CN113370242A - 横纵耦合气动型多指软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种横纵耦合气动型多指软体机械手，其包括可弯曲手指模块、刚性保持架和长条型可伸缩驱动器。可弯曲手指模块末端固定在刚性保持架上，长条型可伸缩驱动器安装在可弯曲手指模块手指端之间。工作时通过抽取长条型可伸缩驱动器内的气体，向可弯曲手指模块内充气，实现软体机械手向内弯曲和末端收口的运动形式，进而完成对目标物体的抓取。本发明既拥有多指型软体机械手抓取范围大的优势，又兼顾了封闭式软体机械手负载力大的特性，其软体材料又可对易碎物品实现保护作用，从而满足多样化的任务需求。

Description

横纵耦合气动型多指软体机械手

技术领域

本发明涉及一种软体机械手，具体地说涉及一种横纵耦合气动型多指软体机械手。本发明属于机器人末端执行器技术领域。

背景技术

传统工业机器人末端的机械手大都为刚性夹爪形式，在对目标物体抓取作业中，能够实现稳、准、快的工作效果，已在分拣、装配、制造等领域中获得广泛应用。但是，此类机械手的抓取对象通常为形状规则的物体，当抓取对象为异形物体时，其抓取效果往往不尽人意，此外其刚性结构在抓取易碎物品时往往会造成物体破损，带来不必要的经济损失。

随着机械手技术的发展，软体机械手应运而生。由于软体机械手的材料特性在理论上具有无限多自由度，可以依靠其形状的改变实现对各种形状物体的良好包覆，并且基于软体材料硬度低的特点，其在抓取过程中也能确保物体不受损伤。

软体机械手对物体的抓取主要通过弹性变形实现，其工作模式通常表现为平面弯曲及径向或轴向伸缩，工作过程中可根据目标物体被动改变自身几何形状。公开号CN107718021A的中国专利公开了一种气动多指型软体机械手，该机械手主要由三个分段式软体手指和保持架构成，各手指均可实现大范围弯曲变形，并实现物体的抓取。但是，由于其气动驱动方式，工作气压低，导致这类机械手存在负载能力较低的问题。公开号CN109746933A的中国专利公开了一种基于气压驱动的封闭式软体机械手，其主要包括增强型气囊和柔性保持架，通过对气囊充气使软体机械手径向收缩进而完成对物体的抓取，其负载能力较大且柔性保持架可以起到对易碎品的保护作用，但是其可抓取尺寸受保持架几何尺寸限制，不能抓取大尺寸物体。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种驱动形式简单、负载能力大、抓取范围大的横纵耦合气动型多指软体机械手。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种横纵耦合气动型多指软体机械手，它包括刚性保持架、若干个可弯曲手指模块和若干节长条型可伸缩驱动器；

所述可弯曲手指模块周向均布安装固定在所述刚性保持架上，相邻的所述可弯曲手指模块手指端之间连接有一节所述长条型可伸缩驱动器；所述长条型可伸缩驱动器首尾相连形成一圆环；

所述可弯曲手指模块内设有气道，在气泵的作用下做纵向伸缩运动；所述长条型可伸缩驱动器内设有气道，各所述长条型可伸缩驱动器内的气道相通，在气泵的作用下做横向伸缩运动，并带动所述可弯曲手指模块做弯曲运动。

优选地，所述可弯曲手指模块由软体手指和指尖连接器构成；所述软体手指的一端与所述刚性保持架相连，另一端即指尖端通过所述指尖连接器与所述长条型可伸缩驱动器相连；所述软体手指整体呈长条状结构，其表面开有用于伸缩、弯曲的截面为矩形的齿槽；在所述软体手指内，贯穿整个所述软体手指设有气道，该气道通过气管与外部气泵相连；所述指尖连接器与所述软体手指的指尖端相连的一面设有第一凹槽，所述软体手指的指尖端插入该第一凹槽内，并通过螺栓将两者固定在一起。

优选地，所述指尖连接器包括直通型指尖连接器和曲通型指尖连接器；所述直通型指尖连接器和曲通型指尖连接器与所述软体手指的指尖端相连的一面均设有所述第一凹槽；所述直通型指尖连接器和所述曲通型指尖连接器的两侧均设有用于连接固定所述可伸缩驱动器的第二凹槽，在所述第二凹槽的中间处设有第一通气孔，相邻的所述长条型可伸缩驱动器通过所述直通型指尖连接器或所述曲通型指尖连接器相连，并通过所述直通型指尖连接器和/或所述曲通型指尖连接器的第一通气孔使各所述长条型可伸缩驱动器的气道相通，形成一完整的闭环气路。

优选地，所述曲通型指尖连接器还设有一进气孔和一出气孔；所述闭环气路通过气管、所述进气孔和所述出气孔与外部气泵相连。

优选地，所述长条型可伸缩驱动器包括端盖、空性管和弹簧；所述端盖位于所述空性管的两端，两者胶接固定，并通过扎带进一步扎紧；所述弹簧内置在所述空性管内，两端胶接在端盖上；所述空性管采用TPU薄膜材料制成。

优选地，所述端盖为宝塔结构，其中心处设有通气管，该通气管与所述直通型指尖连接器和所述曲通型指尖连接器内的气道相通。

优选地，所述刚性保持架由上盖和主体组成，所述上盖和所述主体通过螺栓连接固定形成空腔，所述空腔内容置有气管和气动快插接头；所述气管的一端与气泵相连，另一端通过所述气动快插接头与各所述可弯曲手指模块内的气道相连。

优选地，所述主体周向向外凸伸出若干个用于固定所述可弯曲手指模块的凸台结构，该凸台结构的中心开设有第二通气孔，驱动所述可弯曲手指模块动作的气管经该第二通气孔与所述可弯曲手指模块内的气道相通。

优选地，所述软体手指与所述刚性保持架主体周向凸伸的凸台结构相连的一端开有与所述凸台结构匹配的第三凹槽，在该第三凹槽的中心设有第三通气孔，该第三通气孔与所述软体手指内的气道相通

本发明的工作过程大致如下：

自然状态下，可弯曲手指模块伸直，长条型可伸缩驱动器处于原长状态，整个软体机械手呈现张开模式。抓取工作时，启动气泵对长条型可伸缩驱动器进行抽气操作，长条型可伸缩驱动器收缩，带动可弯曲手指模块向内弯曲，长条型可伸缩驱动器收缩封口，完成对目标物体的抓取。释放工作时，启动气泵对长条型可伸缩驱动器进行充气操作，长条型可伸缩驱动器伸长开口打开，完成对目标物体的释放。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明通过可弯曲手指模块和长条型可伸缩驱动器两者横、纵伸缩动作的配合，增大了软体机械手的抓取范围，实现了机械手对各尺寸物体的大范围抓取；并利用长条型可伸缩驱动器的收缩能力，使机械手末端进一步向内弯曲，从而提升机械手对目标物体的压力，实现机械手负载能力的提升。此外，本发明将可弯曲手指模块和长条型可伸缩驱动器内部气路连通，实现气体内循环，可有效提升机械手的抓取和释放速度，有效地解决了传统气动型软体机械手变形时充、放气慢的问题。

附图说明

图1为本发明横纵耦合气动型多指软体机械手展开状态立体结构示意图；

图2为本发明收缩状态立体结构示意图；

图3为本发明刚性保持架立体结构示意图；

图4为本发明刚性保持架上盖立体结构示意图；

图5为本发明刚性保持架主体立体示意图；

图6为本发明软体手指剖面结构示意图；

图7A为本发明直通型指尖连接器立体结构示意图；

图7B为本发明直通型指尖连接器剖面结构示意图

图8A为本发明曲通型指尖连接器立体结构示意图；

图8B为本发明曲通型指尖连接器剖面结构示意图；

图9为本发明长条型可伸缩驱动器立体结构示意图；

图10为本发明驱动器端盖立体结构示意图。

图中：1、刚性保持架，11、上盖，111、空心凸台，1111、通孔，12、主体，121、凸台结构，1211、通气孔；2、可弯曲手指模块，21、软体手指，211、齿槽，212、气道，213、凹槽，2131、通气孔，214、指尖端；22、直通型指尖连接器；23、曲通型指尖连接器；24、凹槽，25、凹槽，251、通气孔，252、进气孔，253、出气孔；3、长条型可伸缩驱动器，31、端盖，311、安装孔，312、通气管；32、空性管，33、弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

如图1、图2所示，本发明提供的横纵耦合气动型多指软体机械手包括刚性保持架1、若干个可弯曲手指模块2和若干节长条型可伸缩驱动器3。可弯曲手指模块2周向均布安装固定在刚性保持架1上，相邻两个可弯曲手指模块2的手指端之间连接有一个长条型可伸缩驱动器3。每个可弯曲手指模块2内设有气道，在气泵的作用下做纵向伸缩运动；各长条型可伸缩驱动器彼此相通，在气泵的作用下做横向伸缩运动，进而带动各可弯曲手指模块做弯曲运动。

自然状态下，可弯曲手指模块2呈伸直状态，长条型可伸缩驱动器3处于原长状态，整个软体机械手呈张开模式。抓取物品时，先将本发明移至被抓取物品上方，通过气泵对长条型可伸缩驱动器进行抽气操作，使长条型可伸缩驱动器收缩，进而带动与之相连的可弯曲手指模块向内弯曲，长条型可伸缩驱动器收缩封口，完成对目标物体的抓取。将被抓取物品移至目标位置后，对长条型可伸缩驱动器进行充气操作，使长条型可伸缩驱动器伸长，进而使可弯曲手指模块向外伸直，长条型可伸缩驱动器伸长打开开口，释放被抓取物品，完成对目标物体的抓取和释放。

在抓取物品时，还可以对可弯曲手指模块2进行充气，使其进一步伸长，增大各可弯曲手指模块2和可长条型可伸缩驱动器3围成的抓取空间，增大抓取范围。

图3-图5为本发明刚性保持架结构示意图，本发明刚性保持架的主要作用是：1、连接固定可弯曲手指模块；2、与机器臂或其他装置相连。如图所示，所述刚性保持架1由上盖11和主体12组成，上盖11和主体12通过螺栓连接固定形成空腔，空腔内容置有气管和气动快插接头。所述气管的一端与气泵相连，另一端通过气动快插接头与各可弯曲手指模块内的气道相连。

如图4所示，上盖11为一平板结构，其中心处设有一空心凸台111，凸台顶面为一法兰盘，通过螺栓与机械臂或其他装置相连，将本发明软体机械手固定在机械臂等操作设备上；在空心凸台的中心设有一通孔1111，驱动可弯曲手指模块2动作的气管经该通孔1111与内置在刚性保持架空腔内的气动快插接头相连，为可弯曲手指模块2供气。

如图5所示，主体12周向向外凸伸出若干个用于固定可弯曲手指模块2的凸台结构121，可弯曲手指模块2的末端套在凸台结构121上，并用卡箍固定；凸台结构的中心开设有通气孔1211，驱动可弯曲手指模块2动作的气管经该通气孔1211与可弯曲手指模块2内的气道相通。

在图1所示本发明较佳实施例中，本发明包括四个可弯曲手指模块2，故，构成本发明刚性保持架1的上盖11为一十字平板结构，与之对应的主体12周向向外凸伸出四个凸台结构121。当然，本发明还可以包括三个或五个或六个或N个可弯曲手指模块，相应地，用于固定可弯曲手指模块的刚性保持架主体12周向向外凸伸出N个凸台结构。

在本发明较佳实施例中，软体机械手包括四个可弯曲手指模块，为驱动这四个手指模块，内置在刚性保持架上盖和主体构成的空腔内的气动连接件为五通气动快插接头，其一通(即一个支路)通过气管与气泵相连，另外四通(即四个支路)通过气管分别与四个可弯曲手指模块内的气道相连。

图6-图8为本发明可弯曲手指模块结构示意图。如图所示，可弯曲手指模块2由软体手指21和指尖连接器构成。软体手指21的一端与刚性保持架1相连，另一端即指尖端214通过指尖连接器与长条型可伸缩驱动器3相连。

如图1、图6所示，软体手指21整体呈长条状结构，其表面开有用于伸缩、弯曲的截面为矩形的齿槽211；在软体手指21内，贯穿整个长条状软体手指设有气道212。软体手指21的一端设有与刚性保持架主体周向凸伸的凸台结构121匹配的凹槽213。在连接固定软体手指21时，将软体手指21端部的凹槽213套在刚性保持架主体周向凸伸的凸台结构121上，再用卡箍将两者进一步卡固即可。在软体手指端部凹槽213的中心处设有通气孔2131，该通气孔2131与软体手指21内的气道212相通，气管插入该通气孔与软体手指胶接。软体手指的另一端即指尖端214通过螺栓与指尖连接器相连。

图7A和图8A为本发明两种指尖连接器结构示意图，图7A、图7B为直通型指尖连接器22结构示意图，图8A和图8B为曲通型指尖连接器23结构示意图。直通型指尖连接器22和曲通型指尖连接器23的作用是将软体手指21与长条型可伸缩驱动器3相连。如图7A-图8B所示，直通型指尖连接器22和曲通型指尖连接器23与软体手指21指尖端214相连的一面均设有凹槽24，软体手指21的指尖端214插入该凹槽24内，并通过螺栓将两者固定在一起。在直通型指尖连接器22和曲通型指尖连接器23的两侧均设有用于连接固定伸缩性驱动器3的凹槽25，凹槽两侧设计有安装孔。在凹槽25的中间处设有通气孔251，相邻的长条型可伸缩驱动器3通过直通型指尖连接器22或曲通型指尖连接器23相连，并通过直通型指尖连接器22和曲通型指尖连接器23的通气孔251使各长条型可伸缩驱动器3的气道相通。

曲通型指尖连接器23与直通型指尖连接器22的区别在于，曲通型指尖连接器23还设有一进气孔252和一出气孔253，各长条型可伸缩驱动器3通过直通型指尖连接器22彼此串联，气道相通，最后，通过曲通型指尖连接器23、气管与外部气泵相连。

如图1、图2所示，在本发明较佳实施例中，软体机械手包含三个直通型指尖连接器22和一个曲通型指尖连接器23。各长条型可伸缩驱动器3通过直通型指尖连接器22彼此串联，气道相通，最后，通过一个曲通型指尖连接器23、气管与外部气泵相连。

图9-图10为本发明长条型可伸缩驱动器3结构示意图，如图所示，长条型可伸缩驱动器3包括端盖31、空性管32和弹簧33。端盖31位于空性管32的两端，两者胶接固定，并通过扎带进一步扎紧，以保证长条型可伸缩驱动器的气密性。弹簧33内置在空性管32内，两端胶接在端盖上。空性管32采用TPU薄膜材料制成，伸缩性能好。工作时，通过对长条型可伸缩驱动器抽气或充气，使其沿轴向伸缩。

如图10所示，端盖31通过安装孔311、螺栓与直通型指尖连接器22或曲通型指尖连接器23固定连接，端盖31为宝塔结构，其中心处设有通气管312，该通气管312与直通型指尖连接器22或曲通型指尖连接器内的气道相通。

本发明横纵耦合多指气动型软体机械手在进行抓取操作时，首先将机械手移动至目标物体上方，尽量保证目标物体中心线与机械手刚性保持架轴线相重合，机械手向下移动，将目标物体罩在其抓取范围内，随后开启气泵抽长条型可伸缩驱动器3中的气体，向可弯曲手指模块2内充气，使长条型可伸缩驱动器3做横向收缩运动，收缩开口，进而带动可弯曲手指模块2做纵向弯曲运动，从而实现弯曲手指模块2向内弯曲和长条型可伸缩驱动器3向内收缩(如图2所示)抓起目标物体；移动机械手至目标位置后，将抽气与送气方向反转，即向长条型可伸缩驱动器3内充气，长条型可伸缩驱动器3做横向伸长运动，打开收口，抽取可弯曲手指模块2内的气体，可弯曲手指模块2再次做纵向收缩运行，机械手恢复张开状态将物体放下，至此一个工作流程完成。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：它包括刚性保持架、若干个可弯曲手指模块和若干节长条型可伸缩驱动器；

所述可弯曲手指模块周向均布安装固定在所述刚性保持架上，相邻的所述可弯曲手指模块手指端之间连接有一节所述长条型可伸缩驱动器；所述长条型可伸缩驱动器首尾相连形成一圆环；

所述可弯曲手指模块内设有气道，在气泵的作用下做纵向伸缩运动；所述长条型可伸缩驱动器内设有气道，各所述长条型可伸缩驱动器内的气道相通，在气泵的作用下做横向伸缩运动，并带动所述可弯曲手指模块做弯曲运动。

2.根据权利要求1所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述可弯曲手指模块由软体手指和指尖连接器构成；

所述软体手指的一端与所述刚性保持架相连，另一端即指尖端通过所述指尖连接器与所述长条型可伸缩驱动器相连；

所述软体手指整体呈长条状结构，其表面开有用于伸缩、弯曲的截面为矩形的齿槽；在所述软体手指内，贯穿整个所述软体手指设有气道，该气道通过气管与外部气泵相连；

所述指尖连接器与所述软体手指的指尖端相连的一面设有第一凹槽，所述软体手指的指尖端插入该第一凹槽内，并通过螺栓将两者固定在一起。

3.根据权利要求1所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述指尖连接器包括直通型指尖连接器和曲通型指尖连接器；

所述直通型指尖连接器和曲通型指尖连接器与所述软体手指的指尖端相连的一面均设有所述第一凹槽；

所述直通型指尖连接器和所述曲通型指尖连接器的两侧均设有用于连接固定所述长条型可伸缩驱动器的第二凹槽，在所述第二凹槽的中间处设有第一通气孔，相邻的所述长条型可伸缩驱动器通过所述直通型指尖连接器或所述曲通型指尖连接器相连，并通过所述直通型指尖连接器和/或所述曲通型指尖连接器的第一通气孔使各所述长条型可伸缩驱动器的气道相通，形成一完整的闭环气路。

4.根据权利要求3所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述曲通型指尖连接器还设有一进气孔和一出气孔；所述闭环气路通过气管、所述进气孔和所述出气孔与外部气泵相连。

5.根据权利要求1-4之一所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述长条型可伸缩驱动器包括端盖、空性管和弹簧；

所述端盖位于所述空性管的两端，两者胶接固定，并通过扎带进一步扎紧；

所述弹簧内置在所述空性管内，两端胶接在端盖上；

所述空性管采用TPU薄膜材料制成。

6.根据权利要求5所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述端盖为宝塔结构，其中心处设有通气管，该通气管与所述直通型指尖连接器和所述曲通型指尖连接器内的气道相通。

7.根据权利要求6所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述刚性保持架由上盖和主体组成，所述上盖和所述主体通过螺栓连接固定形成空腔，所述空腔内容置有气管和气动快插接头；所述气管的一端与气泵相连，另一端通过所述气动快插接头与各所述可弯曲手指模块内的气道相连。

8.根据权利要求7所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述主体周向向外凸伸出若干个用于固定所述可弯曲手指模块的凸台结构，该凸台结构的中心开设有第二通气孔，驱动所述可弯曲手指模块动作的气管经该第二通气孔与所述可弯曲手指模块内的气道相通。

9.根据权利要求8所述的横纵耦合气动型多指软体机械手，其特征在于：所述软体手指与所述刚性保持架主体周向凸伸的凸台结构相连的一端开有与所述凸台结构匹配的第三凹槽，在该第三凹槽的中心设有第三通气孔，该第三通气孔与所述软体手指内的气道相通。

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