CN113977568B - 一种气动装甲人工肌肉及机械夹爪和夹持方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气动装甲人工肌肉及机械夹爪和夹持方法。该人工肌肉包括密封囊体、顶板、底板和伸缩主体。伸缩主体包括合围在一起的多条伸缩串。所述的伸缩串包括依次相连的多块装甲板。装甲板的两侧边缘长度不相等；相邻两块装甲板的相邻侧边缘长度相等并转动连接在一起，所述的密封囊体设置在伸缩主体的内侧。各装甲板的内侧面与密封囊体的外侧面部分或全部固定。顶板、底板与伸缩主体的两端分别粘接固定。本发明在密封囊体外部设置装甲板，使得软体机器人在伸缩过程中腔室的体积随伸长量的变化率在绝大部分收缩率下趋近于常数，进而获得伸缩过程中驱动力恒定的人工肌肉，该特性使其应用于机械夹爪时可以稳定抓取各种直径的重物。

Description

一种气动装甲人工肌肉及机械夹爪和夹持方法
技术领域
本发明属于人机交互技术领域，具体涉及一种气动装甲人工肌肉及机械夹爪和夹持方法。
背景技术
科技发展日新月异，越来越多机器人代替人类完成一些危险、困难或繁琐的工作。传统机械拥有良好的速度、精度、输出力性能，但是在处理意外事件和安全问题方面不行，尤其是在人机交互方面，安全问题显得尤为重要。软体机器人可以处理这方面的问题，而且可以拥有爬行、抓握、游泳等功能。比如：软执行器在稳定抓取重物、仿生机器人的腿脚驱动等方面的应用。
传统的直线型气动人工肌肉依靠薄膜作为密封腔，其在伸长过程中，薄膜会从直线结构变形。薄膜的这种变形模式导致的体积变化速率在变形早期体积变化迅速，在运动后期体积变化速率小得多。这种行为使得执行器在收缩前期有很大的收缩力，在收缩后期收缩力大大减小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气动装甲人工肌肉及机械夹爪和夹持方法。
第一方面，本发明提供一种气动装甲人工肌肉，其包括密封囊体、顶板、底板和伸缩主体。伸缩主体包括合围在一起的多条伸缩串。所述的伸缩串包括依次相连的多块装甲板。装甲板的两侧边缘长度不相等；相邻两块装甲板的相邻侧边缘长度相等并转动连接在一起，形成沿长度方向宽度依次交替增大减小的伸缩串。所述的密封囊体设置在伸缩主体的内侧。各装甲板的内侧面与密封囊体的外侧面部分或全部固定。顶板、底板与伸缩主体的两端分别粘接固定。
作为优选，所述的伸缩主体由呈三角形合围三条伸缩串组成。
作为优选，所述的伸缩主体沿长度方向形成依次交替排列的凸出部和内凹部。伸缩主体的每个凸出部均设置有加强板。加强板呈框架状。
作为优选，所述的装甲板呈等腰梯形。
作为优选，相邻两块装甲板之间均设置有约束膜；约束膜与对应的两块装甲板的相邻侧边缘粘接，形成柔性铰链。
作为优选，所述密封囊体和约束膜的材质均为聚氯乙烯。所述的加强板、装甲板、顶板和底板的材质均为聚乳酸。
作为优选，所述的顶板上开设有进气孔；充气管穿过顶板上的进气孔，并连接至密封囊体的内腔。
第二方面，本发明提供一种机械夹爪，其包括纵向提升机构、x向夹紧机构、y向夹紧机构和旋转机构。纵向提升机构包括纵向致动器和安装板。安装板安装在纵向致动器的一端。旋转机构包括基座、旋转电机、旋转外壳、十字形杆。基座固定在安装板上；十字形杆的中心位置与安装板转动连接，并由旋转电机驱动旋转。
所述的x向夹紧机构包括第一夹持杆和x向致动器。y向夹紧机构包括第二夹持杆和y向致动器。两根第一夹持杆的内端与十字形杆的其中一组相对端分别转动连接。两根第二夹持杆的内端与十字形杆的另一组相对端分别转动连接。第一夹持杆的相对侧面与x向致动器的两端分别转动连接。两根第二夹持杆的相对侧面与y向致动器的两端分别转动连接。纵向致动器、x向致动器和y向致动器均采用前述的气动装甲人工肌肉。
作为优选，两根第一夹持杆相对侧面的外端均固定有第一弹性块。两根第二夹持杆相对侧面的外端均固定有第二弹性块。
该机械夹爪的夹持方法具体如下：
步骤一、两根第一夹持杆和两根第二夹持杆的外端移动至被夹持物体的周围。
步骤二、给x向致动器抽压缩短，x向致动器收缩带动两根第一夹持杆收紧，夹住被夹持物体。
步骤三、给y向致动器抽压缩短，y向致动器收缩带动两根第二夹持杆收紧，起辅助夹持作用。
步骤四、给纵向致动器抽压缩短，纵向提升机构收缩带动被夹持物体提升。
步骤五、把被夹持物体到达安放点上方后，纵向致动器充压伸长，将被夹持物体下放到安放点。
步骤六、给y向致动器充压伸长，带动两根第二夹持杆松开被夹持物体。
步骤七、给x向致动器充压伸长，带动两根第一夹持杆向外转动，松开被夹持物体。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明在能够作为软体机器人的密封囊体外部设置装甲板，使得软体机器人在伸缩过程中腔室的体积随伸长量的变化率在绝大部分收缩率下趋近于常数，进而获得伸缩过程中驱动力恒定的人工肌肉，该特性使其应用于机械夹爪时可以稳定抓取各种直径的重物。
2、本发明用多边形零件和薄膜形成了一个密封腔，这造就了它的轻质量和大收缩，收缩率可达到60％。
3、本发明用气动装甲肌肉组成的气动夹爪可以实现一个旋转方向上的自由度，对于被夹持物体的抓取有更好的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的气动装甲人工肌肉的结构示意图。
图2为本发明实施例1提供的气动装甲人工肌肉中单元腔室各个区域标号示意图。
图3为本发明实施例1提供的气动装甲人工肌肉中单元腔室体积随长度变化的曲线图。
图4为本发明实施例1提供的气动装甲人工肌肉的制造过程示意图。
图5为本发明实施例2提供的机械夹爪的整体结构示意图。
图6为本发明实施例2提供的机械夹爪中旋转机构的结构示意图。
图7为本发明实施例2提供的机械夹爪中x向夹紧机构的结构示意图。
图8为本发明实施例2提供的机械夹爪中y向夹紧机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种气动装甲人工肌肉，包括密封囊体1-3、顶板1-1、底板1-5、约束膜1-4、伸缩主体和充气管1-6。伸缩主体包括沿周向呈三角形合围的三条伸缩串，以及位于三条伸缩串合围空间内侧的多块加强板1-7。伸缩串包括依次相连的多块装甲板1-2。装甲板1-2呈等腰梯形。相邻两块装甲板1-2的相邻侧边缘为长度相等的等腰梯形底边，由此形成沿长度方向宽度依次交替增大减小的伸缩串。相邻两块装甲板1-2之间均设置有约束膜1-4；约束膜1-4与对应的两块装甲板1-2的相邻侧边缘粘接，使得两块装甲板1-2之间形成柔性铰链，能够相对转动。
伸缩主体沿长度方向形成依次交替排列的凸出部和内凹部。该宽度交替变化的结构能够避免气动装甲人工肌肉收缩时由于过度约束而不能变形的问题。凸出部由两两一组成的六块装甲板1-2长底边合围形成。内凹部由两两一组成的六块装甲板1-2短底边合围形成。伸缩主体的每个凸出部均设置有加强板1-7。加强板1-7呈三角框架状。加强板1-7的三条边与三条伸缩串上的外凸边缘分别固定，提高伸缩主体的结构强度。
密封囊体1-3设置在伸缩主体的内侧，用以通过充放气带动伸缩主体伸缩运动。各装甲板1-2的内侧面与密封囊体1-3的外侧面粘接固定。顶板1-1、底板1-5与伸缩主体的两端分别粘接固定。顶板1-1上开设有进气孔；充气管1-6穿过顶板1-1上的进气孔，并连接至密封囊体1-3的内腔。
本实施例中提供的气动装甲人工肌肉，在密封囊体1-3的外侧增设能够折叠的装甲，使人工肌肉的侧壁折叠，人工肌肉获得稳定的体积变化速率，从而有一个稳定的输出力。制动器的初始位置可以调整为在运动的部分内工作，从而产生一个相对稳定的力。
具体的，本实施例提供的气动装甲肌肉的单元腔室(六块装甲板两两一组合围形成)体积可以分为4个部分，分别为A1、A2、A3和A4区域，如图2所示。其中A1区域和A2区域的体积大致相等，且它们的体积变化率是相反的，因此可以忽略这两部分体积变化的影响。因此腔室的体积可以用下式表达：
Figure GDA0004013182200000041
其中，V是腔室体积，D是腔室顶板的边长，l是某一时刻腔室的高度，lmax是腔室的最大高度。
我们使用D＝90mm，lmax＝30mm来计算腔室体积变化率与输出力之间的关系。气体的输入功与气动装甲肌肉的输出功的关系可以由下式表达：
Figure GDA0004013182200000042
其中，P为腔室内部压力，F为输出力。
根据公式可以作出腔室体积与腔室高度l的曲线，如图3所示。其中，点划线是区域A3的体积与高度的关系；点连线是区域A4的体积与高度的关系；实线是区域A3与区域A4两者体积之和与高度的关系。
从图3的曲线可以得出，腔室的体积随高度的变化率在绝大部分收缩率下，大致是一个常数，因而根据公式可以知道，在内部气压P一定的情况下，腔室的输出力大致是一个常数。
由于伸缩串的纵截面呈现连续的三角形，在运动过程中向外移动。从这些三角形高度为零的直线位置开始，这些三角形的体积会随着高度的增加而增加。随着底边长度的减小，超过了一个临界长度后，这些三角形的体积会逐渐减小。这导致执行器体积的减小速率在初期很小。在执行器运动的后期，虽然体积变化迅速，但体积大而稳定。约束模连接两个连续的加强板，以限制执行器的运动范围，并在收缩的后期限制运动。以上特性，使得气动装甲肌肉在收缩过程中可以产生高而稳定的力。
为了使执行器正确工作，装甲板和加强板采用刚性材料，而密封囊体和约束膜采用弹性材料。加强板和装甲板均使用1mm厚的3D打印聚乳酸，顶板和底板使用5mm厚的3D打印聚乳酸。密封囊体和约束膜使用100微米厚的聚氯乙烯。
气动装甲肌肉的制造过程如图4所示。首先将装甲用双面胶带连接到腔室上，并用胶带将加强板放置在装甲之间。然后，装甲的表面被向外推，约束膜被放置在每一边的中心，并用胶带连接到加强板上。最后在顶板和底板的边缘涂上一层胶水，并密封在腔室上。最终制造出一个拥有3个腔室的气动装甲肌肉。
实施例2
如图5和6所示，一种机械夹爪，包括纵向提升机构1、x向夹紧机构2、y向夹紧机构3和旋转机构4。纵向提升机构1包括纵向致动器和安装板。安装板安装在纵向致动器的一端。旋转机构4包括基座4-1、旋转电机4-2、旋转外壳4-3、十字形杆4-4。基座4-1通过螺钉安装在纵向致动器的一端；旋转电机4-2通过螺钉固定在基座4-1上。旋转外壳4-3与旋转电机4-2的输出轴固定。旋转外壳4-3的内侧壁与基座4-1的外圆周面之间设置有滑轮和弧形轨道，以减小阻力。十字形杆4-4的中部通过螺钉固定在旋转外壳4-3的外侧。
如图7和8所示，x向夹紧机构包括第一夹持杆2-1、第一弹性块2-2和x向致动器。y向夹紧机构包括第二夹持杆3-1、第二弹性块3-2和y向致动器。两根第一夹持杆2-1的内端与十字形杆4-4的其中一组相对端分别转动连接。两根第二夹持杆3-1的内端与十字形杆4-4的另一组相对端分别转动连接。第一夹持杆2-1的相对侧面与x向致动器的两端分别转动连接；x向致动器用于驱动第一夹持杆2-1进行相向或相背方向翻转，实现x向夹持。两根第一夹持杆2-1相对侧面的外端均固定有第一弹性块2-2。两根第二夹持杆3-1的相对侧面与y向致动器的两端分别转动连接；y向致动器用于驱动第二夹持杆3-1进行相向或相背方向翻转，实现y向夹持。两根第二夹持杆3-1相对侧面的外端均固定有第二弹性块3-2。
纵向致动器、x向致动器和y向致动器均采用实施例1所述的气动装甲人工肌肉，均通过抽压和充压控制伸缩。
该机械夹爪的夹持方法具体如下：
步骤一、机械夹爪在工业机器人的驱动下移动到被夹持物体的正上方。启动旋转电机4-2，旋转夹紧机构到合适角度；纵向致动器充压伸长，使得各第一弹性块2-2和第二弹性块3-2降低至被夹持物体的周围。
步骤二、给x向致动器抽真空，达到预设的真空度，x向致动器收缩带动两根第一夹持杆2-1收紧，夹住被夹持物体。
步骤三、给y向致动器抽真空，达到合适的真空度，y向致动器收缩带动两根第二夹持杆3-1收紧，起辅助夹持作用。
步骤四、给纵向致动器抽真空，达到合适的真空度，纵向提升机构1收缩带动被夹持物体提升。
步骤五、机械夹爪在工业机器人的驱动下转移至安放点上方，给纵向致动器充压，纵向致动器伸长，把被夹持物体下放到安放点。
步骤六、给y向致动器充气，y向致动器伸长，带动两根第二夹持杆3-1松开被夹持物体，辅助夹持作用撤销。
步骤七、给x向致动器充气，x向致动器伸长，带动两根第一夹持杆2-1向外转动，松开被夹持物体，完成被夹持物体的平稳安全搬运。

Claims (7)

1.一种气动装甲人工肌肉，包括密封囊体(1-3)、顶板(1-1)、底板(1-5)和伸缩主体；其特征在于：伸缩主体包括合围在一起的多条伸缩串；所述的伸缩串包括依次相连的多块装甲板(1-2)；装甲板(1-2)的两侧边缘长度不相等；相邻两块装甲板(1-2)的相邻侧边缘长度相等并转动连接在一起，形成沿长度方向宽度依次交替变化的伸缩串；所述的密封囊体(1-3)设置在伸缩主体的内侧；各装甲板(1-2)的内侧面与密封囊体(1-3)的外侧面部分或全部固定；顶板(1-1)、底板(1-5)与伸缩主体的两端分别粘接固定；
所述的伸缩主体由呈三角形合围三条伸缩串组成；
所述的伸缩主体沿长度方向形成依次交替排列的凸出部和内凹部；伸缩主体的每个凸出部均设置有加强板(1-7)；加强板(1-7)呈框架状；
相邻两块装甲板(1-2)之间均设置有约束膜(1-4)；约束膜(1-4)与对应的两块装甲板(1-2)的相邻侧边缘粘接，形成柔性铰链。
2.根据权利要求1所述的一种气动装甲人工肌肉，其特征在于：所述的装甲板(1-2)呈等腰梯形。
3.根据权利要求1所述的一种气动装甲人工肌肉，其特征在于：所述密封囊体和约束膜的材质均为聚氯乙烯；所述的加强板、装甲板、顶板和底板的材质均为聚乳酸。
4.根据权利要求1所述的一种气动装甲人工肌肉，其特征在于：所述的顶板(1-1)上开设有进气孔；充气管(1-6)穿过顶板(1-1)上的进气孔，并连接至密封囊体(1-3)的内腔。
5.一种机械夹爪，包括纵向提升机构(1)、x向夹紧机构(2)、y向夹紧机构(3)和旋转机构(4)；其特征在于：所述的纵向提升机构(1)包括纵向致动器和安装板；安装板安装在纵向致动器的一端；旋转机构(4)包括基座(4-1)、旋转电机(4-2)、旋转外壳(4-3)、十字形杆(4-4)；基座(4-1)固定在安装板上；十字形杆(4-4)的中心位置与安装板转动连接，并由旋转电机(4-2)驱动旋转；
所述的x向夹紧机构包括第一夹持杆(2-1)和x向致动器；y向夹紧机构包括第二夹持杆(3-1)和y向致动器；两根第一夹持杆(2-1)的内端与十字形杆(4-4)的其中一组相对端分别转动连接；两根第二夹持杆(3-1)的内端与十字形杆(4-4)的另一组相对端分别转动连接；第一夹持杆(2-1)的相对侧面与x向致动器的两端分别转动连接；两根第二夹持杆(3-1)的相对侧面与y向致动器的两端分别转动连接；纵向致动器、x向致动器和y向致动器均采用如权利要求1-4中任意一项所述的气动装甲人工肌肉。
6.根据权利要求5所述的一种机械夹爪，其特征在于：两根第一夹持杆(2-1)相对侧面的外端均固定有第一弹性块(2-2)；两根第二夹持杆(3-1)相对侧面的外端均固定有第二弹性块(3-2)。
7.一种夹持方法，其特征在于：应用于权利要求5所述的一种机械夹爪；该夹持方法包括以下步骤：
步骤一、两根第一夹持杆(2-1)和两根第二夹持杆(3-1)的外端移动至被夹持物体的周围；
步骤二、给x向致动器抽压缩短，x向致动器收缩带动两根第一夹持杆(2-1)收紧，夹住被夹持物体；
步骤三、给y向致动器抽压缩短，y向致动器收缩带动两根第二夹持杆(3-1)收紧，起辅助夹持作用；
步骤四、给纵向致动器抽压缩短，纵向提升机构(1)收缩带动被夹持物体提升；
步骤五、把被夹持物体到达安放点上方后，纵向致动器充压伸长，将被夹持物体下放到安放点；
步骤六、给y向致动器充压伸长，带动两根第二夹持杆(3-1)松开被夹持物体；
步骤七、给x向致动器充压伸长，带动两根第一夹持杆(2-1)向外转动，松开被夹持物体。
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