CN113580177A - 一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人，包括软体驱动器和变刚度关节刚性骨架。所述的软体驱动器为类手指状，具有多个相通矩形气室，通过向软体驱动器充气的方法来实现弯曲变形，从而牵引与变刚度关节刚性骨架相连的曲梁结构转动，实现机器人的弯曲变形。通过向变刚度关节刚性骨架中的活塞气室充气，推动传动滑块向下移动，并使得两个挤压滑块向两侧移动，从而挤压层状干扰结构，使之紧密相贴产生摩擦力矩，此拮抗效应阻碍曲梁结构转动，进而增大仿人手刚柔混合机器人的弯曲刚度，最终提升抓握能力。该变刚度的仿人手刚柔混合机器人具有多手指多自由度独立抓握、可变刚度、纯气动、抓握能力强、成本低等优点。

Description

一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人

技术领域

本发明涉及软体机器人技术，尤其是一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人。

背景技术

近年来，软体机器人技术发展迅速，与传统的刚性抓手相比，由软材料制成的软体手具有柔顺性好，适应性强等特点，可有效抓取形状复杂或易碎的物体。但是软体抓手的低刚度、承载力低、系统控制复杂等问题日益凸显，这些问题阻碍了软机器人应用的开发。

发明内容

本发明的目的为了改善传统仿人手软体机器人抓握承载力低、系统控制复杂、刚度小、成本高等缺点，提供一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人。

本发明采用的技术方案如下：

一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人包括变刚度关节刚性骨架和软体驱动器。所述的软体驱动器由硅胶材料制成，其一端和变刚度关节刚性骨架的一端固定，另一端和连接轴连接。软体驱动器具有多个相通的气室(其形状可以为矩形)，外侧是由橡胶包围无纺布材料制成的限制层。未充入气体时，软体驱动器保持原状，向气室内充气时，由于一侧是由无纺布构成的限制层，限制层的伸长量小于软体驱动器主体的伸长量，因而软体驱动器会弯向有限制层的一侧，进而实现了仿人手刚柔混合机器人到达设计位置。

所述的软体驱动器由硅胶材料制成。利用3D打印制作模具，模具分为主体模具和限制层模具，在主体模具中倒入勾兑好的硅胶形成主体的浇筑；在限制层模具中先加入一层无纺布，然后倒入勾兑好的硅胶材料形成限制层的浇筑，经由温控箱保温等操作后，即完成了软体驱动器的制作。通过向软体驱动器充气的方法来实现弯曲变形，带动曲梁结构转动，牵引仿人手刚柔混合机器人到达设计位置。

进一步地，所述的变刚度关节刚性骨架由变刚度关节、曲梁结构、连接轴组成。变刚度关节中的活塞气室、层状干扰结构、销轴、传动滑块、挤压滑块均采用树脂材料，由3D打印制成。曲梁结构和连接轴也采用树脂材料，由3D打印制成。所述的层状干扰结构包括若干相互平行且穿过销轴的层状结构，层状干扰结构设于外壳侧面和挤压滑块之间，用于限制曲梁结构的转动，从而增大软体驱动器绕销轴转动的弯曲刚度。所述的销轴约束在变刚度关节的外壳上，用于连接曲梁结构和变刚度关节；两个挤压滑块对称设于传动滑块两侧；所述的活塞气室上设有进气孔，用于向内充气；所述活塞气室的橡胶活塞与传动滑块固定连接。

通过向活塞气室中充气，活塞气室的橡胶活塞受压带动传动滑块向下运动，并接触挤压滑块，从而将垂向气压力放大并转化为水平推力，推动挤压滑块向两边运动。接着挤压滑块对层状干扰结构施加水平推力，相邻两层层状结构之间产生摩擦力矩，最终增大关节绕销轴转动的弯曲刚度，增大机器人的抓持力。

进一步地，所述的层状结构上粘有橡胶层，橡胶层之间的摩擦系数较大，当挤压滑块对层状干扰结构施加水平推力时，相邻两层层状结构之间产生摩擦力矩，最终增大软体驱动器绕销轴转动的弯曲刚度。

进一步地，所述橡胶活塞与传动滑块之间设有一根弹簧，当对活塞气室抽气时，弹簧中的弹性势能释放，会带动橡胶活塞回复至初始位置，调节软体驱动器的弯曲刚度变化。

更进一步地，所述挤压滑块用于放大水平力的水平传导，传导至层状干扰结构，所述的层状干扰结构中，其中一半层状结构约束于外壳上的矩形通孔中，另一半层状结构约束于曲梁结构上的矩形通孔中，两者交叉设置，使得层状结构仅可沿矩形通孔进行水平方向的自由移动。当挤压滑块传递力时，会挤压最先接触的层状干扰结构，由于层状结构可以自由移动，便会挤压相邻的层状结构，进而使得全部的层状结构都能够相互挤压，增大摩擦力矩，进而保证了水平推力能够在层状干扰结构间传递，能够实现层状结构间紧密接触且减少层状干扰结构所受水平推力的损失。

进一步的，变刚度关节刚性骨架的装配顺序为：(1)将层状干扰结构装入变刚度关节外壳和曲梁结构的矩形通孔中；(2)通过销轴将曲梁结构和变刚度关节连接；(3)将传动滑块和橡胶活塞固结，并装入变刚度关节；(4)将挤压滑块装入变刚度关节；(5)最后，组装变刚度关节的底壳。

本发明的有益效果是：

本发明的变刚度仿人手刚柔混合机器人通过气压驱动软体驱动器进行柔性手抓握，可根据不同抓握需求，进行多手指控制配合。柔性手抓取物体主要是通过软体驱动器弯曲进行包住物体，由于软体驱动器末端和连接轴连接，连接轴为软体驱动器提升了刚度，同时，通过对活塞气室的加压，最终可以限制连接轴的转动，实现了软体驱动器在包络物体的同时，实现稳定抓握物体功能。

该变刚度的仿人手刚柔混合机器人具有多手指多自由度独立抓握、可变刚度、纯气动、抓握能力强、成本低等优点，能够实现高承载力的柔性抓握，可以应用于空间捕获机器人的末端执行器用于捕捉太空碎片、工业机器人的操作手、残疾人义肢等领域。

附图说明

图1为本发明的变刚度的仿人手刚柔混合机器人结构示意图；

图2为变刚度关节刚性骨架结构示意图；

图3为变刚度关节的剖面结构示意图；

图4为变刚度关节的外壳与曲梁结构、连接轴的拆分结构示意图；

图5为两个软体驱动器与变刚度关节刚性骨架的连接示意图；

图6为软体驱动器结构示意图；

图7为传动滑块受力分析图；

图8为挤压滑块受力分析图；

图9为层状干扰结构受力状态图；

其中：1橡胶活塞，2弹簧，3变刚度关节，4层状干扰结构，5销轴，6曲梁结构，7矩形通孔，8连接轴，9传动滑块，10挤压滑块，11活塞气室进气孔，12驱动器进气孔，13橡胶连接带，14限制层，15活塞气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方案做进一步的说明解释。

一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人，包括四个软体驱动器和两个变刚度关节刚性骨架；所述的变刚度关节刚性骨架由变刚度关节3、曲梁结构6、连接轴8组成，所述连接轴8与曲梁结构6固定连接，连接轴8用于牵引曲梁结构6绕着变刚度关节3转动；所述的软体驱动器在两侧对称放置，每侧两个软体驱动器分别耦合一个变刚度关节刚性骨架，软体驱动器的一端固定在变刚度关节刚性骨架上，另一端通过连接轴8和曲梁结构6进行连接。

所述软体驱动器由硅胶制成，软体驱动器上设有添加无纺布的限制层14，软体驱动器上还设有驱动器进气孔12，向软体驱动器进气孔12充气，软体驱动器内的矩形气室发生膨胀变形，由于限制层14的限制，使整个软体驱动器定向弯曲，从而实现了手指的弯曲。相邻的气室通过橡胶连接带13连接，橡胶连接带13会随着软体驱动器的变形而变形。

所述曲梁结构6由树脂材料经3D打印制成，其一端由销轴5约束在变刚度关节上，另一端通过连接轴8与软体驱动器连接，可随着软体驱动器的转动而转动。

变刚度方法：在活塞气室进气孔11处充气，活塞气室15的橡胶活塞1受压推动传动滑块9向下运动，并且接触挤压滑块10，从而实现将垂向气压力放大并转为水平推力，从而挤压层状干扰结构4，其中有一半的层状干扰结构约束在变刚度关节3的外壳上的矩形通孔7内，另一半的层状干扰结构约束在曲梁结构6上的矩形通孔7内，两者交叉设置，所述层状结构仅可在其所在的矩形通孔7内进行水平方向自由移动，减少了层状干扰结构4所受水平推力的损失。当挤压滑块10传递力时，会挤压最先接触的层状结构，由于层状结构可以自由移动，便会挤压相邻的层状结构，进而使得全部的层状结构都能够相互挤压。层状结构上粘有橡胶层，当挤压滑块10对层状干扰结构4施加水平推力时，相邻两层层状结构之间产生摩擦力矩，最终增大软体驱动器绕销轴5转动的弯曲刚度。

所述橡胶活塞1与传动滑块9之间设有一根弹簧2，当对活塞气室15抽气时，弹簧2中的弹性势能释放，会带动橡胶活塞1回复至初始位置，调节软体驱动器的弯曲刚度变化。

所述的垂向气压力转为摩擦力矩的过程，图7为传动滑块受力分析图，F_p是气体压力，F_k是弹簧力(弹簧10为了活塞的回复运动)。设传动滑块9和挤压滑块10之间的摩擦系数为u₁，可得F₁的表达式：

进而推导挤压滑块10传递的水平推力：图8挤压滑块受力分析图，设挤压滑块10与外壳底面间的摩擦系数为u₂，最后按下式可计算得到挤压滑块10传递的水平推力：

水平推力会挤压层状干扰结构，进而产生摩擦力矩，如图9所示。

挤压滑块10会挤压层状干扰结构4，此时若曲梁结构6开始转动，则层状干扰结构4会发生相对转动，层状结构之间会产生摩擦力矩，若摩擦力矩足够大，便会限制曲梁结构6的转动。传动滑块9为倒梯形，挤压滑块10与传动滑块9相邻的一端的斜边的角度与传动滑块9的角度相同，二者相互契合。挤压滑块10靠近层状干扰结构4的一端尺寸小于其与传动滑块9接触的一端，从而防止挤压滑块10在向外运动时与曲梁结构6接触。

以上的介绍简要的解释了如何将铅垂气压力转为对曲梁结构6的摩擦力矩。

在本实例中，挤压滑块10与传动滑块9相邻的一端的斜边与竖直方向之间的夹角θ为10°，在实验时，单指的承载到达了436g，说明了气压压力转为摩擦力矩的效果很可观。

本发明的变刚度的仿人手刚柔混合机器人具有多手指多自由度独立控制抓握、可变刚度、纯气动、抓握能力强、成本低等优点，能够实现高承载力的柔性抓握，可以应用于空间捕获机器人的末端执行器、工业机器人的操作手、残疾人假肢义肢等人体工程学高需求的领域。

Claims (6)

1.一种变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，包括四个软体驱动器和两个变刚度关节刚性骨架；所述的变刚度关节刚性骨架由变刚度关节、曲梁结构、连接轴组成，所述连接轴与曲梁结构固定连接，连接轴用于牵引曲梁结构绕着变刚度关节转动；所述的软体驱动器在两侧对称放置，每侧两个软体驱动器分别耦合一个变刚度关节刚性骨架，软体驱动器的一端固定在变刚度关节刚性骨架上，另一端通过连接轴和曲梁结构进行连接。

2.根据权利要求1所述的变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，所述的软体驱动器具有多个相通的气室，相邻气室的之间通过橡胶带连接，驱动器充气时，橡胶连接带会随着软体驱动器的变形而变形；抽气时，橡胶连接带中的弹性势能释放，带动软体驱动器回复原状。

3.根据权利要求1所述的变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，所述的变刚度关节包括外壳、设于外壳上的活塞气室、橡胶活塞、以及设于外壳内的两个层状干扰结构、两个销轴、传动滑块、两个挤压滑块；所述的层状干扰结构包括若干相互平行且穿过销轴的层状结构，层状干扰结构设于外壳侧面和挤压滑块之间，用于限制曲梁结构的转动，从而增大软体驱动器绕销轴转动的弯曲刚度；所述的销轴用于连接曲梁结构和变刚度关节；两个挤压滑块对称设于传动滑块两侧；所述的活塞气室上设有进气孔，用于向内充气；所述活塞气室的橡胶活塞与传动滑块固定连接，当向活塞气室充气时，橡胶活塞带动传动滑块向下运动，传动滑块接触挤压滑块并对其产生水平方向的推力，从而推动挤压滑块向两边运动。

4.根据权利要求3所述的变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，所述橡胶活塞与传动滑块之间设有一根弹簧，当活塞气室抽气时，弹簧中的弹性势能释放，会带动活塞回复至初始位置。

5.根据权利要求3所述的变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，所述的层状结构上粘有橡胶层，当挤压滑块对层状干扰结构施加水平推力时，相邻两层层状结构之间产生摩擦力矩，最终增大软体驱动器绕销轴转动的弯曲刚度。

6.根据权利要求3所述的变刚度的仿人手刚柔混合机器人，其特征在于，所述的层状干扰结构中，其中一半层状结构约束于外壳上的通孔中，另一半层状结构约束于曲梁结构上的通孔中，两者交叉设置，使得层状结构仅可沿矩形通孔进行水平方向的自由移动。

Images