CN208323419U - 一种可变刚度的软体机械手 - Google Patents

Abstract

本技术公开一种可变刚度的软体机械手，由一个或多个执行单元构成。执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分主要由软体基体和外围约束纤维组成，刚度调节部分主要为内置刚度调节介质的介质层。基体为硅胶合成材料制成的柔性中空管状结构，基体外侧为两组按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材）。刚度调节部分安装在基体外侧，内置刚度调节介质，对刚度调节部分抽真空，介质接触面积增加导致摩擦力改变，进而改变刚度。软体基体由气压或者液压驱动，刚度调节部分利用负压装置驱动。通过形变部分和刚度调节部分的配合，实现软体机械手兼具刚柔特性，具有极高的作业效率的同时，保证与外界操作对象与操作环境交互时具有极高的安全性。

Description

一种可变刚度的软体机械手

技术领域

本技术涉及软体机器人夹持器，具体而言是一种可变刚度的软体机械手。

背景技术

进入21世纪以来，机器人技术广泛应用于军事、工业、科学探测等诸多领域。传统机器人一般由刚性模块通过运动副连接构成，每个运动副提供一个(或多个)平动自由度或转动自由度。所有运动副的运动组合形成机器人末端执行器的工作空间，这种机器人具有运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制。而软体机器人是模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有较大的柔韧性和连续变形能力，适应环境的能力较强，可在狭窄的空间内进行工作。

目前，软体机器人技术在人机交互、医疗康复等领域有着广阔的发展前景。2013年，柏林工业大学Raphael Deimel等人利用硅橡胶和聚合物纤维研制了一款气体驱动的船型柔性手。手指采用船型通腔结构，外面用纤维缠绕，通过在一侧加入被动层限制，而另一侧拉伸实现弯曲。该柔性手安全简单，易于制造，可以实现31到33种抓取姿态，可以抓取500g左右的物体。

2013年哈佛生物设计实验室的Panagiotis等人针对手部运动障碍的病人研制了一款康复手套 。手指内部是由气囊组成的气动网络采用硅橡胶材料制作，在充气状态下可以产生弯曲运动。2014年，Panagiotis等对前代产品进行了改进。采用聚合物纤维强化，利用液压驱动，通过提高输入压力来增强输出手指力量。通过机械编程来仿照人手关节，实现每个关节的运动，使其更加匹配人的手指运动方式。

软体机器人是机器人技术研究的全新方向，它弥补了传统机器人在某些功能上的缺陷，在很多方面都有其用武之地，未来发展的前景一片光明。但是由于对它的研究才刚刚起步，在材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需要继续研究，所以对于它的研究也充满了困难与挑战。

发明内容

为了弥补软体机械手无法兼顾柔韧性和刚度调节的缺陷，本专利提供一种可变刚度的软体机械手。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可变刚度的软体机械手，包括至少一个执行单元；所述执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分包括具有内腔的中空管状软体基体和缠绕在软体基体外围的不可拉伸纤维组成，在基体上具有与内腔相通的基体通气孔；刚度调节部分包括用于固定缠绕在基体外侧的不可拉伸纤维的胶水层、环绕胶水层并与胶水层之间形成封闭环形空腔的软质封闭层、设置在环形空腔内的刚度调节介质形成的介质层；环形空腔的两端以封闭环封闭，封闭板上开有与环形空腔内部相通的刚度调节通气孔。

上述的可变刚度的软体机械手，所述基体的内腔为多个关于基体轴线对称分布的内腔，每个基体内腔一端与一个基体通气孔相通。最好，多个执行单元的一端共同设置在第一法兰盘上；与基体通气孔相通的基体通气管、与刚度调节通气孔相通的刚度调节通气管均穿过第一法兰盘。优选，它含包括叠置在第一法兰盘上的第二法兰盘，第一法兰盘与第二法兰盘固定连接；基体通气管、刚度调节通气管均穿过第二法兰盘。

上述的可变刚度的软体机械手，所述基体为柔性半圆柱状结构，其中非圆弧侧材料硬度高于圆弧侧。

上述的可变刚度的软体机械手，所述基体两端以端盖密封，在端盖上安装中空螺钉，中空螺钉上所开中心孔为基体通气孔。最好，均布在同一圆周上的多个执行单元的两端分别设置在两个法兰盘上。

上述的可变刚度的软体机械手，刚度调节介质为颗粒状物品，优选直径范围为1-5mm的颗粒状物品。

上述的可变刚度的软体机械手，刚度调节介质为相互交叉的纸张。

本技术的有益效果：本技术由于设置有刚度调节部分，能够调节执行单元的刚度。刚度调节介质若是颗粒状物品，在未通过刚度调节孔对环形空腔抽气时，颗粒间空隙较大，摩擦力较小，整个执行单元呈现较软的状态；在通过刚度调节孔对环形空腔抽气状态下，颗粒间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。

刚度调节介质若是相互交叉的纸张，在未通过刚度调节孔对环形空腔抽气时，纸张间空隙较大，摩擦力较小，整个执行单元呈现较软的状态；在通过刚度调节孔对环形空腔抽气状态下，纸张间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。

所述软体机械手手指关节由软质硅胶或其他软材料制成，用胶水固定在执行单元的一端，长度尺寸可根据所夹物品的大小及形状来决定，并可以增加手指内侧的表面粗糙度来增加关节与物品间的摩擦力。

附图说明

图1是第一种结构基体（圆柱形内腔）结构示意图；

图2是图1的俯视图（放大）；

图3是第一种结构基体（层板形隔开的内腔）结构示意图；

图4是图3的俯视图（放大）；图5是第一种结构基体左侧弯曲示意图；

图6是第一种结构基体右侧弯曲示意图；

图7是第一种结构基体的结构示意图；

图8是图7的俯视图（放大）；

图9是中空螺钉的结构示意图；

图10是执行单元的结构示意图

图11是图10的俯视图（放大）；

图12是软体机械手的结构示意图；

图13是图12所示软体机械手的俯视图；

图14是第三种结构基体的结构示意图；

图15是图14的俯视图（放大）；

图16是第三种结构基体向较硬侧弯曲示意图；

图17是第三种结构基体向较软侧弯曲示意图；

图18是刚度调节部分的结构示意图；

图19是图18的俯视图（放大）；图20是刚度调节部分介质层颗粒分布图；

图21是刚度调节部分介质层纸张分布图；

图22是第一法兰盘的结构示意图；

图23是第二法兰盘的结构示意图；

图24是安装有执行单元的第一法兰盘的俯视图；

图25是第一、第二法兰盘的连接示意图；

图26是软体机械手总装配图；

图27是软体机械手的执行单元向外弯曲示意图；

图28是软体机械手的执行单元向内弯曲示意图；

图29是软体机械手控制流程图。

图1-6中，基体100，左腔室1，右腔室2，软质层板3，基体通气孔101，基体通气孔102；

图7-10中，基体200，基体通气孔201，内腔202；

图14-17中，基体300，内腔302，基体通气孔301；

图18-21中，刚度调节部分400，胶水层8、介质层9以及封闭层10，封闭环401，刚度调节通气孔402，刚度调节介质（颗粒状物品）403，刚度调节介质（相互交叉的纸张）404；

图10-11中，执行单元1000，形变部分1001，刚度调节部分1002，基体500，空腔501，约束纤维503，端盖504，中空螺钉4，螺母5，垫圈6，刚度调节通气孔7，胶水层8、介质层9、封闭层10；

图12、13中，执行单元a、b、c，法兰盘d，中空螺钉4，刚度调节通气孔7；

图23-28中，执行单元2000，第一法兰盘2001，第二法兰盘2002，孔2003，连接件2004，与位于外侧的各执行单元的内腔相通的基体通气孔11、12、13、14，与位于内侧的各执行单元的内腔相通的基体通气孔15、16、17、18，与各执行单元介质层相通的刚度调节通气孔19、20、21、22。

具体实施方式

下面结合附图对本专利做进一步说明。

参见图1-2，第一种结构的基体100为软质硅胶或其他软材料制成的柔性中空管状结构，基体对称分布两个关于基体轴线对称的圆柱形腔室左腔室1和右腔室2，或，参见图3、4，用一块较硬的软质层板3自上而下对称地将基体内部分为左腔室1和右腔室2。所述基体的两端密封，每个腔室一端留有一个基体通气孔，用于与外接驱动系统连接。所述基体1的内腔也可对称分布多个关于基体轴线对称的圆柱形腔室，或用多块层板将其均分成多个腔室，每个腔室一端留有一个基体通气孔，其腔室数量、形状和位置可由执行机构所达到的变形能力和运行方式决定。

参见图6，当左腔室1通过基体通气孔101充气时，左腔室内充满气体并受到压力，由于材料自身的柔韧性和约束纤维的限制，整个左腔室将伸长，右腔室未受到压力作用，长度保持不变。由于材料自身的应力和柔韧性，整个执行单元将向右侧弯曲。同理，参见图5，当右腔室2通过基体通气孔102充气时，整个执行单元将向左侧弯曲。所述基体1可以通过调节左、右两个腔室的充气量来改变整个执行单元的弯曲程度。

参见图7-8，第二种结构的所述基体200为软质硅胶或其他软材料制成的柔性圆柱状结构，中间有一个内腔202，两端密封，在其中一端留有一个基体通气孔201。

参见图10-11所示的执行单元1000，可以近似看作是具有图7、8所示基体的形变部分和图18-21所示刚度调节部分组合而成。该执行单元中的形变部分1001包括内有空腔501的柔性圆柱状基体500和两组按照一定角度缠绕在基体外周上的约束纤维503，空腔两端以端盖504密封，在其中一端盖504上通过螺母5和垫圈6来安装中空螺钉4，参见图9，中空螺钉4上具有与空腔501相通的基体通气孔。基体外侧为两组按照一定角度缠绕的约束纤维 ，再由里向外分别分布由胶水层8、介质层9、封闭层10组成的刚度调节部分1002，构成一个执行单元。胶水层8和封闭层10之间的环形空腔即介质层9，内置刚度调节介质张，两端用封闭环401密封，其中一端的封闭环留有刚度调节通气孔7。刚度调节部分1002可以参考图18-21。

参见图12、13所示可变刚度的软体机械手，是将3个图10-11所示的执行单元对称分布在两个法兰盘d之间而构成。各执行单元均可通过各自的刚度调节通气孔7进行充气或抽气。

当然也可将多个执行单元对称分布在两个法兰盘之间，构成一个软体机械手。各执行单元均可通过各自的中空螺钉进行充气或抽气。当对执行单元a、执行单元b通过相应的执行单元的中空螺钉充气而执行单元c不充气或通过中空螺钉抽气时，执行单元a、执行单元b将会伸长，执行单元c的长度不变或者缩短，由于材料自身的柔韧性，软体机械手将向执行单元c侧弯曲；同理，当对执行单元b、执行单元c通过相应的执行单元的中空螺钉充气而执行单元a不充气或通过中空螺钉抽气时，软体机械手将向执行单元a侧弯曲，当对执行单元a、执行单元c充气而执行单元b不充气时，软体机械手将向执行单元b侧弯曲。如果只对一个执行单元充气而另两个执行单元不充气或抽气时，软体机械手将会向不充气或抽气的执行单元侧弯曲，且弯曲程度相对较小。当需要软体机械手保持在某种状态时，均可通过各执行单元的刚度调节通气孔7进行抽气。

参见图14-17，第三种结构的所述基体300为软质硅胶或其他软材料制成的柔性半圆柱状结构，其中非圆弧侧材料硬度高于圆弧侧，中间有一个内腔302，两端密封，其中一端留有一个基体通气孔301，用于与外接驱动系统连接。参见图16，当通过基体通气孔对内腔充气时，由于非圆弧侧材料较硬，其伸长量比圆弧侧伸长量短，又由于材料自身的柔韧性和应力作用，整个执行单元向较硬侧弯曲；参见图17，当通过基体通气孔对内腔抽气时，由于非圆弧侧材料较硬，其收缩量比圆弧侧收缩量短，整个执行单元向较软侧弯曲。

所述基体外侧为两组按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材）。所述不可拉伸纤维（线材）一般可选用凯夫拉线或钓鱼线，通过调节纤维角度的大小，可以实现形变部分伸长、弯曲、扭转等运动形式。基体和缠绕在软体基体外围的不可拉伸纤维组成的形变部分属于现有技术。

参见图18-21，所述刚度调节部分400由里向外依次为胶水层8、介质层9以及封闭层10。所述胶水层8主要是用于固定缠绕在基体外侧的不可拉伸纤维，所述介质层9是胶水层8和封闭层10之间的环形空腔，内置刚度调节介质：颗粒状物体403或者纸张404，两端用封闭环401密封，其中一端的封闭环留有刚度调节通气孔402，通过刚度调节通气孔对介质层9抽气压缩介质间的空隙并且增大介质间的摩擦力，从而增大执行单元的刚度。所述封闭层10由软质硅胶或其他软材料制成，和所述胶水层8构成一个圆环状腔体，用以放置纸张或者颗粒状物品。

参见图20，所述刚度调节介质403是选用较小的颗粒状物品，直径范围为1-3mm，如咖啡豆等。在未通过刚度调节孔对环形空腔抽气状态下，颗粒间空隙较大，摩擦力较小，整个执行单元呈现较软的状态；在抽气状态下，颗粒间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。

参见图21，所述刚度调节介质404是选用相互交叉的纸张，未抽气状态下，纸张间空隙较大，摩擦力较小，整个执行单元呈现较软的状态；在抽气状态下，纸张间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，整个执行单元呈现较硬的状态。

参见图23-28所示软体机械手由四个执行单元2000通过连接件2004与第一法兰盘2001、第二法兰盘2002组装而成。第二法兰盘与第一法兰盘上下同轴固定相连。第一法兰盘上连接四个执行单元。

每个执行单元2000，可以看作是具有图1、2（或者图3、4）所示基体的形变部分和图18-21所示刚度调节部分组合而成。各执行单元以第一法兰盘的轴线为对称轴呈中心对称分布，各执行单元中基体上的两个内腔（即左腔室和右腔室，参见图1、2或图3、4）在第一法兰盘的径向方向上，一个在内侧，一个是外侧。位于外侧的各执行单元的内腔一端留有基体通气孔11、12、13、14，位于内侧的各执行单元的内腔一端留有基体通气孔15、16、17、18，各执行单元还具有与介质层相通的刚度调节通气孔19、20、21、22。

所述第一法兰盘2001上有四个同执行单元外径大小相同的孔2003用于安装四个执行单元，孔的数量和执行单元的数量一致，。所述第二法兰盘2002上留有多个小孔，与执行单元上基体通气孔和刚度调节通气孔的直径和数量相同，用以通过与基体通气孔和刚度调节通气孔相连的基体通气管和刚度调节通气管。所述第一法兰盘和第二法兰盘的中心处对应留有一个小孔，用以通过连接件2004。所述连接件将第一法兰盘和第二法兰盘连接固定在一起。

参见图27，通过基体通气孔15、16、17、18对位于内侧的基体内腔同时充气，不通过基体通气孔11、12、13、14对位于外侧的基体内腔充气时，每个执行单元将会向外侧弯曲，通过调节充气量可以实现执行单元向外侧弯曲程度的不同，充气量与弯曲程度成正比。并可以通过刚度调节通气孔19、20、21、22对各执行单元的介质层抽真空来调节整个软件机械手的刚度，通过调节抽气的量，来改变软件机械手刚度的大小。

参见图28，通过基体通气孔11、12、13、14对位于外侧的基体内腔同时充气时，不通过基体通气孔15、16、17、18对位于内侧的基体内腔充气时，每个执行单元将会向里侧弯曲，通过调节充气量可以实现执行单元向里侧弯曲程度的不同。并可以通过刚度调节通气孔19、20、21、22对各执行单元的介质层抽真空来调节整个软体机械手的刚度，通过调节抽气的量，来改变软体机械手的大小。

所述软体机械手控制流程图参见图29所示。

本技术描述了一种可变刚度的软体机械手，由一个或多个执行单元构成。执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分主要由软体基体和外围约束纤维组成，刚度调节部分主要为内置刚度调节介质的介质层。基体为硅胶合成材料制成的柔性中空管状结构，基体外侧为两组按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材），通过调节纤维角度，可以实现形变部分伸长、弯曲、扭转等运动形式。刚度调节部分安装在基体外侧，内置刚度调节介质，对刚度调节部分抽真空，介质接触面积增加导致摩擦力改变，进而改变刚度。软体基体由气压或者液压驱动，刚度调节部分利用负压装置驱动。通过形变部分和刚度调节部分的配合，实现软体机械手兼具“刚”、“柔”特性，具有极高的作业效率的同时，保证与外界操作对象与操作环境交互时具有极高的安全性。

Claims (9)

1.一种可变刚度的软体机械手，包括至少一个执行单元；所述执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分包括具有内腔的中空管状软体基体和缠绕在软体基体外围的不可拉伸纤维组成，在基体上具有与内腔相通的基体通气孔；其特征是：刚度调节部分包括用于固定缠绕在基体外侧的不可拉伸纤维的胶水层、环绕胶水层并与胶水层之间形成封闭环形空腔的软质封闭层、设置在环形空腔内的刚度调节介质形成的介质层；环形空腔的两端以封闭环封闭，封闭板上开有与环形空腔内部相通的刚度调节通气孔。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：所述基体的内腔为多个关于基体轴线对称分布的内腔，每个基体内腔一端与一个基体通气孔相通。

3.根据权利要求2所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：多个执行单元的一端共同设置在第一法兰盘上；与基体通气孔相通的基体通气管、与刚度调节通气孔相通的刚度调节通气管均穿过第一法兰盘。

4.根据权利要求3所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：它含包括叠置在第一法兰盘上的第二法兰盘，第一法兰盘与第二法兰盘固定连接；基体通气管、刚度调节通气管均穿过第二法兰盘。

5.根据权利要求1所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：所述基体为柔性半圆柱状结构，其中非圆弧侧材料硬度高于圆弧侧。

6.根据权利要求1所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：所述基体两端以端盖密封，在端盖上安装中空螺钉，中空螺钉上所开中心孔为基体通气孔。

7.根据权利要求6所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：均布在同一圆周上的多个执行单元的两端分别设置在两个法兰盘上。

8.根据权利要求1所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：刚度调节介质为颗粒状物品。

9.根据权利要求1所述的可变刚度的软体机械手，其特征在于：刚度调节介质为相互交叉的纸张。