CN114179119A - 一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构及软体手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构及软体手。一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，包括手指支架、指形硅钢片、矩形弹簧、指尖硅钢片、柔索；所述指形硅钢片的一端与手指支架固定，另一端与指尖硅钢片固定；所述指形硅钢片与指尖硅钢片之间设有滑轮；矩形弹簧的下侧面固定在指形硅钢片上，矩形弹簧的一端与手指支架固定，另一端与指形硅钢片、指尖硅钢片固定；手指支架上设有柔索固定头和支架通孔；所述柔索的一端固定在柔索固定头上，柔索绕过滑轮后，另一端从支架通孔穿出。本发明提出一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，使机器人夹持器具备较强的抓取自适应能力，能够实现对不同形状尺寸物体的包络抓取。

Description

一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构及软体手

技术领域

本发明涉及一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构及软体手。

背景技术

末端执行器作为机器人的重要部件，既是工业机器人与服务机器人的重要组成部分，也可以作为残疾人的假肢，还可以在太空与深海等危险领域代替人手实现抓握操作，具有重要的社会应用价值。目前机器人末端执行器可分为两种，一种是以复现人手能力为目标的机器人灵巧手，其特点是自由度较多、具有很强的抓握能力和复杂操作能力，但高自由度导致其结构复杂、可靠性低、控制算法复杂，限制了其广泛应用。另一方面，自由度较少的欠驱动夹持器已成为目前机器人领域的研究热点之一，其特点是结构简单、可靠性高，但普遍缺少触觉与弯曲感知能力，难以实现对不同形状与尺寸物体的自适应包络抓取，通用性和扩展性差。

目前大部分机器人夹持器通过连杆或钢丝绳等连接件驱动机器人手指的关节进行弯曲，通过手指的多个指节与物体接触实现刚性抓取，在进行抓握时，指节与物体的接触点数目或接触面积较小，接触力分布不均匀，且手指普遍缺乏触觉与弯曲感知能力，进而限制了自适应抓取能力，导致抓取稳定性差。另一方面，软体机器人已在夹持器上得到了应用，软体夹爪具有较好的自适应能力，但普遍由气动控制，结构与控制复杂，也缺乏触觉与弯曲感知能力。因此，克服现有机器人夹持器存在的触觉与弯曲感知能力缺失、自适应抓取能力差等缺陷，是亟需解决的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，使机器人夹持器具备较强的抓取自适应能力，能够实现对不同形状尺寸物体的包络抓取；基于此种机构可以实现抓取过程中手指局部弯曲，可以采用普通的薄膜压力传感器来测量接触力，可以避免弯曲对触觉传感器的影响；同时，手指机构可以安装多个弯曲传感器，实现对抓取物分类。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特殊之处在于：

包括手指支架、指形硅钢片、矩形弹簧、指尖硅钢片、柔索；所述指形硅钢片的一端与手指支架固定，另一端与指尖硅钢片固定；所述指形硅钢片与指尖硅钢片之间设有滑轮；矩形弹簧的下侧面固定在指形硅钢片上，矩形弹簧的一端与手指支架固定，另一端与指形硅钢片、指尖硅钢片固定；

手指支架上设有柔索固定头和支架通孔；所述柔索的一端固定在柔索固定头上，柔索绕过滑轮后，另一端从支架通孔穿出。

优选的，所述指尖硅钢片上设有多个第二压阻传感器。

优选的，所述矩形弹簧的上侧面设有多个菱形硅钢片，每个菱形硅钢片的安装不跨越矩形弹簧的间隙，菱形硅钢片上设有第一压阻传感器。

优选的，所述指形硅钢片的下侧面设有弯曲传感器，用来监测指形硅钢片的弯曲程度。

优选的，所述滑轮通过平头螺丝、垫片与薄型螺母安装在指形硅钢片与指尖硅钢片之间。

优选的，所述软体手指机构外侧包裹有硅胶套。

优选的，所述矩形弹簧的下侧面通过焊接胶与指形硅钢片的上侧面连接。

优选的，所述菱形硅钢片通过焊接胶固定在矩形弹簧的上侧面上。

优选的，还包括转动轮和舵机，转动轮安装在舵机的输出轴上，柔索从支架通孔穿出后缠绕在转动轮上，舵机带动转动轮转动。

本发明还提出一种三指软体手，其特征在于：

包括外壳和多个上述带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，所述壳体上设有安装骨架；

多个带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的手指支架均固定在安装骨架上。

优选的，带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的数量为三个，其中第一软体手指机构和第三软体手指机构的安装方向一致，第二个软体手指机构位于第一、第三软体手指机构之间，第二软体手指机构的安装方向与第一、第三软体手指机构的方向相反。

本发明的优点：

1)本发明提出的软体手指机构相较于现有技术，其关键点是将柔索传动、弹簧、滑轮与硅钢片应用于手指机构，具备较强的弯曲自适应能力，可实现手指对不同形状尺寸物体的自适应包络抓取。

2)本发明提出的软体手指机构外侧可包裹有软体材料外套。

3)随着柔索拉紧，手指将发生弯曲。当柔索放松时，由于矩形弹簧与硅钢片弹性的存在，手指弯曲度将变小。

4)基于此种机构可以实现抓取过程中手指局部相对不弯曲，可以避免弯曲对触觉传感器的影响，可以降低接触力监测的难度。

5)手指安装有多个压阻传感器，通过不同位置的压阻传感器可以实现对手指与抓取物接触力的测量。

6)手指机构安装多个弯曲传感器，通过不同的弯曲传感器可以监测手指不同部位的弯曲程度。

7)选取不同的手指数量与布局可以实现机器人夹持器的多种组合，比如两指手夹持器、三指手夹持器、五指手夹持器等。

附图说明

图1是软体手指机构轴测示意图。

图2是软体手指机构正视示意图。

图3是软体手指机构俯视示意图。

图4是软体手指机构弯曲原理示意图。

图5是软体手指机构弯曲示意图。

图6是一种三指软体手示意图。

其中：1-手指支架，2-矩形弹簧，3-指尖硅钢片，4-平头螺丝，5-滑轮，6-指形硅钢片，7-焊接胶I，8-焊接胶II，9-菱形硅钢片，10-焊接胶III，11-垫片，12-薄型螺母，13-弯曲传感器I，14-弯曲传感器II，15-柔索固定头，16-柔索，17-压阻传感器I，18-压阻传感器II，19-软体手指，20-安装骨架，21-转动轮；22-舵机，23-外壳。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，本发明将柔索传动应用于机器人软体手指设计，实现了机器人夹持器对不同形状尺寸物体的自适应抓取，通过安装弯曲传感器与薄膜压力传感器实现了物体抓取过程中对手指姿态与接触力的感知。

一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，包括手指支架1、指形硅钢片6、矩形弹簧2、指尖硅钢片3、柔索16；所述指形硅钢片6的一端与手指支架1固定，另一端与指尖硅钢片3固定；所述指形硅钢片6与指尖硅钢片3之间设有滑轮5；矩形弹簧2的下侧面固定在指形硅钢片6上，矩形弹簧2的一端与手指支架1固定，另一端与指形硅钢片6、指尖硅钢片3固定；手指支架1上设有柔索固定头15和支架通孔；所述柔索16的一端固定在柔索固定头15上，柔索16绕过滑轮5后，另一端从支架通孔穿出。

作为本发明的一个优选实施例，所述指尖硅钢片3上设有多个第二压阻传感器。

作为本发明的一个优选实施例，所述矩形弹簧2的上侧面设有多个菱形硅钢片9，每个菱形硅钢片9的安装不跨越矩形弹簧2的间隙，菱形硅钢片9上设有第一压阻传感器。

作为本发明的一个优选实施例，所述指形硅钢片6的下侧面设有弯曲传感器13，用来监测指形硅钢片6的弯曲程度。

作为本发明的一个优选实施例，所述滑轮5通过平头螺丝4、垫片11与薄型螺母12安装在指形硅钢片6与指尖硅钢片3之间。

作为本发明的一个优选实施例，软体手指机构外侧包裹有硅胶套。

作为本发明的一个优选实施例，所述矩形弹簧2的下侧面通过焊接胶与指形硅钢片6的上侧面连接。

作为本发明的一个优选实施例，所述菱形硅钢片9通过焊接胶固定在矩形弹簧2的上侧面上。

作为本发明的一个优选实施例，还包括转动轮21和舵机22，转动轮21安装在舵机22的输出轴上，柔索16从支架通孔穿出后缠绕在转动轮21上，舵机22带动转动轮21转动。

本发明还提出一种三指软体手，包括外壳23和多个上述带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，多个带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的手指支架1均固定在安装骨架20上。

作为本发明的一个优选实施例，带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的数量为三个，其中：第一软体手指机构和第三软体手指机构的安装方向一致，第二个软体手指机构位于第一、第三软体手指机构之间，第二软体手指机构的安装方向与第一、第三软体手指机构的方向相反。

实施例1

一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，如图1所示，主要由手指支架1、矩形弹簧2、指形硅钢片6与滑轮5等组成。其中，矩形弹簧2的下侧面通过焊接胶I7与指形硅钢片6的上侧面连接后安装于手指支架1上，矩形弹簧2上侧面指尖端通过焊接胶III10与指尖硅钢片3连接，指形硅钢片6与指尖硅钢片3间通过平头螺丝4、垫片11与薄型螺母12安装滑轮5。手指支架1上设计有定位凹槽用于安装指形硅钢片6与矩形弹簧2，设计有两个通孔用于安装柔索16。手指外边可包裹有硅胶套。

如图2所示，矩形弹簧2的上侧面除安装有指尖硅钢片3外还通过焊接胶III10安装有多个菱形硅钢片9。在指尖硅钢片3与菱形硅钢片9上分别安装有压阻传感器II18与压阻传感器I17，通过不同位置的压阻传感器可以实现对手指与抓取物接触力的测量。指形硅钢片3下侧面不同位置安装有弯曲传感器I13与弯曲传感器I14，通过不同的弯曲传感器可以监测手指不同部位的弯曲程度。

如图3所示，柔索16一端为固定端由柔索固定头15锁紧安装于手指支架1的安装孔中。柔索16另一端为拉紧端，经矩形弹簧2内部一侧绕滑轮5后由矩形弹簧2内部另一侧绕回手指支架1后经过支架通孔穿出。通过在柔索16拉紧端施加拉力使柔索移动可以实现手指的弯曲。

软体手指机构弯曲原理为：

如图4所示，矩形弹簧2下侧面与指形硅钢片6连接，因此，靠近指形硅钢片6一侧的弹簧间隙A1A2与A2A3变化较小。矩形弹簧2上侧面弹簧间隙间悬空没有连接部件，因此，当柔索16在矩形弹簧2中移动时，矩形弹簧2上侧面间隙B1B2、B2B3与B3B4会变小，且变化较大。故，随着柔索16拉紧，角度α1、α2与α3将变小，手指将发生弯曲。同理，当柔索16放松时，由于矩形弹簧2与指形硅钢片6弹性的存在，矩形弹簧2上侧面间隙B1B2、B2B3与B3B4会变大，手指弯曲度将变小。

图5为软体手指机构弯曲示意图，通过拉动柔索16可以实现矩形弹簧2上侧面间隙B1B2、B2B3与B3B4的减小，从而实现手指弯曲。弯曲过程中，当矩形弹簧2上侧局部碰到抓取物产生接触力后接触部分继续弯曲将需要更大的力，未发生接触的部分需要的弯曲力与接触部分相比较小，因此，未接触部分弯曲程度与接触部分相比将更大，从而实现对被抓取物的包络抓取。对不同形状尺寸的物体，抓取时接触点不同，手指的弯曲也不同，因此可以实现手指对不同物体适形自适应抓取。特别的，指尖硅钢片3、矩形弹簧2与指形硅钢片6安装为一个体，菱形硅钢片9的安装不跨越矩形弹簧2的间隙。因此，手指弯曲主要由矩形弹簧2与指形硅钢片6的弯曲实现，指尖硅钢片3与菱形硅钢片9的弯曲很小。由于现有压阻传感器多数对压力与弯曲同时敏感而不能解耦，而普通软体手在弯曲过程中所有部分都会弯曲不存在局部的不弯曲，因此，安装于普通软体手指的压阻传感器多因压力与弯曲不能解耦而难以监测接触力。本发明从机构与结构角度提供了一种局部不弯曲的软体手指，避免了弯曲对压阻传感器信号的影响，选用普通的压阻传感器即可实现对接触力的监测，降低了接触力监测的难度。

实施例2

一种三指软体手示意图，如图6所示，主要由软体手指19、安装骨架20、转动轮21、舵机22与外壳23组成。外壳23位于三指软体手底部，固定于安装骨架20上。转动轮21安装于舵机22输出轴，随着舵机22的转动而转动。软体手指19安装于安装骨架20上，转动轮21与舵机22也安装于安装骨架20上。安装骨架20上设计有通孔供柔索16拉紧端穿过，柔索16拉紧端经过安装骨架20通孔后绕转动轮21缠绕后固定，转动轮21上设计有凹槽与安装孔供柔索16拉紧端缠绕后固定。当转动轮22转动时，手指中柔索16会跟随移动而拉紧，从而使软体手指19弯曲。同理，当转动轮22反方向转动时，手指中柔索16会跟随移动而放松，从而使软体手指19弯曲度变小。三指配合可实现对物体的自适应包络抓取。软体手指19上不同位置的压阻传感器可以实现对手指与抓取物接触力的测量，软体手指19上不同的弯曲传感器可以监测手指不同部位的弯曲程度。

特别的，本发明仅提供了一种基于新手指机构设计的机器人夹持器，但基于此种手指机构可以设计多种夹持器。选取不同的手指数量与布局可以实现机器人夹持器的多种组合，比如两指手夹持器、三指手夹持器、五指手夹持器等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

包括手指支架(1)、指形硅钢片(6)、矩形弹簧(2)、指尖硅钢片(3)、柔索(16)；所述指形硅钢片(6)的一端与手指支架(1)固定，另一端与指尖硅钢片(3)固定；所述指形硅钢片(6)与指尖硅钢片(3)之间设有滑轮(5)；矩形弹簧(2)的下侧面固定在指形硅钢片(6)上，矩形弹簧(2)的一端与手指支架(1)固定，另一端与指形硅钢片(6)、指尖硅钢片(3)固定；

手指支架(1)上设有柔索固定头(15)和支架通孔；所述柔索(16)的一端固定在柔索固定头(15)上，柔索(16)绕过滑轮(5)后，另一端从支架通孔穿出。

2.根据权利要求1所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述指尖硅钢片(3)上设有多个第二压阻传感器。

3.根据权利要求2所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述矩形弹簧(2)的上侧面设有多个菱形硅钢片(9)，每个菱形硅钢片(9)的安装不跨越矩形弹簧(2)的间隙，菱形硅钢片(9)上设有第一压阻传感器。

4.根据权利要求3所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述指形硅钢片(6)的下侧面设有弯曲传感器(13)，用来监测指形硅钢片(6)的弯曲程度。

5.根据权利要求4所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述滑轮(5)通过平头螺丝(4)、垫片(11)与薄型螺母(12)安装在指形硅钢片(6)与指尖硅钢片(3)之间。

6.根据权利要求5所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

软体手指机构外侧包裹有硅胶套。

7.根据权利要求6所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述矩形弹簧(2)的下侧面通过焊接胶与指形硅钢片(6)的上侧面连接。

8.根据权利要求7所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

所述菱形硅钢片(9)通过焊接胶固定在矩形弹簧(2)的上侧面上。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

还包括转动轮(21)和舵机(22)，转动轮(21)安装在舵机(22)的输出轴上，柔索(16)从支架通孔穿出后缠绕在转动轮(21)上，舵机(22)带动转动轮(21)转动。

10.一种软体手，其特征在于：

包括外壳(23)和多个上述权利要求9所述的带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，所述外壳(23)上设有安装骨架(20)；

多个带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的手指支架(1)均固定在安装骨架(20)上。

11.根据权利要求10所述的一种带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构，其特征在于：

带触觉与弯曲感知功能的软体手指机构的数量为三个，其中：第一软体手指机构和第三软体手指机构的安装方向一致，第二个软体手指机构位于第一、第三软体手指机构之间，第二软体手指机构的安装方向与第一、第三软体手指机构的方向相反。

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