CN113967922A - 一种全柔性气动式软体仿生机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全柔性气动式软体仿生机械手，涉及机器人技术领域，机械手单元的外壳呈中空结构，外壳由柔性材料制成，外部形状整体呈沿中线轴对称的三叶草花瓣形，其顶面呈波峰线和波谷线沿横向的波纹状结构；外壳的中空结构形成与外部形状一致的内腔，隔膜沿中线设于内腔内，将内腔分隔为两个互不连通的气腔，气腔的开口位于其前端；驱动机构的各充气管道与各开口一一对应密封连通。本发明机械手单元的外壳呈中空的三叶草花瓣形，其内腔由隔膜分隔为两个互不连通的气腔，通过分别控制两个气腔的气压值，即能实现机械手单元的各种伸缩、弯曲动作，进行物体的夹取抓取或卷曲抓取，操作简便、使用灵活，抓取效果好。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种用于抓持物体的柔性机械手。
背景技术
机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。目前，具有仿人手功能和形态的传统刚性机械手的机器人已被广泛应用于人类的社会生活和生产中，但传统刚性机械手通常由刚性部件和刚性接头构成，其自由度有限，只能用来执行单一任务，缺乏环境的适应性。同时，传统刚性机械手多由金属材料制成，其与被抓持物体之间为刚性接触，缺乏必要的柔性，导致人机交互存在一定风险，在很大程度上限制了其通用性和灵活性。
随着软材料技术的发展，软体机械手应运而生。与传统刚性机械手相比，软体机械手不仅具有交互灵活性强、环境适应性好、安全可靠性高、对接触表面无损伤等优点，还具有材料柔顺性好、障碍物相容性强、制造成本低等独特优势；同时，其自身材料的变形可以弥补环境变化或规划错误引起的运动不到位等情，具有一定的容错性，能够更好地适应未知环境，因此，软体机械手因其多自由度、连续变形能力及优异的环境共融性在人机交互、医疗服务、救灾救援、勘探勘测等领域具有巨大的应用潜力；此外，相较于传统刚性机械手，软体机械手操作细小或易碎物体的能力更强。
现有的软体机械手的驱动方式包括SMA驱动、液压驱动、EAP驱动、化学驱动、气体驱动等。其中，采用气体驱动的气动式软体机械手具备质量轻、成本低、易制备及驱动方式简单等优点，在人机交互、康复医疗以及复杂环境下具有最为广泛的应用前景。
通过现有技术检索，存在以下已知的技术方案：
现有技术1：
游显成,俞经虎,钱善华,曹澍.柔性软体机械手的设计及变形研究[J].现代制造工程,2020(10):45-50.
一种多自由度气动式软体仿生机械手，由柔性手指模块和滑移平板两个部分组成，其中柔性手指模块由单向弯曲驱动器和连接装置构成，手指外部使用不可延伸线圈(约束线圈)与径向0°缠绕，以限制手指的径向膨胀。滑移平板提供多种安装规格，以实现抓取不同规格的物体。该多自由度气动柔性机械手结构紧凑，对机械手充气时，由于限制线圈的存在限制了气腔的径向膨胀，主要形变方式是轴向伸长，在保证柔性软体机械手指弯曲形变的前提下，能够有效的提高手指抓取的负载能力，应用在抓取苹果等易碎品上。
但该现有技术的机械手只能实现单一方向的弯曲，抓取时需要滑块来进行移动，不能快速有效的与物体接触并施加抓取力，其机械手指外部使用不可延伸线圈(约束线圈)与径向0°缠绕，虽然减少了径向膨胀的现象，也降低了机械手负向弯曲的能力以及施以同样大小的气压机械手正向弯曲形变的位移，抓取效率低、抓取稳定性差。
现有技术2：
申请号：CN202010265575.1，申请日：2020.04.07，公开(公告)日：2020.07.28，一种气动式软体仿生机械手，由至少一个机械手单元构成，每个机械手单元单独控制，机械手单元之间组合使用，每个所述的机械手单元均包括仿生执行系统和驱动系统，仿生执行系统包括一根由柔性材料制成的波纹管结构的圆柱外壳以及至少三根由柔性材料制成的波纹管结构的气腔，圆柱外壳和气腔都是一端封闭、另一端开口的结构，圆柱外壳整体呈象鼻结构，气腔的外形为中空周期变径回转体，多根气腔平行布置并共同设置于圆柱外壳内，气腔的封闭端外壁与圆柱外壳的封闭端内壁粘接在一起，除粘接处外，气腔与圆柱外壳、气腔与气腔之间在初始状态均不相接触；驱动系统包括气动驱动器，气动驱动器具有多个充气管道，充气管道分别与气腔的开口端以及圆柱外壳的开口端相连，通过设置多个气腔可进行多自由度的制定角度弯曲操作，解决了传统气动执行器无法进行多自由度操作与角度反馈的问题。
但该现有技术的每个机械手单元包含多个气腔，气腔的分布对机械手弯曲的方向及形变量有影响，在加上机械手单元的外部是由圆柱外壳包裹，与物体接触时接触面积较小，受力不均匀，因此只能抓取特定的物体，抓取力度受到限制；同时，该机械手单元圆柱外壳的弯曲是由内部三个气腔相互组合充气膨胀实现的，如抓取过程中物体因重力、移动等原因发生滑移、偏离，该机械手单元无法准确快速地通过调整内部三个气腔的气压来控制圆柱外壳的弯曲，难以保证物体的稳定抓取。
现有技术3：
肖宇.气动软体机械手设计及实验研究[D].东南大学,2016.
一种气动式软体机械手，模拟人手的结构和功能，软体机械手的手指均由软关节与铰链型指骨粘结而成，5个手指均能单向弯曲，食指加入了侧摆运动，拇指加入了全向弯曲运动。基于多个柔性关节仅由一个软关节驱动的欠驱动技术，使软体机械手能够模仿人手的动作并针对不同形状的物体完成适应性抓取，具有抗侧弯、抗扭以及承受较大的载荷的能力，体现了良好的结构柔性、驱动柔性、运动柔性，在医疗助残、生活服务和军事等领域有着迫切需求。
但该现有技术的结构较复杂，涉及多个刚性连接部件，每个软体手指是由软关节与铰链型指骨粘结而成，在抓取物体时无法实现全柔性接触，可能会造成与物体接触时是刚性接触，造成物体的损坏；同时，该软体机械手弯曲方向单一，只能实现正向弯曲，且只能抓取一些较设计的机械手小的物体，如果抓取大小相近的物体，由于却反负向的形变，可能会提前触碰到待抓取的物体，对物体造成破坏。
通过以上的检索发现，以上技术方案没有影响本发明的新颖性；并且以上现有技术的相互组合没有破坏本发明的创造性。
发明内容
本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种全柔性气动式软体仿生机械手。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种全柔性气动式软体仿生机械手，包括驱动结构和各独立控制的机械手单元，所述机械手单元的外壳呈中空结构，所述外壳由柔性材料制成，外部形状整体呈沿中线轴对称的三叶草花瓣形，其顶面呈波峰线和波谷线沿横向的波纹状结构；所述外壳的中空结构形成与外部形状一致的内腔，隔膜沿中线设于所述内腔内，将所述内腔分隔为两个互不连通的气腔，所述气腔的开口位于其前端；所述驱动机构为设有各充气管道的气动驱动器，各所述充气管道与各所述开口一一对应密封连通，机械臂的末端执行固定端固连至所述外壳的前端。
进一步的，所述机械臂的末端执行固定端呈框状结构，套设固连于所述外壳前端外部。
进一步的，所述外壳的底面粘贴设置呈柔性的应变限制层，所述应变限制层的杨氏模量大于所述外壳的杨氏模量。
进一步的，所述应变限制层由聚二甲基硅氧烷或AB胶制成。
进一步的，所述隔膜以硅橡胶作为粘接剂与所述外壳的内壁密封粘接。
进一步的，所述仿生机械手包括三个机械手单元，三个所述机械手单元沿圆周向均布设置。
进一步的，所述隔膜的厚度为2mm～5mm。
本发明提供了一种全柔性气动式软体仿生机械手，具有以下有益效果：
1、本发明机械手单元的外壳呈中空的三叶草花瓣形，其内腔由隔膜分隔为两个互不连通的气腔，通过分别控制两个气腔的气压值，即能使机械手单元发生不同程度、不同形态的弯曲形变，实现机械手单元的各种伸缩、弯曲动作，既能由单个机械手单元实现物体的卷曲抓取，也可由多个机械手单元配合实现物体的夹取抓取；
2、本发明对单个气腔进行充气时，可以调整机械手单元的弯曲形变，使机械手单元呈包裹姿势，增大机械手单元与物体的接触面积，提高仿生机械手抓取物体的稳固性，同时该仿生机械手的抓取为柔性抓取，能够适应形状不规则、易碎物体的抓取需要，且特别适用于球形物体的抓取；
3、本发明的外壳底部设有杨氏模量大于外壳的应变限制层，顶部不设置约束限制，驱动机构抽气时，机械手单元可以呈负向弯曲姿势，增大了仿生机械手的弯曲形变范围，使仿生机械手的使用更为灵活，同时在仿生机械手抓取物体前使各机械手单元负向弯曲能够避免机械手单元提前接触物体，提高了仿生机械手工作的安全性和稳定性；
4、本发明结构简单、操作便捷、制造成本低，具有良好的实用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明A-A处的剖视结构示意图；
图5为本发明B-B处的剖视结构示意图。
图中：
1、外壳，11、波纹状结构，12、内腔，13、开口，14、隔膜，15、气腔，16、电容式三维力触觉传感器，17、同面多电极传感器；2、应变限制层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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。
如图1～图5所示，其结构关系为：包括驱动结构和各独立控制的机械手单元，机械手单元的外壳1呈中空结构，外壳1由柔性材料制成，外部形状整体呈沿中线轴对称的三叶草花瓣形，其顶面呈波峰线和波谷线沿横向的波纹状结构11；外壳1的中空结构形成与外部形状一致的内腔12，实际设置时，内腔11可以位于中空结构的正中位置，可使机械手单元的弯曲形变可控性最佳；隔膜14沿中线设于内腔11内，将内腔11分隔为两个互不连通的气腔15，气腔15的前侧面呈波纹状结构可以使气腔15在充气时优先纵向伸长再横向膨胀，使机械手单元具有大形变的优点；
气腔15的开口13位于其前端；驱动机构为设有各充气管道的气动驱动器，各充气管道与各开口13一一对应密封连通，机械臂的末端执行固定端固连至外壳1的前端。
优选的，机械臂的末端执行固定端呈框状结构，套设固连于外壳1前端外部。
优选的，外壳1的底面粘贴设置呈柔性的应变限制层2，应变限制层2的杨氏模量大于外壳的杨氏模量；应变限制层2可以使用AB胶3D打印制成，应变限制层2能较好地解决仿生机械手充放气过程中球化效应的问题，使仿生机械手能够较好地适应周围环境，快速完成较大形变实现软抓取动作，同时保证仿生机械手抓持物体的稳固性。
优选的，应变限制层2由聚二甲基硅氧烷或AB胶制成，也可以由固化后呈柔性的其他材质制成。
优选的，隔膜14以硅橡胶作为粘接剂与外壳1的内壁密封粘接，其中，硅橡胶的型号可以为GD401，或采用PDMS聚二甲基硅氧烷。
优选的，仿生机械手包括三个机械手单元，三个机械手单元沿圆周向均布设置，即相邻的机械手单元1的中线夹角为120°。
优选的，隔膜14的厚度为2mm～5mm。
具体使用时，当向两个气腔15内同时同速充入气体时，两个气腔15内的气压同步增大，受波纹状结构11的约束，外壳1首先在垂直于各波峰线和波谷线的纵向发生形变，使外壳1的纵向长度增大。
当对单个气腔15充气时，该气腔15内的气压增大，外壳1会向该气腔15对应的一侧弯曲，形成包裹姿势，增大机械手单元与物体的接触面积，提高机械手单元抓取物体的稳固性；各气腔15不同的压力组合能够使机械手单元乃至仿生机械手呈不同的姿态。
机械手单元的纵向长度可以根据应用场景的需要灵活设置，当机械手单元的长度不足以实现物体的卷曲抓取时，还可通过包括多个机械手单元的仿生机械手进行物体的夹取抓取。
实际使用时，外壳1的厚度、气腔15的位置、波纹状结构11包括的波纹数量及波纹的波长、间距等各参数均会影响机械手单元的弯曲形变，应当根据抓取物体的大小、重量及工作场合等实际需要具体设置。
实施例1
一种全柔性气动式软体仿生机械手，包括驱动结构三个独立控制的机械手单元，三个机械手单元沿圆周向均布设置，相邻的机械手单元的中线之间夹角为120°；
机械手单元的外壳1呈中空结构，外壳1由柔性材料制成，外部形状整体呈沿中线轴对称的三叶草花瓣形，其顶面呈波峰线和波谷线沿横向的波纹状结构11；外壳1的中空结构形成与外部形状一致的内腔12，隔膜14沿中线设于内腔11内，以硅橡胶作为粘接剂与外壳1的内壁密封粘接，将内腔11分隔为两个互不连通的气腔15，气腔15的开口13位于其前端；
外壳1的底面粘贴设置呈柔性的应变限制层2，应变限制层2由聚二甲基硅氧烷制成；
驱动机构为设有各充气管道的气动驱动器，各充气管道与各开口13一一对应密封连通，机械臂的末端执行固定端固连至外壳1的前端。
上述全柔性气动式软体仿生机械手抓取乒乓球时，可采用夹取抓取的方式：
机械臂驱动三个机械手单元移动，使三个机械手单元的应变限制层2均贴合乒乓球，随后驱动装置向三个机械手单元的六个气腔15同步充气，使三个机械手单元弯曲形变呈夹取抓取姿态，共同提供抓取力，实现乒乓球的抓取；
也可采用卷曲抓取的方式：
机械臂驱动三个机械手单元移动，使三个机械手单元的应变限制层2均贴合乒乓球，随后驱动装置向三个机械手单元的六个气腔15同步充气，使三个机械手单元弯曲形变一定角度，再分别对每个机械手单元的两个气腔15进行单独充气，使机械手单元呈包裹姿态，并依靠机械手单元的托力实现乒乓球的抓取。
上述两种抓取方式中，卷曲抓取的稳定性更高。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种全柔性气动式软体仿生机械手，包括驱动结构和各独立控制的机械手单元，其特征在于：所述机械手单元的外壳(1)呈中空结构，所述外壳(1)由柔性材料制成，外部形状整体呈沿中线轴对称的三叶草花瓣形，其顶面呈波峰线和波谷线沿横向的波纹状结构(11)；所述外壳(1)的中空结构形成与外部形状一致的内腔(12)，隔膜(14)沿中线设于所述内腔(11)内，将所述内腔(11)分隔为两个互不连通的气腔(15)，所述气腔(15)的开口(13)位于其前端；所述驱动机构为设有各充气管道的气动驱动器，各所述充气管道与各所述开口(13)一一对应密封连通，机械臂的末端执行固定端固连至所述外壳(1)的前端。
2.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述外壳(1)沿其中轴线分隔为两个对称的半面，所述半面的底部沿所述外壳(1)中轴线的方向成列设各电容式三维力触觉传感器(16)，相邻的所述电容式三维力触觉传感器(16)顶部的上极板之间或底部的下极板之间通过切换电路电性连通，构成同面多电极传感器(17)；各所述电容式三维力触觉传感器(16)与所述控制器以及所述电容测试装置数据连通，所述电容测试装置与所述控制器数据联通。
3.根据权利要求2所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述电容式三维力触觉传感器(16)粘贴至所述外壳(1)底部，呈上小下大的梯形台状结构，其上极板与所述外壳紧密贴合；所述上极板和下极板之间填充聚二甲基硅氧烷作为介质层。
4.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述机械臂的末端执行固定端呈框状结构，套设固连于所述外壳(1)前端外部。
5.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述外壳(1)的底面粘贴设置呈柔性的应变限制层(2)，所述应变限制层(2)的杨氏模量大于所述外壳的杨氏模量。
6.根据权利要求3所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述应变限制层(2)由聚二甲基硅氧烷或AB胶制成。
7.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述隔膜(14)以硅橡胶作为粘接剂与所述外壳(1)的内壁密封粘接。
8.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述仿生机械手包括三个机械手单元，三个所述机械手单元沿圆周向均布设置。
9.根据权利要求1所述的一种全柔性气动式软体仿生机械手，其特征在于：所述隔膜(14)的厚度为2mm～5mm。
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| CN113967922B (zh) | 2023-05-30 |
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