CN114474115A - 一种刚柔耦合仿生手指及夹爪 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械手技术领域，涉及一种刚柔耦合仿生手指及夹爪。一种刚柔耦合仿生手指，包括底座、第一指节、第二指节与第三指节；所述第一指节与底座通过掌指关节实现可转动连接；第一指节与第二指节通过近端指尖关节实现可转动连接；第二指节与第三指节通过远端指尖关节可转动地连接；第一指节与底座上设有驱动器一，驱动器一驱动第一指节相对于底座转动；第一指节与第三指节上设有驱动器二，驱动器二驱动第二指节与第三指节转动；所述掌指关节、近端指尖关节和远端指尖关节上均设有复位机构。本发明提出一种刚柔耦合仿生手指，解决现有仿生手指中存在的难以适应非结构化环境、刚度较低、结构复杂、灵巧性不足的问题。

Description

一种刚柔耦合仿生手指及夹爪

技术领域

本发明属于机械手技术领域，涉及一种刚柔耦合仿生手指及夹爪。

背景技术

现有的机械手仿生手指主要分为刚性仿生手指和柔性仿生手指。刚性仿生手指控制精度高，鲁棒性好，输出稳定而且输出力较大，但是对复杂表面形状物体的适应性较差，安全性较弱。柔性仿生手指在非结构化的工作环境中具有更好的柔顺性、适应性，但是其难以精确控制，而且软体结构缺乏刚度，输出力较小。因此，刚柔耦合的仿生手指结合了刚性仿生手指和柔性仿生手指的优势，具有更好的应用价值，但现有的刚柔一体化的机械手指结构复杂，灵巧性不足，制作困难。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种刚柔耦合仿生手指，解决现有仿生手指中存在的难以适应非结构化环境、刚度较低、结构复杂、灵巧性不足的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种刚柔耦合仿生手指，其特殊之处在于：

包括底座、第一指节、第二指节与第三指节；

所述第一指节与底座通过掌指关节实现可转动连接；第一指节与第二指节通过近端指尖关节实现可转动连接；第二指节与第三指节通过远端指尖关节可转动地连接；

第一指节与底座上设有驱动器一，驱动器一驱动第一指节相对于底座转动；第一指节与第三指节上设有驱动器二，驱动器二驱动第二指节与第三指节转动；

所述掌指关节、近端指尖关节和远端指尖关节上均设有复位机构。

进一步地，上述掌指关节包括转轴，底座、第一指节之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，底座、第一指节上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入底座、第一指节上的小孔内。

进一步地，上述近端指尖关节包括转轴，第一指节与第二指节之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第一指节与第二指节上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第一指节与第二指节上的小孔内。

进一步地，上述远端指尖关节包括转轴，第二指节与第三指节之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第二指节与第三指节上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第二指节与第三指节上的小孔内。

进一步地，上述驱动器一包括波纹管，第一指节上设有凸台，所述波纹管的两端分别与底座、第一指节上的凸台通过紧固件固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管。

进一步地，上述驱动器二包括波纹管，所述波纹管的两端分别与第一指节上的凸台、第三指节通过紧固件固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管，第一指节上的凸台、底座上均设有孔洞，气管穿过第一指节上的凸台和底座上的孔洞后伸出。

进一步地，上述第三指节上设有指腹，所述指腹为柔性材质，例如橡胶或者硅胶材质。

另外，本发明还提出一种夹爪，其特殊之处在于：

包括气动滑轨气缸、若干个滑块，每个滑块与气动滑轨气缸的导轨配合，形成移动副；每个滑块上分别固定有刚柔耦合仿生手指。

进一步地，上述滑块的数量为两个，两个滑块相对设置。

进一步地，还包括导轨固定架，气动滑轨气缸固定在导轨固定架上。

与现有技术相比，本发明的刚柔耦合仿生手指的显著优点是：

本发明的刚柔耦合仿生手指可以通过充入不同气压使波纹管驱动器发生不同的弯曲变形，使得仿生手指做出不同的动作，进而可以制作出方便完成不同属性物品的自适应灵巧抓取和操纵的仿生手以及机械夹爪；通过气泵和扭簧驱动手指的运动，相较于电机等驱动可以提供柔顺的自适应力，并且指尖指腹部分为由软体材料制作而成的软体机构，使得仿生手指具备更好的柔顺性和适应性，可以实现易碎、非结构化物体的抓取；本发明的仿生手指结构为模块化集成，可以根据实际应用需求装配成任意数量的手指，扩展性、易换性好；本发明的仿生手指结构总体结构简单，安装集成度高，两个驱动器分别单独控制，灵巧性高，可以根据实际应用需求调整为单自由度，控制简单。

附图说明

图1是本发明实施例的刚柔耦合仿生手指的斜视图；

图2是本发明实施例的刚柔耦合仿生手指的弯曲过程的示意图；

图3是本发明实施例的刚柔耦合仿生手指的第三指节示意图；

图4是本发明实施例的刚柔耦合仿生手指的第二指节示意图；

图5是本发明实施例的刚柔耦合仿生手指的第一指节示意图；

图6是本发明实施例的刚柔耦合仿生二指夹爪的斜视图；

图7是本发明实施例的刚柔耦合仿生二指夹爪的张开状态示意图；

图8是本发明实施例的刚柔耦合仿生二指夹爪的抓取状态示意图。

图中，1.第三指节，2.远端指尖关节，3.第二指节，4.近端指尖关节，5.驱动器二，6.第一指节，7.紧固件，8.掌指关节，9.驱动器一，10.底座，11.气管，12.指腹，13.扭簧，14.小孔，15.孔洞，100.刚柔耦合仿生手指，201.滑块，202.导轨固定架，203.气动滑轨气缸。

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。

参见图1至图5，本发明提供了一种刚柔耦合仿生手指，包括底座10、第一指节6、第二指节3与第三指节1；所述第一指节6与底座10通过掌指关节8实现可转动连接；第一指节6与第二指节3通过近端指尖关节4实现可转动连接；第二指节3与第三指节1通过远端指尖关节2可转动地连接；第一指节6与底座10上设有驱动器一9，驱动器一9驱动第一指节6相对于底座10转动；第一指节6与第三指节1上设有驱动器二5，驱动器二5驱动第二指节3与第三指节1转动；所述掌指关节8、近端指尖关节4和远端指尖关节2上均设有复位机构。

在本发明的一些实施例中，参见图1、图2和图3，所述掌指关节8包括转轴，底座10、第一指节6之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，底座10、第一指节6上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入底座10、第一指节6上的小孔内。

在本发明的一些实施例中，参见图1、图2和图4，所述近端指尖关节4包括转轴，第一指节6与第二指节3之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第一指节6与第二指节3上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第一指节6与第二指节3上的小孔内。

在本发明的一些实施例中，参见图1、图2和图5，所述远端指尖关节2包括转轴，第二指节3与第三指节1之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第二指节3与第三指节1上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第二指节3与第三指节1上的小孔内。

在本发明的一些实施例中，参见图1和图2，所述驱动器一9包括波纹管，第一指节6上设有凸台，所述波纹管的两端分别与底座10、第一指节6上的凸台通过紧固,7固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管。

在本发明的一些实施例中，所述驱动器二5包括波纹管，所述波纹管的两端分别与第一指节6上的凸台、第三指节1通过紧固件7固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管11，第一指节6上的凸台、底座10上均设有孔洞，气管11穿过第一指节6上的凸台和底座10上的孔洞后伸出。

在本发明的一些实施例中，所述第三指节1上设有指腹12，所述指腹12为柔性材质，例如橡胶或者硅胶材质。指腹12通过粘合剂贴在第三指节1的掌心一侧。

在本发明的一些实施例中，仿生手指包括刚性结构和柔性驱动器，体现出较强适应性、柔顺性的同时具备足够的刚性；柔性驱动器波纹管通过气泵和扭簧完成驱动，相较于现存的大多数灵巧手的电机等驱动，可以提供更加柔和的驱动力，柔顺性更强，可以较好的满足对易碎、复杂形状物体的抓取需求；而且与物体接触的指腹12由柔性材料TPU制作而成，进一步提高手指在抓取物体时的适应性。

在本发明的一些实施例中，驱动一9与驱动器二5可以分别单独控制，从而使得仿生手指具备两个自由度，进而提高仿生手指的灵巧性。

在本发明的一些实施例中，底座10与第一指节6不在同一平面，使得波纹管驱动器一9在仿生手指转动方向存在一个初始角度；第一指节6、第二指节3和第三指节1不在同一平面，使得驱动器二5在仿生手指转动方向存在一个初始角度。

当驱动器波纹管气腔内充入一定气压后，波纹管膨胀从而沿着初始角度方向发生弯曲变形。驱动器二5弯曲时，在两端紧固件7固定连接的作用下，第一指节6绕着掌指关节8进行旋转；驱动器一9弯曲时，在两端紧固件7固定连接的作用下，第二指节3绕着近端指尖关节4进行旋转，第三指节1绕着远端指尖关节进行旋转。

仿生手指发生弯曲后，扭簧13也发生弯曲变形，撤去气压后，手指关节在扭簧作用力的带动下恢复到初始状态。

本实施例还提供了一种夹爪，该夹爪包括上述的刚柔耦合仿生手指。

具体地，一种夹爪，包括气动滑轨气缸203、若干个滑块201，每个滑块201与气动滑轨气缸203的导轨配合，形成移动副；每个滑块201上分别固定有如上述的刚柔耦合仿生手指。

参阅图6，可以利用本发明中的刚柔耦合仿生手指设计成二指夹爪，包括两个刚柔耦合仿生手指100，两个相同的滑块201，导轨固定架202以及气动滑轨气缸203。

其中，所述整体装置可以通过导轨固定架202安装在机械臂等机械装置上；气动滑轨气缸203通过通孔与导轨固定架202固定；两个滑块201与气动滑轨气缸203的导轨配合，形成移动副；两个刚柔耦合仿生手指100通过通孔分别固定在两个滑块201上。

参阅图7，在抓握物体前，对刚柔耦合仿生手指100的两个驱动器同时抽气，使得波纹管驱动器相较于常态下收缩变短，造成手指关节向指心的反方向弯曲，进而使得刚柔耦合仿生二指夹爪呈现张开状态，以方便抓取物体；同时气动滑轨气缸203驱动两个滑块在滑轨上移动，从而带动两根手指平移，进而调节夹爪的两根手指之间的距离。

参阅图8，在抓握物体时，对刚柔耦合仿生手指100的两个驱动器分别充入一定气压，使得波纹管驱动器相较于常态下膨胀变长，造成手指关节向指心方向弯曲，进而使得刚柔耦合仿生二指夹爪呈现抓取状态。

本实施案例中的气动滑轨气缸可替换为三指、四指气缸，以适应不同形状、重量的物体的抓取需求。说明本发明有很强的迁移性和可扩展性，可以根据具体应用需求简单地实现从二指夹爪到三指、四指夹爪的转化。

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 (10)

1.一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

包括底座(10)、第一指节(6)、第二指节(3)与第三指节(1)；

所述第一指节(6)与底座(10)通过掌指关节(8)实现可转动连接；第一指节(6)与第二指节(3)通过近端指尖关节(4)实现可转动连接；第二指节(3)与第三指节(1)通过远端指尖关节(2)可转动地连接；

第一指节(6)与底座(10)上设有驱动器一(9)，驱动器一(9)驱动第一指节(6)相对于底座(10)转动；第一指节(6)与第三指节(1)上设有驱动器二(5)，驱动器二(5)驱动第二指节(3)与第三指节(1)转动；

所述掌指关节(8)、近端指尖关节(4)和远端指尖关节(2)上均设有复位机构。

2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述掌指关节(8)包括转轴，底座(10)、第一指节(6)之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，底座(10)、第一指节(6)上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入底座(10)、第一指节(6)上的小孔内。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述近端指尖关节(4)包括转轴，第一指节(6)与第二指节(3)之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第一指节(6)与第二指节(3)上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第一指节(6)与第二指节(3)上的小孔内。

4.根据权利要求3所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述远端指尖关节(2)包括转轴，第二指节(3)与第三指节(1)之间通过转轴实现铰接，所述复位机构包括扭簧，第二指节(3)与第三指节(1)上均设有小孔，扭簧套设在转轴上，扭簧的两端分别插入第二指节(3)与第三指节(1)上的小孔内。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述驱动器一(9)包括波纹管，第一指节(6)上设有凸台，所述波纹管的两端分别与底座(10)、第一指节(6)上的凸台通过紧固件固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管。

6.根据权利要求5所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述驱动器二(5)包括波纹管，所述波纹管的两端分别与第一指节(6)上的凸台、第三指节(1)通过紧固件固定连接，波纹管两端密封，波纹管上设有进气口，进气口上连接气管，第一指节(6)上的凸台、底座(10)上均设有孔洞，气管穿过第一指节(6)上的凸台和底座(10)上的孔洞后伸出。

7.根据权利要求6所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述第三指节(1)上设有指腹(12)，所述指腹(12)为柔性材质。

8.一种夹爪，其特征在于：

包括气动滑轨气缸(203)、若干个滑块(201)，每个滑块(201)与气动滑轨气缸(203)的导轨配合，形成移动副；每个滑块(201)上分别固定有如权利要求1-7所述的刚柔耦合仿生手指。

9.根据权利要求8所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

所述滑块(201)的数量为两个，两个滑块(201)相对设置。

10.根据权利要求9所述的一种刚柔耦合仿生手指，其特征在于：

还包括导轨固定架(202)，气动滑轨气缸(203)固定在导轨固定架(202)上。

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