CN114770570A - 一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手 - Google Patents
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Abstract
一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，包括气动驱动单元和各自独立控制的机械手单元，所述机械手单元包括整体形状呈仿生树枝结构的壳体，其至少一个沿长度方向的表面采用锯齿状结构，所述壳体内部具有形状一致的腔体，在与所述锯齿状结构相对位置的壳体表面还叠设有应变限制层，所述壳体和应变限制层均采用柔性材料，且应变限制层所采用杨氏模量大于腔体的柔性材料；所述仿生树枝结构的壳体和腔体均由一级主支部和若干级分支部构成，多级分支部的分支数量按照预定规律递增，各支部的分支的腔体分别与所述气动驱动单元相连且相互独立。本发明能够实现稳定，无损，灵巧抓取更多类型物体，且响应时间更短，形变过程更快速，抓取速率更高。
Description
技术领域:
本发明涉及一种柔性仿生气动机械手，尤其是一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，属于机器人技术领域。
背景技术
公知的，随着计算机技术、控制技术、人工智能技术的不断发展，机器人在智能制造、医疗技术、航空航天等领域扮演者越来越重要的角色。传统的机械手通常由刚性部件和刚性接头构成，有限的自由度，只能用来执行单一任务，缺乏环境的适应性。并且，传统的机械手大多由金属材料制作而成，与被抓持物体之间一般是刚性接触，缺乏必要的柔顺性。随着软材料的进一步发展，智能机器人正朝着自然交互、软体仿生技术、无损安全抓取的方向飞速发展。其中，软体机械手作为软体机器人中一个具有重大影响力的领域，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。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。
抓取操作是机器人执行各种复杂任务所必须具备的重要能力，基于柔性材料制作的软体机械手与传统的刚性机械手相比，其操作细小或易碎物体的能力更强。目前，根据驱动方式划分全柔性机械手主要为两种：智能材料驱动和气动驱动。其中，气动驱动的全柔性机械手主要结合3D打印技术打印驱动器模具，注入超弹性硅胶材料制成全柔性机器人驱动器，通过施加气压使驱动器变形。相比于智能材料驱动的全柔性机械手，气动驱动的全柔性机械手变形更大、相应更快、运动更加灵活，适用于更广泛的场景。
目前，在已知的柔性仿生气动机械手中，有一种全柔性气动式软体仿生机械手CN202111226952.1，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，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。
上述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。
此种已知的全柔性气动式软体仿生机械手存在以下不足：
1、这种机械手只有左右两个气腔构成，虽然可以独立控制每个气腔，实现各种伸缩、弯曲动作，但是由于两个气腔间由隔膜相连接，伸缩、弯曲的形变量有限，在单独控制一个气腔微调机械手变形的程度时，另外一个气腔会受到影响，导致抓取不稳定，可能会对被抓取物体造成损伤，无法更灵巧的抓取物体；
2、该机械手与物体接触时的面积有限、抓取的受力点比较集中，导致抓取一些表面光滑、形状较大的物体时，不能安全的抓取，并且单个机械手无法进行捏取、夹取的操作，只能进行夹取和包裹的操作，使用的方式单一。
3、该机械手采用仿生三叶草结构，在对机械手充气的过程中，由于前端机械手的自由端比较短，即三叶草花瓣前端不相连的部分比较短，这会导致机械手形变的过程比较慢，抓取速率偏低。
发明内容
为了克服相关技术的上述不足，本发明提供一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，该机械手能够实现稳定，无损，灵巧抓取更多类型物体，且响应时间更短，形变过程更快速，抓取速率更高。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，包括气动驱动单元和各自独立控制的机械手单元，所述机械手单元包括整体形状呈仿生树枝结构的壳体，其至少一个沿长度方向的表面采用锯齿状结构，所述壳体内部具有形状一致的腔体，在与所述锯齿状结构相对位置的壳体表面还叠设有应变限制层，所述壳体和应变限制层均采用柔性材料，且应变限制层所采用杨氏模量大于壳体的柔性材料；所述仿生树枝结构的壳体和腔体均由一级主支部和若干级分支部构成，多级分支部的分支数量按照预定规律递增，各支部的分支的腔体分别与所述气动驱动单元相连且相互独立。
可选的，所述多级分支部的分支数量以2的大于0的整数次方依次递增，每级分支部均布置在以上一级支部的端部，并两两分支为一组以上一级分支部的分支的中心线镜像对称排列。
可选的，所述主支部的主支腔体和各分支部的分支腔体均为一端开口、另一端封闭的结构且相互独立，主支腔体和各分支腔体的开口端均设置在主支部的端部；所述壳体具有与腔体一致的开口结构；所述开口端作为进气口分别与所述气动驱动单元相连。
可选的，所述主支腔体的进气口设置在所述端部中间位置，各个分支腔体的进气口均对称布置在其上一级支部的进气口的两侧。
可选的，所述分支部中每两个镜像对称排列的分支与所述中心线的夹角均成60°。
可选的，所述壳体的柔性材料均选用聚二甲基硅氧烷和碳黑混合溶剂制备；所述应变限制层的柔性材料采用硅橡胶和碳黑混合溶剂制备。
可选的，所述主支腔体与分支腔体之间以及各分支腔体之间均通过隔膜相隔成独立的气道，隔膜与壳体内壁的接触部分使用硅橡胶粘接。
可选的，所述机械手由三个机械手单元构成，三个机械手单元互为120°夹角且互不接触。
由上述技术方案，机械手的腔体随着等级枝干的增加按照指数递增，每一个腔体独立控制，不会受到其他气腔的影响，可以实现稳定，无损，灵巧抓取。同时，便于根据需要调整分支部的级数，并采用多级控制原理，使分支分支部的张开角度以及闭合的形态不同，可以与物体实现全面贴合，增大了抓取时的接触面积，对于表面光滑、形状不规则、体积较小的物体，也可以使用不同的抓取方式，能够适应更多形状物体的抓取。此外，本发明的机械手采用仿生树枝结构的壳体和腔体，气道较窄，响应时间短，形变过程快速，抓取速率高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例中机械手单元的立体图。
图2是本发明一个实施例中机械手单元的主视图。
图3是图2中A-A处的剖视图。
图4是本发明一个实施例中机械手单元的俯视图。
图5是图4中B-B处的剖视图。
附图标记说明：1、机械手单元，11、壳体，1101、锯齿状结构，1102、应变限制层，12、腔体，1201、主支腔体，1202、第一级分支腔体，1203、第二级分支腔体，1201、隔膜，13、主支部，1301、主支进气口，14、分支部，1401、第一级分支部，1401-1、第一分支进气口，1402、第二级分支部，1402-1、第二分支进气口。
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中的附图，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的一部分实施例，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，都属于本发明的保护范围。
图1至图5示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，包括气动驱动单元和各自独立控制的机械手单元1，所述机械手单元1包括整体形状呈仿生树枝结构的壳体11，其至少一个沿长度方向的表面采用锯齿状结构1101，所述壳体11内部具有形状一致的腔体12，在与所述锯齿状结构1101相对位置的壳体11表面还叠设有应变限制层1102。
由于壳体11和腔室设有锯齿状结构1101，整体外形呈现树枝枝干的形状，内部每一级枝的每一个树枝有独立气道，可通过树干根部的气道开口(即进气口)进行气体驱动，因此只需控制不同气腔的气压值，便可以实现不同形式的弯曲，结构简单，操作方便。腔室的锯齿状结构1101可以使腔室在充气时优先纵向伸长而不是横向膨胀，能够使机械手单元1具有大形变的优点。进行充气，当腔体12内部气压增大时，由于锯齿状结构1101的约束作用，会使腔体12优先在长度方向伸长。壳体11的弯曲形状取决于弯曲的枝干数，当锯齿状结构1101的壳体11受到来自腔体12的压力后，将因受力而伸长弯曲，壳体11各个部位离形变后的腔体12距离越远，伸长量越小。
同时，实施例中所述仿生树枝结构的壳体和腔体12均由一级主支部13和若干级分支部4构成，多级分支部4的分支数量按照预定规律递增，各支部的分支的腔体12分别与所述气动驱动单元相连且相互独立。
机械手单元1中每级树枝枝干(即分支部4的分支)腔体12的不同弯曲组合，通过多级控制原理，可以实现机械手的不同抓取形态，使机械手在面对形状不规则物体，尺寸较小或较大物体时，采用不同级的分支部4进行抓取，具有更强的适应性，提高了机械手抓取的安全性和稳定性。同时，通过树枝枝干状(即整体形状呈仿生树枝结构)的机械手在抓取物体时，接触点为枝干(即分支)的整个面，接触面积更大以实现更稳定的抓取。
在本实施例中，所述壳体11和应变限制层1102均采用柔性材料，且应变限制层1102所采用杨氏模量大于壳体11的柔性材料。通过机械手单元1的组成部分-壳体11、应变限制层1102均采用柔性材料制成，能够实现软抓取，安全且简单易行。
通过每个枝干(即分支)底部设置的应变限制层，当对某一枝干(即分支)相对应气道充气时，机械手内部腔体12会由于膨胀压着应变限制层1102实现正向弯曲，从而实现的枝干(即分支)弯曲闭合。当进行抽气时，由于底部应变限制层1102采用材料的杨氏模量大于上部壳体11的材料，机械手整个会实现负向弯曲，从而实现枝干的张开。
本实施例的一种可选实施方式，所述多级分支部4的分支数量以2的大于0的整数次方依次递增，即2，4，8，16......以此类推，每级分支部4均布置在以上一级支部的端部，并两两分支为一组以上一级分支部4的分支的中心线镜像对称排列。进一步优选的，所述分支部4中每两个镜像对称排列的分支与所述中心线的夹角均成60°。
在本具有实施例中，机械手单元1是由一个主支部13和两级分支部4组成，第一级分支部1401有2个分支，第二级分支部1402有4个分支。其弯曲原理是，机械手的主支、第一级分支、第二级分支采用独立气道分别控制，即三个部分的弯曲是独立的、分别控制的。当抓取物体时，先对机械手的主支腔体1201进行充气，使机械手整体大形变弯曲，当机械手弯曲与物体接触之后，根据接触的情况，对第一级分支腔体1202进行充气，让机械手更多的与物体接触，进一步地根据机械手抓取的情况，来对第二级分支腔体1203进行充气控制，使机械手与物体更多的接触，从而实现更安全、更稳定的抓取物体。
在本实施例的可选实施方式中，所述主支部13的主支腔体1201和各分支部4的分支腔体均为一端开口、另一端封闭的结构且相互独立，主支腔体1201和各分支腔体的开口端均设置在主支部13的端部，在本实施例中各分支部4的分支腔体是指第一级分支腔体1202和第二级分支腔体1203；所述开口端作为进气口分别与所述气动驱动单元相连。所述壳体11与腔室设置成一致的一端封闭、另一端开口的形式，从而保持腔体12的开口方向与壳体11的开口方向一致。
在本实施例的可选实施方式中，所述主支腔体1201的主支进气口1301设置在所述端部中间位置，各个分支腔体的进气口均对称布置在其上一级支部的进气口的两侧，本实施例具体的，两个第一分支进气口1401-1分别位于主支进气口1301的两侧，四个第二分支进气口1402-1分成两组，每组的两个第二分支进气口1402-1对称设置在一个第一分支进气口1401-1两侧。优选的，所述腔体12分布于壳体11内部空间的正中，这样的设计便于在气腔数目一定的条件下，可以使柔性机械手自由度的可控性最佳。
在本实施例的可选实施方式中，所述主支腔体1201与分支腔体之间以及各分支腔体之间均通过隔膜1201相隔成独立的气道，隔膜1201与壳体11内壁的接触部分使用硅橡胶粘接，除粘接处外，隔膜1201与壳体11、壳体11与壳体11之间在初始状态均不相接触。
在选材和制备工艺方面，本实施例的所述壳体11的柔性材料可以均选用聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)和碳黑混合溶剂以3D打印技术制备；该制作材料还可以由其他固化后是柔性的材质代替，例如AB胶，从而保证了整体结构的柔性和环境友好性，使机械手能够很好地适应周围环境，快速完成较大形变，进而实现软抓取。所述应变限制层1102的柔性材料采用硅橡胶和碳黑混合溶剂制备。
本发明各实施例的整个机械手主要基于3D打印技术和硅橡胶流体成型技术，具体按以下步骤进行制作：
首先，利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，分析腔体12的锯齿个数、大小、气腔数目及分布，以及壳体11的厚度等，逐步优化尺寸参数，综合考虑多角度因素，最终确定结构。
确定好相关结构及参数后，利用三维建模软件(如SolidWorks、COMSOLMultiphysics等)设计气腔的模具以及波纹状外壳的模具。
待模具设计完毕，转换文件为gcode格式，在3D打印机中将这些模具一一打印出来，为防止模具在注入材料、凝固的过程、以及脱模中发生变形，需要将每个模具打印多份。
模具打印结束后，需对模具的表面进行细磨，以防止在3D打印过程中出现的瑕疵造成对机械手样品成型的影响。各部件固化并脱模后，采用硅橡胶做粘接剂，将锯齿状外壳相粘接，并以粘接处作为中间的隔膜1201，之后再将壳体11与应变限制层1102粘合，并与相应的气动驱动单元进行组装，最终得到本发明的全柔性气动式软体仿生机械手。
本发明具体实施中的三级树枝结构的机械手在使用时，首先，树枝枝干能够直接获得不同的弯曲，进而由腔体12与腔体12之间不同变形程度产生的相互作用力，腔体12与枝干之间因为连接位置产生的作用力，腔体12与枝干壳体11在形状上的不同和配合，以上诸多因素综合发挥作用，可以完成仿生机械手抓取物体的弯曲过程。其次，从腔体12的多级控制方面，气腔调分级控制将使机械手拥有不同的包裹弯曲程度，可以灵活根据使用场景进行搭配，从而能在最大化节约成本的前提下，完成特定的抓取任务。调节腔体12中的气压，根据待抓取物体的形状，可采用以下方式一到方式三进行抓取，分门别类，适应性更强，抓取更牢固，且便捷高效：
方式一、当仅使用第二级分支部1402时，可以实现捏取动作；以铅笔为例，使用机械手单元1的左半部分的第二级分支部1402的两个分支，通过对其气道进行充气，使该分支弯曲，实现对铅笔的捏取的动作。
方式二、当使用第一级分支部1401与第二级分支部1401配合时，可以实现夹取动作；以乒乓球为例，同时使用机械手单体的左右两边的第一级分支部1401和第二级分支部1402的分支，先充气将第一级分支弯曲到一定程度，然后第二级分支的气道充气，实现对乒乓球的夹取的动作，更加稳定的抓取。
方式三、当使用主支部13、第一级分支部1401和第二级分支部1402配合时，可以实现包裹物体进行抓取的动作；以网球为例，使用所有支部的分支，首先充气将主支部13的主支腔体1201接近网球弯曲，再依次弯曲第一级分支和第二级分支，实现对网球队包裹动作。
以上三种抓取方式都与物体接触面积大，从而抓取的稳定性显著提升，能够胜任各种复杂任务的执行。
上述各实施例的机械手均是以一个机械手单元1为例，为了应对更复杂的任务，还可以采用多个机械手单元1的组合完成，例如：所述机械手可以由三个机械手单元1构成，三个机械手单元1处于等边三角形三个顶角布置，即每两个机械手单元1之间角度相差120°，三个机械手单元1互不接触。三个机械手单元1组合使用可以实现夹取、托起等操作，针对不同的物体进行不同的抓取操作，更适用于对形状不规则、易碎易破物体的抓取，在非结构化和复杂环境下抓取效果更好，机械手的组合使用提高了机械手使用的灵活性和应用场景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，包括气动驱动单元和各自独立控制的机械手单元(1)，其特征是：所述机械手单元(1)包括整体形状呈仿生树枝结构的壳体(11)，其至少一个沿长度方向的表面采用锯齿状结构(1101)，所述壳体(11)内部具有形状一致的腔体(12)，在与所述锯齿状结构(1101)相对位置的壳体(11)表面还叠设有应变限制层(1102)，所述壳体(11)和应变限制层(1102)均采用柔性材料，且应变限制层(1102)所采用杨氏模量大于壳体(11)的柔性材料；所述仿生树枝结构的壳体(11)和腔体(12)均由一级主支部(13)和若干级分支部(14)构成，多级分支部(14)的分支数量按照预定规律递增，各支部的分支的腔体(12)分别与所述气动驱动单元相连且相互独立。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述多级分支部(14)的分支数量以2的大于0的整数次方依次递增，每级分支部(14)均布置在以上一级支部的端部，并两两分支为一组以上一级分支部(14)的分支的中心线镜像对称排列。
3.根据权利要求2所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述主支部(13)的主支腔体(1201)和各分支部(14)的分支腔体均为一端开口、另一端封闭的结构且相互独立，主支腔体(1201)和各分支腔体的开口端均设置在主支部(13)的端部；所述壳体(11)具有与腔体(12)一致的开口结构；所述开口端作为进气口分别与所述气动驱动单元相连。
4.根据权利要求3所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述主支腔体(1201)的主支进气口(1301)设置在所述端部中间位置，各个分支腔体的进气口均对称布置在其上一级支部的进气口的两侧。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述分支部(14)中每两个镜像对称排列的分支与所述中心线的夹角均成60°。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述壳体(11)的柔性材料均选用聚二甲基硅氧烷和碳黑混合溶剂制备；所述应变限制层(1102)的柔性材料采用硅橡胶和碳黑混合溶剂制备。
7.根据权利要求7所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述主支腔体(1201)与分支腔体之间以及各分支腔体之间均通过隔膜(1201)相隔成独立的气道，隔膜(1201)与壳体(11)内壁的接触部分使用硅橡胶粘接。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种基于仿树枝结构的全柔性仿生气动式机械手，其特征是：所述机械手由三个机械手单元(1)构成，三个机械手单元(1)互为120°夹角且互不接触。
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