CN113771068B - 一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指及其制作方法 - Google Patents

一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指及其制作方法 Download PDF

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    • B29C69/02—Combinations of shaping techniques not provided for in a single one of main groups B29C39/00 - B29C67/00, e.g. associations of moulding and joining techniques; Apparatus therefore of moulding techniques only

Abstract

本发明提供一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，包括多个依次首尾可拆卸连接的仿生指节，每一所述仿生指节包括软质的封闭腔体及与所述封闭腔体内部连通的气管，所述封闭腔体的相对侧壁分别设有限制轴向伸长的应变限制层和约束径向膨胀的纤维缠绕层，以使所述封闭腔体充气时朝向所述应变限制层一侧弯曲。本发明的有益效果：一方面设置多个可分段弯曲的仿生指节，可单独控制任意仿生指节弯曲，模仿人手指通过多个关节分段“骨骼化”弯曲，以适应各种复杂应用场景，可代替人手完成抓取等大多数的日常工作；另一方面模块化设计提高可扩展性，便于安装与拆卸。

Description

一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指及其制作方法
技术领域
本发明涉及仿生手指技术领域，尤其涉及一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指。
背景技术
手指是人类探索世界、与世界互动的重要桥梁。机械手可以复制人手结构性、功能性、灵巧性，将代替人类在医疗服务、航空航天、工业控制等众多领域工作。基于硅胶材料制作的气动软体手指是与目标对象交互的新型执行部件，具有柔软、自由度大、易变形、绿色环保等优点。受到全世界科研机构和学者们的广泛关注。
然而不足的是，目前已有的气动软体手指仿人化程度较低，充气后大多只能实现单一(常曲率)弯曲，无法像人手指一样分段、分关节弯曲，这直接导致现存软体手指难以适应复杂多变的应用场景，很难代替人手完成大多数的日常工作。同时，人手的指节数(例如拇指两节，其余四指三节)、指节长短又不尽相同，依次制作五根手指又存在研发周期长、设计冗余繁琐、制造成本高等弊端。因此，实现一款可仿人手指分段弯曲以适应各种复杂应用场景，且具有模块化，指节之间易于安装与拆卸的软体仿人手指具有极强的实用价值和重要研究意义。
目前关于软体仿人手的研究，如申请号为2019010811350.9的中国发明专利申请公开了一种多关节分段弯曲的软体辅助手套，该装置一根手指中设有三段气腔，使用时可指定气腔充气，以达到辅助人手不同关节弯曲的目的。然而该装置的多段气腔采用一体化制造，不仅加工过程复杂，可扩展性低，且装置任意一处受损就会导致整体报废，造成极大的浪费。又如申请号为201810186688.5的中国发明专利申请公开了一种模块化软体机械臂，该装置设有三段机械臂，可以通过环形接插件依次相连，便于拆卸与安装。但是其通过单气管通气，无法做到分段弯曲，极大限制了手臂的全空间运动。另外，该装置接插件部分设计繁琐且密封性较差，难以承受较大气压。
因此，目前已有的软体手指或多或少存在无法分段弯曲或模块化程度低等问题。
发明内容
有鉴于此，为了解决软体手指无法分段弯曲难以适应复杂多变的应用场景的问题，本发明的实施例提供了一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指。
本发明的实施例提供一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，包括多个依次首尾可拆卸连接的仿生指节，每一所述仿生指节包括软质的封闭腔体及与所述封闭腔体内部连通的气管，所述封闭腔体的相对侧壁分别设有限制轴向伸长的应变限制层和约束径向膨胀的纤维缠绕层，以使所述封闭腔体充气时朝向所述应变限制层一侧弯曲。
进一步地，每一所述仿生指节两端均设有磁铁，相邻两所述仿生指节通过磁吸连接。
进一步地，所述封闭腔体为柱状，其包括两端开口的腔体基体及分别封堵所述腔体基体两端的两封口件。
进一步地，所述应变限制层为不可伸展柔性片。
进一步地，所述纤维缠绕层由双螺旋缠绕于所述封闭腔体侧壁的纤维线形成。
进一步地，所述封闭腔体由硅胶注塑成型，所述应变限制层和所述纤维缠绕层被填充于所述封闭腔体侧壁内部。
进一步地，所述封闭腔体的截面形状为拱形，所述应变限制层设置于所述封闭腔体侧壁的平面部分，所述纤维缠绕层设置于所述封闭腔体侧壁的弧形部分。
进一步地，所述仿生指节的数量为三个。
本发明的实施例提供的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的技术方案带来的有益效果是：一方面设置多个可分段弯曲的仿生指节，可单独控制任意仿生指节弯曲，模仿人手指通过多个关节分段“骨骼化”弯曲，以适应各种复杂应用场景，可代替人手完成抓取等大多数的日常工作；另一方面模块化设计提高可扩展性，便于安装与拆卸。
另外本发明的实施例还提供了一种上述可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的制作方法，包括以下步骤：
S1通过第一模具注塑成型制作出第一腔体，所述第一腔体两端开口，在所述第一腔体外壁相对两侧分别贴附应变限制层和缠绕纤维缠绕层；
S2将所述第一腔体放入第二模具中注塑成型形成腔体基体，所述应变限制层和纤维缠绕层被填充于所述腔体基体侧壁内，在所述腔体基体侧壁开口并在开口处设置气管；
S3通过两封口件分别密封所述腔体基体两端形成仿生指节；
S4重复所述步骤S1～S3制作多个仿生指节，并将多个仿生指节依次可拆卸连接。
进一步地，所述第一腔体的截面为拱形，其外壁弧形部分设有螺旋线槽，在所述螺旋线槽内缠绕纤维线形成纤维缠绕层，所述第一腔体外壁平面部分贴附应变限制层。
本发明的实施例提供的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的制作方法的技术方案带来的有益效果是：采用注塑成型的方法制作，应变限制层限制手指轴向弯曲；缠绕纤维增强层限制充气后腔体层膨胀，仿生指节模块化，可根据实际使用情况组合任意多段的仿生指节，结构简单，小巧灵活。
附图说明
图1是本发明一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的示意图；
图2是图1中仿生指节1的示意图；
图3是腔体基体101a与封口件101b的连接示意图；
图4是腔体基体101a的内部结构示意图；
图5是腔体基体101a的纵向截面图；
图6是第一模具3的示意图；
图7是第一腔体2的示意图；
图8是第二模具4的示意图；
图9是腔体基体101a的示意图；
图10是两可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指配合抓取物体的示意图。
图中：1-仿生指节、101-封闭腔体、101a-腔体基体、101b-封口件、101c-磁铁、101d-应变限制层、101e-纤维缠绕层、102-气管、2-第一腔体、201-凹陷部、202-螺旋线槽、3-第一模具、301-第一主模具、301a-螺纹、302-第一模具盖、302a-凸条、303-腔棒、4-第二模具、401-第二主模具、402-第二模具盖。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1、2、4和5，本发明的实施例提供了一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，包括多个依次首尾可拆卸连接的仿生指节1，每一所述仿生指节1包括软质的封闭腔体101及与所述封闭腔体101内部连通的气管102，所述封闭腔体101的相对侧壁分别设有限制轴向伸长的应变限制层101d和约束径向膨胀的纤维缠绕层101e，以使所述封闭腔体101充气时朝向所述应变限制层101d一侧弯曲。
具体的，所述仿生指节1的数量可以为多个，对此不作限制，可根据实际应用场景进行选择。考虑到人的手指有三个弯曲关节，优选的所述仿生指节1的数量设置为三个，本实施例中以三个所述仿生指节1做示例性说明。同时人的手指长度约为8～10cm，宽度约为1～1.5cm，这里设置每一所述仿生指节1的长度约为3cm，宽度约为1.2cm。
所述封闭腔体101由硅胶注塑成型，硅胶材料选择Econflex00-10硅胶，具有硅胶拉伸强度大，邵氏刚度低的优点。所述封闭腔体101为柱状，其包括两端开口的腔体基体101a及分别封堵所述腔体基体101a两端的两封口件101b。
请参考图4，所述腔体基体101a在注塑成型过程中所述应变限制层101d和所述纤维缠绕层101e被填充于所述封闭腔体101侧壁内部。所述应变限制层101d为不可伸展柔性片，优选为玻璃纤维、纸片等。所述纤维缠绕层101e在注塑成型时由双螺旋缠绕于所述封闭腔体101侧壁内部的纤维线形成。
关于所述封闭腔体101的形状可以有多种选择，优选的所述封闭腔体101的截面形状设置为拱形，这样与人的手指的形状类似。此时所述应变限制层101d设置于所述封闭腔体101侧壁的平面部分，所述纤维缠绕层101e设置于所述封闭腔体101侧壁的弧形部分。
请参考图2和3，相邻两所述仿生指节1之间可以通过多种可拆卸连接方式进行连接，这里每一所述仿生指节1两端均设有磁铁101c，相邻两所述仿生指节1通过磁吸连接。具体的，所述封口件101b可插入所述腔体基体101a的端口且背离所述腔体基体101a端口一端的端面设有凹槽，所述磁铁101c嵌入所述凹槽内。任意两所仿生指节1可以通过端部的磁铁101c相互吸附连接。所述凹槽和所述磁铁101c的形状可以不做限制，只需满足所述凹槽与所述磁铁101c的形状相适配、满足嵌入安装即可。
上述可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，可单独对各所述仿生指节1充气，在充气时所述仿生指节1侧壁设有应变限制层101d一侧受限无法轴向伸展，而设有纤维缠绕层101e一侧被约束无法径向膨胀，进而使所述仿生指节1弯曲。这样可以控制任意仿生指节1弯曲、及弯曲程度，模仿人手指通过多个关节分段“骨骼化”弯曲，以适应各种复杂应用场景。请参考图10，通过两个所述仿人手指的各所述仿生手指相互配合，可形成各种抓取动作，实现对各类物体的有效抓取。
另外本发明的实施例还提供了一种上述可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的制作方法，包括以下步骤：
S1：请参考图6和7，通过第一模具3注塑成型制作出第一腔体2，所述第一腔体2两端开口，在所述第一腔体2外壁相对两侧分别贴附应变限制层101d和缠绕纤维缠绕层101e。
所述第一模具3包括第一主模具301、第一模具盖302和腔棒303。在注塑成型前先将所述第一主模具301和所述第一模具盖302拼接形成第一模具外壳，第一模具外壳内部形成拱形柱状腔体，然后将所述腔棒303竖直插入所述第一模具外壳内，之后由所述第一模具3上端的开口倒入硅胶，硅胶固化后形成第一腔体2。由于所述腔棒303的存在，所述第一腔体2两端开口、内部形成与腔棒303形状相同的腔体。为方便脱模，在所述第一模具盖302背部设计有拱形拉手，为脱模时提供着力点，且在注塑前先在所述第一模具3内壁均匀涂抹凡士林润滑剂。
另外为了便于应变限制层101d和所述纤维缠绕层101e的布置，所述第一主模具301的内壁设有螺纹301a，所述第一模具盖302内壁沿着竖直方向设有多个间隔的凸条302a，这样所述第一腔体2成型后，其外壁弧形部分设有螺旋线槽202，直接在所述螺旋线槽202内缠绕纤维线即形成纤维缠绕层101e。所述第一腔体2外壁平面部分形成多个凹陷部201，将贴附应变限制层101d分别贴入各所述凹陷部201即可。
S2：请参考图8和9，将所述第一腔体2放入第二模具4中注塑成型形成腔体基体101a，所述应变限制层101d和纤维缠绕层101e被填充于所述腔体基体101a侧壁内，在所述腔体基体101a侧壁开口并在开口处设置气管102。
所述第二模具4由第二主模具401和第二模具盖402组成，所述第二主模具401和所述第二模具盖402拼接形成第二模具4，同时第二模具4内部形成拱形柱状腔体，所述第二模具4的内腔同样为拱形柱，且稍微大于所述第一模具3外壳的内腔。在所述第二模具4内放入第一腔体2后对所述第二模具4内浇入硅胶进行注塑形成腔体基体。所述第一腔体2外壁上的应变限制层101d和纤维缠绕层101e均被填充入所述腔体基体101a的侧壁。
在所述腔体基体101a成型后在其侧壁开口，并将所述气管102插入所述开口，然后通过胶粘将所述气管102与所述腔体基体101a密封连接。
S3通过两封口件101b分别密封所述腔体基体101a两端形成仿生指节1。
所述封口件101b同样可以注塑成型，其一端与所述腔体基体101a的端口相适配且可插接，另一端设有用于安装磁铁101c的凹槽。将两所述封口件101b分别的凹槽分别装上磁铁101c后，再分别插入所述腔体基体101a两端，形成所述仿生指节1，这样所述仿生指节1两端均具有磁铁101c。
S4重复所述步骤S1～S3根据实际需要制作多个仿生指节1，相邻两所述仿生指节1可通过磁铁101c吸附连接，进而多个仿生指节1可以实现通过磁吸的方式依次可拆卸组合连接。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：包括多个依次首尾可拆卸连接的仿生指节，每一所述仿生指节两端均设有磁铁，相邻两所述仿生指节通过磁吸连接,每一所述仿生指节包括软质的封闭腔体及与所述封闭腔体内部连通的气管，所述封闭腔体的相对侧壁分别设有限制轴向伸长的应变限制层和约束径向膨胀的纤维缠绕层，以使所述封闭腔体充气时朝向所述应变限制层一侧弯曲，所述封闭腔体为柱状，其包括两端开口的腔体基体及分别封堵所述腔体基体两端的两封口件。
2.如权利要求1所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：所述应变限制层为不可伸展柔性片。
3.如权利要求1所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：所述纤维缠绕层由双螺旋缠绕于所述封闭腔体侧壁的纤维线形成。
4.如权利要求1所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：所述封闭腔体由硅胶注塑成型，所述应变限制层和所述纤维缠绕层被填充于所述封闭腔体侧壁内部。
5.如权利要求1所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：所述封闭腔体的截面形状为拱形，所述应变限制层设置于所述封闭腔体侧壁的平面部分，所述纤维缠绕层设置于所述封闭腔体侧壁的弧形部分。
6.如权利要求1所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指，其特征在于：所述仿生指节的数量为三个。
7.一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1通过第一模具注塑成型制作出第一腔体，所述第一腔体两端开口，在所述第一腔体外壁相对两侧分别贴附应变限制层和缠绕纤维缠绕层；
S2将所述第一腔体放入第二模具中注塑成型形成腔体基体，所述应变限制层和纤维缠绕层被填充于所述腔体基体侧壁内，在所述腔体基体侧壁开口并在开口处设置气管；
S3通过两封口件分别密封所述腔体基体两端形成仿生指节；
S4重复所述步骤S1～S3制作多个仿生指节，并将多个仿生指节依次可拆卸连接。
8.如权利要求7所述的一种可分段弯曲的模块化气动软体仿人手指的制作方法，其特征在于：所述第一腔体的截面为拱形，其外壁弧形部分设有螺旋线槽，在所述螺旋线槽内缠绕纤维线形成纤维缠绕层，所述第一腔体外壁平面部分贴附应变限制层。
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