CN211278453U - 一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，旨在解决现有技术中已有的压力测量装置无法高效、无迟滞地接收到力觉、触觉等信息，导致手指无法快速做出相应的姿态及动作的调整的技术问题。本实用新型包括手型的抓取构件，其特征在于，抓取构件包括手掌和手指，手指与待抓取物体相接触的一侧设有第一气囊，手掌与待抓取物体相接触的一侧设有第二气囊，手指内设有辅助气体流通的导管，导管与第一气囊和第二气囊均连通，导管远离手指的指尖的一端设有鼓膜，鼓膜上连接有压力测量构件，第一气囊、第二气囊、导管和鼓膜构成封闭的气体流道。

Description

一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置

技术领域

本实用新型涉及灵巧手抓持和操作技术领域，特别是涉及一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置。

背景技术

科学技术的快速发展使得机器人越来越智能化，现在我们只需要操控机器人就可能实现大规模的生产或操作，故而机器人技术现在已经成为我们的工作、日常生活中必不可少的极其重要的工业自动化技术之一。工业自动化技术的飞速发展以及日益扩大的机器人应用领域使得我们对现有的机器人技术提出了更高、更智能的要求，这也就使得现在的机器人必须配备各式各样的传感器或感应器件。为了进一步提升机器人的智能化，研究人员开始为其配备诸如力觉、触觉、嗅觉或者视觉等可更好地感知外界环境的各类传感器或感应器；这也使得对机器人技术的研究变得更加丰富、更加有意义。当处理需要暴露某些特征的工具或对象时，灵巧的末端效应器可以让对象从初始掌握到在手中重新定向，而这需要传感器能够更准确、高效地接收到力觉、触觉等信息，以便于手指做出相应的姿态及动作的调整。

传统的压力传感器的原理一般为压阻式、压电式和蓝宝石式。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成，当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生于被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号；但是硅片具有很高的机械刚度，只能测量一个方向的力，不适宜形变不规则的软体指尖。压电传感器因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，所以不能用于静态测量。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象，但是价格较为昂贵。此外，传统的压力传感器体型较大，无法用于软体指尖表面，所以我们需要一种装置，可以将指尖受到的力传递到手指内部的传感器上，在保证手指结构完整美观的同时，测量指尖所受到的压力。

发明内容

本实用新型为了克服现有技术中压力测量装置无法高效、无迟滞地接收到力觉、触觉等信息，导致手指无法快速做出相应的姿态及动作的调整的技术问题，提供一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，第一气囊、第二气囊、气管、鼓膜和压力测量构件的配合可实现力觉、触觉等信息高效、无迟滞地接收，故而手指可依照接收到的信息快速做出相应的姿态及动作调整。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。

一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，包括手型的抓取构件，抓取构件包括手掌和手指，手指与待抓取物体相接触的一侧设有第一气囊，手掌与待抓取物体相接触的一侧设有第二气囊，手指内设有辅助气体流通的导管，导管与第一气囊和第二气囊均连通，导管远离手指的指尖的一端设有鼓膜，鼓膜上连接有压力测量构件，第一气囊、第二气囊、导管和鼓膜构成封闭的气体流道。本实用新型中，当抓取构件不与待抓取物体接触时，第一气囊和第二气囊均无形变，鼓膜中的气压和外部的大气压强相等，当抓取构件与待抓取物体接触时，位于手指上的第一气囊以及位于手掌上的第二气囊在待抓取物体的挤压下形变压缩，第一气囊和第二气囊中的气体通过导管流入导管远离手指的指尖的一端的鼓膜中，鼓膜内部气量的增多导致鼓膜内部气压上升，鼓膜内部气压与大气压之间的正压差本应驱使鼓膜发生膨胀形变，但是，鼓膜上连接有压力测量构件，所述压力测量构件阻止了鼓膜形变的发生，此时，鼓膜内部气压与大气压之间的正压差作用在压力测量构件上并使其发生形变，压力测量构件通过自身形变即可计算出鼓膜内部气压与大气压之间的正压差，所述正压差由第一气囊和第二气囊注入鼓膜中的气体产生，而所述气体由待抓取物体和第一气囊、第二气囊之间的挤压驱动，故而压力测量构件测量到的压力与待抓取物体和第一气囊、第二气囊之间的挤压力相等。本实用新型通过流动的气体将抓取构件受到的力传递到手掌内部的传感器上并完成测量，第一气囊、第二气囊、气管、鼓膜和压力测量构件的配合实现力觉、触觉等信息高效、无迟滞地传递，故而手指可依照接收到的信息快速做出相应的姿态及动作调整。

作为优选，手指包括指节和指关节，第一气囊设在指节沿其长度方向的中部，第一气囊为球形结构，第一气囊的部分结构嵌设在手指内部，第一气囊凸出手指的部分呈半球状。呈手型的抓取构件在进行握持动作时，手指的指节绕指关节发生弯曲，由于本实用新型需要测量的是抓取构件对待抓取物体的握持力，假设第一气囊设在手指的指关节处，第一气囊会同时受到待抓取物体和指关节的挤压，此时第一气囊的压缩量大于第一气囊仅受待抓取物体的挤压时的压缩量，等价的，鼓膜的变形量大于第一气囊仅受待抓取物体的挤压时鼓膜的变形量，压力测量构件测得的值偏大；为尽可能降低指关节对第一气囊的挤压对压力测量构件测量准确性的影响程度，将第一气囊设在指节沿其长度方向的中部，第一气囊和指关节之间存在间隙；此外，第一气囊为球形结构，假设第一气囊直接布置在手指表面，在抓取构件与待抓取物体接触并完成握持的过程中，由于第一气囊与连接处的截面积较小，故而第一气囊的稳定性较低，当待抓取物体与第一气囊接触并挤压第一气囊时，第一气囊形变的同时会偏移至抓取构件与待抓取物体之间的最大间隙内，待抓取物体对第一气囊的挤压力并未完全作用于第一气囊形变的发生，故而第一气囊驱动移动的气量远小于待抓取物体对第一气囊的挤压力完全作用于第一气囊形变时第一气囊驱动移动的气量，此时压力测量构件显示的压力值远小于待抓取物体对第一气囊的挤压力；为避免这一现象的发生，本实用新型中第一气囊的部分结构嵌设在手指内部，第一气囊凸出手指的部分呈半球状，即手指对第一气囊形成限位，待抓取物体对第一气囊的挤压力几乎完全作用于第一气囊的形变，此时压力测量构件显示的压力值远与待抓取物体对第一气囊的挤压力基本相等。

作为优选，鼓膜为球壳状结构，鼓膜的刚度小于导管的刚度。上述设计的主要目的是保证从第一气囊或第二气囊中压出的气体主要作用于鼓膜的形变，减少导管的形变量，进而提升压力测量构件的测量精度。

作为优选，导管沿手指的长度方向排布。导管沿手指长度方向排布，在第一气囊和第二气囊中的气体流入鼓膜或者鼓膜中的气体流入第一气囊和第二气囊的过程中不会对气体流动造成阻挡，进而避免了因导管弯折导致导管的弯折部位产生气体集聚现象。

作为优选，压力测量构件为电信号压力传感器。

作为优选，第二气囊设在手掌靠近手指的一端，第二气囊均位于手指在手掌上的延伸区域内，第二气囊为球形结构，第二气囊的部分结构嵌设在手掌内部，第二气囊凸出手掌的部分呈半球状。手型的抓取构件在握持过程中，手掌的掌心部分通常与待抓取物体之间存在间隙，本实用新型中，将第二气囊设在手掌靠近手指的一端，必要时也可以在掌心处加设；此外，第二气囊为球形结构，假设第二气囊直接布置在手掌表面，在抓取构件与待抓取物体接触并完成握持的过程中，由于第二气囊与连接处的截面积较小，故而第二气囊的稳定性较低，当待抓取物体与第二气囊接触并挤压第二气囊时，第二气囊形变的同时会偏移至抓取构件与待抓取物体之间的最大间隙内，待抓取物体对第二气囊的挤压力并未完全作用于第二气囊形变的发生，定义待抓取物体对第二气囊的挤压力完全用于驱动第二气囊形变时进入鼓膜的气量为α，定义待抓取物体对第二气囊的挤压力未完全用于驱动第二气囊形变时进入鼓膜的气量为β，明显有β＜＜α，此时压力测量构件显示的压力值远小于待抓取物体对第二气囊的挤压力；为避免这一现象的发生，本实用新型中第二气囊的部分结构嵌设在手掌内部，第二气囊凸出手掌的部分呈半球状，即手掌对第二气囊形成限位，待抓取物体对第二气囊的挤压力几乎完全作用于第二气囊的形变，此时压力测量构件显示的压力值远与待抓取物体对第二气囊的挤压力基本相等。

作为优选，第一气囊和第二气囊均由橡胶制成。其目的是提升第一气囊和第二气囊的灵敏度，有挤压力作用即可发生形变，尽可能减小迟滞现象的发生。

综上所述，本实用新型具有如下有益效果：（1）第一气囊、第二气囊、气管、鼓膜和压力测量构件的配合可实现力觉、触觉等信息高效、无迟滞地接收，故而手指可依照接收到的信息快速做出相应的姿态及动作调整；（2）均为半球状的第一气囊和第二气囊部分埋设在抓取构件内，第一气囊和第二气囊的稳定性较高，压力测量构件的测量值与待抓取物体作用于第一气囊和第二气囊的挤压力基本一致。

附图说明

图1是本实用新型的主体结构示意图。

图2是本实用新型的侧视图。

图3是本实用新型的原理透视图。

图4是抓取构件抓持物体的示意图。

图中：

1、手掌，2、手指，3、第一气囊，4、第二气囊，5、气管，6、鼓膜，7、待抓取物体。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例：

如图1至图4所示，一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，包括手型的抓取构件，抓取构件包括手掌1和手指2，手指与待抓取物体7相接触的一侧设有第一气囊3，手掌与待抓取物体相接触的一侧设有第二气囊4，手指内设有辅助气体流通的导管5，导管与第一气囊和第二气囊均连通，导管远离手指的指尖的一端设有鼓膜6，鼓膜上连接有压力测量构件，第一气囊、第二气囊、导管和鼓膜构成封闭的气体流道；第一气囊为球形结构，第一气囊的部分结构嵌设在手指内部，第一气囊凸出手指的部分呈半球状；鼓膜为球壳状结构，鼓膜的刚度小于导管的刚度；导管沿手指的长度方向排布；压力测量构件为电信号压力传感器；第二气囊为球形结构，第二气囊的部分结构嵌设在手掌内部，第二气囊凸出手掌的部分呈半球状；第一气囊和第二气囊均由橡胶制成。

手指的指节处均设有第一气囊，如图1所示，大拇指上设有两个第一气囊，其余手指上均设有三个第一气囊，手掌与手指指根的连接处设有第二气囊；如图3所示，导管自手指的指尖处为始自上而下延伸，导管与第一气囊、第二气囊导通相连，导管的下端连接有鼓膜，鼓膜上连接有电信号压力传感器；如图4所示，当手型的抓取构件握持球体状的待抓取物体时，第一气囊和第二气囊与待抓取物体接触后因挤压而发生压缩形变，第一气囊和第二气囊中的气体通过导管对导管末端的鼓膜产生力的作用，鼓膜发生的形变通过电信号压力传感器转换为电信号，即可得到抓取构件对待抓取物体的抓取力。当抓取构件松开待抓取物体时，鼓膜中的气压高于第一气囊和第二气囊中的气压，鼓膜中的气体在压差作用下复位至第一气囊和第二气囊中，从而为下一次抓取压力测量做准备。

Claims (7)

1.一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，包括手型的抓取构件，其特征在于，抓取构件包括手掌和手指，手指与待抓取物体相接触的一侧设有第一气囊，手掌与待抓取物体相接触的一侧设有第二气囊，手指内设有辅助气体流通的导管，导管与第一气囊和第二气囊均连通，导管远离手指的指尖的一端设有鼓膜，鼓膜上连接有压力测量构件，第一气囊、第二气囊、导管和鼓膜构成封闭的气体流道。

2.根据权利要求1所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，手指包括指节和指关节，第一气囊设在指节沿其长度方向的中部，第一气囊和指关节之间存在间隙，第一气囊为球形结构，第一气囊的部分结构嵌设在手指内部，第一气囊凸出手指的部分呈半球状。

3.根据权利要求1所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，鼓膜为球壳状结构，鼓膜的刚度小于导管的刚度。

4.根据权利要求1所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，导管沿手指的长度方向排布。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，压力测量构件为电信号压力传感器。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，第二气囊设在手掌靠近手指的一端，第二气囊均位于手指在手掌上的延伸区域内，第二气囊为球形结构，第二气囊的部分结构嵌设在手掌内部，第二气囊凸出手掌的部分呈半球状。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于灵巧手抓持构件的压力测量装置，其特征在于，第一气囊和第二气囊均由橡胶制成。

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