不断地努力下，软体机器人领域得到了快速的发展，软体机器人与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有超冗余自由度、灵活的运动和操作能力，能够适应复杂多变的各类应用环境和任务。正因为他们的适应性和安全操作，特别是涉及到人类。因此，软体机器人可以在非结构化地形的移动或导航中得到应用，并且成为处理精细物品的机械手和末端执行器。但是，软体机器人也给设计、制造和控制带来了新的挑战。关键挑战之一是建模和控制软体机器人的运动和刚度，因为这一挑战，软体机器人一直无法在生活中得到广泛的应用。如何能够让软体机器人在不改变其高柔性和无限自由特点的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。
机器人的手部是与人交互最为频繁的部位，因此机器人手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可变刚度灵巧手骨架，可以快速改变手指关节的刚度，使整个手更好地贴合物体，抓取更加精细的物体并保证人类的安全性。
一种刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，包括手掌骨架及若干与手掌骨架转动连接的单指骨架，所述单指骨架包含拇指骨架；拇指骨架包括指尖和末指节，其他单指骨架包括指尖、中指节和末指节，中指节与指尖、中指节与末指节以及指尖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、中指节与末指节以及指尖与末指节均通过旋转凸台转动连接；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。
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软体材质实现共同运动。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；
所述末指节与手掌骨架的其中一个上设置有第三旋转凹槽，另一个上设置有与第三旋转凹槽相配合的旋转关节。
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，所述末指节与手掌骨架连接的端部上设置有相对分布的第五连接耳，所述第三旋转凹槽分别设置在对应的第五连接耳上。
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，可以使整个手更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。
(2)该灵巧手的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，使得灵巧手的单指骨架能跟随软体材质实现共同运动。单指骨架在变刚度时不影响软体灵巧手的实际运动状态，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为手掌骨架的结构示意图；
图3为单指骨架的结构示意图；
图4为拇指骨架的结构示意图；
图5为关节的爆炸结构示意图；
图6为指尖的结构示意图；
图7为中指节的结构示意图；
图8为末指节的结构示意图；
图9为指尖与关节的装配示意图；
图10为中指节与关节的装配示意图；
图11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1-11所示，一种刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，包括手掌骨架5及五个与手掌骨架转动连接的单指骨架，单指骨架包含拇指骨架；拇指骨架包括指尖1和末指节3，其他四个单指骨架包括指尖1、中指节2和末指节3，中指节2与指尖1、中指节2与末指节3以及指尖1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、中指节2与末指节3以及指尖1与末指节3均通过旋转凸台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；末指节3与手掌骨架5的其中一个上设置有第三旋转凹槽321，另一个上设置有与第三旋转凹槽321相配合的旋转关节51。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。
末指节3与手掌骨架5连接的端部上设置有相对分布的第五连接耳32，第三旋转凹槽321分别设置在对应的第五连接耳32上，旋转关节51具体设置在手掌骨架5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22的配合，实现指尖1、中指节2的弯曲能力，同时通过旋转关节51与第三旋转凹槽321的配合，实现单指骨架整体的弯曲能力；本实施例中，第一旋转凹槽111和第二旋转凹槽22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22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；第三旋转凹槽321同样采用圆孔结构，旋转关节51包括设置在手掌骨架5上的凸台511以及设置在凸台511两侧、伸入对应第三旋转凹槽321内的转轴512。
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；除拇指骨架外的其他四个单指骨架所对应的旋转关节51的转轴512均平行设置，从而保证四个单指骨架的弯曲方向一致。
此外，拇指骨架的指尖1与末指节3直接通过关节4连接，省去中指节2，具体地，关节4的旋转凸台43伸入到对应的第一旋转凹槽111内，固定凸台415伸入到对应的第二固定滑槽311内。同时拇指骨架所对应的旋转关节51与其他四个单指骨架对对应的旋转关节51呈一定夹角布置。
本实施例中，手掌骨架5、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。
本发明灵巧手骨架的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23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23，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)
1.一种刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，包括手掌骨架及若干与手掌骨架转动连接的单指骨架，所述单指骨架包含拇指骨架；拇指骨架包括指尖和末指节，其他单指骨架包括指尖、中指节和末指节，其特征在于：中指节与指尖、中指节与末指节以及指尖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、中指节与末指节以及指尖与末指节均通过旋转凸台转动连接；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所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，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所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，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所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，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可变刚度灵巧手骨架，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；
所述末指节与手掌骨架的其中一个上设置有第三旋转凹槽，另一个上设置有与第三旋转凹槽相配合的旋转关节。
6.根据权利要求5所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，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所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，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5所述的刚柔耦合可变刚度灵巧手骨架，其特征在于：所述末指节与手掌骨架连接的端部上设置有相对分布的第五连接耳，所述第三旋转凹槽分别设置在对应的第五连接耳上。
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