CN113733131A - 一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海抓取及取样技术，旨在提供一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手。包括至少三根结构相同的手指；手指包括位于下层的第一橡胶材料制成的长条形基底和位于上层的第二橡胶材料制成的三个指节；每个手指中还设有沿基底长度方向布置的拉线，拉线依次穿过三个指节；第一橡胶材料的强度和硬度要大于第二橡胶材料的强度和硬度。本发明只需采用充油电机驱动拉线带动抓手进行手指的弯折动作，反向放松恢复时利用手指基底的材料弹性而无需额外的驱动；能够简化抓手本身的结构，实现设备轻量化，具备控制方便、适应性强的优点。在保证手指结构的强度和回弹需求的同时，可以在应用时被动变形。产品的加工方法简单、成本低。

Description

一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手

技术领域

本发明涉及深海抓取及取样技术，具体涉及一种柔性仿生抓手，特别是涉及一种具有适应性和有效抓取特性的基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手。

背景技术

能够在深海执行目标有效抓取任务的设备是一项具有挑战性的技术，机器人的末端执行器通常采用抓手形式，有抓取能力的末端执行器可按结构划分为硬性结构抓手以及软结构抓手。传统的硬性机械结构的抓手应用较为广泛，这种结构包括伺服电机、气动系统(或液压系统驱动)和刚性结构抓手，需要复杂的传动系统。动作不连贯、结构复杂、无运动柔顺性，是这种抓手的主要缺点。另一方面，抓取深海中的物体时，必须考虑的一个问题是抓手表面与目标物表面的相互作用力。如深海浮游生物、底栖生物、植物等目标物，如果直接与刚性抓手相接触，很容易遭到破坏。由于硬部件的机械特性，传统的硬性结构抓手在弹性变形和适应不同形状和尺寸的能力方面受到限制。

软结构抓手使用软质材料，能够在相互作用过程中产生较大变形。这一特性与目标物形态特征相结合，有助于软抓手利用身体的被动变形，使其形状适应物体表面。因此，对于较为脆弱的目标物，抓手的材料选择应偏向软质材料，保护目标物不遭到破坏。然而，单纯使用软质材料的不足也很明显，稳定性难以得到保证。

但抓手被应用于深海环境时，密封、静水压等等工作环境带来的问题更多，不确定性更大。相当数量的机械抓手采用液压或者气动系统，这就需要压缩机和液压泵站，从而造成系统整体尺寸过大且在深海难以实现，而深海设备对重量具有较高的敏感性，因此轻量化设计也是深海抓手的目标之一。

基于上述技术现状，提出一种柔性抓手以适用深海的结构简单、轻量化、便于控制、适应性强，能够通过简单的控制和驱动系统表现灵巧的抓取能力，是十分急迫的现实需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，包括至少三根结构相同的手指；手指包括位于下层的第一橡胶材料制成的基底和位于上层的第二橡胶材料制成的指节；其中，所述基底呈长条形，在其底端设有贯通的装配孔；由基底的顶端起，在基底的表面依次布置了第一指节、第二指节和第三指节；相邻指节之间设有凹槽或保持间距，用作手指弯折时的形变折叠空间；每个手指中还设有沿基底长度方向布置的拉线，拉线依次穿过三个指节；当拉线受力时依次带动第一指节、第二指节和第三指节动作，使手指向其底端的方向弯折；当拉线不受力时，各指节基于基底材料的弹性反向动作使手指恢复平直状态；所述第一橡胶材料的强度和硬度要大于第二橡胶材料的强度和硬度。

作为优选方案，所述拉线的布置方式是下述的任意一种：(1)拉线呈直线型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，并在第一指节的外端部设置拉线固定件；(2)拉线呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，然后从第一指的外端部再反向依次贯穿三个指节；(3)拉线呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线，然后再反向贯穿第二指节和第三指节。

作为优选方案，所述各手指的拉线是各自独立相互不连接的；或者，所述各手指使用同一根拉线；或者，各手指中，至少有两根手指使用同一根拉线。

作为优选方案，所述拉线的外部设有硅胶保护套。

作为优选方案，在各手指的第二指节和第三指节上沿基底长度方向平行设置两条穿孔，在第一指节内部设置一个U型穿孔；拉线由一侧的穿孔依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线后，再由另一侧的穿孔反向贯穿第二指节和第三指节；按此穿线方式，由同一根拉线将各手指依次连接起来。

作为优选方案，所述手指中，各指节的底部彼此相连，以一体结构的形式固定在基底上；或者，各指节彼此分开、各自独立地固定在基底上。

作为优选方案，所述第一指节的外端部具有圆滑曲面过渡；手指弯折时相邻指节之间最大工作夹角为90°。

作为优选方案，所述各手指通过底端的装配孔固定在抓手底座上，且至少有一个手指是与其它手指相对安装的；所述拉线的端部卷绕在同一个卷线轴或不同的卷线轴上，卷线轴由传动系统驱动。

作为优选方案，所述传动系统包括充油电机和联轴器，联轴器与卷线轴之间键连接；充油电机的端部通过螺栓固定在抓手底座上，联轴器和卷线轴位于抓手底座的内部空腔中，拉线穿过抓手底座上的通孔后卷绕在卷线轴上。

作为优选方案，所述传动系统包括通过联轴器驱动卷线轴的充油电机；充油电机上设有水密接头和充油软管接头，前者用于通过水密电缆连接水下电池舱和控制舱，后者用于通过充油软管连接压力补偿器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)现有技术中机械抓手采用液压驱动，需要提供液压油源，整体尺寸较大；本发明只需采用充油电机驱动拉线带动抓手进行手指的弯折动作，反向放松恢复时利用手指基底的材料弹性而无需额外的驱动(欠驱动)；因此能够简化抓手本身的结构，实现设备轻量化，具备控制方便、适应性强的优点。

(2)本发明中的手指中采用相对较高强度和硬度的橡胶材料作为基底，相对更柔软的橡胶材料作为手指指节材料；在保证了手指结构的强度和回弹需求的同时，可以在应用于较为脆弱的目标物时被动变形，使指节的形状适应物体表面，保护目标物不遭到破坏。

(3)本发明可以通过3D打印方法获取手指模具，然后分两次灌注不同材质的橡胶来完成手指的制作。因此产品的加工方法简单、成本低。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明单根手指结构示意图；

图3是本发明单根手指分解示意图；

图4是本发明手指弯曲状态示意图；

图5是本发明传动系统设计示意图；

图6是本发明工作原理示意图。

图中附图标记：1仿生抓手；1-1指节；1-2基底；1-3装配孔；1-4拉线；1-5硅胶保护套；2压力补偿器；3充油软管；4水密电缆；5水下电池舱；6控制舱；7传动系统；7-1水密接头；7-2充油软管接头；7-3充油电机；8抓手底座；9联轴器；10卷线轴。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本申请中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-6所示，基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，包括至少三根结构相同的手指；手指包括位于下层的第一橡胶材料制成的基底1-2和位于上层的第二橡胶材料制成的指节1-1；第一橡胶材料(如中硬度橡胶材料)的强度和硬度要大于第二橡胶材料的强度和硬度(如软质橡胶材料)。其中，基底1-2呈长条形，在其底端设有贯通的装配孔1-3；由基底1-2的顶端起，在基底1-2的表面依次布置了第一指节、第二指节和第三指节；相邻指节1-1之间设有凹槽或保持间距，用作手指弯折时的形变折叠空间；每个手指中还设有沿基底1-2长度方向布置的高强度的拉线1-4，拉线1-4依次穿过三个指节1-1；当拉线1-4受力时依次带动第一指节、第二指节和第三指节动作，使手指向其底端的方向弯折；当拉线1-4不受力时，各指节1-1基于基底材料的弹性反向动作使手指恢复平直状态。

拉线1-4的布置方式有多种可选，例如：(1)拉线1-4呈直线型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，并在第一指节的外端部设置拉线固定件；(2)拉线1-4呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，然后从第一指的外端部再反向依次贯穿三个指节；(3)拉线1-4呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线，然后再反向贯穿第二指节和第三指节(如图2、3所示)。

各手指的拉线1-4可以是各自独立相互不连接的；也可以使用同一根拉线1-4(如图1、4所示)；或者，在各手指中至少有两根手指使用同一根拉线1-4。不同手指指节的连线与否，决定了手指是否能够同时执行弯折动作。当手指数量较多且能分别控制其弯折动作时，可以同时执行更多的抓取动作指令。

为了防止拉线1-4摩擦损耗软橡胶，对软指节1-1进行保护，在拉线1-4的外部设有硅胶保护套1-5。在各手指中，各指节1-1的底部彼此相连，以一体结构的形式固定在基底1-2上(如图2所示)；或者，各指节1-1彼此分开、各自独立地固定在基底1-2上。为更好地抓取物品，第一指节的外端部具有圆滑曲面过渡；手指弯折时相邻指节1-1之间最大工作夹角为90°。各手指通过底端的装配孔1-3固定在抓手底座8上，且至少有一个手指是与其它手指相对安装的；拉线1-4的端部卷绕在同一个卷线轴10或不同的卷线轴10上，卷线轴10由传动系统7实现驱动。

本发明的实施例中采用了同时动作的三个手指(如图1、4、6所示)，在各手指的第二指节和第三指节上沿基底长度方向平行设置两条穿孔，在第一指节内部设置一个U型穿孔；拉线1-4由一侧的穿孔依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线后，再由另一侧的穿孔反向贯穿第二指节和第三指节；按此穿线方式，由同一根拉线1-4将各手指依次连接起来。三个手指中，有两个布置在抓手底座8的同一侧，另一个布置在对向侧，这样可以实现仿生抓取动作的执行。

如图6所示，传动系统包括充油电机7-3和联轴器9，联轴器9与卷线轴10之间键连接；充油电机7-3的端部通过螺栓固定在抓手底座8上，联轴器9和卷线轴10位于抓手底座8的内部空腔中，拉线1-4穿过抓手底座8上的通孔后卷绕在卷线轴10上。充油电机7-3上设有水密接头7-1和充油软管接头7-2，前者用于通过水密电缆4连接水下电池舱5和控制舱6，后者用于通过充油软管3连接压力补偿器2。

本发明中的柔性仿生抓手的工作方式说明：

水下电池舱5为装置整体供电。控制舱6用于柔性仿生抓手的动作控制。水下电池舱5和控制舱6通过水密电缆4与传动系统7电连接。压力补偿器2内部充油，一端通过充油软管3将油路与充油电机7-3连接；另一端安装有活塞，活塞侧与海水接触；在深海中工作时由于水深变化造成压力变化推动压力补偿器2活塞，可以实现充油电机7-3内部与海水之间的压力平衡。仿生抓手的手指安装在抓手底座8上。柔性仿生抓手工作时，充油电机7-3带动卷线轴10旋转，卷线轴10能够带动高强度的拉线1-4。拉线1-4同时贯穿于三个单根手指中，当仿生抓手处于抓取物体状态时，卷线轴10收紧拉线1-4，驱动手指向内收缩。当仿生抓手呈释放物体状态时，卷线轴10释放拉线1-4，由基底1-2的弹性实现手指恢复平直状态的向外运动，即为欠驱动。

本发明的柔性仿生抓手可以与水下摄像机配合，由操作人员远程控制手指抓住和释放物体；或者，也可以结合深水摄像机与图像识别系统，自主实现目标物的抓取。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于双层橡胶的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，包括至少三根结构相同的手指；手指包括位于下层的第一橡胶材料制成的基底和位于上层的第二橡胶材料制成的指节；其中，所述基底呈长条形，在其底端设有贯通的装配孔；由基底的顶端起，在基底的表面依次布置了第一指节、第二指节和第三指节；相邻指节之间设有凹槽或保持间距，用作手指弯折时的形变折叠空间；

每个手指中还设有沿基底长度方向布置的拉线，拉线依次穿过三个指节；当拉线受力时依次带动第一指节、第二指节和第三指节动作，使手指向其底端的方向弯折；当拉线不受力时，各指节基于基底材料的弹性反向动作使手指恢复平直状态；

所述第一橡胶材料的强度和硬度要大于第二橡胶材料的强度和硬度。

2.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述拉线的布置方式是下述的任意一种：

(1)拉线呈直线型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，并在第一指节的外端部设置拉线固定件；

(2)拉线呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿三个指节，然后从第一指的外端部再反向依次贯穿三个指节；

(3)拉线呈U型布置，即：由第三指节的外端部起依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线，然后再反向贯穿第二指节和第三指节。

3.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述各手指的拉线是各自独立相互不连接的；或者，所述各手指使用同一根拉线；或者，各手指中，至少有两根手指使用同一根拉线。

4.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述拉线的外部设有硅胶保护套。

5.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，在各手指的第二指节和第三指节上沿基底长度方向平行设置两条穿孔，在第一指节内部设置一个U型穿孔；拉线由一侧的穿孔依次贯穿第三指节和第二指节，在第一指节内部呈U形走线后，再由另一侧的穿孔反向贯穿第二指节和第三指节；按此穿线方式，由同一根拉线将各手指依次连接起来。

6.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述手指中，各指节的底部彼此相连，以一体结构的形式固定在基底上；或者，各指节彼此分开、各自独立地固定在基底上。

7.根据权利要求1所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述第一指节的外端部具有圆滑曲面过渡；手指弯折时相邻指节之间最大工作夹角为90°。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述各手指通过底端的装配孔固定在抓手底座上，且至少有一个手指是与其它手指相对安装的；所述拉线的端部卷绕在同一个卷线轴或不同的卷线轴上，卷线轴由传动系统驱动。

9.根据权利要求8所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述传动系统包括充油电机和联轴器，联轴器与卷线轴之间键连接；充油电机的端部通过螺栓固定在抓手底座上，联轴器和卷线轴位于抓手底座的内部空腔中，拉线穿过抓手底座上的通孔后卷绕在卷线轴上。

10.根据权利要求8所述的深海拉线式欠驱动柔性仿生抓手，其特征在于，所述传动系统包括通过联轴器驱动卷线轴的充油电机；充油电机上设有水密接头和充油软管接头，前者用于通过水密电缆连接水下电池舱和控制舱，后者用于通过充油软管连接压力补偿器。

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