CN116000957A - 一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于软体机器人相关技术领域，其公开了一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人，灵巧手包括手指、软体手掌及复合波纹管，手指的一端连接于软体手掌，软体手掌对应相邻手指间隔的区域边缘开设有第一缺口，第一缺口内设置有复合波纹管，对应的复合波纹管相背的两端分别连接于第一缺口相对的两侧壁；软体手掌侧部对应手指与软体手掌连接处的区域开设有第二缺口，第二缺口内也设置有复合波纹管，对应的复合波纹管相背的两端分别连接于第二缺口沿对应手指长度方向的两个侧壁。本发明通过调节各个复合波纹管内的压力状态可以实现手指的屈伸运动及侧摆运动，以及通过柔韧灵活的手掌实现灵巧手掌面凹陷、对指运动等复杂手势。

Description

一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人

技术领域

本发明属于软体机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人。

背景技术

灵巧手的设计不仅要考虑同人手外观的相似度，人手运动功能的复现同样是必不可少的。自然状态下，放松的手部掌面自然凹陷，对该凹陷的控制使得人手可以稳固的拿起许多不同形状与大小的物体。人手手骨的自然掌侧凹陷由三个综合的弓系统支撑，即近端横弓、远端横弓以及纵弓。近端横弓是一个静置坚固的结构，假肢手设计可以通过简单修改连接部件实现；而远端横弓穿越掌指关节，并且是可活动的；纵弓则通过掌骨、指骨和腕骨连接而成，纵弓的远端对应着人手指骨，其灵活度极高，因此当前假肢手运动功能的复现主要是针对纵弓远端，利用灵巧的假肢手手指实现抓握。但是，仅仅复现人手指骨对应的纵弓远端活动，并不能实现假肢手抓握的拟人。

此外，手掌的主要运动除去抓握过程中由远端横弓导致的手掌弯曲外，依靠灵活的第一指骨、第四指骨、第五指骨所实现的拇指和小拇指指尖接触，即对指运动，同样代表了人手复杂的综合运动能力，对指运动需通过手掌和手指共同弯曲变形才可以实现。因此，设计一款拥有活动的远端横弓以及对指功能的假肢手，具有极其重要的科研意义和社会价值。

柔韧灵活的手掌导致假肢手无法将手掌当作一个刚体，无法在手掌内部存放电机等单元，而执行器和驱动器分离的气动软体执行器是作为灵巧手基本运动单元的一个选项；但是相较于基于硅胶制成的传统软体执行器，如何保证非工作状态下的体积小巧、工作状态下形变量大是主要的问题；而对于由纤维薄膜等材料缝合而成的气动执行器，由于缺乏自身刚度，面临每次负压收缩后气囊随意堆叠的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人，所述灵巧手以复合波纹管沿折痕的膨胀、收缩作为基本运动单元，确保持续工作过程中纤维布仅在折痕处发生变形，实现高效率的弯曲变形及力输出。此外，为模仿人手在抓握过程中手掌内各个掌骨的自由度，在软体手掌内嵌入数个复合波纹管，调节各个复合波纹管内的压力状态可以实现手指的屈伸运动及侧摆运动，以及通过柔韧灵活的手掌实现灵巧手掌面凹陷、对指运动等复杂手势。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，所述灵巧手包括手指、软体手掌及复合波纹管，所述手指的一端连接于所述软体手掌，所述软体手掌对应相邻所述手指间隔的区域边缘开设有第一缺口，所述第一缺口内设置有所述复合波纹管，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接于所述第一缺口相对的两侧壁；所述软体手掌侧部对应所述手指与所述软体手掌连接处的区域开设有第二缺口，所述第二缺口内也设置有所述复合波纹管，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接于所述第二缺口沿对应手指长度方向的两个侧壁。

进一步地，所述第一缺口内的复合波纹管长度方向与所述第二缺口内的复合波纹管长度方向相交；所述软体手掌开设有卡槽，所述手指的一端卡设在所述卡槽内，使得所述手指连接于所述软体手掌；所述卡槽与所述第二缺口的位置相对应，所述第二缺口位于所述软体手掌的侧部，所述卡槽位于所述软体手掌的中部。

进一步地，所述软体手掌包括相连接的掌心掌体及手背掌体，所述掌心掌体及所述手背掌体之间设置有纤维限制层；所述卡槽开设在所述掌心掌体朝向所述纤维限制层的一侧，所述掌心掌体及所述手背掌体均开设有第一缺口及第二缺口，且位置分别对应。

进一步地，所述掌心掌体还开设有收容腔，所述收容腔内设置有薄膜气囊，所述薄膜气囊与所述复合波纹管相连通；所述手背掌体与所述掌心掌体除卡槽外的结构相对于所述纤维限制层对称设置。

进一步地，所述手指包括所述复合波纹管及刚性指骨，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接相邻的两个刚性指骨，对应的刚性指骨连接于所述软体手指；同一根手指的复合波纹管相连通，且与对应的薄膜气囊相连通，各个手指能被单独控制。

进一步地，所述复合波纹管包括刚性支撑件、弹性薄膜、固定件及两片不可拉伸的纤维布，两片不可拉伸的纤维布分别为第一纤维布及第二纤维布，所述第一纤维布为平展的，所述第二纤维布呈波浪形，所述第一纤维布及所述第二纤维布缝合在一起形成纤维布筒，所述纤维布筒的两端分别连接两个所述固定件，所述弹性薄膜贴合在所述第二纤维布上，且位于所述纤维布筒内；所述刚性支撑件连接所述第一纤维布及所述第二纤维布，且位于所述纤维布筒内。

进一步地，所述第二纤维布形成折痕，折痕分别为波浪管折痕凸起及波浪管折痕凹槽，所述波浪管折痕凸起及所述波浪管凹槽依次交错连接而形成波浪形的所述第二纤维布；带有折角的所述弹性薄膜贴合在所述波浪管折痕凹槽远离所述波浪管折痕凸起的一侧上，且折角的形状与所述波浪管折痕凹槽的形状一致。

进一步地，所述刚性支撑件呈环状，其相背的两侧分别连接于所述第一纤维布及所述波浪管折痕凸起，多个所述刚性支撑件间隔设置。

进一步地，所述纤维布筒的直径在所述波浪管折痕凸起处最大，在所述波浪管折痕凹槽处最小；所述复合波纹管所形成的腔室的内层贴合有一层密封薄膜，所述密封薄膜同气管相连接。

按照本发明的另一个方面，提供了一种软体机器人，所述软体机器人的手为如上所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手及软体机器人主要具有以下有益效果：

1.本发明提供的不可拉伸的纤维布和支撑件等构成的复合波纹管，能够保证重复工作中波纹管的展开、收缩方式固定，用紧密的折痕来实现非工作状态下的体积小巧，并且由于采用不可拉伸的纤维布，因此该启动执行器具有运动幅度大和运动方向精确的特点。

2.在手掌内掌指关节的间隙对应处固定多个对侧波纹管，通过调节多个复合波纹管内的加压状态可以分别实现手指侧摆运动或者手掌向内凹陷，即手骨远端横弓系统的实现。

3.在手掌内嵌入对应掌指关节的复合波纹管，抓握过程中执行器带动手掌变形，实现人手骨纵弓系统的弯曲效果，同时相较于将掌指关节集成在手指的传统假肢手，本灵巧手的尺寸和运动可以更加小巧及仿人手。

4.手掌对应手指之间间隙的区域开设有缺口，缺口内设置有复合波纹管，并在拇指的腕掌关节处埋入复合波纹管，以分别实现手掌的部分微屈、拇指的大幅运动以及复杂的对指运动。

附图说明

图1是人手指骨内三个相互协同的弓系统示意图；

图2是本发明提供的一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手的局部示意图；

图3是图2中的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手的单根手指的结构示意图；

图4是图3中的单根手指的剖视图；

图5中的(a)、(b)分别是图2中的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手的复合波纹管的工作原理图；

图6是图2中的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手的立体示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-复合波纹管，2-刚性指骨，3-软体手掌，4-薄膜气囊，5-气孔，6-固定件，7-纤维布，8-刚性支撑件，9-弹性薄膜，10-波纹管折痕凸起，11-波纹管折痕凹槽，12-纤维限制层，13-对侧波纹管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，由于人手可以对手部掌面凹陷程度进行控制，因此可以抓握许多不同大小不同尺寸的物体。人手骨自然掌侧的凹陷由三个综合的弓系统支撑。近端横弓由远排掌骨形成，该横弓是一个静止、坚固的结构；远端横弓穿过了掌指关节，与近端横弓相比，远端横弓是活动的，依靠两侧掌骨(第一掌骨、第四掌骨、第五掌骨)相对于中央掌骨掌心侧内陷产生的；纵弓由手指掌骨、指骨和腕骨组成，其靠近手腕的近端稳固，而远端则依靠指骨具有灵活的自由度。因此，对于以仿人为目标的假肢手，除了实现远端纵弓的灵活性外，同样可活动的远端横弓也是需要实现的。

请参阅图2、图3、图4及图6，本发明提供的一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手包括复合波纹管1、刚性指骨2、软体手掌3及薄膜气囊4，相邻的刚性指骨2通过所述复合波纹管1相连接而形成手指，所述手指的一端连接于所述软体手掌3。所述薄膜气囊4设置在所述软体手掌3内，其与所述复合波纹管1相连通，以用于调节所述复合波纹管1内的气压状态。所述灵巧手通过所述复合波纹管1及所述薄膜气囊4在正负压状态下伸展及折叠，分别实现大幅度变形和小幅度变形。

所述灵巧手的四指包括两个长度不同的复合波纹管1，分别对应远指关节和近指关节。所述刚性指骨2开设有贯通的气孔5，所述气孔5将同一根手指的复合波纹管1相连通，且邻近所述软体手掌3的气孔5与对应的薄膜气囊4相连通。每个手指的波纹管被单独控制。拇指仅包括一个复合波纹管1，该复合波纹管1对应拇指指间关节。

请参阅图5，所述复合波纹管1包括刚性支撑件8、弹性薄膜9、固定件6及两片不可拉伸的纤维布7，两片所述纤维布7中的一片为平展的，另一片呈波浪形，其形成折痕，折痕分别为波浪管折痕凸起及波浪管折痕凹槽，所述波浪管折痕凸起及所述波浪管凹槽依次交错连接而形成波浪形的所述纤维布7。两片纤维布7的长边分别缝合连接在一起以形成纤维布筒，所述纤维布筒的两端分别连接于两个所述固定件6。带有折角的所述弹性薄膜9贴合在所述波浪管折痕凹槽远离所述波浪管折痕凸起的一侧上，其位于所述纤维布筒内，且折角的形状与所述波浪管折痕凹槽的形状一致，使用过程中折痕一致。所述刚性支撑件8呈环状，其相背的两侧分别连接于平展的纤维布及所述波浪管折痕凸起，多个所述刚性支撑件8间隔设置，以保证所述波浪管折痕凸起的相对位置不会发生偏移。

其中，所述纤维布筒的直径在所述波浪管折痕凸起处最大，在所述波浪管折痕凹槽处最小。所述波浪管折痕凹槽是正负压状态下主要运动的位置，弹性薄膜9能保证每次形变运动中所述波浪管折痕凹槽的折叠方式统一。所述复合波纹管1在正负压交替的工作状态下保持每个循环内的折痕始终保持一致。所述复合波纹管1所形成的腔室的内层贴合一层密封薄膜，所述密封薄膜同气管相连接，以用于保证工作过程中该复合波纹管1的气密性。其中，所述复合波纹管1通过所述固定件6与所述刚性指骨2或者所述软体手掌3相连接。

所述软体手掌3包括纤维限制层12、对侧波纹管13、所述复合波纹管1、手背掌体及掌心掌体，所述掌心掌体的一端开设有卡槽，所述手指卡接在所述卡槽内，使得所述手指与所述软体手掌3相连接。所述掌心掌体还形成有收容腔，所述薄膜气囊4设置在所述收容腔内。所述掌心掌体对应手指间隔的位置开设有第一缺口，所述复合波纹管1相背的两端分别连接于所述第一缺口相背的侧壁。所述掌心掌体对应所述卡槽的区域还开设有第二缺口，所述第二缺口内也设置有复合波纹管1，所述复合波纹管1相背的两端分别连接于所述第二缺口沿对应手指长度方向的两个侧壁。其中，所述第二缺口与所述卡槽的位置相对应且相连通，分别位于所述掌心掌体相背的两侧。所述掌心掌体的其他位置还开设有第三缺口，所述第三缺口内也设置有所述复合波纹管1，所述第三缺口的位置对应所述软体手掌3运动时其他需要变形的区域。

所述纤维限制层12设置在所述掌心掌体与所述手背掌体之间，所述手臂掌体与所述掌心掌体除了卡槽外的结构相对于所述纤维限制层12对称设置，即所述手背掌体也开设有第一缺口、第二缺口及第三缺口，且所述第一缺口、所述第二缺口及所述第三缺口分别设置有对侧波纹管13，所述对侧波纹管13与所述复合波纹管1相同；所述掌心掌体上的第一缺口、第二缺口及第三缺口与所述手背掌体的第一缺口、第二缺口及第三缺口的位置及形状分别对应。

所述软体手掌3内设置的复合波纹管1能够带动所述软体手掌3实现各个手掌掌指关节运动，并带动手掌朝向手腕处弯曲，实现人手手骨纵弓的效果。掌心侧的复合波纹管1加压后向手背弯曲，手背侧的复合波纹管1加压后向掌心侧弯曲；通过分别控制软体手掌3内的复合波纹管1及所述对侧波纹管13可以实现手掌不同的姿态。当手掌手背侧波纹管加压膨胀后，手掌内陷实现人手手骨远端横弓的曲面结构；当手掌手背侧和掌心侧波纹管同时加压时，各个手指之间沿手掌平面水平偏移，即实现灵巧手手指的侧摆运动。

薄膜气囊4由不可拉伸的塑料密封而成，其体积狭长，正负压状态下水平形变量有限。通过软体手掌3内嵌入所述复合波纹管1及所述对侧波纹管13，复现人手第一掌骨、第四掌骨和第五掌骨相对于手腕的自由度，保证灵巧手具有对指功能。拇指、无名指和小拇指的腕掌关节是实现对指运动的主要运动单元，在拇指腕掌关节对应处，假肢手手背留有额外的凹坑，埋入复合波纹管1。

本发明还提供了一种软体机器人，所述软体机器人的手为如上所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：

所述灵巧手包括手指、软体手掌及复合波纹管，所述手指的一端连接于所述软体手掌，所述软体手掌对应相邻所述手指间隔的区域边缘开设有第一缺口，所述第一缺口内设置有所述复合波纹管，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接于所述第一缺口相对的两侧壁；所述软体手掌侧部对应所述手指与所述软体手掌连接处的区域开设有第二缺口，所述第二缺口内也设置有所述复合波纹管，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接于所述第二缺口沿对应手指长度方向的两个侧壁。

2.如权利要求1所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述第一缺口内的复合波纹管长度方向与所述第二缺口内的复合波纹管长度方向相交；所述软体手掌开设有卡槽，所述手指的一端卡设在所述卡槽内，使得所述手指连接于所述软体手掌；所述卡槽与所述第二缺口的位置相对应，所述第二缺口位于所述软体手掌的侧部，所述卡槽位于所述软体手掌的中部。

3.如权利要求2所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述软体手掌包括相连接的掌心掌体及手背掌体，所述掌心掌体及所述手背掌体之间设置有纤维限制层；所述卡槽开设在所述掌心掌体朝向所述纤维限制层的一侧，所述掌心掌体及所述手背掌体均开设有第一缺口及第二缺口，且位置分别对应。

4.如权利要求3所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述掌心掌体还开设有收容腔，所述收容腔内设置有薄膜气囊，所述薄膜气囊与所述复合波纹管相连通；所述手背掌体与所述掌心掌体除卡槽外的结构相对于所述纤维限制层对称设置。

5.如权利要求4所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述手指包括所述复合波纹管及刚性指骨，对应的所述复合波纹管相背的两端分别连接相邻的两个刚性指骨，对应的刚性指骨连接于所述软体手指；同一根手指的复合波纹管相连通，且与对应的薄膜气囊相连通，各个手指能被单独控制。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述复合波纹管包括刚性支撑件、弹性薄膜、固定件及两片不可拉伸的纤维布，两片不可拉伸的纤维布分别为第一纤维布及第二纤维布，所述第一纤维布为平展的，所述第二纤维布呈波浪形，所述第一纤维布及所述第二纤维布缝合在一起形成纤维布筒，所述纤维布筒的两端分别连接两个所述固定件，所述弹性薄膜贴合在所述第二纤维布上，且位于所述纤维布筒内；所述刚性支撑件连接所述第一纤维布及所述第二纤维布，且位于所述纤维布筒内。

7.如权利要求6所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述第二纤维布形成折痕，折痕分别为波浪管折痕凸起及波浪管折痕凹槽，所述波浪管折痕凸起及所述波浪管凹槽依次交错连接而形成波浪形的所述第二纤维布；带有折角的所述弹性薄膜贴合在所述波浪管折痕凹槽远离所述波浪管折痕凸起的一侧上，且折角的形状与所述波浪管折痕凹槽的形状一致。

8.如权利要求7所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述刚性支撑件呈环状，其相背的两侧分别连接于所述第一纤维布及所述波浪管折痕凸起，多个所述刚性支撑件间隔设置。

9.如权利要求7所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手，其特征在于：所述纤维布筒的直径在所述波浪管折痕凸起处最大，在所述波浪管折痕凹槽处最小；所述复合波纹管所形成的腔室的内层贴合有一层密封薄膜，所述密封薄膜同气管相连接。

10.一种软体机器人，其特征在于：所述软体机器人的手为权利要求1-9任一项所述的基于复合波纹管的仿人气动灵巧手。

Images