CN113787509A - 多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，涉及机器人、自动化和物流等装备，以及康复、假肢等医疗器材的相关技术领域。手指由二至十个甲壳状指节组成，手指指尖带有可拆卸的指甲；相邻指节之间的柔性关节转动靠气动肌肉驱动，同一手指上所有柔性关节轴心线相互平行，每根气动肌肉连接一个气路或者同一手指上多根的气动肌肉合并为一个气路或者所有手指上的气动肌肉合并为一个气路。每个所述气路均有一个驱动单元，所有单元均采用高速开关阀协同控制。本发明的手指接触点的位置和接触力大小均控制方便，灵活性高；柔性连接的指节及多指节的同时接触状态，能够降低接触力，实现柔性抓取效果；同时，手指的结构刚性好，抗扭转刚度大。

Description

多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指

技术领域

本发明是一种多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，涉及机器人、自动化和物流等装备，以及康复、假肢等医疗器材的相关技术领域。

背景技术

针对食品、轻工行业的原料、半成品、成品，以及电商领域的内包装货品等抓取对象，其复杂性归纳为物形(尺寸变化大、形状差异大)和物性(软硬韧脆)的特征。围绕物形适应性、物性可靠性和抓取快捷性，需要灵巧的末端执行器，配上多自由度机械臂，用于分拣、包装等流程，尽可能满足对食品、生活必需品的无人化生产与供给的需求。

目前，工商业中机器人、自动化和物流等装备上普遍使用的是末端夹持器，夹持部分不是手指结构，没有自由度或自由度数量少，因此灵活性差、适应性低，不能满足复杂抓持对象的、通用性应用场景的需要。

现有的软体气动手指由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，所以它能改变构型、使其到达工作空间内的任意一点。由于对压力的低阻抗，软体机器人可通过柔顺变形的方式与接触物体相容，从而大幅度降低接触力，使其在抓取柔软、易碎物体方面有很好的应用潜力。软体气动手指结构刚性差，抗扭转刚度很低，并为贴体包裹接触，接触力分布难以调整。

发明内容

本申请针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，由二至十个甲壳状指节以及多个气路单元组成，手指指尖带有可拆卸的指甲，相邻指节间的柔性关节靠气动肌肉驱动，所有柔性关节轴心线平行；气动肌肉为带气管接头的弹性波纹管气囊，每根气动肌肉或同一手指上多根的气动肌肉连接一个气路，或者多根手指上的气动肌肉连接一个气路。气动系统中所述每一个气动肌肉的单个气路或多个气动肌肉的合并气路均采用包含相同或不同气动元件、气路原理的气路单元驱动，多个气路单元并联，多指节手指、多手指机械手的各气路单元均采用高速开关阀协同控制，接触点的位置和接触力大小控制方便，灵活性高、适应性强。

本发明所采用的技术方案如下：

多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，所述手指由二至十个甲壳状指节组成，每个指节带有可拆卸的指甲；相邻指节之间的柔性关节转动靠气动肌肉驱动，同一手指上所有柔性关节轴心线相互平行且共在一个平面上，每根气动肌肉连接一个气路或者同一手指上多根的气动肌肉合并为一个气路或者所有手指上的气动肌肉合并为一个气路。

进一步的，手指中，端指节盖和端指节座靠螺钉连接成端指节，长指节盖和长指节座靠螺钉连接成长指节，短指节盖和短指节座靠螺钉连接成短指节，每种指节盖与指节座上均有半环形肋板，半环形肋板的纵截面形状与气动肌肉的弹性波纹管气囊波节的纵截面形状完全吻合，装配后指节盖与指节座二个半环形肋板形成整个环形肋板，整个环形肋板的轴心线与气动肌肉的弹性波纹管气囊的轴心线同轴的，因此各指节和弹性波纹管气囊连接在一起；端指节座、长指节座和短指节座中相邻二指节座靠活页铰链形成铰链连接，弹性波纹管气囊充气膨胀后受活页铰链约束，使相邻二指节座之间产生相对转动；软橡胶粘贴在各指节座上缓存接触被抓物体，根部安装板固定手指在最上端的端指节座上，根部安装板安装在手掌或执行器的指根末端上；指甲固定在手指最下端的端指节座上，用于捏取被抓物体。

进一步的，端指节盖和端指节座、长指节盖和长指节座、短指节盖和短指节座分别配对形成指节，均为塑料件，均采用注塑成型加工。

进一步的，弹性波纹管气囊的二端，分别与所述端指节盖和端指节座、或长指节盖和长指节座、或短指节盖和短指节座粘结成整体。

进一步的，除了弹性波纹管气囊的二端被固定之外，受活页铰链约束而膨胀弯曲的弹性波纹管气囊的波节数目、以及相应活页铰链的宽度尺寸可以改动，以调整指节的最大转动角度。

进一步的，端指节座、长指节座和短指节座的所有半环形肋板上，对称分布有异形孔，用于弹性波纹管气囊的气管穿过。

进一步的，气动肌肉的结构原理相同，各气动肌肉结构尺寸有所不同，具体结构中，气动肌肉包括弹性波纹管气囊、扁螺母和气管接头，弹性波纹管气囊是橡胶材质、波纹管形状的密封体，气管接头的法兰端塞进弹性波纹管气囊端面的偏心小孔中，靠扁螺母固定在弹性波纹管气囊上，靠弹性波纹管气囊的橡胶被压缩而密封，气管接头连接气路的软管。

进一步的，弹性波纹管气囊的外表面设置起加强作用的缝制布或者编织网，或者弹性波纹管气囊的橡胶壳体中包括起加强作用的编织网。

进一步的，气动系统中所述每一个气动肌肉的单个气路或多个气动肌肉的合并气路均有一个驱动气路单元，驱动气路单元均采用包含相同或不同气动元件和气路原理，多指节手指、多手指机械手的各气路单元均采用高速开关阀的 PWM脉冲宽度调制方式，从而实现协同控制，，使气动肌肉驱动手指的各指节转动协调与弹性波纹管气囊内腔压力协调，以实现运动功能与抓取效果。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，各个动作部件的气路单元均采用高速开关阀协同控制，手指接触点的位置和接触力大小均控制方便，灵活性高；柔性连接的指节及多指节的同时接触状态，能够降低接触力，实现柔性抓取效果；同时，手指的结构刚性好，抗扭转刚度大。

附图说明

图1为本发明主剖视图。

图2为本发明主视图。

图3为图1中A-A剖视图。

图4为图1中B-B剖视图。

图5为本发明的气动肌肉剖视图。

其中：1、气动肌肉；1a、弹性波纹管气囊；1b、扁螺母；1c、气管接头； 2、根部安装板；3、端指甲盖；4、端指甲座；5、活页铰链；6、软橡胶；7、长指节盖；8、长指节座；9、短指节盖；10、短指节座；11、指甲。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

实施例一：

本实施例公开一种多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，手指由二至十个甲壳状指节组成，手指指尖带有可拆卸的指甲11，相邻指节间的柔性关节转动靠气动肌肉1驱动，同一手指上所有柔性关节轴心线相互平行；每根气动肌肉1连接一个气路或者同一手指上多根的气动肌肉1合并为一个气路或者所有手指上的气动肌肉1合并为一个气路，手指多指节或多手指协同控制，接触点的位置和接触力大小控制方便，灵活性高、适应性强。

如图1-4所示，端指节盖3和端指节座4靠螺钉连接成端指节，长指节盖7和长指节座8靠螺钉连接成长指节，短指节盖9和短指节座10靠螺钉连接成短指节，每种指节盖与指节座上均有半环形肋板，半环形肋板的纵截面形状与气动肌肉1的弹性波纹管气囊1a波节的纵截面形状完全吻合，装配后指节盖与指节座二个半环形肋板形成整个环形肋板，整个环形肋板的轴心线与气动肌肉 1的弹性波纹管气囊1a的轴心线同轴的，因此各指节和弹性波纹管气囊1a连接在一起；端指节座4、长指节座8和短指节座10中相邻二指节座靠活页铰链 5形成铰链连接，弹性波纹管气囊1a充气膨胀后受活页铰链5约束，使相邻二指节座之间产生相对转动；软橡胶6粘贴在各指节座上缓存接触被抓物体，根部安装板2固定手指在最上端的端指节座4上，根部安装板2安装在手掌或执行器的指根末端上；指甲11固定在手指最下端的端指节座4上，用于捏取被抓物体。

如图5所示，气动肌肉1包括弹性波纹管气囊1a、扁螺母1b和气管接头 1c，弹性波纹管气囊1a是橡胶材质、波纹管形状的密封体，气管接头1c的法兰端塞进弹性波纹管气囊1a端面的偏心小孔中，靠扁螺母1b固定在弹性波纹管气囊1a上，靠弹性波纹管气囊1a的橡胶被压缩而密封，气管接头1c连接所述气路的软管。

弹性波纹管气囊1a的外表面设置起加强作用的缝制布或者编织网，或者弹性波纹管气囊1a的橡胶壳体中包括起加强作用的编织网。

气动系统中所述每一个气动肌肉的单个气路或多个气动肌肉的合并气路均有一个驱动气路单元，驱动气路单元均采用包含相同或不同气动元件和气路原理，多指节手指、多手指机械手的各气路单元均采用高速开关阀的PWM脉冲宽度调制方式，从而实现协同控制，使气动肌肉1驱动手指的各指节转动协调与弹性波纹管气囊1a内腔压力协调，以实现运动功能与抓取效果。

端指节盖3和端指节座4、长指节盖7和长指节座8、短指节盖9和短指节座10分别配对形成指节，均为塑料件，均采用注塑成型加工。

优选地，弹性波纹管气囊1a的二端，分别与所述端指节盖3和端指节座4、或长指节盖7和长指节座8、或短指节盖9和短指节座10粘结成整体，以提高弹性波纹管气囊1a寿命。

除了弹性波纹管气囊1a的二端被固定之外，受活页铰链5约束而膨胀弯曲的弹性波纹管气囊1a的波节数目、以及相应活页铰链5的宽度尺寸可以改动，以调整指节的最大转动角度。例如靠近指尖处的活页铰链5转动角度大，则可膨胀弯曲的弹性波纹管气囊1a的波节数目多，同时活页铰链5宽度尺寸也相应增加(图1、2中三根弹性波纹管气囊1a中，最上面的活页铰链5的宽度尺寸小、可膨胀弯曲的弹性波纹管气囊1a的波节数目仅二圈，弹性波纹管气囊1a 波节的总数少一圈)。

端指节座4、长指节座8、短指节座10的所有半环形肋板上，对称分布有异形孔，用于弹性波纹管气囊1a的气管穿过。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述手指由二至十个甲壳状指节组成，手指指尖带有可拆卸的指甲(11)；相邻指节之间的柔性关节转动靠气动肌肉(1)驱动，同一手指上所有柔性关节轴心线相互平行，每根气动肌肉(1)连接一个气路或者同一手指上多根的气动肌肉(1)合并为一个气路或者所有手指上的气动肌肉(1)合并为一个气路。

2.如权利要求1所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述手指中，端指节盖(3)和端指节座(4)靠螺钉连接成端指节，长指节盖(7)和长指节座(8)靠螺钉连接成长指节，短指节盖(9)和短指节座(10)靠螺钉连接成短指节，每种指节盖与指节座上均有半环形肋板，半环形肋板的纵截面形状与气动肌肉(1)的弹性波纹管气囊(1a)波节的纵截面形状完全吻合，装配后指节盖与指节座二个半环形肋板形成整个环形肋板，整个环形肋板的轴心线与气动肌肉(1)的弹性波纹管气囊(1a)的轴心线同轴，因此各指节和弹性波纹管气囊(1a)连接在一起；端指节座(4)、长指节座(8)和短指节座(10)中相邻二指节座靠活页铰链(5)形成铰链连接，弹性波纹管气囊(1a)充气膨胀后受活页铰链(5)约束，使相邻二指节座之间产生相对转动；软橡胶(6)粘贴在各指节座上缓存接触被抓物体，根部安装板(2)固定手指在最上端的端指节座(4)上，根部安装板(2)安装在手掌或执行器的指根末端上；指甲(11)固定在手指最下端的端指节座(4)上，用于捏取被抓物体。

3.如权利要求2所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述端指节盖(3)和端指节座(4)、长指节盖(7)和长指节座(8)、短指节盖(9)和短指节座(10)分别配对形成指节，均为塑料件，均采用注塑成型加工。

4.如权利要求2所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述弹性波纹管气囊(1a)的二端，分别与所述端指节盖(3)和端指节座(4)、或长指节盖(7)和长指节座(8)、或短指节盖(9)和短指节座(10)粘结成整体。

5.如权利要求2所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：除了弹性波纹管气囊(1a)的二端被固定之外，受活页铰链(5)约束而膨胀弯曲的弹性波纹管气囊(1a)的波节数目、以及相应活页铰链(5)的宽度尺寸可以改动，以调整指节的最大转动角度。

6.如权利要求2所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述端指节座(4)、长指节座(8)和短指节座(10)的所有半环形肋板上，对称分布有异形孔，用于弹性波纹管气囊(1a)的气管穿过。

7.如权利要求1所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述气动肌肉(1)的结构原理相同，各气动肌肉(1)结构尺寸有所不同，具体结构中，气动肌肉(1)包括弹性波纹管气囊(1a)、扁螺母(1b)和气管接头(1c)，弹性波纹管气囊(1a)是橡胶材质、波纹管形状的密封体，气管接头(1c)的法兰端塞进弹性波纹管气囊(1a)端面的偏心小孔中，靠扁螺母(1b)固定在弹性波纹管气囊(1a)上，靠弹性波纹管气囊(1a)的橡胶被压缩而密封，气管接头(1c)连接所述气路的软管。

8.如权利要求7所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：所述弹性波纹管气囊(1a)的外表面设置起加强作用的缝制布或者编织网，或者弹性波纹管气囊(1a)的橡胶壳体中包括起加强作用的编织网。

9.如权利要求1所述的多气动肌肉协同驱动的仿甲壳类节肢动物手指，其特征在于：气动系统中所述每一个气动肌肉(1)的单个气路或多个气动肌肉(1)的合并气路均有一个驱动气路单元，驱动气路单元均采用包含相同或不同气动元件和气路原理，多指节手指、多手指机械手的各气路单元均采用高速开关阀的PWM脉冲宽度调制方式，从而实现协同控制，使气动肌肉(1)驱动手指的各指节转动协调与弹性波纹管气囊(1a)内腔压力协调，以实现运动功能与抓取效果。

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