CN114378857A - 一种驱冷一体化的变刚度软体机械手 - Google Patents

一种驱冷一体化的变刚度软体机械手 Download PDF

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李军锋
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Abstract

本发明公开了一种驱冷一体化的变刚度软体机械手，包括支架及至少两个软体手指，其中，各个软体手指均包括变形机构及变刚度机构；变形机构的一端固定于支架上，变形机构内具有相互连通的第一型腔及第二型腔；变刚度机构设置于第二型腔内，变刚度机构的两端分别与第二型腔的内壁固定连接。本发明的有益效果是：当带压水源通过第一型腔时，第一型腔的外壁伸长，当带压水源通过第二型腔时，由于第二型腔内的变刚度机构不能伸长、仅能弯曲，因此第二型腔的外壁无法伸长，从而使变形机构弯曲变形，可实现对目标物体的抓取；同时，当带压水源流经第二型腔时，可对变刚度机构进行冷却，从而本发明中不需要设置额外的冷却装置对变刚度机构进行冷却。

Description

一种驱冷一体化的变刚度软体机械手
技术领域
本发明涉及软体机器人技术领域，尤其是涉及一种驱冷一体化的变刚度软体机械手。
背景技术
软体机器人是一种柔韧性较好的新型机器人，机器人本体或部分结构使用灵活、柔软的材料制作，具有良好的顺应性和适应性，能够抵御外部冲击，适合用于非结构化和复杂的环境中。软体机械手是软体机器人领域的重要组成部分，软体机械手性能的好坏影响着整个机器人在实际应用中的表现。然而，单纯的软体机械手虽然有着安全的人机交互性等特点，但正是软体机械手柔软的特点体现出了它刚度不足的问题。这说明定刚度的软体机械手的抓取力较小，只能抓取质量较轻的目标，对于质量较大的抓取目标却无能为力，适用范围相对较小。
目前变刚度软体机械手变刚度方式主要有基于人工肌肉、堵塞原理、智能材料和磁流体等，基于人工肌肉的方式、堵塞原理和形状记忆合金材料的变刚度范围均较小，基于低熔点合金的变刚度范围较大，但响应速度慢，而根据磁流体效应实现变刚度比较困难，制备复杂，实现的变刚度范围较小。
此外，一些利用温度变化实现变刚度的材料冷却速度较慢，需要设置相应的冷却装置(如申请号CN201811145587.X的中国发明专利)，这样便增加了额外的制冷驱动元件。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种驱冷一体化的变刚度软体机械手，用以解决现有的利用温度变化实现变刚度的材料冷却速度较慢、需要设置相应的冷却装置、从而增加了额外的制冷驱动元件的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种驱冷一体化的变刚度软体机械手，包括支架及至少两个软体手指，其中，各个所述软体手指均包括变形机构及变刚度机构；
所述变形机构的一端固定于所述支架上，所述变形机构内具有相互连通的第一型腔及第二型腔，所述第一型腔及所述第二型腔均沿所述变形机构的长度方向延伸，所述变形机构上开设有与所述第一型腔连通的进水口，所述变形机构上还开设有与所述第二型腔连通的出水口；
所述变刚度机构设置于所述第二型腔内，所述变刚度机构的两端分别与所述第二型腔的内壁固定连接。
在一些实施例中，所述变形机构包括硅胶体，所述硅胶体的一端固定于所述支架上，所述第一型腔及所述第二型腔均开设于所述硅胶体内，所述第一型腔及所述第二型腔均沿所述硅胶体的长度方向延伸，所述进水口及所述出水口均开设于所述硅胶体上。
在一些实施例中，所述第一型腔的侧壁上形成有褶皱部。
在一些实施例中，所述变形机构还包括尼龙线，所述尼龙线绕设于所述硅胶体的侧壁上。
在一些实施例中，所述变形机构还包括进水管及出水管，所述进水管及所述出水管均固定于所述硅胶体上，所述进水管的一端与所述进水口连通，所述出水管的一端与所述出水口连通。
在一些实施例中，所述变形机构还包括固定块，所述固定块固定于所述硅胶体上，所述固定块上开设有第一固定孔及第二固定孔，所述进水管固定插设于所述第一固定孔内，所述出水管固定插设于所述第二固定孔内。
在一些实施例中，所述变形机构还包括指根固定套，所述指根固定套的一端固定套设于所述硅胶体的一端，所述指根固定套的另一端与所述支架固定连接。
在一些实施例中，所述变刚度机构包括聚己内酯、加热器、编织套管及压簧，所述聚己内酯设置于所述第二型腔内，所述聚己内酯沿所述变形机构的长度方向延伸，所述聚己内酯的两端分别与所述第二型腔的内壁固定连接，所述加热器嵌设于所述聚己内酯内，所述编织套管及所述压簧均沿所述聚己内酯的长度方向嵌设于所述聚己内酯内。
在一些实施例中，所述软体手指还包括前端固定件，所述前端固定件的一端与所述变刚度机构的一端固定连接，所述前端固定件的另一端与所述第二型腔的内壁固定连接。
在一些实施例中，所述软体手指还包括后端固定件，所述后端固定件的一端与所述变刚度机构的另一端固定连接，所述后端固定件的另一端与所述第二型腔的内壁固定连接。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：在使用时，向进水口内通入带压水源，带压水源依次进入第一型腔及第二型腔后从出水口返排至带压水源内，形成循环，当带压水源通过第一型腔时，第一型腔的外壁伸长，当带压水源通过第二型腔时，由于第二型腔内的变刚度机构不能伸长、仅能弯曲，因此第二型腔的外壁无法伸长，从而使变形机构弯曲变形，在多个软体手指的变形机构均向内弯曲时，可实现对目标物体的抓取；同时，机械手在工作的过程中，可以根据抓取目标的不同，调节变刚度机构的刚度，变刚度机构在常温的空气中由软化的状态转化成固态需要的时间比较长，所以需要设置冷却装置来加快其冷却速度，而本发明中，当带压水源流经第二型腔时，可对变刚度机构进行冷却，从而本发明中不需要设置额外的冷却装置对变刚度机构进行冷却，即实现了驱动和冷却一体化，从而减少驱动元件的数量。
附图说明
图1是本发明提供的驱冷一体化的变刚度软体机械手的一实施例的立体结构示意图；
图2是图1中的支架的立体结构示意图；
图3是图1中的一个软体手指的爆炸视图；
图4是图3中的软体手指的结构示意图；
图5是图4中区域A的局部放大图；
图6是图4中的硅胶体的结构示意图；
图7是图4中的变形机构的爆炸视图；
图8是图7中的变形机构的结构示意图；
图中：1-支架、2-软体手指、21-变形机构、211-硅胶体、2111-第一型腔、21111-褶皱部、2112-第二型腔、2113-进水口、2114-出水口、212-尼龙线、213-进水管、214-出水管、215-固定块、216-指根固定套、22-变刚度机构、221-聚己内酯、222-加热器、223-编织套管、224-压簧、23-前端固定件、24-后端固定件。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参照图1-图6，本发明提供了一种驱冷一体化的变刚度软体机械手，包括支架1及至少两个软体手指2，其中，各个所述软体手指2均包括变形机构21及变刚度机构22，本实施例中，软体手指2的个数为三个。
所述变形机构21的一端固定于所述支架1上，所述变形机构21内具有相互连通的第一型腔2111及第二型腔2112，所述第一型腔2111及所述第二型腔2112均沿所述变形机构21的长度方向延伸，所述变形机构21上开设有与所述第一型腔2111连通的进水口2113，所述变形机构21上还开设有与所述第二型腔2112连通的出水口2114。
所述变刚度机构22设置于所述第二型腔2112内，所述变刚度机构22的两端分别与所述第二型腔2112的内壁固定连接。
在使用时，向进水口2113内通入带压水源，带压水源依次进入第一型腔2111及第二型腔2112后从出水口2114返排至带压水源内，形成循环，当带压水源通过第一型腔2111时，第一型腔2111的外壁伸长，当带压水源通过第二型腔2112时，由于第二型腔2112内的变刚度机构22不能伸长、仅能弯曲，因此第二型腔2112的外壁无法伸长，从而使变形机构21弯曲变形，在多个软体手指2的变形机构21均向内弯曲时，可实现对目标物体的抓取；同时，机械手在工作的过程中，可以根据抓取目标的不同，调节变刚度机构22的刚度，变刚度机构22在常温的空气中由软化的状态转化成固态需要的时间比较长，所以需要设置冷却装置来加快其冷却速度，而本发明中，当带压水源流经第二型腔2112时，可对变刚度机构22进行冷却，从而本发明中不需要设置额外的冷却装置对变刚度机构22进行冷却，即实现了驱动和冷却一体化，从而减少驱动元件的数量。
为了具体实现变形机构21的功能，请参照图3、图4和图6，在一优选的实施例中，所述变形机构21包括硅胶体211，所述硅胶体211的一端固定于所述支架1上，所述第一型腔2111及所述第二型腔2112均开设于所述硅胶体211内，所述第一型腔2111及所述第二型腔2112均沿所述硅胶体211的长度方向延伸，所述进水口2113及所述出水口2114均开设于所述硅胶体211上。本实施例中，硅胶体211的型号为E610，邵氏硬度为10A，拉伸强度为3Mpa。
为了便于硅胶体211发生弯折，请参照图3、图4和图6，在一优选的实施例中，所述第一型腔2111的侧壁上形成有褶皱部21111，当带压水源进入第一型腔2111内时，褶皱部21111被拉伸，而第二型腔2112的侧壁无法伸长，因此可使硅胶体211发生弯折。
为了防止硅胶体211产生过大的径向变形而影响软体手指2的性能，请参照图1和图3，在一优选的实施例中，所述变形机构21还包括尼龙线212，所述尼龙线212绕设于所述硅胶体211的侧壁上，通过将尼龙线212缠绕在硅胶体211的外表面，同时还将尼龙线212缠绕在软体手指2的末端，可防止软体手指2的末端产生非预期的变形。
为了便于与外界带压水源连通，请参照图1、图3和图4，在一优选的实施例中，所述变形机构21还包括进水管213及出水管214，所述进水管213及所述出水管214均固定于所述硅胶体211上，所述进水管213的一端与所述进水口2113连通，所述出水管214的一端与所述出水口2114连通，在使用时，进水管213的另一端与外部的液压泵的出口连通，出水管214的另一端与外部的电磁阀连接。
为了便于安装进水管213及出水管214，请参照图3和图4，在一优选的实施例中，所述变形机构21还包括固定块215，所述固定块215固定于所述硅胶体211上，所述固定块215上开设有第一固定孔及第二固定孔，所述进水管213固定插设于所述第一固定孔内，所述出水管214固定插设于所述第二固定孔内。
为了便于将硅胶体211固定于支架1，请参照图1、图3和图4，在一优选的实施例中，所述变形机构21还包括指根固定套216，所述指根固定套216的一端固定套设于所述硅胶体211的一端，所述指根固定套216的另一端与所述支架1固定连接。
为了具体实现变刚度机构22的功能，请参照图6-图8，在一优选的实施例中，所述变刚度机构22包括聚己内酯221、加热器222、编织套管223及压簧224，所述聚己内酯221设置于所述第二型腔2112内，所述聚己内酯221沿所述变形机构21的长度方向延伸，所述聚己内酯221的两端分别与所述第二型腔2112的内壁固定连接，所述加热器222嵌设于所述聚己内酯221内，所述编织套管223及所述压簧224均沿所述聚己内酯221的长度方向嵌设于所述聚己内酯221内。本实施例中，加热器222为镍铬电热丝，编织套管223的长度不可伸长，但可发生弯折，同时，编织套管223的材料能够耐高温，便于镍铬电热丝均匀缠绕在编织套管223外表面，以便于加热聚己内酯221，聚己内酯221有较低的熔点，为60℃，便于使用镍铬电阻丝控制其刚度的大小，压簧224起支撑作用，而且当软体手指2中的压强为零时，压簧224弯曲的恢复力能够辅助软体手指2恢复竖直状态。
为了具体实现变刚度机构22的一端与第二型腔2112的内壁固定连接，请参照图3和图4，在一优选的实施例中，所述软体手指2还包括前端固定件23，所述前端固定件23的一端与所述变刚度机构22的一端固定连接，所述前端固定件23的另一端与所述第二型腔2112的内壁固定连接。
为了具体实现变刚度机构22的另一端与第二型腔2112的内壁固定连接，请参照图3-图5，在一优选的实施例中，所述软体手指2还包括后端固定件24，所述后端固定件24的一端与所述变刚度机构22的另一端固定连接，所述后端固定件24的另一端与所述第二型腔2112的内壁固定连接。
在一些实施例中，所述支架1、指根固定套216、前端固定件23和后端固定件24均是使用聚乳酸材料通过3D打印机制成。硅胶体211将后端固定件24、变刚度机构22和前端固定件23包裹，利用未凝固的硅胶在凝固的过程中能够与已凝固的硅胶无缝粘合的特性进行分步骤制作。首先利用模具将纹波型腔室制成，再利用另外的模具和硅胶将腔室封闭，同时将连通管放入硅胶体211中，随后将变刚度机构22、后端固定件24和前端固定件23一同放入，能够利用硅胶体211将其包裹的模具中，等待凝固即可。
为了更好地理解本发明，以下结合图1-图8来对本发明提供的驱冷一体化的变刚度软体机械手的工作过程进行详细说明：在使用时，向进水口2113内通入带压水源，带压水源依次进入第一型腔2111及第二型腔2112后从出水口2114返排至带压水源内，形成循环，当带压水源通过第一型腔2111时，第一型腔2111的外壁伸长，当带压水源通过第二型腔2112时，由于第二型腔2112内的变刚度机构22不能伸长、仅能弯曲，因此第二型腔2112的外壁无法伸长，从而使硅胶体211弯曲变形，在多个软体手指2的硅胶体211均向内弯曲时，可实现对目标物体的抓取；同时，机械手在工作的过程中，可以根据抓取目标的不同，调节变刚度机构22的刚度，具体来说，通过镍铬电热丝改变聚己内酯221的温度，进而改变软体手指2的刚度，实现对不同物体的抓取，聚己内酯221在常温的空气中由软化的状态转化成固态需要的时间比较长，所以需要设置冷却装置来加快其冷却速度，而本发明中，当带压水源流经第二型腔2112时，可对聚己内酯221进行冷却，从而本发明中不需要设置额外的冷却装置对聚己内酯221进行冷却，即实现了驱动和冷却一体化，从而减少驱动元件的数量。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，包括支架及至少两个软体手指，其中，各个所述软体手指均包括变形机构及变刚度机构；
所述变形机构的一端固定于所述支架上，所述变形机构内具有相互连通的第一型腔及第二型腔，所述第一型腔及所述第二型腔均沿所述变形机构的长度方向延伸，所述变形机构上开设有与所述第一型腔连通的进水口，所述变形机构上还开设有与所述第二型腔连通的出水口；
所述变刚度机构设置于所述第二型腔内，所述变刚度机构的两端分别与所述第二型腔的内壁固定连接。
2.根据权利要求1所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变形机构包括硅胶体，所述硅胶体的一端固定于所述支架上，所述第一型腔及所述第二型腔均开设于所述硅胶体内，所述第一型腔及所述第二型腔均沿所述硅胶体的长度方向延伸，所述进水口及所述出水口均开设于所述硅胶体上。
3.根据权利要求2所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述第一型腔的侧壁上形成有褶皱部。
4.根据权利要求2所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变形机构还包括尼龙线，所述尼龙线绕设于所述硅胶体的侧壁上。
5.根据权利要求2所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变形机构还包括进水管及出水管，所述进水管及所述出水管均固定于所述硅胶体上，所述进水管的一端与所述进水口连通，所述出水管的一端与所述出水口连通。
6.根据权利要求5所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变形机构还包括固定块，所述固定块固定于所述硅胶体上，所述固定块上开设有第一固定孔及第二固定孔，所述进水管固定插设于所述第一固定孔内，所述出水管固定插设于所述第二固定孔内。
7.根据权利要求2所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变形机构还包括指根固定套，所述指根固定套的一端固定套设于所述硅胶体的一端，所述指根固定套的另一端与所述支架固定连接。
8.根据权利要求1所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述变刚度机构包括聚己内酯、加热器、编织套管及压簧，所述聚己内酯设置于所述第二型腔内，所述聚己内酯沿所述变形机构的长度方向延伸，所述聚己内酯的两端分别与所述第二型腔的内壁固定连接，所述加热器嵌设于所述聚己内酯内，所述编织套管及所述压簧均沿所述聚己内酯的长度方向嵌设于所述聚己内酯内。
9.根据权利要求1所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述软体手指还包括前端固定件，所述前端固定件的一端与所述变刚度机构的一端固定连接，所述前端固定件的另一端与所述第二型腔的内壁固定连接。
10.根据权利要求9所述的驱冷一体化的变刚度软体机械手，其特征在于，所述软体手指还包括后端固定件，所述后端固定件的一端与所述变刚度机构的另一端固定连接，所述后端固定件的另一端与所述第二型腔的内壁固定连接。
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