CN116803638B - 一种变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指，包括软体外壳、磁流变液、流通控制结构；软体外壳内部具有与流通控制结构连通的磁流变液流通腔，磁流变液流通腔用于容纳从流通控制结构中流出的磁流变液；流通控制结构用于储存磁流变液，并调控磁流变液在磁流变液流通腔和流通控制结构中循环流动；各变刚度软体手指单元之间可拆卸活动连接成变刚度软体手指；本发明中的变刚度软体手指通入磁流变液后能够变形，从而实现对不同形状目标物体的包络和抓取；而且能够在施加外部磁场时使得施加外部磁场的部位刚度变硬，软体抓手手指有足够的力量抓取目标物体，从而扩大软体手指的抓取范围并提高软体手指的抓取力。

Description

一种变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指

技术领域

本发明涉及软体机器人的技术领域，特别是涉及一种变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指。

背景技术

刚性抓手一般由连杆、铰链构成，附加控制电机、气缸等驱动元件实现夹取。刚性抓手抓取力大同时精度高，长期以来一直被广泛应用。与传统刚性机器人相比，软体机器人具有更好的灵活性和交互性，在复杂的非结构性环境中表现更好。同时，由于软体抓手的自适应性质，对于不同形状、尺寸的目标物体均可以抓取；在与人交互的场景下，软体机器人材料杨氏模量与生物接近，交互过程中安全更容易得到保障。

软体抓手广泛应用时面临的一个问题是刚度不足，抓取或者吸附受限。变刚度作为一种在外部激励作用下能够改变自身结构刚度的方式，能够实现从软状态到刚状态的转换，这对于软体抓手有良好的适配性。通过变刚度，提高抓手的承载和输出能力。磁流变液是一种新型流体变刚度材料，其特点是在外部无磁场的情况下，和常规牛顿流体一致，呈现低黏度特性，当外部有磁场时，呈现高黏度，低流动性，类似于固体。

发明内容

本发明的目的在于解决现有软体抓手手指的抓取范围小和抓取力小的问题，提供一种变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种变刚度软体手指单元，包括软体外壳、磁流变液、流通控制结构；所述软体外壳内部具有与所述流通控制结构连通的磁流变液流通腔，所述磁流变液流通腔用于容纳从所述流通控制结构中流出的磁流变液；所述流通控制结构用于储存所述磁流变液，并调控所述磁流变液在所述磁流变液流通腔和所述流通控制结构中循环流动；通入所述磁流变液的变刚度软体手指单元能够变形，从而实现对目标物体的包络和抓取。

在本发明的一些实施例中，所述软体外壳由磁流变弹性体材料制成。

在本发明的一些实施例中，所述流通控制结构包括储存部件、动力部件和流通部件；其中，所述储存部件用于储存所述磁流变液；所述动力部件用于调控所述磁流变液在所述流通部件和所述磁流变液流通腔间流动；所述流通部件用于连接所述储存部件和所述磁流变液流通腔，并引导所述磁流变液流动；所述磁流变液能够通过所述流通部件从所述储存部件流出并流入所述磁流变液流通腔，所述磁流变液也能够通过所述流通部件从所述磁流变液流通腔流出后流回所述储存部件。

在本发明的一些实施例中，所述储存部件包括液压缸；所述动力部件包括液压泵；所述流通部件包括流动孔和流体通道，所述流体通道的数量与所述流动孔的数量一致，所述流动孔的一端与所述流体通道连接，所述流动孔的另一端与所述磁流变液流通腔连通。

在本发明的一些实施例中，所述磁流变液流通腔是横切面为工字型柱体阵列的管道。

在本发明的一些实施例中，所述磁流变液流通腔是管道，所述管道的横切面一侧为具有间隔的矩形阵列，所述管道的横切面另一侧为一个矩形，所述矩形阵列连接所述矩形。

在本发明的一些实施例中，所述软体外壳上具有连接结构，所述连接结构用于多个变刚度软体手指单元之间的可拆卸活动连接。

在本发明的一些实施例中，所述连接结构包括连接孔或连接轴，所述连接孔用于与其相邻的变刚度软体手指单元的连接轴配合实现可拆卸活动连接。

在本发明的一些实施例中，所述磁流变液包括二氧化硅、十二烷基苯磺酸钠、膨润土、碳基铁颗粒和二甲基硅油；所述磁流变弹性体材料包括三乙醇胺、二氧化硅颗粒、天然橡胶乳胶和碳基铁颗粒。

本发明还提出一种变刚度软体手指，包括至少两个如上所述的变刚度软体手指单元，各变刚度软体手指单元之间可拆卸活动连接。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出的变刚度软体手指单元以及变刚度软体手指，包括软体外壳、磁流变液、流通控制结构，软体外壳内部具有与流通控制结构连通的磁流变液流通腔；磁流变液通过流通控制结构的控制流入软体外壳内部的磁流变液流通腔，使其变形能够包络目标物体，能够适应于不同形状物体的抓取；而且能够在施加外部磁场时使得施加外部磁场的部位刚度变硬，软体抓手手指有足够的力量抓取目标物体，从而扩大软体手指的抓取范围并提高软体手指的抓取力。

此外，在本发明的一些实施例中，还具有如下有益效果：

通过磁流变弹性体的材料制成软体外壳，使得软体手指单元具有更好的变刚度效果，较现有的软体手指单元，达到的刚度更大，进一步提高了软体手指单元的抓取力。

通过可拆卸活动连接将多个软体手指单元连接使用，每个软体手指单元独立控制，实现类似于人手的灵活度和多模态，进一步扩大了抓手手指的抓取范围。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1a是本发明实施例2中手指单元的透视图；

图1b是本发明实施例2中手指单元的外部结构示意图；

图2是本发明实施例2中手指单元的横截面示意图；

图3是本发明实施例2中手指单元刚度变化原理图；

图4是本发明实施例2中固定板的外部结构示意图；

图5是本发明实施例2中固定板与手指单元的连接示意图；

图6是本发明实施例2中抓手的抓取动作分解图；

图7是本发明实施例3中手指单元的透视图；

图8是本发明实施例3中手指单元的纵向截面示意图；

图9a是本发明实施例中软体手指的第1种模态示意图；

图9b是本发明实施例中软体手指的第2种模态示意图；

图9c是本发明实施例中软体手指的第3种模态示意图；

图9d是本发明实施例中软体手指的第4种模态示意图；

图9e是本发明实施例中软体手指的第5种模态示意图；

附图标记如下：

21为连接孔、22为流体通道、23为软体外壳、24为流入孔、25为连接轴、26为流出孔、27为磁流变液；

41为固定板主体、42为中孔、43为固定板左侧槽、44为固定板右侧槽。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本发明下述实施例提出了一种变刚度软体手指单元，包括软体外壳、磁流变液、流通控制结构；所述软体外壳内部具有与所述流通控制结构连通的磁流变液流通腔，所述磁流变液流通腔用于容纳从所述流通控制结构中流出的磁流变液；所述流通控制结构用于储存所述磁流变液，并调控所述磁流变液在所述磁流变液流通腔和所述流通控制结构中循环流动；通入所述磁流变液的变刚度软体手指单元能够变形，从而实现对目标物体的包络和抓取。

在优选的实施例中，所述软体外壳由磁流变弹性体材料制成。现有技术中使用磁流变液通常是将磁流变液附着到多孔介质中（因为磁流变液是液体，不能直接拿来抓取物体），通过磁流变液影响多孔介质（比如海绵）的刚度。磁流变液本身刚度范围变化大，但是通过海绵之后效果大打折扣，所以本发明实施例的软体外壳内部填充磁流变液，软体外壳是磁流变弹性体（磁流变液和磁流变弹性体均有好的变刚度效果），相较于现有技术，在其他条件一致的情况下，达到的刚度更大，抓取力更大。

在优选的实施例中，所述流通控制结构包括储存部件、动力部件和流通部件；其中，所述储存部件用于储存所述磁流变液；所述动力部件用于调控所述磁流变液在所述流通部件和所述磁流变液流通腔间流动；所述流通部件用于连接所述储存部件和所述磁流变液流通腔，并引导所述磁流变液流动；所述磁流变液能够通过所述流通部件从所述储存部件流出并流入所述磁流变液流通腔，所述磁流变液也能够通过所述流通部件从所述磁流变液流通腔流出后流回所述储存部件。

在优选的实施例中，所述储存部件包括液压缸；所述动力部件包括液压泵；所述流通部件包括流动孔和流体通道，所述流体通道的数量与所述流动孔的数量一致，所述流动孔的一端与所述流体通道连接，所述流动孔的另一端与所述磁流变液流通腔连通。更优选的，所述流动孔包括流入孔和流出孔，所述流入孔和流出孔分别与所述磁流变液流通腔连通。

在优选的实施例中，所述磁流变液流通腔是横切面为工字型柱体阵列的管道。

在优选的实施例中，所述管道的横切面一侧为具有间隔的矩形阵列，所述磁流变液流通腔是管道，所述管道的横切面另一侧为一个矩形，所述矩形阵列连接所述矩形。

在优选的实施例中，所述软体外壳上具有连接结构，所述连接结构用于多个变刚度软体手指单元之间的可拆卸活动连接。

在优选的实施例中，所述连接结构包括连接孔或连接轴，所述连接孔用于与其相邻的变刚度软体手指单元的连接轴配合实现可拆卸活动连接。

在优选的实施例中，所述磁流变液包括二氧化硅、十二烷基苯磺酸钠、膨润土、碳基铁颗粒和二甲基硅油；所述磁流变弹性体材料包括三乙醇胺、二氧化硅颗粒、天然橡胶乳胶和碳基铁颗粒。

本发明下述实施例还提出一种变刚度软体手指，软体手指包括至少两个如上所述的变刚度软体手指单元，各变刚度软体手指单元之间可拆卸活动连接。

实施例1

本实施例为解决现有技术中软体手指抓取范围小、灵活度低的问题，提出了一种基于液压控制的、基于磁流变弹性体和磁流变液的变刚度软体手指单元和变刚度软体手指。

为了实现上述目的，本实施例提出了一种变刚度液动软体手指，该软体手指由若干模块化变刚度软体手指单元串联而成，每个变刚度软体手指单元包括磁流变弹性体制成的软体外壳23、磁流变液27和流通控制结构。其中，软体外壳内部的磁流变液流通腔为流体通道22，流体通道22由横切为“工字型”的柱体阵列而成。软体手指单元部分本质是弹性驱动器，而通过多个串联的弹性气室结构驱动器能够实现多自由度的运动。换句话说，多个串联的矩形气室形成的形状就是工字型，此时，给工字型手指通入液体，既会轴向伸长，也会弯曲。工字型是最简单的实现方式。

流通控制结构包括储存部件、动力部件和流通部件，储存部件是液压缸、动力部件是液压泵，流通部件包括流动孔和流体通道，流动孔是流入孔24和流出孔26，流体通道是流入管和流出管。

软体外壳包裹着流体通道22、流入孔24和流出孔26，所述磁流变液27装填至流体通道22；流入孔24和流出孔26分别与流体通道22连通，流入孔24和流出孔26位于流体通道22两侧且相对于轴线对称，同时嵌入软体外壳23内，流入孔24、流出孔26分别通过流入管、流出管和液压泵连接，用于调控磁流变液27通入和流出。

液压缸用于控制磁流变液27：每个软体手指单元均有一个流入孔24、流出孔26，同时，流入孔24和流出孔26上均套有一定长度的流入管和流出管（普通水管即可）；同一个软体手指单元的流入管和流出管伸入同一个液压缸中，液压缸中储存有一定容量的磁流变液，同时外接一个液压泵，通过液压泵调控磁流变液流入和流出。一个软体手指单元用一套液压缸和液压泵。本实施例中一节手指有3个手指单元，一个抓手一般有2节手指，所以，共需要2*3=6套液压缸和液压泵。

每个变刚度软体手指单元的软体外壳23上还包括连接结构，连接结构用于多个变刚度软体手指单元之间的可拆卸活动连接，本实施例中，连接结构包括连接孔21、连接轴25，且连接孔21和连接轴25长度相同，方便不同软体手指单元之间的连接，连接轴25位于软体外壳23头部，连接孔21位于软体外壳23尾部，任一变刚度软体手指单元的连接孔21与其相邻的变刚度软体手指单元的连接轴25配合实现可拆卸活动连接。上述连接孔21和连接轴25的截面形状可以是圆形、矩阵或者三角形。

变刚度软体手指能够与软体抓手可拆卸活动连接，活动可拆卸连接方式可以是过盈配合、螺纹连接、胶接等。本实施例中，两节或多节软体手指通过转轴对称连接于软体抓手的固定板上，形成具有变刚度软体手指的机器抓手。

本实施例的原理为：通入磁流变液27的手指单元弯曲，进一步调节磁流变液所在一侧磁场强度，手指单元刚度变化，实现对目标物体的包络和抓取。若干模块化软体手指单元串联形式首尾连接，每个单元独立液压控制，实现类似于人手的灵活度和多模态。该变刚度软体手指单元及变刚度软体手指响应速度快、抓取力大，适应于不同形状物体的抓取。

对上述技术方案的进一步说明为：所述软体外壳23采用磁流变弹性体制成，所述软体外壳将所述流体通道22、流入孔24和流出孔26裹住。

上述软体外壳23及内部的流体通道22采用增材制造技术制作，具体来说也就是墨水直写3d打印技术。所需原始材料包括：粒径在3-5微米的碳基铁颗粒、固体含量39%天然橡胶乳胶、三乙醇胺、油酸和二氧化硅。第一步，将0.7g三乙醇胺和0.8g二氧化硅颗粒加入到20g天然橡胶乳胶，机械搅拌7min。然后将质量百分比为25.7碳基铁颗粒加入上述形成的混合物中搅拌5min，形成3d打印油墨。

第二步，将2.0g二氧化硅、4.0g十二烷基苯磺酸钠、0.5g膨润土和质量百分比为28.2的28.1g碳基铁颗粒加入到65g二甲基硅油中，放置在超声波环境中形成稳定的磁流变液。

第三步，利用三维计算机辅助设计软件生成不同的三维打印对象，用第一步形成的3d打印油墨进行墨水直写打印，在打印过程中，将第二步形成的磁流变液密封在行程的磁流变弹性体中。

第四步，在80°C的烤箱中放置12小时，形成混合磁流变材料，加热温度和基载液有关，本实施例中使用的硅油可以承受80°C的加热过程，此温度对磁流变液影响不大。

本实施例具有以下优点：

本实施例提出一种液压驱动的、基于磁流变液和磁流变弹性体的变刚度软体手指单元和变刚度软体手指，本实施例采用的磁流变抓手施加磁场后弯曲，撤去磁场后复原，和抓手抓取、放下要求适配。同时每个单元独立液压控制，实现类似于人手的灵活度和多模态。该变刚度软体手指响应时间在ms量级，响应速度快、抓取力大，适应于不同形状物体的抓取。

实施例2

图1a、图1b分别是本实施例的手指单元的透视图和外部结构示意图。该手指单元外部包括连接孔21、软体外壳23、流入孔24、连接轴25、流出孔26五部分，其他部分与实施例1相同，本实施例不做重复描述。

图2是本实施例中手指单元的横截面示意图，内部结构包括流体通道22和磁流变液27。手指单元的软体外壳23呈前后端呈弧状的长板状，结合图1a、图1b和图2，流体通道22为横切为“工字型”的柱体阵列而成，流体通道22是软体外壳23内部的空腔，磁流变液27填充进流体通道22；连接孔21和连接轴25在软体外壳两侧对称设置且可以完全配合，若干手指单元首尾通过连接孔21和连接轴25连接形成软体手指；所述手指单元沿轴线两侧分布流入孔24和流出孔26，流入孔24和流出孔26通过流体通道22与液压泵连接，用于磁流变液27通入和流出。

本实施例中软体外壳23由磁流变弹性体制成，磁流变液27由基液、弥散质和添加剂三部分组成，基液采用植物油和矿物油，弥散质选用磁性微粒。具体组成及制造方法与实施例1相同。

本实施例的软体手指单元制作时，首先采用计算机辅助设计软件设计出一个结构一体化的软体外壳23，用DIW（Direct Ink Writing）直写3D打印机打印出软体外壳23，软体外壳23具有用于定位的连接孔21、连接轴25以及和液体管连接的流入孔24和流出孔26。打印时是从下至上打印，在打印过程中暂停，利用传统浇注工艺，将磁流变液倒入软体外壳内的空腔中，也就是流体通道内，放在烤箱中加热直至固化形成整个手指单元。

图3示出通过磁场来控制一个手指单元中刚度变化的原理图。施加外部磁场使在该位置磁流变流体中悬浮的亚铁粒子与磁场方向对齐，这将导致施加磁场位置的刚度改变。

本实施例中，3个软体手指单元通过连接轴和连接孔串联形成一节软体手指，其中，首端手指单元指的是靠近物体的手指，末端手指单元是指靠近固定板的手指，首端软体手指单元和抓取物体相接触，末端软体手指单元和固定板相连接。多个软体手指通过中轴对称地固定在固定板上，形成一只软体抓手。

图4示出抓手的固定板的外部结构示意图。固定板包括固定板主体41、中孔42、固定板左侧槽43和固定板右侧槽44。固定板主体41呈长板状；中孔42位于横切中心，贯穿固定板主体41，方便与机械臂连接；固定板左侧槽43和固定板右侧槽44沿轴线对称分布在固定板主体41两侧，与上述末端手指单元可拆卸活动连接，可拆卸活动连接可以是过盈配合、胶接、通过连接轴和连接孔连接等方式。图5示出固定板和末端手指单元的连接示意图。

抓手的抓取策略如图6所示。初始阶段：首端手指单元、中间手指单元和末端手指单元自然放置，软体抓手未抓取物体。弯曲阶段：对中间手指单元先通入磁流变液27使其变形，当末端手指单元接近目标物体时，再施加磁场使中间手指单元刚度变硬，位置固定。抓取阶段：施加到中间手指单元的磁场保留，同时对末端手指单元通入磁流变液使其变形包络目标物体，再对末端手指单元施加磁场使其变硬以有足够的力量抓取目标物体。复原阶段：施加到中间手指单元的磁场保留，撤去施加到末端手指单元的磁场，使抓手放下目标物体。回到初始阶段：撤去所有施加的磁场，使抓手整体呈竖直状态，等待下次抓取任务。

单独控制每个手指单元刚度变化主要是依靠控制外界磁场，手指单元都是偏软性材料，磁场施加在手指单元的某个部位，该部位就会变硬、固化。

实施例

图7示出本实施例的中间手指单元的结构示意图，图8示出本实施例的中间手指单元的侧面剖视图。该手指单元外部包括连接孔21、流体通道22、软体外壳23、流入孔24、连接轴25、流出孔26和磁流变液27。图8示出本实施例的中间手指单元的侧面剖视图，内部结构包括流体通道22和磁流变液27。本实施例与实施例2的区别在于，流体通道22的横切为如图8所示，上侧为矩形阵列形成，上侧所有矩形通过下侧整体矩形构成整个通道，流体通道22嵌入软体外壳23，磁流变液27填充进流体通道22；不同流体通道主要影响变形效果，对变刚度没影响，本实施例中的形状弯曲程度更大。结合图7和图8，其他结构同实施例1。

相比于其他软体抓手，本发明实施例的一大优势为实现像人手一样的灵活度和多模态。图9a至图9e为本发明实施例的软体抓手手指的多模态示意图。图9a所示为三节手指单元均自然放置，实现像人手一样的竖直状态。图9b所示为首端手指单元和末端手指单元自然放置，中间手指单元斜置；图9c所示为末端手指单元自然放置，首端手指单元斜置，中间手指单元沿自由落体方向右侧弯曲；图9d所示为末端手指单元自然放置，首端手指单元斜置，中间手指单元沿自由落体方向左侧弯曲；三者均实现像人手一样对目标物体的靠近；图9e所示为首端手指单元和末端手指单元自然竖直放置，中间手指单元水平放置，实现像人手一样对目标物体的勾络。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种变刚度软体手指单元，其特征在于，包括软体外壳、磁流变液、流通控制结构；

所述软体外壳由磁流变弹性体材料制成，所述软体外壳内部具有与所述流通控制结构连通的磁流变液流通腔，所述磁流变液流通腔用于容纳从所述流通控制结构中流出的磁流变液；所述磁流变液流通腔是横切面为工字型柱体阵列的管道；

所述流通控制结构用于储存所述磁流变液，并调控所述磁流变液在所述磁流变液流通腔和所述流通控制结构中循环流动；

所述软体外壳上具有连接结构，所述连接结构包括连接孔或连接轴，所述连接孔用于与其相邻的变刚度软体手指单元的连接轴配合实现可拆卸活动连接，通入所述磁流变液的每个所述变刚度软体手指单元能够单独变形，能够轴向伸长和/或弯曲，以实现对目标物体的包络和抓取，且通过可拆卸活动连接将多个软体手指单元连接使用，每个软体手指单元独立控制，以实现灵活度和多模态，从而扩大多个软体手指单元的抓取范围。

2.根据权利要求1所述的变刚度软体手指单元，其特征在于，所述流通控制结构包括储存部件、动力部件和流通部件；

其中，所述储存部件用于储存所述磁流变液；

所述动力部件用于调控所述磁流变液在所述流通部件和所述磁流变液流通腔间流动；

所述流通部件用于连接所述储存部件和所述磁流变液流通腔，并引导所述磁流变液流动；

所述磁流变液能够通过所述流通部件从所述储存部件流出并流入所述磁流变液流通腔，所述磁流变液也能够通过所述流通部件从所述磁流变液流通腔流出后流回所述储存部件。

3.根据权利要求2所述的变刚度软体手指单元，其特征在于，所述储存部件包括液压缸；所述动力部件包括液压泵；所述流通部件包括流动孔和流体通道，所述流体通道的数量与所述流动孔的数量一致，所述流动孔的一端与所述流体通道连接，所述流动孔的另一端与所述磁流变液流通腔连通。

4.根据权利要求1所述的变刚度软体手指单元，其特征在于，所述磁流变液流通腔是管道，所述管道的横切面一侧为具有间隔的矩形阵列，所述管道的横切面另一侧为一个矩形，所述矩形阵列连接所述矩形。

5.根据权利要求1所述的变刚度软体手指单元，其特征在于，所述磁流变液包括二氧化硅、十二烷基苯磺酸钠、膨润土、碳基铁颗粒和二甲基硅油；所述磁流变弹性体材料包括三乙醇胺、二氧化硅颗粒、天然橡胶乳胶和碳基铁颗粒。

6.一种变刚度软体手指，其特征在于，包括至少两个如权利要求1至5中任一项所述的变刚度软体手指单元，各变刚度软体手指单元之间可拆卸活动连接。