CN117961955A - 叶子型气动可展开结构以及空间抓取机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶子型气动可展开结构以及空间抓取机械手。其中，气动可展开结构包括柔性内衬和多个可展开模块，柔性内衬呈两端小、中间大的片状叶子型结构，其具有一端开口、另一端封闭的内腔；多个可展开模块沿柔性内衬的长度方向依次附接在柔性内衬的内表面上，相邻可展开模块之间具有间隙以形成内侧横向折痕，柔性内衬的外表面对应于内侧横向折痕设置有外侧横向折痕；可展开模块包括两个相同的刚性片，两个刚性片关于柔性内衬的长度方向对称地设置在柔性内衬的内表面上；两个刚性片之间具有间隙，多个可展开模块中的该间隙均共线以形成纵向折痕；本发明可通过在单一驱动下产生多种形式的变胞序列运动，具有结构简洁及可部署的优点。

Description

叶子型气动可展开结构以及空间抓取机械手

技术领域

本发明涉及可展开机构领域，具体涉及一种叶子型气动可展开结构以及空间抓取机械手。

背景技术

可展开机构系统可以收拢到紧凑状态以方便储藏与运输，待进入特定位置后再展开到较大尺度状态以实现更大范围的作业，在可展开空间机构、软变形机器人、折纸机器人和折纸结构等有着十分广泛的应用前景。

传统机械手在抓取过程中通常依赖于刚性机构和电机驱动，这些机构在某些情况下可能难以适应复杂的环境或要求。此外，现有技术中的一些机械手的可能会受到机械复杂性、驱动数量、能耗等因素的制约，导致在抓取较大尺寸和较重目标时存在一定的局限性。在现有的技术中，可展开机械抓手大多数由多个驱动控制展开和折叠运动，但是这样的设计方式往往消耗更多的能量、也会导致复杂性增加及体积增大。

为了实现特定机制的可变机动性，现有技术中存在一种能够实现多种运动模式的变胞机构，这类变胞机构系统常常需要额外的驱动系统来调整其机动性，以适应不同的运动需求。然而，诸如上述现有设计为实现多种运动模式，往往需要搭载多个驱动(例如电机)，这导致了可展开机构消耗更多能量。为了安装驱动往往要设计额外的结构，这使得整体结构体积、重量更大，同时在抓取大尺寸和较重目标方面的局限性更大，在实际应用中面临系统复杂性高、能耗增加等问题，限制了其在多样化任务中的效率。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构简洁且可通过在单一驱动下产生多种形式的变胞序列运动的叶子型气动可展开结构以及空间抓取机械手。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种叶子型气动可展开结构，气动可展开结构包括柔性内衬和多个可展开模块，柔性内衬呈两端小、中间大的片状叶子型结构，其具有一端开口、另一端封闭的内腔；多个可展开模块沿柔性内衬的长度方向依次附接在柔性内衬的内表面上，相邻可展开模块之间具有间隙以形成内侧横向折痕，柔性内衬的外表面对应于内侧横向折痕设置有外侧横向折痕；

可展开模块包括两个相同的刚性片，两个刚性片关于柔性内衬的长度方向对称地设置在柔性内衬的内表面上，两个刚性片之间具有间隙；多个可展开模块中的该间隙均共线以形成纵向折痕；

相邻的可展开模块围绕内侧横向折痕与外侧横向折痕交替折叠，使得气动可展开结构呈Z形状态，Z形状态下的可展开模块中的两个刚性片可围绕纵向折痕转动而使得气动可展开结构呈V形状态；

展开时，经开口向内腔中充气，使得多个可展开模块中的两个刚性片围绕纵向折痕展开，直至可展开模块中的两个刚性片展开至处于同一平面内；继续向内腔中充气，使得多个可展开模块围绕内侧横向折痕与外侧横向折痕沿柔性内衬的长度方向展开，直至气动可展开结构展开至呈片状。

作为本发明的一种具体实施方式，内侧横向折痕呈相对刚性，外侧横向折痕呈相对柔性；其中，气动可展开结构展开呈片状时，再继续向内腔中充气，使得相邻可展开模块围绕内侧横向折痕转动、外侧横向折痕被拉伸，以实现气动可展开结构的弯曲。

作为本发明的一种具体实施方式，内侧横向折痕处附接有限制胶带，限制胶带在无外力作用下限制该内侧横向折痕被拉伸而呈相对刚性。

作为本发明的一种具体实施方式，柔性内衬为柔性聚乙烯软管。

作为本发明的一种具体实施方式，刚性片为PVC片。

作为本发明的一种具体实施方式，刚性片以粘接方式附接在柔性内衬的内表面上。

作为本发明的一种具体实施方式，可展开模块的数量为4-12个。

本发明第二方面提供了一种空间抓取机械手，其包括基座和多个如上任一项的叶子型气动可展开结构。

作为本发明的一种具体实施方式，多个叶子型气动可展开结构呈圆周阵列或相对设置地安装在基座上。

作为本发明的一种具体实施方式，叶子型气动可展开结构的数目为3-6个。

本发明具备以下有益效果：

本发明的叶子型气动可展开结构是基于折纸变胞和采用仿形结构进行设计的，是一种高度简洁且可部署的可展开机构，其基于折纸机构的运动学分岔特性，结合气动软体作为驱动，实现了单驱动多模式的功能，即利用单一驱动实现多种顺序运动模式，克服了现有技术在抓取大尺寸和较重目标方面的限制，大大降低了系统整体的结构复杂性、重量、制造成本以及能耗等等。

同时，本发明中的抓取机械手具有独特的灵活性和适应性，使得抓取机械手能够有效地抓取比自身更大更重的重物，有利于执行多样化的抓取任务，尤其对航空航天领域和其他需要高环境适应性的领域具有重要意义。

为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是折纸机构的运动学分岔特性的原理图；

图2是折纸模型中不共线折痕的夹角与折纸刚度的关系图；

图3是本发明叶子型气动可展开结构呈V形折叠状态的示意图；

图4是本发明叶子型气动可展开结构呈Z形折叠状态的示意图；

图5是Z形展开的中间过程图；

图6是本发明叶子型气动可展开结构呈片状的示意图；

图7是本发明叶子型气动可展开结构呈弯曲状的示意图；

图8是叶子型气动可展开结构的实验模型展开变化对比图；

图9是本发明抓取机械手的实验模型图；

图10是本发明抓取机械手的抓取状态图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

本发明实施例的变胞折纸机构的折痕空间状态与折痕刚度、运动度之间满足以下变化规律：当折痕共线时折痕刚度最小，在共线方向存在一个转动自由度；当折痕空间不共线时刚度会随之增大，对应的转动自由度消失。

为更充分的理解本发明，下面结合图1对变胞折纸机构的运动学分岔特性进行展开介绍。如果折纸厚度忽略不计，当折纸处于变胞状态时，既可以沿着共线的C2C4折痕进行折叠，也可以沿着共线的C1C3折痕进行折叠，一旦选择其中一组共线折痕进行折叠，另外一组折痕将不再共线。

该折纸模型不共线折痕的夹角与折纸刚度的关系如图2所示：折痕C1C3夹角为0°的时候，折纸模型在平行于折痕C1C3方向上具有最大刚度；当折纸模型绕折痕C2C4进行展开，随着折痕C1C3的夹角逐渐变大，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上的刚度将逐渐降低；当折痕C1C3共线时，折纸模型在折痕C1C3夹角等分线方向上刚度趋近于0，也就是可以绕着C1C3可以产生折叠运动。

基于上述原理，本发明实施例的叶子型气动可展开结构100能够在单驱动气压作用下进行展开运动和弯曲运动。这种运动模式的主要特点是其序列性，包括围绕纵向折痕的初始展开，然后随着气压的增加围绕内侧横向折痕和外侧横向折痕展开，并随着气压的再次增加围绕内侧横向折痕转动，以实现对物体的抓取。

实施例的叶子型气动可展开结构100如图3-7所示，其包括柔性内衬110和多个可展开模块120；其中，柔性内衬110优选为柔性聚乙烯软管；柔性内衬110呈两端小、中间大的片状叶子型结构，其具有一端开口、另一端封闭的内腔111。

多个可展开模块120沿柔性内衬110的长度方向依次附接在柔性内衬110的内表面上，相邻可展开模块120之间具有间隙以形成内侧横向折痕112，柔性内衬110的外表面对应于内侧横向折痕112设置有外侧横向折痕113。进一步地，多个可展开模块120沿柔性内衬110长度方向的长度相同和/或不相同，具体可根据设计需要进行参数设置，这里不再展开。具体的，可展开模块120的数目优选为4-12个，在本实施例中，可展开模块120的数量为7个。

可展开模块120包括两个相同的刚性片121，刚性片121优选为PVC片(聚氯乙烯塑料片)，在一个可选的实施例中，刚性片121也可以采用例如纤维片等类型的刚性结构，这里不再一一举例。其中，两个刚性片121关于柔性内衬110的长度方向对称地设置在柔性内衬110的内表面上；较佳地，刚性片121优选以粘接方式附接在柔性内衬110的内表面上，具体例如通过双面胶带进行粘接。其中，两个刚性片121之间具有间隙，多个可展开模块120中的该间隙均共线以形成纵向折痕114。

这里需要说明的是，不同的可展开模块120中的刚性片121的大小优选是不同的，以能够组合形成片状的叶子型结构即可。在一个可选的实施例中，部分可展开模块120中的刚性片121大小也可以是相同的，这里不对此进行限定，不再展开。

实施例中的内侧横向折痕112呈相对刚性，外侧横向折痕113呈相对柔性；其中，气动可展开结构100展开呈片状时，再继续向内腔111中充气，使得相邻可展开模块120围绕内侧横向折痕112转动、外侧横向折痕113被拉伸，以实现气动可展开结构100的弯曲。示例性的，内侧横向折痕112处附接有限制胶带，限制胶带在无外力作用下限制该内侧横向折痕112被拉伸而呈相对刚性；其中，限制胶带依然是柔性的，其在较大外力作用下也可以展现柔性折痕的特性。

实施例中相邻的可展开模块120围绕内侧横向折痕112与外侧横向折痕113交替折叠，使得气动可展开结构100呈Z形状态，如图4所示；Z形状态下的可展开模块120中的两个刚性片121可围绕纵向折痕114转动，而使得气动可展开结构100呈V形状态，如图3所示。展开时，经开口向内腔111中充气，使得多个可展开模块120中的两个刚性片121围绕纵向折痕114展开，直至可展开模块120中的两个刚性片121展开至处于同一平面内，如图4所示。继续向内腔111中充气，使得多个可展开模块120围绕内侧横向折痕112与外侧横向折痕113沿柔性内衬110的长度方向展开，直至气动可展开结构100展开至呈片状，如图5-6所示。气动可展开结构100展开呈片状时，再继续向内腔111中充气，使得相邻可展开模块120围绕内侧横向折痕112转动、外侧横向折痕113被拉伸，以实现气动可展开结构100的弯曲，如图7所示。上述过程随着向内腔111中持续充气而连续进行，如图8所示，即利用单一气驱动方式实现顺序运动模式。

实施例中采用刚性片121作为折纸变胞机构的构成面，在实际模型设计时，相邻构成面之间的间隙尺寸需根据实际设计并考虑刚性片121的厚度、柔性内衬110的厚度以及胶带的厚度，以确保折纸变胞机构能够完全折叠成预定配置。具体的，实施例中的内侧横向折痕112、外侧横向折痕113以及纵向折痕114均例如通过柔性内衬110上形成的褶皱来提供的。

本发明实施例的空间抓取机械手如图9所示，其包括基座200和多个前述的叶子型气动可展开结构100。其中，叶子型气动可展开结构100的数目例如为3-6个，实施例中叶子型气动可展开结构100的数目具体为三个，三个叶子型气动可展开结构100呈圆周阵列方式安装在基座200上。在其他实施例中，叶子型气动可展开结构100的数目可根据实际设计需要进行设置，例如设有四个叶子型气动可展开结构100，四个叶子型气动可展开结构100呈两两一组相对设置方式安装在基座200上。

进一步地，基座200上例如设有充气模块，充气模块用于向内腔111进行充气；其中，柔性内衬的开口优选粘接到基座200上并使用例如密封剂对连接位置进行密封处理。

实施例中，宽大的叶子型气动可展开结构100赋予空间抓取机械手具有包围式夹持模式，因此可实现对重物的抓取；如图10所示，实验模型中空间抓取机械手在折叠配置下的直径为8厘米，被抓握的物品直径为16厘米，是空间抓取机械手折叠配置下直径的两倍。其中，空间抓取机械手所含的三个分支(叶子型气动可展开结构100)总重量为45克，而空间抓取机械手可以抓取重达377.3克的物体，是机械手重量大8.3倍，有利于实现大尺寸目标物及较重目标物的抓取。

虽然以上通过实施例描绘了本发明，但应当理解的是，上述实施例仅用于示例性地描述本发明的可实施方案，而不应解读为限制本发明的保护范围，即凡本领域技术人员依照本发明所作的置换或变化，应同样为本发明权利要求的保护范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种叶子型气动可展开结构，其特征是：所述气动可展开结构包括柔性内衬和多个可展开模块，所述柔性内衬呈两端小、中间大的片状叶子型结构，其具有一端开口、另一端封闭的内腔；多个所述可展开模块沿所述柔性内衬的长度方向依次附接在所述柔性内衬的内表面上，相邻所述可展开模块之间具有间隙以形成内侧横向折痕，所述柔性内衬的外表面对应于内侧横向折痕设置有外侧横向折痕；

所述可展开模块包括两个相同的刚性片，两个所述刚性片关于所述柔性内衬的长度方向对称地设置在所述柔性内衬的内表面上；两个所述刚性片之间具有间隙，多个所述可展开模块中的该间隙均共线以形成纵向折痕；

相邻的所述可展开模块围绕内侧横向折痕与外侧横向折痕交替折叠，使得所述气动可展开结构呈Z形状态，Z形状态下的所述可展开模块中的两个所述刚性片可围绕纵向折痕转动而使得所述气动可展开结构呈V形状态；

展开时，经所述开口向所述内腔中充气，使得多个所述可展开模块中的两个所述刚性片围绕纵向折痕展开，直至所述可展开模块中的两个所述刚性片展开至处于同一平面内；继续向所述内腔中充气，使得多个所述可展开模块围绕内侧横向折痕与外侧横向折痕沿所述柔性内衬的长度方向展开，直至所述气动可展开结构展开至呈片状。

2.如权利要求1所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：内侧横向折痕呈相对刚性，外侧横向折痕呈相对柔性；其中，所述气动可展开结构展开呈片状时，再继续向所述内腔中充气，使得相邻所述可展开模块围绕内侧横向折痕转动、外侧横向折痕被拉伸，以实现所述气动可展开结构的弯曲。

3.如权利要求2所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：内侧横向折痕处附接有限制胶带，所述限制胶带在无外力作用下限制该内侧横向折痕被拉伸而呈相对刚性。

4.如权利要求1所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：所述柔性内衬为柔性聚乙烯软管。

5.如权利要求1所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：所述刚性片为PVC片。

6.如权利要求1所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：所述刚性片以粘接方式附接在所述柔性内衬的内表面上。

7.如权利要求1所述的叶子型气动可展开结构，其特征是：所述可展开模块的数量为4-12个。

8.一种空间抓取机械手，其特征是包括基座和多个如权利要求1-7任一项所述的叶子型气动可展开结构。

9.如权利要求8所述的空间抓取机械手，其特征是：多个所述叶子型气动可展开结构呈圆周阵列或相对设置地安装在所述基座上。

10.如权利要求8所述的空间抓取机械手，其特征是：所述叶子型气动可展开结构的数目为3-6个。