CN113858254A - 一种变刚度软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变刚度软体机械手，包括基座和设置于基座上的多个弹性手指，弹性手指包括用于进行抓取与旋转的上软体、用于进行变刚度的下软体和变刚度机构，上软体设有第一软体气室和第二软体气室，第一软体气室和第二软体气室沿弹性手指的长度方向并排设置；下软体设有第三软体气室，第三软体气室与第一软体气室、第二软体气室并行；通过综合调节第一软体气室和第二软体气室的气压进行软体手指的膨胀变形，从而进行物体的抓取和旋转；变刚度机构设置于第三软体气室，包括多个依次连接变刚度模块，变刚度模块包括连接件、回转连接轴、摆动连接轴、压套和两个压片；本发明能够增加软体末端执行器的抓取功能和提高软体末端执行器的刚度力学特性。

Description

一种变刚度软体机械手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种变刚度软体机械手。

背景技术

近年来，随着机器人技术的发展和推广，各式各样的机器人被广泛的应用到工业、医疗等领域，机器人末端执行器作为机器人与外界环境交互的重要部件，在行业内得到了广泛的研究和应用。

现有的机器人末端执行器主要为刚性末端执行器，可以完成部分的抓取任务，但无法完成对特定形状的或者易碎的物品的抓取任务，而现有的软体机械手主要为鳍条形软体结构，仅可提供被动式柔顺性，而由气动驱动的弹性气室形式的软体机械手又主要采用包络接触的抓取形式，在不同场合下的应用又受到了限制；此外由气动驱动弹性气室形式的软体机械手可以调节抓取力的大小，但是主要采用包络接触的抓取形式，且不能完成指尖旋转物体的动作。

以上现有技术中的软体末端执行器均不能主动调节软体手指的刚度，在不同场合下的应用受到了限制；因此，需要进行改进。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种变刚度软体机械手，能够增加软体末端执行器的抓取功能和提高软体末端执行器的刚度力学特性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种变刚度软体机械手，包括基座和设置于基座上的多个弹性手指，弹性手指包括用于进行抓取与旋转的上软体、用于进行变刚度的下软体和变刚度机构，上软体和下软体之间粘合连接；

上软体设有第一软体气室和第二软体气室，第一软体气室和第二软体气室沿弹性手指的长度方向并排设置；

下软体设有第三软体气室，第三软体气室与第一软体气室、第二软体气室并行；

其中通过综合调节第一软体气室和第二软体气室的气压进行软体手指的膨胀变形，从而进行物体的抓取和旋转；

变刚度机构设置于第三软体气室内，其包括多个依次连接变刚度模块，变刚度模块包括连接件、回转连接轴、摆动连接轴、压套和两个压片；

连接件具有沿弹性手指的长度方向分布的第一连接端和第二连接端，回转连接轴沿弹性手指的宽度方向设置于连接件的第一连接端，摆动连接轴沿弹性手指的厚度方向设置于连接件的第二连接端；

压片包括第一压合部和第二压合部，第一压合部呈适配于回转连接轴的弧形，第二压合部上设有设配于摆动连接轴的连接孔；

位于一个连接件的第二连接端上的摆动连接轴和位于另一个连接件的第一连接端上的回转连接轴通过对称的两个压片相连接，压套环绕套设于两个压片的第二压合部上；

其中通过调节第三软体气室内的负压值改变下软体对压片作用力，从而改变第一压合部与回转连接轴、第二压合部与第二连接端之间的摩擦力大小，实现调节变刚度机构的刚度值。

作为本发明的另一种具体实施方案，弹性手指进一步包括刚性的连接座，连接座设置于基座上，上软体和下软体连接在连接座上，其中在连接座上设有第一通道、第二通道和第三通道，第一通道与第一软体气室连通，第二通道与第二软体气室连通，第三通道与第三软体气室连通。

作为本发明的另一种具体实施方案，连接座上设有第一气阀、第二气阀和第三气阀，第一气阀用于与外部气泵连接以调节第一软体气室的气压值，第二气阀用于与外部气泵连接以调节第二软体气室的气压值，第三气阀用于与外部气泵连接以调节第三软体气室的负压值。

作为本发明的另一种具体实施方案，第一气阀、第二气阀和第三气阀均为快插气阀。

作为本发明的另一种具体实施方案，第二连接段至少包括第一连接板，第二压合部至少包括第二连接板，摆动连接轴垂直设置于第一连接板上并且摆动连接轴凸出于第一连接板的上下两侧，连接孔位于第二连接板上，第二连接板通过摆动连接轴、连接孔与第一连接板形成平面配合连接。

作为本发明的另一种具体实施方案，第一连接端包括对称的两个支撑耳，回转连接轴转动设置于两个支撑耳上，其中第一压合部位于两个支撑耳之间。

作为本发明的另一种具体实施方案，两个压片的第一压合部配合形成环形轴套。

作为本发明的另一种具体实施方案，下软体包括互相粘接在一起的第一半体和第二半体，变刚度机构设置于第一半体和第二半体的接缝面上。

作为本发明的另一种具体实施方案，弹性手指的非抓取侧表面设有若干凹槽。

作为本发明的另一种具体实施方案，凹槽为U形或者V形。

本发明具备以下有益效果：

本发明采用弹性气室结构与刚柔耦合变刚度机构结合使用的形式，兼容指尖接触与包络接触两种抓取方式，可以主动调节软体机械手的刚度，并且可以实现软体手指旋转物体的功能，保证软体机械手抓取稳定性的同时，拓展了软体末端执行器的应用范围。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1变刚度软体机械手的结构示意图；

图2是本发明实施例1单个弹性手指的结构示意图；

图3是本发明实施例1单个弹性手指的分解示意图；

图4是本发明实施例1单个弹性手指上断面A的示意图；

图5是本发明实施例1变刚度机构的示意图；

图6是本发明实施例1变刚度模块的示意图；

图7是本发明实施例1变刚度模块的原理示意图；

图8是本发明实施例1进行物体的抓取时变刚度模块的姿态示意图；

图9是本发明实施例1进行物体的旋转时变刚度模块的姿态示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

本实施例提供了一种变刚度软体机械手，如图1所示，包括基座100和设置于基座100上的多个弹性手指200，其中弹性手指200的数目优选在三个以上，例如图1中示出的四个弹性手指200，多个弹性手指200优选以圆形阵列的方式分布，在其他应用场景下，也可以按照设定需要例如以两两一组的方式分布，本实施例不再展开叙述。

如图2-4所示，弹性手指200包括连接座210、用于进行抓取与旋转的上软体220、用于进行变刚度的下软体230、变刚度机构240和指尖250。

上软体220和下软体230之间粘合连接，例如通过硅胶粘结剂进行粘合固定。

其中上软体220设有第一软体气室221和第二软体气室222，第一软体气室221和第二软体气室222沿弹性手指200的长度方向并排设置；

具体的，提供弹性手指200的非抓取侧表面的上软体220处设有若干凹槽223，凹槽223例如为U形或者V形，以便于抓取。

其中下软体230设有第三软体气室231，第三软体气室231与第一软体气室221、第二软体气室222并行；为了便于变刚度机构240的安装，其中下软体230包括互相粘接在一起的第一半体232和第二半体233，变刚度机构240设置于第一半体232和第二半体233的接缝面上，如图4所示。

连接座210优选为刚性结构，其设置于基座100上，上软体220和下软体230连接在连接座210上，其中在连接座210上设有第一通道211、第二通道212和第三通道213，第一通道211与第一软体气室221连通，第二通道212与第二软体气室222连通，第三通道213与第三软体气室231连通。

再具体的，连接座210上设有第一气阀214、第二气阀215和第三气阀216，第一气阀214用于与外部气泵连接以调节第一软体气室221的气压值，第二气阀215用于与外部气泵连接以调节第二软体气室222的气压值，第三气阀216用于与外部气泵连接以调节第三软体气室231的负压值。

优选的，第一气阀214、第二气阀215和第三气阀216均为快插气阀，三个快插气阀例如通过螺纹连接的方式与连接座210相连。

指尖250优选与上软体220和下软体230之间粘接配合设置于弹性手指200的端部，如图2所示。

本实施例通过综合调节第一软体气室221和第二软体气室222的气压进行弹性手指200的膨胀变形，从而进行物体的抓取和旋转，具体例如利用控制主板通过调节多通道继电器控制电磁伺服驱动阀，伺服阀进口通过气管与外部气泵相连，出口通过气管与快插气阀相连，控制主板通过调节第一软体气室221和第二软体气室222的气压值，实现弹性手指200的膨胀变形，当第一软体气室221和第二软体气室222的气压值相等时，弹性手指200实现向心弯曲以进行物体的抓取，当第一软体气室221和第二软体气室222的气压值不同时，实现轴向弯曲以进行物体的旋转。

变刚度机构240设置于第三软体气室231内，如图3、图5-6所示，其包括多个依次连接变刚度模块，变刚度模块包括连接件241、回转连接轴242、摆动连接轴243、压套244和两个压片245；本实施例中以相邻的两个变刚度模块为例进行介绍其结构，位于两端部的变刚度模块进行适应性的结构调整即可实现配合连接，这里不再进行单独的详细介绍。

如图6-7所示，连接件241具有沿弹性手指200的长度方向分布的第一连接端2411和第二连接端2412，回转连接轴242沿弹性手指200的宽度方向设置于连接件241的第一连接端2411，摆动连接轴243沿弹性手指200的厚度方向设置于连接件241的第二连接端2412；

压片245包括第一压合部2451和第二压合部2452，第一压合部2451呈适配于回转连接轴242的弧形，第二压合部2452上设有设配于摆动连接轴243的连接孔；其中两个压片245的第一压合部2451配合形成环形轴套，以与回转连接轴242形成配合连接。

位于一个连接件241的第二连接端2412上的摆动连接轴243和位于另一个连接件241的第一连接端2411上的回转连接轴242通过对称的两个压片245相连接，压套244环绕套设于两个压片245的第二压合部2452上；

进一步的，第二连接端2412包括第一连接板2413，第二压合部2452包括第二连接板2453，摆动连接轴243垂直设置于第一连接板2413上并且摆动连接轴243凸出于第一连接板2413的上下两侧，第二连接板2453上设有连接孔2454，第二连接板2453通过摆动连接轴243、连接孔2454与第一连接板2413形成平面配合连接。

再进一步的，第一连接端2411包括对称的两个支撑耳2414，回转连接轴242转动设置于两个支撑耳2414上，其中第一压合部2451位于两个支撑耳2414之间。

本实施例中通过调节第三软体气室231内的负压值，改变下软体230对两个压片245作用力，从而改变压片245的第一压合部2451与回转连接轴242之间的摩擦力大小、压片245的第二压合部2452(具体是第二连接板2453)与第二连接端2412(具体是第一连接板2413、压套244)之间的摩擦力大小，实现调节所述变刚度机构240的刚度值，其刚度变化过程如图7所示，其中图7中的箭头表示下软体230对两个压片245作用力。

通过负压控制，调节第三软体气室231的压力值，改变变刚度机构240的压紧程度，进而改变第三软体气室231与变刚度机构240的接触力以改变变刚度机构240的内部摩擦力，这里内部摩擦力是下软体230对变刚度机构240的作用力，具体包括压片245的第一压合部2451在回转连接轴242处与回转连接轴242所形成弧面摩擦力和压片245的第二压合部2452与第一连接板2413(以及压套244)所形成的平面摩擦力，从而实现软体机械手刚度的主动调控。

相应的，在调整至和合适刚度高，继续进行物体的抓取和旋转操作，此时变刚度机构240的状态变化如图8-9所示；

本实施例利用弹性软体气室的膨胀变形机理，实现指尖250接触和包络接触两种抓取方式，并且可以完成指尖250旋转物体的动作，拓展软体机械手的功能，有效提升软体机械手的刚度力学性能，软体机械手可以实现在不同刚度下的抓取任务，拓展了软体末端执行器的应用范围。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种变刚度软体机械手，其特征在于，包括基座和设置于基座上的多个弹性手指，所述弹性手指包括用于进行抓取与旋转的上软体、用于进行变刚度的下软体和变刚度机构，所述上软体和所述下软体之间粘合连接；

所述上软体设有第一软体气室和第二软体气室，所述第一软体气室和所述第二软体气室沿所述弹性手指的长度方向并排设置；

所述下软体设有第三软体气室，所述第三软体气室与所述第一软体气室、所述第二软体气室并行；

其中通过综合调节所述第一软体气室和所述第二软体气室的气压进行软体手指的膨胀变形，从而进行物体的抓取和旋转；

所述变刚度机构设置于所述第三软体气室内，其包括多个依次连接变刚度模块，所述变刚度模块包括连接件、回转连接轴、摆动连接轴、压套和两个压片；

所述连接件具有沿弹性手指的长度方向分布的第一连接端和第二连接端，所述回转连接轴沿所述弹性手指的宽度方向设置于所述连接件的第一连接端，所述摆动连接轴沿所述弹性手指的厚度方向设置于所述连接件的第二连接端；

所述压片包括第一压合部和第二压合部，所述第一压合部呈适配于所述回转连接轴的弧形，所述第二压合部上设有设配于所述摆动连接轴的连接孔；

位于一个所述连接件的第二连接端上的所述摆动连接轴和位于另一个所述连接件的第一连接端上的所述回转连接轴通过对称的两个所述压片相连接，所述压套环绕套设于两个所述压片的第二压合部上；

其中通过调节所述第三软体气室内的负压值改变所述下软体对所述压片作用力，从而改变所述第一压合部与所述回转连接轴、所述第二压合部与所述第二连接端之间的摩擦力大小，实现调节所述变刚度机构的刚度值。

2.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述弹性手指进一步包括刚性的连接座，所述连接座设置于所述基座上，所述上软体和所述下软体连接在所述连接座上，其中在所述连接座上设有第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道与所述第一软体气室连通，所述第二通道与所述第二软体气室连通，所述第三通道与所述第三软体气室连通。

3.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述连接座上设有第一气阀、第二气阀和第三气阀，所述第一气阀用于与外部气泵连接以调节所述第一软体气室的气压值，所述第二气阀用于与外部气泵连接以调节所述第二软体气室的气压值，所述第三气阀用于与外部气泵连接以调节所述第三软体气室的负压值。

4.如权利要求3所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述第一气阀、所述第二气阀和所述第三气阀均为快插气阀。

5.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述第二连接端至少包括第一连接板，所述第二压合部至少包括第二连接板，所述摆动连接轴垂直设置于所述第一连接板上并且所述摆动连接轴凸出于所述第一连接板的上下两侧，所述连接孔位于所述第二连接板上，所述第二连接板通过所述摆动连接轴、所述连接孔与所述第一连接板形成平面配合连接。

6.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述第一连接端包括对称的两个支撑耳，所述回转连接轴转动设置于两个所述支撑耳上，其中所述第一压合部位于两个所述支撑耳之间。

7.如权利要求6所述的变刚度软体机械手，其特征在于，两个所述压片的所述第一压合部配合形成环形轴套。

8.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述下软体包括互相粘接在一起的第一半体和第二半体，所述变刚度机构设置于所述第一半体和所述第二半体的接缝面上。

9.如权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述弹性手指的非抓取侧表面设有若干凹槽。

10.如权利要求9所述的变刚度软体机械手，其特征在于，所述凹槽为U形或者V形。

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