CN115922760A - 一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架，包括指尖（1）、中指节（2）、下指节（3）和末指节（4），所述指尖与中指节之间、所述中指节与下指节之间，所述下指节与末指节之间均通过变刚连接轴（5）活动连接；所述变刚连接轴包括锁紧锥轴（6）和设于锁紧锥轴内的充气膨胀件，所述指尖、中指节、下指节和末指节设有锁紧孔（7），所述锁紧锥轴与锁紧孔相适配，当充气膨胀件充气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合，相邻两个指节相对固定；当充气膨胀件排气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动。本发明能够实现快速高效的改变软体机器人在运动过程中的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。

Description

一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架。

背景技术

随着科技的不断进步，传统的刚体机器人由于驱动形式单一，惯性大，无法直接和人、环境进行交互，导致无法参与到特殊的应用场景来。软体触手型机器人是由柔软的材料制作而成，软体触手型机器人的优点在于它可以实现很多刚体机器人不能完成的运动和动作。例如：扭转、伸展、柔性接触等操作。但是软体触手型机器人牺牲了刚度才换取来高柔性和无限自由度的特点，也正是因为软体触手型机器人缺少了刚度，导致了该类型机器人很难在生活中得到运用，如抓取力度不大，物品容易掉落等。如何能够让软体触手型机器人在不改变其高柔性和无限自由度的特点同时可以快速的提高其刚度，具有重要的研究意义。

发明内容

本发明为了解决现有软体触手型机器人刚度不够的问题，提供一种能够实现快速高效的改变软体机器人在运动过程中的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体的刚柔软耦合可变刚度单指骨架。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架，包括指尖、中指节、下指节和末指节，所述指尖与中指节之间、所述中指节与下指节之间，所述下指节与末指节之间均通过变刚连接轴活动连接；所述变刚连接轴包括锁紧锥轴和设于锁紧锥轴内的充气膨胀件，所述指尖、中指节、下指节和末指节的连接端分别设有锁紧孔，所述锁紧锥轴与锁紧孔相适配，当所述充气膨胀件充气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合，相邻两个指节相对固定；当所述充气膨胀件排气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动。

本发明通过在指尖与中指节之间、中指节与下指节之间，下指节与末指节之间采用变刚连接轴活动连接，通过改变充气膨胀件内气压的状态，高效变刚，当所述充气膨胀件充气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合，相邻两个指节相对固定，为锁紧状态，表现为刚度高，可以在不影响运动状态的前提下大大提高刚度，提高抓取力度等作业能力；当所述充气膨胀件排气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动，为自由状态，变现为刚度低，可以保持软体触手型机器人自身的柔性和自由度。

优选地，所述指尖包括指尖本体，所述指尖本体设有凹槽，所述凹槽内设有压力传感器，所述凹槽外设有盖板。压力传感器可以实时测试指尖的受力状况，具有一定的力感知能力，便于控制刚柔软耦合可变刚度单指骨架。

优选地，所述凹槽的腔体为圆柱体，所述凹槽的内壁对称设有一对导向槽，两个导向槽的下端分别沿圆周反向延伸形成有锁紧槽；所述盖板为圆形，且两侧对称设有一对滑块，所述盖板靠近边缘处设有旋钮，所述滑块与导向槽和锁紧槽相适配。

在本申请的上述技术方案中，在安装压力传感器时，先将压力传感器放入凹槽内，然后将盖板的滑块与导向槽对齐放入凹槽内，通过转动旋钮，使得滑块滑入锁紧槽内，完成装配。该装配结构设计巧妙，在运动过程中具有锁紧功能，防止压力传感器掉落，安全性高。

优选地，所述指尖本体的端部设有第一连接耳，所述中指节包括相互扣合的中指卡板和中指盖板，所述锁紧孔形成于中指盖板的两端，所述中指卡板与锁紧孔对应处设有两个固定孔，所述第一连接耳位于中指节一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第一连接耳和固定孔，形成铰接结构。

优选地，所述下指节包括下指节本体和设于下指节本体两端的第二连接耳和第三连接耳，所述末指节包括相互扣合的末指卡板和末指盖板，所述锁紧孔设于末指盖板上，所述末指卡板与锁紧孔对应处设有固定孔，所述第二连接耳位于中指节另一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第二连接耳和固定孔，形成铰接结构；所述第三连接耳位于下指节的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第三连接耳和固定孔，形成铰接结构。

优选地，所述充气膨胀件包括锥形气囊和气管连接件，所述锥形气囊套接于气管连接件上，各指节中，所述气管连接件的自由端分别穿过第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳与固定孔固定连接；所述锁紧孔套接于所述锁紧锥轴的锥面上，所述锁紧锥轴的开口端与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳插接固定；所述锁紧孔为与锁紧锥轴的锥面相适配的锥形孔。

优选地，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有若干个限位槽，所述锁紧锥轴的开口端设有若干个定位耳，所述定位耳与限位槽插接固定。

优选地，所述气管连接件为中空的螺杆，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳内均设有内螺纹，每个指节的气管连接件的自由端分别与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳螺纹连接固定，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有限位凸台，所述限位凸台与固定孔形状相适配。在安装时，可通过限位凸台与固定孔过盈配合实现固定，无需其他安装件，结构紧凑，提高刚柔软耦合可变刚度单指骨架的整体灵活性。

优选地，所述中指卡板和中指盖板之间、所述末指卡板和末指盖板之间卡接固定或螺接固定（如内六角螺钉），采用可拆卸连接的方式，便于安装与更换配件。

优选地，所述指尖、中指节、下指节、末指节和锁紧锥轴的材质均为树脂材料。

如上所述，本发明的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，具有以下有益效果：能够实现快速高效的改变软体机器人在运动过程中的刚度，可以使手指更好地贴合物体，更好地抓取易损物体。

附图说明

图1显示为刚柔软耦合可变刚度单指骨架的结构示意图。

图2显示为图1的左视图。

图3显示为图2中A-A方向的剖视图。

图4显示为指尖的结构示意图。

图5显示为变刚连接轴的结构示意图。

图6显示为指尖与中指节的分解结构示意图。

图7显示为中指节与下指节的分解结构示意图。

图8显示为下指节与末指节的分解结构示意图。

附图标号说明：指尖1，中指节2，下指节3，末指节4，变刚连接轴5，锁紧锥轴6，锁紧孔7，指尖本体8，凹槽9，压力传感器10，盖板11，导向槽12，锁紧槽13，滑块14，旋钮15，第一连接耳16，中指卡板17，中指盖板18，固定孔19，下指节本体20，第二连接耳21，第三连接耳22，末指卡板23，末指盖板24，锥形气囊25，气管连接件26，限位槽27，定位耳28，限位凸台29，气动管路槽口30。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架，包括指尖1、中指节2、下指节3和末指节4，所述指尖与中指节之间、所述中指节与下指节之间，所述下指节与末指节之间均通过变刚连接轴5活动连接；如图5所示，所述变刚连接轴包括锁紧锥轴6和设于锁紧锥轴内的充气膨胀件，所述充气膨胀件包括锥形气囊25和气管连接件26，所述锥形气囊套接于气管连接件26的气动管路槽口30上，确保锥形气囊25与凸台下的环形槽紧密贴合密封。所述指尖、中指节、下指节和末指节的连接端分别设有锁紧孔7，所述锁紧锥轴与锁紧孔相适配，当所述充气膨胀件充气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合，相邻两个指节相对固定；当所述充气膨胀件排气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动。

如图4所示，所述指尖包括指尖本体8，所述指尖本体设有凹槽9，所述凹槽内设有压力传感器10，所述凹槽外设有盖板11。所述凹槽的腔体为圆柱体，所述凹槽的内壁对称设有一对导向槽12，两个导向槽的下端分别沿圆周反向延伸形成有锁紧槽13；所述盖板为圆形，且两侧对称设有一对滑块14，所述盖板靠近边缘处设有旋钮15，所述滑块与导向槽和锁紧槽相适配。

如图6所示，所述指尖本体的端部设有第一连接耳16，所述中指节包括相互扣合的中指卡板17和中指盖板18，所述锁紧孔形成于中指盖板的两端，所述中指卡板与锁紧孔对应处设有两个固定孔19，所述第一连接耳位于中指节一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第一连接耳和固定孔，最后采用内六角螺钉拧入连接攻丝之后的中指盖板螺孔和中指卡板螺孔，最终实现指尖1和中指节2的连接。

如图7所示，所述下指节包括下指节本体20和设于下指节本体两端的第二连接耳21和第三连接耳22，如图8所示，所述末指节包括相互扣合的末指卡板23和末指盖板24，所述锁紧孔设于末指盖板上，所述末指卡板与锁紧孔对应处设有固定孔，所述第二连接耳位于中指节另一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第二连接耳和固定孔；所述第三连接耳位于下指节的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第三连接耳和固定孔。最后采用内六角螺钉拧入连接攻丝之后的末指盖板螺孔和末指卡板螺孔，最终实现下指节3和末指节4的连接如图6、图7和图8所示，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有四个限位槽27，所述锁紧锥轴的开口端设有四个定位耳28，所述定位耳与限位槽插接固定。

如图2和图3所示，各指节中，所述气管连接件26的自由端分别穿过第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳与固定孔固定连接；并通过外接输气泵供气。所述锁紧孔套接于所述锁紧锥轴6的锥面上，所述锁紧锥轴的开口端与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳插接固定；所述锁紧孔为与锁紧锥轴的锥面相适配的锥形孔。所述气管连接件为中空的螺杆，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳内均设有内螺纹，每个指节的气管连接件的自由端分别与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳螺纹连接固定，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有限位凸台29，所述限位凸台与固定孔形状相适配。所述指尖、中指节、下指节、末指节和锁紧锥轴的材质均为树脂材料。

本发明的刚柔软耦合可变刚度单指骨架的安装方式如下：

在指尖安装压力传感器时，先将压力传感器放入凹槽内，然后将盖板的滑块与导向槽对齐放入凹槽内，通过转动旋钮，使得滑块滑入锁紧槽内，完成装配；

如图6所示，指尖1和中指节2的连接：在第一连接耳16处攻螺纹之后与套上锥形气囊25的气管连接件26旋紧固定，在锥形气囊25之外套上锁紧锥轴6，锁紧锥轴6的4个定位耳28分别插入指尖的限位槽27内来实现定位。在此基础上，在锁紧锥轴6外套上中指盖板18，其中锁紧锥轴6的锥面与中指盖板18上的锁紧孔7同心贴合，同时第一连接耳16下端限位凸台29卡入中指卡板17的固定孔19内，中指卡板17上的固定孔19与第一连接耳16同心贴合。最后内六角螺钉拧入连接攻丝之后的中指盖板螺孔和中指卡板螺孔，最终实现指尖1和中指节2的连接。

如图7所示，中指节与下指节的连接：参照上述步骤完成，在此不再赘述；

如图8所示，下指节与末指节的连接：参照上述步骤完成，在此不再赘述。

在上述安装成功之后，刚柔软耦合可变刚度单指骨架即具有弯曲能力，即可实现在软体驱动器的跟随运动。两个指节的相对转动以变刚关节中心轴为转动轴进行转动。

本发明的刚柔软耦合可变刚度单指骨架的工作原理如下：

如图3所示，以指尖1和中指节2的变刚关节为例，外接输气泵产生的气压通过气管连接件26的气动管路槽口30向锥形气囊25内部加压，加压后的锥形气囊25由于内外气压差而膨胀挤压锁紧锥轴6内表面，锁紧锥轴6外表面与中指盖板18上的锁紧孔7产生摩擦发生，使得锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合锁紧，指尖1和中指节2相对固定，为锁紧状态；当需要刚度降低时，将锥形气囊25内的气体排出，锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动，可以保持软体触手型机器人自身的柔性和自由度。同样的装配方式和原理，可以实现中指节、下指节和末指节指尖的变刚。在运动过程中，指尖的压力传感器可以实时检测压力值，具有一定的运动感知能力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于，包括指尖（1）、中指节（2）、下指节（3）和末指节（4），所述指尖与中指节之间、所述中指节与下指节之间，所述下指节与末指节之间均通过变刚连接轴（5）活动连接；所述变刚连接轴包括锁紧锥轴（6）和设于锁紧锥轴内的充气膨胀件，所述指尖、中指节、下指节和末指节的连接端分别设有锁紧孔（7），所述锁紧锥轴与锁紧孔相适配，当所述充气膨胀件充气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔过盈配合，相邻两个指节相对固定；当所述充气膨胀件排气时，所述锁紧锥轴与锁紧孔间隙配合，相邻两个指节相对转动。

2.根据权利要求1所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述指尖包括指尖本体（8），所述指尖本体设有凹槽（9），所述凹槽内设有压力传感器（10），所述凹槽外设有盖板（11）。

3.根据权利要求2所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述凹槽的腔体为圆柱体，所述凹槽的内壁对称设有一对导向槽（12），两个导向槽的下端分别沿圆周反向延伸形成有锁紧槽（13）；所述盖板为圆形，且两侧对称设有一对滑块（14），所述盖板靠近边缘处设有旋钮（15），所述滑块与导向槽和锁紧槽相适配。

4.根据权利要求2所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述指尖本体的端部设有第一连接耳（16），所述中指节包括相互扣合的中指卡板（17）和中指盖板（18），所述锁紧孔形成于中指盖板的两端，所述中指卡板与锁紧孔对应处设有两个固定孔（19），所述第一连接耳位于中指节一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第一连接耳和固定孔。

5.根据权利要求4所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述下指节包括下指节本体（20）和设于下指节本体两端的第二连接耳（21）和第三连接耳（22），所述末指节包括相互扣合的末指卡板（23）和末指盖板（24），所述锁紧孔设于末指盖板上，所述末指卡板与锁紧孔对应处设有固定孔，所述第二连接耳位于中指节另一端的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第二连接耳和固定孔；所述第三连接耳位于下指节的锁紧孔和固定孔之间且三者同心贴合，所述变刚连接轴依次贯穿锁紧孔、第三连接耳和固定孔。

6.根据权利要求5所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述充气膨胀件包括锥形气囊（25）和气管连接件（26），所述锥形气囊套接于气管连接件上，各指节中，所述气管连接件的自由端分别穿过第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳与固定孔固定连接；所述锁紧孔套接于所述锁紧锥轴的锥面上，所述锁紧锥轴的开口端与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳插接固定；所述锁紧孔为与锁紧锥轴的锥面相适配的锥形孔。

7.根据权利要求6所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有若干个限位槽（27），所述锁紧锥轴的开口端设有若干个定位耳（28），所述定位耳与限位槽插接固定。

8.根据权利要求6所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述气管连接件为中空的螺杆，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳内均设有内螺纹，每个指节的气管连接件的自由端分别与第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳螺纹连接固定，所述第一连接耳、第二连接耳和第三连接耳均设有限位凸台（29），所述限位凸台与固定孔形状相适配。

9.根据权利要求5所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述中指卡板和中指盖板之间、所述末指卡板和末指盖板之间卡接固定或螺接固定。

10.根据权利要求1~9任一项所述的刚柔软耦合可变刚度单指骨架，其特征在于：所述指尖、中指节、下指节、末指节和锁紧锥轴的材质均为树脂材料。

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