CN113601542A - 一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，包括旋转气缸、制动器和软体执行末端，通过向旋转气缸内的输送气体，带动制动器进行回转运动，并通过改变通过摆动气缸的气体流量实现机械手的变刚度实现对各种形状物体的适应，旋转气缸作为驱动件驱动制动器时具备变刚度变阻尼的特性，且阻尼刚度与转动速度无耦合关系，可以针对不同大小与重量的物体提供不同的预压力，扩充了抓取范畴，尤其是针对较重的物体通过增加刚度与阻尼，可以提高抓取的稳定性，解决了柔性气驱动系统的柔性有余而刚度不足的问题。

Description

一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手。

背景技术

机械手在机器人领域是一种重要的执行器，能够实现对物体的抓握，搬运或其他操作。传统机械手主体结构大多为刚性的金属材料，采用电机、液压缸等作为驱动元件，通过齿轮、键和连杆等一系列复杂的传动，将动力传输至抓取末端，此类机械手输出载荷较大、自由度数有限且整体结构刚度较高，抓取物体时往往依赖法向力，在操作一些易损坏的物体如鸡蛋生鲜水果，往往不能施加合适的力度实现无损抓取，因而适用范围有限。

因此，在传统机械手的基础上，柔性机器人以及柔性机械手的概念应运而生；柔性机械手以柔性材料如硅胶制成，能够在受到外力作用时产生一定的形变，具备良好的自适应性，减少对抓取物体的伤害；与刚性机械手电机驱动不同，柔性机械手主要是气动，液动和绳驱动，其灵活性更高；

现有柔性机械手使用柔性材料以减缓挤压变形对物体造成的损伤，但是本质上还是依靠法向力将物体固定移动，被夹持物体容易受挤压变形，造成损坏，所以急需一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，解决现有技术中，容易对物体挤压变形，造成损坏的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，包括用于装配的法兰盘和安装在法兰盘上的多个机械手臂，通过多个机械手臂配合抓取物体，各个所述机械手臂均包括：

旋转气缸，所述旋转气缸内设有旋转气腔，所述旋转气腔内安装有摆动环，其中，摆动环将所述旋转气腔分割成两个独立的旋转气腔，通过向两个旋转气腔内通入气体，产生一定的气压差，驱动摆动环以一定速度旋转；

制动器，与所述摆动环相连，摆动环旋转，控制所述制动器摆动，其中，制动器包括用于和摆动环相连的支架，以及安装在支架上的两组人工肌肉，每组所述人工肌肉一端均连接有肌肉气管，肌肉气管用于向人工肌肉内导入或导出气体，控制人工肌肉膨胀或收缩；

软体执行末端，其一端两侧分别与两组人工肌肉相连，随各组人工肌肉膨胀或收缩，控制软体执行末端朝对应方向摆动，所述软体执行末端一面设有多个凸起腔体，另一面均匀安装有多个黏附皮瓣，其中，所述凸起腔体在正压下充气变形向黏附皮瓣方向收缩，凸起腔体在负压下向远离黏附皮瓣方向卷曲。

优选的，所述旋转气缸由外到内依次为滚珠轴承、旋转气腔和摆动环，以及位于中心的安装轴，摆动环活动安装在所述安装轴上，随气压差变化，驱动摆动环绕安装轴旋转；

其中，所述旋转气缸内对称设有两个进气口，两个所述进气口分别与两个所述旋转气腔连通。

优选的，两个所述旋转气腔内位于摆动环转动路径上均安装有限位环，用于限制摆动环的运动自由度，其中，限位环端部设有橡胶缓冲垫。

优选的，所述旋转气缸中心处设有滑槽，支架一端插入滑槽内与摆动环相连，随摆动环转动，带动支架沿滑槽摆动。

优选的，所述人工肌肉为一种高度非线性的气动执行器，由合成橡胶制成，包裹在人造网中。

优选的，所述软体执行末端一端安装有安装架，并通过所述安装架与两组人工肌肉相连，所述安装架上设有连通凸起腔体的充气口，且充气口处连接有充气气管，其中，所述凸起腔体为一种柔性树脂材料，通过光固化的方式一体化成型，内部中空，粘附皮瓣为一种柔性树脂材料的片体，形状为矩形，与软体执行末端呈40°度夹角。

优选的，所述粘附皮瓣黏附物体一侧贴有黏附材料，其中，黏附材料通过光敏胶与粘附皮瓣粘接。

优选的，所述软体执行末端常压状态下为远离粘附皮瓣方向的弯曲状，弯曲角度在15°-25°之间。

优选的，所述法兰盘上均匀安装多个调节板，其中，调节板插入所述法兰盘内，并通过螺栓连接，调节所述螺栓控制所述调节板伸出或缩入所述法兰盘的长度，各个所述调节板上均按照有连接臂，各个所述旋转气缸安装在所述连接臂上。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过旋转气缸、制动器和软体执行末端配合，通过向旋转气缸内的输送气体，带动制动器进行回转运动，并通过改变通过摆动气缸的气体流量实现机械手的变刚度实现对各种形状物体的适应，旋转气缸作为驱动件驱动制动器时具备变刚度变阻尼的特性，且阻尼刚度与转动速度无耦合关系，可以针对不同大小与重量的物体提供不同的预压力，扩充了抓取范畴，尤其是针对较重的物体通过增加刚度与阻尼，可以提高抓取的稳定性，解决了柔性气驱动系统的柔性有余而刚度不足的问题；

另外，在制动器中，人工肌肉在摆动气缸旋转时牵拉软体执行末端，配合软体执行末端的皮瓣,实现对被抓物体预压与相对表面切向牵拉的动作，增大黏附面积，使得黏附材料与物体表面充分接触，达到软体执行末端最佳黏压比，一方面在于减小粘附皮瓣的法向力剥离角，进一步提高黏附性能，另一方面可以在牵拉过程中释放不利于黏附的混乱应力，避免了现有装置通过法向力损伤物体的可能，并能适应各种形状大小的物体，适合针对易损伤物体作业，且相比于高刚度的电机驱动更加安全，适合人机交互作业，更加具备泛用性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明机械手的结构示意图；

图2是本发明旋转气缸的剖面图；

图3是本发明制动器的结构示意图；

图4是本发明软体执行末端的结构示意图；

图5是本发明旋转气缸、制动器和软体执行末端整体连接图；

图6是本发明机械手臂的抓取时的工作流程图；

图中标号：1、法兰盘；2、旋转气缸；3、旋转气腔；4、摆动环；5、滚珠轴承；6、安装轴；7、进气口；8、限位环；9、制动器；10、支架；11、下部人工肌肉；12、上部人工肌肉；13、肌肉气管；14、滑槽；15、软体执行末端；16、凸起腔体；17、黏附皮瓣；18、安装架；19、充气口；20、充气气管；21、黏附材料；22、调节板；23、连接臂。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，包括用于装配的法兰盘1和安装在法兰盘1上的多个机械手臂，通过多个机械手臂配合抓取物体，其中，法兰盘1上均匀安装多个调节板22，其中，调节板22插入法兰盘1内，并通过螺栓连接，调节螺栓控制调节板22伸出或缩入法兰盘1的长度，各个调节板22上均按照有连接臂23，各个旋转气缸2安装在连接臂23上，参考图1，本实施例中，机械手臂为两个，各个机械手臂均包括旋转气缸2、制动器9和软体执行末端15，其中，旋转气缸2内设有旋转气腔3，旋转气腔3内安装有摆动环4，其中，摆动环4将旋转气腔3分割成两个独立的旋转气腔3，通过向两个旋转气腔3内通入气体，产生一定的气压差，驱动摆动环4以一定速度旋转；制动器9与摆动环4相连，摆动环4旋转，控制制动器9摆动，其中，制动器9包括用于和摆动环4相连的支架10，以及安装在支架10上的两组人工肌肉，每组人工肌肉一端均连接有肌肉气管13，肌肉气管13用于向人工肌肉内导入或导出气体，控制人工肌肉膨胀或收缩；软体执行末端15，其一端两侧分别与两组人工肌肉相连，随各组人工肌肉膨胀或收缩，控制软体执行末端15朝对应方向摆动，软体执行末端15一面设有多个凸起腔体16，另一面均匀安装有多个黏附皮瓣17，其中，凸起腔体16在正压下充气变形向黏附皮瓣17方向收缩，凸起腔体16在负压下向远离黏附皮瓣17方向卷曲。

具体的，参考图2，为旋转气缸2的剖面图，其中，旋转气缸2由外到内依次为滚珠轴承5、旋转气腔3和摆动环4，以及位于中心的安装轴6，摆动环4活动安装在安装轴6上，旋转气缸2内对称设有两个进气口7，两个进气口7分别与两个旋转气腔3连通，工作时，通过进气口7向其中一侧的旋转气腔3内通入一定量的气体，使得两个旋转气腔3产生气压差，从而驱动摆动环4绕安装轴6旋转，其中，摆动环4外侧与旋转气腔3外壳接触，并用橡胶圈进行密封，且在两个旋转气腔3内位于摆动环4转动路径上均安装有限位环8，用于限制摆动环4的运动自由度，其中，限位环8端部设有橡胶缓冲垫，用于缓冲摆动环4的碰撞。

参考图3，为制动器9的结构图，本实施例中，两组人工肌肉分别为下部人工肌肉11和上部人工肌肉12，其中，每组人工肌肉均包括三个人工肌肉并联工作，每个人工肌肉均配套安装有一根肌肉气管13，每个肌肉气管13驱动气压与流量是相同的，其中，人工肌肉为一种高度非线性的气动执行器，由合成橡胶制成，包裹在人造网中，经过肌肉气管13为向人工肌肉正压充气，人工肌肉膨胀使得其轴向收缩，软体执行末端15向被抓物体靠近，达到工作位置，向人工肌肉负压吸气，人工肌肉收缩使得其轴向伸长，软体执行末端15复位，两组人工肌肉通过不同的工作方向，分别实现对被抓物体预压与相对表面切向牵拉的动作。

其中，参考图1，在旋转气缸2中心处设有滑槽14，支架10一端插入滑槽14内与摆动环4相连，随摆动环4转动，带动支架10沿滑槽14摆动。

参考图4，为软体执行末端15的结构图，在软体执行末端15一端安装有安装架18，并通过安装架18与两组人工肌肉相连，安装架18上设有连通凸起腔体16的充气口19，且充气口19处连接有充气气管20，其中，凸起腔体16为一种柔性树脂材料，通过光固化的方式一体化成型，内部中空，粘附皮瓣为一种柔性树脂材料的片体，形状为矩形，与软体执行末端15呈40°度夹角，粘附皮瓣黏附物体一侧贴有黏附材料21，其中，黏附材料21通过光敏胶与粘附皮瓣粘接；其中，软体执行末端15常压状态下为远离粘附皮瓣方向的弯曲状，弯曲角度在15°-25°之间，一方面提高了负压变形性能，缩短了脱附时间，另一方面可以更好的适应弧状，球状等一些列不易抓取的物体形状轮廓，提高了软体执行末端15的适应性。

参考图5，为旋转气缸2、制动器9和软体执行末端15整体连接图，其中，旋转气缸2既可以作为驱动件实现驱动制动器9和软体执行末端15的旋转运动，也可以作为被动件实现关节运动的高鲁棒柔性，在工作时，首先分别向两个独立的旋转气腔3的通入气体，增大旋转气腔3两侧气压差并减小两侧气压值，以高速低刚度高柔性向内旋转，带动与摆动环4相连的制动器9迅速旋转，低刚度快速旋转相比于电机驱动提高了发生碰撞时的安全性，当即将接近物体时，减少旋转气腔3两侧气压与气压差，旋转气缸2以低速低刚度高柔性的状态运动，带动制动器9缓慢接近物体，得益于旋转气缸2的高柔性驱动以及软体执行末端15的自身柔性，保证软体执行末端15的黏附皮瓣17无冲击接触到被抓物体表面，此时，针对不同大小与重量的物体旋转气缸2中的两端气腔调整两侧压差以及气压值，如针对较轻的物体提供较小的预压力以及保持刚度，针对较重的物体提供较大的预压力以及保持刚度，其中，摆动环4由压差所产生的驱动力所驱动，气体具备可压缩性，机械手关节的转动具备天然的柔性与适应性，使软体末端执行器可以抓取各种形状大小的物体，且两个独立的旋转气腔3的气体所产生的驱动力相互拮抗，提高了关节转动的稳定性与鲁棒性，旋转气缸2作为驱动件驱动制动器9时具备变刚度变阻尼的特性，且阻尼刚度与转动速度无耦合关系，气体的压差的大小决定了旋转气缸2中摆动环4的角加速度与角速度的大小，此时同时提高两侧旋转气腔3的的压强并维持其气压差不变，其压差未变，因此施加于摆动环4之上的驱动力未变，旋转气缸2运动的角加速度与角速度不变，但此时两侧旋转气腔3的压强增加，系统抵抗外界干扰的刚度增加，从而使得系统运行的整体阻尼增加，解决了柔性气驱动系统的柔性有余而刚度不足的问题。

参考图6，为机械手臂的抓取时的工作流程图，当黏附皮瓣17接触到被抓物体表面时，下部人工肌肉11率先正压充气到阈值的一半，使软体执行末端15绕着气动肌肉端部向被抓物体一侧旋转，此时软体执行末端15也配合正压充气，软体执行末端15的凸出腔体向被抓物体一侧弯曲，黏附皮瓣17紧贴被抓物体表面，使得粘附材料与被抓物体表面充分接触，上部气动肌肉开始工作，与下部气动肌肉一起正压充气到阈值，从而驱动软体执行末端15沿着被抓物体表面切向牵拉一段距离，带动黏附皮瓣17和黏附皮瓣17上的黏附材料21位移，利用气动肌肉实现黏附材料21切向牵拉，充分发挥黏附材料21的黏附性能，并更好地适应物体表面形状。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，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 (9)

1.一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，包括用于装配的法兰盘和安装在法兰盘上的多个机械手臂，通过多个机械手臂配合抓取物体，其特征在于：各个所述机械手臂均包括：

旋转气缸，所述旋转气缸内设有旋转气腔，所述旋转气腔内安装有摆动环，其中，摆动环将所述旋转气腔分割成两个独立的旋转气腔，通过向两个旋转气腔内通入气体，产生一定的气压差，驱动摆动环以一定速度旋转；

制动器，与所述摆动环相连，摆动环旋转，控制所述制动器摆动，其中，制动器包括用于和摆动环相连的支架，以及安装在支架上的两组人工肌肉，每组所述人工肌肉一端均连接有肌肉气管，肌肉气管用于向人工肌肉内导入或导出气体，控制人工肌肉膨胀或收缩；

软体执行末端，其一端两侧分别与两组人工肌肉相连，随各组人工肌肉膨胀或收缩，控制软体执行末端朝对应方向摆动，所述软体执行末端一面设有多个凸起腔体，另一面均匀安装有多个黏附皮瓣，其中，所述凸起腔体在正压下充气变形向黏附皮瓣方向收缩，凸起腔体在负压下向远离黏附皮瓣方向卷曲。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述旋转气缸由外到内依次为滚珠轴承、旋转气腔和摆动环，以及位于中心的安装轴，摆动环活动安装在所述安装轴上，随气压差变化，驱动摆动环绕安装轴旋转；

其中，所述旋转气缸内对称设有两个进气口，两个所述进气口分别与两个所述旋转气腔连通。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：两个所述旋转气腔内位于摆动环转动路径上均安装有限位环，用于限制摆动环的运动自由度，其中，限位环端部设有橡胶缓冲垫。

4.根据权利要求1所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述旋转气缸中心处设有滑槽，支架一端插入滑槽内与摆动环相连，随摆动环转动，带动支架沿滑槽摆动。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述人工肌肉为一种高度非线性的气动执行器，由合成橡胶制成，包裹在人造网中。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述软体执行末端一端安装有安装架，并通过所述安装架与两组人工肌肉相连，所述安装架上设有连通凸起腔体的充气口，且充气口处连接有充气气管，其中，所述凸起腔体为一种柔性树脂材料，通过光固化的方式一体化成型，内部中空，粘附皮瓣为一种柔性树脂材料的片体，形状为矩形，与软体执行末端呈40°度夹角。

7.根据权利要求6所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述粘附皮瓣黏附物体一侧贴有黏附材料，其中，黏附材料通过光敏胶与粘附皮瓣粘接。

8.根据权利要求6所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述软体执行末端常压状态下为远离粘附皮瓣方向的弯曲状，弯曲角度在15°-25°之间。

9.根据权利要求1所述的一种基于仿生黏附的变刚度柔性机械手，其特征在于：所述法兰盘上均匀安装多个调节板，其中，调节板插入所述法兰盘内，并通过螺栓连接，调节所述螺栓控制所述调节板伸出或缩入所述法兰盘的长度，各个所述调节板上均按照有连接臂，各个所述旋转气缸安装在所述连接臂上。

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