CN113664865B - 一种多指软抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多指软抓手，涉及软体机器人领域，包括中心板、多个连接板、多个软手指、多个固定件、多个手指基座和多个第一连接组件，软手指包括依次连接的气压驱动层、第一柔性电极层、可变刚度层和第二柔性电极层，第一柔性电极层包括第一柔性基底层和多个第一柔性电极，可变刚度层包括柔性外壳和多个隔板，多个隔板将柔性外壳分隔为多个空腔，空腔中填充有电流变液，一个第一柔性电极与一个空腔位置相对应且结构相匹配，第二柔性电极层包括第二柔性基底层和固定于第二柔性基底层的上的第二柔性电极。本发明提供的多指软抓手具有变刚度的特性，能够对弯曲形状进行控制，有效地提高了抓取的稳定性和可靠性，使得抓取过程更加安全。

Description

一种多指软抓手

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，特别是涉及一种多指软抓手。

背景技术

软体生物杰出的环境适应能力和固有的顺应性引发了人们强烈的兴趣，科研人员通过将机器人的全部或是部分结构替换为软材料，有效的解决了刚体机器人环境适应性，友好交互性，以及行动安全性差的问题。然而软体机器人是由软材料构成，固有的低刚度使得其在需要产生较大承载力的情况下往往表现不佳。因此改善刚度性能，是扩大软体机器人应用范围的关键技术。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种多指软抓手，具有变刚度的特性，能够对弯曲形状进行控制，有效地提高了抓取的稳定性和可靠性，使得抓取过程更加安全。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种多指软抓手，包括中心板、多个连接板、多个软手指、多个固定件、多个手指基座和多个第一连接组件，所述软手指包括依次连接的气压驱动层、第一柔性电极层、可变刚度层和第二柔性电极层，气压驱动层包括多个依次连接的气腔，各所述气腔的靠近所述第一柔性电极层的一端设置有通孔，多个所述通孔连通形成气道，所述气压驱动层的一端设置有气压输入口，所述气道与所述气压输入口连通；所述第一柔性电极层包括第一柔性基底层和多个第一柔性电极，所述第一柔性基底层固定于多个所述气腔设置有所述通孔的一侧，多个所述第一柔性电极沿所述第一柔性基底层的长度方向依次固定于所述第一柔性基底层远离所述气压驱动层的一侧；所述可变刚度层包括柔性外壳和多个隔板，多个所述隔板沿所述柔性外壳的长度方向依次固定于所述柔性外壳中并将所述柔性外壳分隔为多个空腔，所述空腔中填充有电流变液，所述柔性外壳的一侧固定于所述第一柔性基底层远离所述气压驱动层的一侧，各所述第一柔性电极均位于所述第一柔性基底层与所述柔性外壳之间，一个所述第一柔性电极与一个所述空腔位置相对应且结构相匹配；所述第二柔性电极层包括第二柔性基底层和固定于所述第二柔性基底层的上的第二柔性电极，所述第二柔性基底层固定于所述柔性外壳远离所述第一柔性基底层的一侧，所述第二柔性电极位于所述第二柔性基底层与所述柔性外壳之间；多个所述连接板沿周向设置于所述中心板的边缘，各所述软手指的一端安装于所述手指基座上，各所述手指基座安装于一个所述固定件上，各所述固定件通过一个所述第一连接组件滑动安装于一个所述连接板上，且所述第一连接组件能够将所述固定件锁紧于所述连接板上，所述气压驱动层位于所述第一柔性电极层远离所述中心板的一侧。

优选地，所述手指基座固定套设于所述软手指设置有所述气压输入口的一端，所述手指基座通过第二连接组件与所述固定件连接。

优选地，所述连接板上设置有中部条形孔和两个导向条形孔，两个所述导向条形孔分别设置于所述中部条形孔的两侧，所述中部条形孔和两个所述导向条形孔均相互平行，所述固定件通过所述第一连接组件安装于两个所述导向条形孔上。

优选地，所述固定件包括顶板和两个第一侧板，两个所述第一侧板分别固定于所述顶板下端的两侧，所述手指基座通过所述第二连接组件安装于两个所述第一侧板上，所述顶板上设置有第一通孔和多个第一螺纹孔，所述第一通孔与所述中部条形孔位置相对应，所述气压输入口与所述第一通孔位置相对应；所述第一连接组件包括多个第一螺栓和多个第一螺母，各所述导向条形孔中安装有多个所述第一螺栓，所述顶板位于所述连接板的下方，各所述第一螺栓的下端穿过一个所述第一螺纹孔并安装有一个所述第一螺母。

优选地，所述手指基座包括两个第二侧板和两个第三侧板，两个所述第二侧板相互平行，两个所述第三侧板相互平行，各所述第三侧板的两端分别与两个所述第二侧板连接；所述第二连接组件包括多个第二螺栓和多个第二螺母，各所述第二侧板的上端通过多个所述第二螺栓和多个所述第二螺母固定于一个所述第一侧板上。

优选地，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极的一侧均设置有一个铝箔，所述第二侧板的下部设置有两个第二通孔，所述第二通孔用于供所述铝箔穿过并伸至所述手指基座的外部。

优选地，所述第一侧板上由上至下依次设置有多个螺纹孔组，各所述螺纹孔组包括多个第二螺纹孔，各所述第二侧板上设置有多个光孔，各所述第二侧板上的多个所述光孔与各所述螺纹孔组中的多个所述第二螺纹孔一一对应。

优选地，所述气压驱动层、所述第一柔性基底层、所述第二柔性基底层和所述柔性外壳均采用硅胶材料，所述中心板、所述连接板、所述手指基座和所述固定件均采用树脂材料，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极均通过在纸张上涂抹碳脂制成，所述电流变液为巨电流变液。

优选地，多个所述第一柔性电极的长度不完全相同。

优选地，多个所述连接板沿所述中心板的周向均匀设置，所述连接板和所述软手指均设置为三个。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的多指软抓手，包括中心板、多个连接板、多个软手指、多个固定件、多个手指基座和多个第一连接组件，软手指包括依次连接的气压驱动层、第一柔性电极层、可变刚度层和第二柔性电极层，第一柔性电极层包括第一柔性基底层和多个第一柔性电极，可变刚度层包括柔性外壳和多个隔板，多个隔板沿柔性外壳的长度方向依次固定于柔性外壳中并将柔性外壳分隔为多个空腔，空腔中填充有电流变液，一个第一柔性电极与一个空腔位置相对应且结构相匹配，第二柔性电极层包括第二柔性基底层和固定于第二柔性基底层的上的第二柔性电极。通过向第一柔性电极和第二柔性电极输入电压，使得可变刚度层中产生电场，填充的电流变液发生流变效应，实现软手指刚度的快速转变，从而可以改善软体机器人抓取不稳定及承载力低的问题，有效地提高了抓取的稳定性和可靠性。通过对多个第一柔性电极分别施加电压，可以独立控制可变刚度层中对应的空腔中填充的电流变液的流变效应，从而控制对应的空腔内电流变液的刚度变化，产生不同的变刚度效果，实现对软手指的弯曲形状的控制。本发明中采用软材料，软手指固有的顺应性使得抓取过程更加安全，不会对脆弱物体产生破环。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的多指软抓手的立体结构示意图；

图2为本发明提供的多指软抓手的主视图；

图3为本发明提供的多指软抓手的俯视图；

图4为本发明提供的多指软抓手中软手指的第一立体结构示意图；

图5为本发明提供的多指软抓手中软手指的第二立体结构示意图；

图6为本发明提供的多指软抓手中软手指的结构爆炸图；

图7为本发明提供的多指软抓手中软手指的剖视图；

图8为本发明提供的多指软抓手中固定件的结构示意图；

图9为本发明提供的多指软抓手中手指基座的结构示意图；

图10为本发明提供的多指软抓手中软手指、手指基座和固定件的连接示意图。

附图标记说明：100、多指软抓手；1、中心板；2、连接板；3、固定件；31、顶板；32、第一侧板；33、第一通孔；34、第一螺纹孔；35、第二螺纹孔；4、手指基座；41、第二侧板；42、第三侧板；43、光孔；44、第二通孔；5、软手指；51、气压驱动层；511、气腔；512、气道；52、第一柔性电极层；521、第一柔性基底层；522、第一柔性电极；53、可变刚度层；531、柔性外壳；532、隔板；533、空腔；54、第二柔性电极层；541、第二柔性基底层；542、第二柔性电极；55、铝箔；56、气压输入口；6、第一螺栓；7、第一螺母；8、第二螺栓；9、第二螺母；10、中部条形孔；11、导向条形孔。

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。

本发明的目的是提供一种多指软抓手，具有变刚度的特性，能够对弯曲形状进行控制，有效地提高了抓取的稳定性和可靠性，使得抓取过程更加安全。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图10所示，本实施例提供一种多指软抓手100，包括中心板1、多个连接板2、多个软手指5、多个固定件3、多个手指基座4和多个第一连接组件，软手指5包括依次连接的气压驱动层51、第一柔性电极层52、可变刚度层53和第二柔性电极层54，气压驱动层51包括多个依次连接的气腔511，各气腔511的靠近第一柔性电极层52的一端设置有通孔，多个通孔连通形成气道512，气压驱动层51的一端设置有气压输入口56，气道512与气压输入口56连通，使得通入的气压能够到达每一个气腔511；第一柔性电极层52包括第一柔性基底层521和多个第一柔性电极522，第一柔性基底层521固定于多个气腔511设置有通孔的一侧，第一柔性基底层521将多个气腔511进行密封，多个第一柔性电极522沿第一柔性基底层521的长度方向依次固定于第一柔性基底层521远离气压驱动层51的一侧，具体地，第一柔性电极522粘接于第一柔性基底层521上；可变刚度层53包括柔性外壳531和多个隔板532，多个隔板532沿柔性外壳531的长度方向依次固定于柔性外壳531中并将柔性外壳531分隔为多个空腔533，空腔533中填充有电流变液，柔性外壳531的一侧固定于第一柔性基底层521远离气压驱动层51的一侧，各第一柔性电极522均位于第一柔性基底层521与柔性外壳531之间，一个第一柔性电极522与一个空腔533位置相对应且结构相匹配，即各空腔533的长度与其对应的第一柔性电极522的长度相同；第二柔性电极层54包括第二柔性基底层541和固定于第二柔性基底层541的上的第二柔性电极542，第二柔性基底层541固定于柔性外壳531远离第一柔性基底层521的一侧，第二柔性电极542位于第二柔性基底层541与柔性外壳531之间，第二柔性电极层54能够充当应变限制层，具体地，第二柔性电极542粘接于第二柔性基底层541上；多个连接板2沿周向设置于中心板1的边缘，各软手指5的一端安装于手指基座4上，各手指基座4安装于一个固定件3上，各固定件3通过一个第一连接组件滑动安装于一个连接板2上，且第一连接组件能够将固定件3锁紧于连接板2上，气压驱动层51位于第一柔性电极层52远离中心板1的一侧。

如图2所示，手指基座4固定套设于软手指5设置有气压输入口56的一端，具体地，软手指5的顶端通过硅胶粘合剂固定于手指基座4上，即气压输入口56设置于顶端的气腔511上，手指基座4通过第二连接组件与固定件3连接。

连接板2上设置有中部条形孔10和两个导向条形孔11，两个导向条形孔11分别设置于中部条形孔10的两侧，中部条形孔10和两个导向条形孔11均相互平行，固定件3通过第一连接组件安装于两个导向条形孔11上。

如图8所示，固定件3包括顶板31和两个第一侧板32，两个第一侧板32分别固定于顶板31下端的两侧，手指基座4通过第二连接组件安装于两个第一侧板32上，顶板31上设置有第一通孔33和多个第一螺纹孔34，第一通孔33与中部条形孔10位置相对应，气压输入口56与第一通孔33位置相对应，进而方便气压通过气压输入口56输入；第一连接组件包括多个第一螺栓6和多个第一螺母7，各导向条形孔11中安装有多个第一螺栓6，顶板31位于连接板2的下方，各第一螺栓6的下端穿过一个第一螺纹孔34并安装有一个第一螺母7，在第一螺栓6和第一螺母7未拧紧的情况下固定件3可以沿着连接板2的导向条形孔11移动，进而实现对应的软手指5位置的调节，当调节好软手指5的位置之后，拧紧第一螺栓6和第一螺母7即可。

于本具体实施例中，顶板31上设置有四个第一螺纹孔34，第一连接组件包括四个第一螺栓6和四个第一螺母7，各导向条形孔11中安装有两个第一螺栓6。

如图9所示，手指基座4包括两个第二侧板41和两个第三侧板42，两个第二侧板41相互平行，两个第三侧板42相互平行，各第三侧板42的两端分别与两个第二侧板41连接；第二连接组件包括多个第二螺栓8和多个第二螺母9，各第二侧板41的上端通过多个第二螺栓8和多个第二螺母9固定于一个第一侧板32上，各第二侧板41位于一个第一侧板32的内侧。

具体地，第一侧板32上由上至下依次设置有多个螺纹孔组，各螺纹孔组包括多个第二螺纹孔35，各第二侧板41上设置有多个光孔43，各第二侧板41上的多个光孔43与各螺纹孔组中的多个第二螺纹孔35一一对应。

于本具体实施例中，第二连接组件包括四个第二螺栓8和四个第二螺母9，各第一侧板32上由上至下设置有两个螺纹孔组，各螺纹孔组包括两个第二螺纹孔35，各第二侧板41上端设置有两个光孔43，各第二螺栓8依次安装于一个第二螺纹孔35和一个光孔43中，且由第二侧板41伸出的一端安装有第二螺母9，通过设置多个高度不同的螺纹孔组，能够调节手指基座4和软手指5在竖直方向上的位置。为了便于对第二螺栓8和第二螺母9进行安装，使得第二侧板41的顶面高于第三侧板42的顶面。

第一柔性电极522和第二柔性电极542的一侧均设置有一个铝箔55，铝箔55能够充当电极引出线，用于接入高压电源，第二侧板41的下部设置有两个第二通孔44，第二通孔44用于供铝箔55穿过并伸至手指基座4的外部。本实施例中的第二通孔44为矩形孔。

于本具体实施例中，气压驱动层51、第一柔性基底层521、第二柔性基底层541和柔性外壳531均采用硅胶材料，可以采用浇筑工艺制作。中心板1、连接板2、手指基座4和固定件3均采用树脂材料，可以采用3D打印快速成型工艺制作。第一柔性电极522和第二柔性电极542均通过在纸张上涂抹碳脂制成，纸张可采用普通A4纸，进而使得本实施例中的多指软抓手100无需复杂工艺和原料，降低了成本。

电流变液是一种新型智能材料，未施加电场时，呈现流体状态；施加电场后，从流体转变为类固体，并且该过程是可逆的，而且响应十分迅速，也就是说通过控制电压的施加可以间接控制电流变液刚度的变化。因此，本实施例中采用电流变液来解决软体机器人变刚度问题。具体地，本实施例中的电流变液为巨电流变液，巨电流变液是电流变液的强化版，其流变性能优于电流变液许多。

使用时，通过对气压输入口56输入正压，驱动手指弯曲，通过对多个第一柔性电极522分别施加正电压，对第二柔性电极542施加负电压或者接地，能够独立控制柔性外壳531中对应的空腔533内电流变液的流变效应，从而有效的改变结构的刚度以及刚度变化的长度，使得软手指5的刚度和弯曲形状得到控制。第一柔性电极522的块数以及空腔533的数量越多，软手指5可以形成不同刚度的区域越多，从而使得软手指5在气压驱动下的弯曲形状越多。多个第一柔性电极522的长度可以设置为相同的或不同的。

于本具体实施例中，多个第一柔性电极522的长度不完全相同，相对应地，多个空腔533的长度不完全相同，使得让软手指5在气压驱动下不同弯曲形状的效果在视觉上更加明显。本实施例中设置有三个第一柔性电极522，两端的两个第一柔性电极522的长度相同，中间的第一柔性电极522的长度小于端部的第一柔性电极522的长度。

如图7所示，柔性外壳531为长方体外壳，空腔533为长方体空腔。气腔511为矩形气腔，每个气腔511的顶壁厚度不小于2mm，气腔511的侧壁厚度不小于1mm。

具体地，多个连接板2沿中心板1的周向均匀设置，连接板2和软手指5均设置为三个，即本实施例中提供一种三指软抓手。

可见，本实施例中通过对软手指5的气压输入口56输入或排出气体，可以实现多指软抓手100的抓取和释放动作，通过向第一柔性电极522和第二柔性电极542输入电压，使得可变刚度层53中产生电场，填充的电流变液发生流变效应，实现软手指5刚度的快速转变，从而可以改善软体机器人抓取不稳定及承载力低的问题，有效地提高了抓取的稳定性和可靠性。通过对多个第一柔性电极522分别施加电压，可以独立控制可变刚度层53中对应的空腔533中填充的电流变液的流变效应，从而控制对应的空腔533内电流变液的刚度变化，产生不同的变刚度效果，实现对软手指5的弯曲形状的控制。本实施例中采用软材料，软手指5固有的顺应性使得抓取过程更加安全，不会对脆弱物体产生破环。本实施例中的多指软抓手100能够对不同形状、不同质量的物体实现抓取，抓取能力强劲，并且整个装置结构简单，价格低廉，能够满足软体机器人各种抓取任务的性能要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种多指软抓手，其特征在于，包括中心板、多个连接板、多个软手指、多个固定件、多个手指基座和多个第一连接组件，所述软手指包括依次连接的气压驱动层、第一柔性电极层、可变刚度层和第二柔性电极层，气压驱动层包括多个依次连接的气腔，各所述气腔的靠近所述第一柔性电极层的一端设置有通孔，多个所述通孔连通形成气道，所述气压驱动层的一端设置有气压输入口，所述气道与所述气压输入口连通；所述第一柔性电极层包括第一柔性基底层和多个第一柔性电极，所述第一柔性基底层固定于多个所述气腔设置有所述通孔的一侧，多个所述第一柔性电极沿所述第一柔性基底层的长度方向依次固定于所述第一柔性基底层远离所述气压驱动层的一侧；所述可变刚度层包括柔性外壳和多个隔板，多个所述隔板沿所述柔性外壳的长度方向依次固定于所述柔性外壳中并将所述柔性外壳分隔为多个空腔，所述空腔中填充有电流变液，所述柔性外壳的一侧固定于所述第一柔性基底层远离所述气压驱动层的一侧，各所述第一柔性电极均位于所述第一柔性基底层与所述柔性外壳之间，一个所述第一柔性电极与一个所述空腔位置相对应且结构相匹配；所述第二柔性电极层包括第二柔性基底层和固定于所述第二柔性基底层的上的第二柔性电极，所述第二柔性基底层固定于所述柔性外壳远离所述第一柔性基底层的一侧，所述第二柔性电极位于所述第二柔性基底层与所述柔性外壳之间；多个所述连接板沿周向设置于所述中心板的边缘，各所述软手指的一端安装于所述手指基座上，各所述手指基座安装于一个所述固定件上，各所述固定件通过一个所述第一连接组件滑动安装于一个所述连接板上，且所述第一连接组件能够将所述固定件锁紧于所述连接板上，所述气压驱动层位于所述第一柔性电极层远离所述中心板的一侧。

2.根据权利要求1所述的多指软抓手，其特征在于，所述手指基座固定套设于所述软手指设置有所述气压输入口的一端，所述手指基座通过第二连接组件与所述固定件连接。

3.根据权利要求2所述的多指软抓手，其特征在于，所述连接板上设置有中部条形孔和两个导向条形孔，两个所述导向条形孔分别设置于所述中部条形孔的两侧，所述中部条形孔和两个所述导向条形孔均相互平行，所述固定件通过所述第一连接组件安装于两个所述导向条形孔上。

4.根据权利要求3所述的多指软抓手，其特征在于，所述固定件包括顶板和两个第一侧板，两个所述第一侧板分别固定于所述顶板下端的两侧，所述手指基座通过所述第二连接组件安装于两个所述第一侧板上，所述顶板上设置有第一通孔和多个第一螺纹孔，所述第一通孔与所述中部条形孔位置相对应，所述气压输入口与所述第一通孔位置相对应；所述第一连接组件包括多个第一螺栓和多个第一螺母，各所述导向条形孔中安装有多个所述第一螺栓，所述顶板位于所述连接板的下方，各所述第一螺栓的下端穿过一个所述第一螺纹孔并安装有一个所述第一螺母。

5.根据权利要求4所述的多指软抓手，其特征在于，所述手指基座包括两个第二侧板和两个第三侧板，两个所述第二侧板相互平行，两个所述第三侧板相互平行，各所述第三侧板的两端分别与两个所述第二侧板连接；所述第二连接组件包括多个第二螺栓和多个第二螺母，各所述第二侧板的上端通过多个所述第二螺栓和多个所述第二螺母固定于一个所述第一侧板上。

6.根据权利要求5所述的多指软抓手，其特征在于，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极的一侧均设置有一个铝箔，所述第二侧板的下部设置有两个第二通孔，所述第二通孔用于供所述铝箔穿过并伸至所述手指基座的外部。

7.根据权利要求5所述的多指软抓手，其特征在于，所述第一侧板上由上至下依次设置有多个螺纹孔组，各所述螺纹孔组包括多个第二螺纹孔，各所述第二侧板上设置有多个光孔，各所述第二侧板上的多个所述光孔与各所述螺纹孔组中的多个所述第二螺纹孔一一对应。

8.根据权利要求1所述的多指软抓手，其特征在于，所述气压驱动层、所述第一柔性基底层、所述第二柔性基底层和所述柔性外壳均采用硅胶材料，所述中心板、所述连接板、所述手指基座和所述固定件均采用树脂材料，所述第一柔性电极和所述第二柔性电极均通过在纸张上涂抹碳脂制成，所述电流变液为巨电流变液。

9.根据权利要求1所述的多指软抓手，其特征在于，多个所述第一柔性电极的长度不完全相同。

10.根据权利要求1所述的多指软抓手，其特征在于，多个所述连接板沿所述中心板的周向均匀设置，所述连接板和所述软手指均设置为三个。