CN213526293U - 一种可变刚度的软体按摩机械手 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可变刚度的软体按摩机械手，包括三腔软体手指、平台Ⅱ、四腔软体手臂、连接座、平台Ⅰ；平台Ⅱ一面连接四腔软体手臂一端，平台Ⅱ另一面连接三腔软体手指一端，四腔软体手臂另一端经连接座与平台Ⅰ连接，通过平台Ⅰ与定位机械臂连接。本实用新型设计了四腔软体手臂和三腔软体手指，两种结构均采用刚度与柔性结合，两种方式的结合既体现出了柔性驱动灵活多变的特点也体现了承载力的适当控制，使得使用范围更广。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可变刚度的软体按摩机械手，属于按摩机器人领域。
背景技术
目前，大部分按摩机器人多采用刚性结构和刚性驱动器驱动设计，而刚性机器人为了实现按摩的功能，并且满足刚度和强度的要求，刚性按摩机器人都比较笨重，不能很好地达到拟人化，如何使得按摩机器人轻量化，具有更强的亲和力，使得软体机器人开始出现在世人眼前。
采用柔性驱动实现按摩优势突出，但必须做到既要体现出柔性驱动灵活多变的特点也要实现大的驱动才能运用于按摩，只有解决这两个问题才能使得按摩既安全可靠又舒适。
发明内容
本实用新型提供了一种可变刚度的软体按摩机械手，以用于通过柔性驱动弯曲配合刚度调节实现按摩。
本实用新型的技术方案是：一种可变刚度的软体按摩机械手，包括三腔软体手指2、平台Ⅱ5、四腔软体手臂6、连接座7、平台Ⅰ8；平台Ⅱ5一面连接四腔软体手臂6一端，平台Ⅱ5另一面连接三腔软体手指2一端，四腔软体手臂6另一端经连接座7与平台Ⅰ8连接。
所述四腔软体手臂6包括圆柱本体Ⅰ、上端盖Ⅰ13、下端盖Ⅰ14、密封薄膜17、堵塞颗粒19、菱形骨架20、刚度调节腔Ⅰ28、三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ27；其中圆柱本体Ⅰ中心位置为一个刚度调节腔Ⅰ28，沿刚度调节腔Ⅰ28的外周为三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ27，圆柱本体Ⅰ两端分别盖合上端盖Ⅰ13、下端盖Ⅰ14，三个弯曲驱动腔Ⅰ27和刚度调节腔Ⅰ28对应于上端盖Ⅰ13的位置有4个通气孔，将4根气动软管3分别通过4个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅰ27和刚度调节腔Ⅰ28，再将4根气动软管3从连接座7上设有的连接座软管输入孔24中伸入，并从连接座7上设有的连接座软管输出孔25中伸出，再通过一个五通接头9将4根气动软管3接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜17嵌在刚度调节腔Ⅰ28内壁，密封薄膜17内部由多个菱形骨架20构成，菱形骨架20之间通过柔性绳索31连接，堵塞颗粒19均匀分布在菱形骨架20与密封薄膜17之间的间隙处。
所述连接座7为一个圆柱形凸台，在连接座7上部设有凹槽，套筒26分为左右两半，在套筒26下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒26的凸台嵌入连接座7凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒26上部用螺栓29与平台Ⅰ8下表面固定连接，平台Ⅰ8上表面固定于定位机械臂10上。
所述四腔软体手臂6外周缠绕有螺旋形约束纤维1，弯曲驱动腔Ⅰ27间隔处设置有3个传感器腔Ⅰ18。
所述三腔软体手指2包括圆柱本体Ⅱ、上端盖Ⅱ22、下端盖Ⅱ21、刚度调节腔Ⅱ16、密封薄膜17、堵塞颗粒19、菱形骨架20、两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ15；其中圆柱本体Ⅱ中心位置为一个刚度调节腔Ⅱ16，沿刚度调节腔Ⅱ16的外周为两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ15，圆柱本体Ⅱ两端分别盖合上端盖Ⅱ22、下端盖Ⅱ21，下端盖Ⅱ21作为自由端接有一个半球形软体按摩头23，两个弯曲驱动腔Ⅱ15和刚度调节腔Ⅱ16对应于平台Ⅱ5的位置有3个通气孔，将3根气动软管3分别通过3个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅱ15和刚度调节腔Ⅱ16，再通过一个四通接头4将3根气动软管3接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜17嵌在刚度调节腔Ⅱ16内壁，密封薄膜17内部由多个菱形骨架20构成，菱形骨架20之间通过柔性绳索31连接，堵塞颗粒19均匀分布在菱形骨架20与密封薄膜17之间的间隙处。
所述三腔软体手指2外周缠绕有螺旋形约束纤维1，弯曲驱动腔Ⅱ15间隔处设置有2个传感器腔Ⅱ30。
本实用新型的有益效果是：本实用新型设计了四腔软体手臂和三腔软体手指，两种结构均采用刚度与柔性结合，两种方式的结合既体现出了柔性驱动灵活多变的特点也体现了承载力的适当控制，使得使用范围更广。
附图说明
图1是本实用新型的一种可变刚度的软体按摩机械手的结构示意图；
图2是本实用新型四腔软体手臂的结构示意图一；
图3是本实用新型四腔软体手臂的结构示意图二；
图4是本实用新型四腔软体手臂的结构示意图三；
图5是本实用新型四腔软体手臂的轴向剖视图；
图6是本实用新型三腔软体手指的结构示意图；
图7是本实用新型三腔软体手指的轴向剖视图；
图8是本实用新型密封薄膜结构示意图；
图9是本实用新型驱动机构结构示意图；
图10是本实用新型连接座内部结构示意图一；
图11是本实用新型连接座内部结构示意图二；
图12是本实用新型连接座与套筒连接示意图；
图中各标号为：1-约束纤维，2-三腔软体手指，3-气动软管，4-四通接头，5-平台Ⅱ，6-四腔软体手臂，7-连接座，8-平台Ⅰ，9-五通接头，10-定位机械臂，11-滑动平台，12-按摩椅，13-上端盖Ⅰ，14-下端盖Ⅰ，15-弯曲驱动腔Ⅱ，16-刚度调节腔Ⅱ，17-密封薄膜，18-传感器腔Ⅰ，19-堵塞颗粒，20-菱形骨架，21-下端盖Ⅱ，22-上端盖Ⅱ，23-软体按摩头，24-连接座软管输入孔，25-连接座软管输出孔，26-套筒，27-弯曲驱动腔Ⅰ，28-刚度调节腔Ⅰ，29-螺栓，30-传感器腔Ⅱ，31-柔性绳索。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步说明，但本实用新型的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-12所示，一种可变刚度的软体按摩机械手，包括三腔软体手指2、平台Ⅱ5、四腔软体手臂6、连接座7、平台Ⅰ8；平台Ⅱ5一面连接四腔软体手臂6一端，平台Ⅱ5另一面两端分别连接一个三腔软体手指2一端，四腔软体手臂6另一端经连接座7与平台Ⅰ8连接，通过平台Ⅰ8与定位机械臂10连接。
进一步地，可以设置所述四腔软体手臂6包括圆柱本体Ⅰ、上端盖Ⅰ13、下端盖Ⅰ14、密封薄膜17、堵塞颗粒19、菱形骨架20、刚度调节腔Ⅰ28、三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ27；其中上端盖Ⅰ13与连接座7连接，下端盖Ⅰ14与平台Ⅱ5上表面连接，圆柱本体Ⅰ中心位置为一个刚度调节腔Ⅰ28，沿刚度调节腔Ⅰ28的外周为三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ27，圆柱本体Ⅰ两端分别盖合上端盖Ⅰ13、下端盖Ⅰ14，三个弯曲驱动腔Ⅰ27和刚度调节腔Ⅰ28对应于上端盖Ⅰ13的位置有4个通气孔，将4根气动软管3分别通过4个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅰ27和刚度调节腔Ⅰ28并用703硅橡胶将通气孔与气动软管接触处密封，再将4根气动软管3从连接座7上设有的连接座软管输入孔24中伸入，并从连接座7上设有的连接座软管输出孔25中伸出，再通过一个五通接头9将4根气动软管3接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜17嵌在刚度调节腔Ⅰ28内壁，密封薄膜17内部由多个菱形骨架20构成，菱形骨架20之间通过柔性绳索31连接，堵塞颗粒19均匀分布在菱形骨架20与密封薄膜17之间的间隙处。
进一步地，可以设置所述连接座7为一个圆柱形凸台，在连接座7上部设有凹槽，套筒26分为左右两半，在套筒26下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒26的凸台嵌入连接座7凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒26上部用螺栓29与平台Ⅰ8下表面固定连接，平台Ⅰ8上表面固定于定位机械臂10上。
进一步地，可以设置所述四腔软体手臂6外周外表面均设有纤维线槽，纤维线槽上缠绕有螺旋形约束纤维1，从而使得四腔软体手臂6和三腔软体手指2在充气变形时能够抑制其径向膨胀变形；弯曲驱动腔Ⅰ27间隔处设置有3个传感器腔Ⅰ18；传感器腔Ⅰ18作为弯曲驱动腔Ⅰ27弯曲后长度变化的传感器通道，通道里面放置压力传感器，在试验阶段可以实时监测四腔软体手臂末端输出力，进而在输入气体时能够直接通过观测压力传感器上数据进行调节。
进一步地，可以设置所述三腔软体手指2包括圆柱本体Ⅱ、上端盖Ⅱ22、下端盖Ⅱ21、刚度调节腔Ⅱ16、密封薄膜17、堵塞颗粒19、菱形骨架20、两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ15；其中圆柱本体Ⅱ中心位置为一个刚度调节腔Ⅱ16，沿刚度调节腔Ⅱ16的外周为两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ15，圆柱本体Ⅱ两端分别盖合上端盖Ⅱ22、下端盖Ⅱ21，下端盖Ⅱ21作为自由端接有一个半球形软体按摩头23，上端盖Ⅱ22连接于平台Ⅱ5下表面，两个弯曲驱动腔Ⅱ15和刚度调节腔Ⅱ16对应于平台Ⅱ5的位置有3个通气孔，将3根气动软管3分别通过3个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅱ15和刚度调节腔Ⅱ16并用703硅橡胶将通气孔与气动软管接触处密封，再通过一个四通接头4将3根气动软管3接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜17嵌在刚度调节腔Ⅱ16内壁，密封薄膜17内部由多个菱形骨架20构成，菱形骨架20之间通过柔性绳索31连接，堵塞颗粒19均匀分布在菱形骨架20与密封薄膜17之间的间隙处。
进一步地，可以设置所述三腔软体手指2外周缠绕有螺旋形约束纤维1，弯曲驱动腔Ⅱ15间隔处设置有2个传感器腔Ⅱ30。传感器腔Ⅱ30作为弯曲驱动腔Ⅱ15弯曲后长度变化的传感器通道，通道里面放置压力传感器，在试验阶段可以实时监测四腔软体手臂末端输出力，进而在输入气体时能够直接通过观测压力传感器上数据进行调节。
再进一步地，可以将堵塞颗粒19分为大球颗粒和小球颗粒，通过密封薄膜17将大球颗粒和菱形骨架包裹住，大球颗粒通过其球内穿过的收紧弹簧嵌切于2 个菱形骨架20上，空隙填充小球颗粒。通过设计两种大小的颗粒，可以防止只有小球颗粒时，充入气体后小球颗粒的重新排列和变形导致整个堵塞机构发生不同的运动状态进而降低整个堵塞机构的定位精度。
再进一步地，可以设计材质如下：约束纤维可选用凯夫拉线或钓鱼线进行约束，平台Ⅱ、圆柱本体Ⅰ、上端盖Ⅰ、下端盖Ⅰ、弯曲驱动腔Ⅱ、刚度调节腔Ⅱ、传感器腔Ⅰ、圆柱本体Ⅱ、下端盖Ⅱ、上端盖Ⅱ、软体按摩头、弯曲驱动腔Ⅰ，刚度调节腔Ⅰ、传感器腔Ⅱ为硅胶软体，气动软管采用PU高压软管，连接座、平台Ⅰ、套筒直接3D打印的模具，材料为树脂，密封薄膜为PE材料薄膜，堵塞颗粒可以选用刚玉材质颗粒，螺栓为普通螺栓；通过相应的材质，本实用新型中没有详细述说连接方式的地方，可采用703硅橡胶进行粘接。
本实用新型的使用过程是：
本实用新型在具体使用时，将现有按摩椅12上固定的滑动平台11进行左右移动，对固定在滑动平台上的定位机械臂10进行上下移动至指定位置，再将四腔软体手臂6固定到定位机械臂10上，使用者坐在按摩椅12上。
本实用新型在两个三腔软体手指2上采用四通接头4对手指上的3根气动软管3进行串联，在四腔软体手臂6上采用五通接头9对手臂上的4根气动软管3进行串联，并分别连接一个气动比例阀，再连接一个气泵（即以本申请中附图为例，可以设计三个气动比例阀，三个气泵，一个单片机）。最后开启气泵，通过STM32F429单片机对SMC气动比例阀进行控制，具体的将现阶段已有的控制程序下载入单片机中，单片机将输出0-10V的模拟电压信号，将输出的模拟量输入到气动比例阀中，使得气动比例阀能够根据预先设定好的模式对充入手指和手臂的气体压力值进行控制，再通过对刚度调节腔Ⅰ和刚度调节腔Ⅱ中气压的控制达到对按摩力度的控制，从而达到对使用者进行按摩的功效。
四腔软体手臂6在进行工作时，通过对四腔软体手臂充入气体量的控制，可以完成不同角度的弯曲变形，由于平台Ⅰ8是固定的，当手臂弯曲变形的同时，平台Ⅱ5和三腔软体手指2也会跟着变形移动。气动比例阀具有连续控制气体压力的特点，通过将现阶段已有的控制程序下载入单片机中进而控制四腔软体手臂6的位姿，从而使得通过平台Ⅱ5连接在四腔软体手臂6上的三腔软体手指2可以实现不同位姿的变化。同时分别控制两台气动比例阀对两根三腔软体手指2中的气压进行独立控制，使得两根三腔软体手指2向相对方向弯曲。刚度调节腔通过气动比例阀控制并增大气压时，大量堵塞颗粒被压缩在一起，由于颗粒间的接触面压力增大，使得颗粒间的摩擦力急剧上升，会增加其整体刚度，进而可以在模拟按摩手法中的“捏”和“按”两个动作时能够控制力输出的大小。在四腔软体手臂6和三腔软体手指2的配合下，可以完成刚性按摩机械手无法完成的多方位按摩，且能达到刚性按摩机械手按摩力度的要求。
通过单片机驱动对应连通气动软管上的电磁阀切换工作状态：每个阀体具有充压、卸压、保压三种工作状态，实现四腔软体手臂6、三腔软体手指2上相应弯曲驱动腔及刚度调节腔中气体的出入，从而实现手臂和手指特定组合运动；具体的：对四腔软体手臂6的三个弯曲驱动腔Ⅰ27充入等量气体，此时由于上端盖Ⅰ13与连接座7固定连接，四腔软体手臂6将进行拉伸弯曲变形，当向三个弯曲驱动腔Ⅰ27中的任意两个弯曲驱动腔Ⅰ27充入等量气体，四腔软体手臂6将向没有充气或充入少量气体的弯曲驱动腔Ⅰ27方向弯曲，当向三个弯曲驱动腔Ⅰ27中的任意一个弯曲驱动腔Ⅰ27充入气体，四腔软体手臂6将向没有充气或充入少量气体的两个弯曲驱动腔Ⅰ27方向进行弯曲，但弯曲程度会减小。对三腔软体手指2的两个弯曲驱动腔Ⅱ15充入等量气体，三腔软体手指2将会进行拉伸变形，当向三腔软体手指2中的其中一个弯曲驱动腔Ⅱ15充入气体，而另外一个弯曲驱动腔Ⅱ15不充入气体或充入较少的气体，三腔软体手指2将向没有充气或充入少量气体的弯曲驱动腔Ⅱ15方向进行弯曲。当向刚度调节腔Ⅰ28、刚度调节腔Ⅱ16充入气体时，由于密封薄膜17中堵塞颗粒19的存在，充入较多气体时，会减小其整体刚度，当充入较少气体时或者吸出较多气体时，大量堵塞颗粒被压缩在一起，由于颗粒间的接触面压力增大，使得颗粒间的摩擦力急剧上升，会增加其整体刚度。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：包括三腔软体手指(2)、平台Ⅱ(5)、四腔软体手臂(6)、连接座(7)、平台Ⅰ(8)；平台Ⅱ(5)一面连接四腔软体手臂(6)一端，平台Ⅱ(5)另一面连接三腔软体手指(2)一端，四腔软体手臂(6)另一端经连接座(7)与平台Ⅰ(8)连接。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：所述四腔软体手臂(6)包括圆柱本体Ⅰ、上端盖Ⅰ(13)、下端盖Ⅰ(14)、密封薄膜(17)、堵塞颗粒(19)、菱形骨架(20)、刚度调节腔Ⅰ(28)、三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ(27)；其中圆柱本体Ⅰ中心位置为一个刚度调节腔Ⅰ(28)，沿刚度调节腔Ⅰ(28)的外周为三个规格相同的弯曲驱动腔Ⅰ(27)，圆柱本体Ⅰ两端分别盖合上端盖Ⅰ(13)、下端盖Ⅰ(14)，三个弯曲驱动腔Ⅰ(27)和刚度调节腔Ⅰ(28)对应于上端盖Ⅰ(13)的位置有4个通气孔，将4根气动软管(3)分别通过4个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅰ(27)和刚度调节腔Ⅰ(28)，再将4根气动软管(3)从连接座(7)上设有的连接座软管输入孔(24)中伸入，并从连接座(7)上设有的连接座软管输出孔(25)中伸出，再通过一个五通接头(9)将4根气动软管(3)接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜(17)嵌在刚度调节腔Ⅰ(28)内壁，密封薄膜(17)内部由多个菱形骨架(20)构成，菱形骨架(20)之间通过柔性绳索(31)连接，堵塞颗粒(19)均匀分布在菱形骨架(20)与密封薄膜(17)之间的间隙处。
3.根据权利要求1所述的可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：所述连接座(7)为一个圆柱形凸台，在连接座(7)上部设有凹槽，套筒(26)分为左右两半，在套筒(26)下边缘内部有一个凸台，将左右两个套筒(26)的凸台嵌入连接座(7)凸台的凹槽中，并将其左右两半贴合固定，再将套筒(26)上部用螺栓(29)与平台Ⅰ(8)下表面固定连接，平台Ⅰ(8)上表面固定于定位机械臂(10)上。
4.根据权利要求2所述的可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：所述四腔软体手臂(6)外周缠绕有螺旋形约束纤维(1)，弯曲驱动腔Ⅰ(27)间隔处设置有3个传感器腔Ⅰ(18)。
5.根据权利要求1所述的可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：所述三腔软体手指(2)包括圆柱本体Ⅱ、上端盖Ⅱ(22)、下端盖Ⅱ(21)、刚度调节腔Ⅱ(16)、密封薄膜(17)、堵塞颗粒(19)、菱形骨架(20)、两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ(15)；其中圆柱本体Ⅱ中心位置为一个刚度调节腔Ⅱ(16)，沿刚度调节腔Ⅱ(16)的外周为两个规格相同的弯曲驱动腔Ⅱ(15)，圆柱本体Ⅱ两端分别盖合上端盖Ⅱ(22)、下端盖Ⅱ(21)，下端盖Ⅱ(21)作为自由端接有一个半球形软体按摩头(23)，两个弯曲驱动腔Ⅱ(15)和刚度调节腔Ⅱ(16)对应于平台Ⅱ(5)的位置有3个通气孔，将3根气动软管(3)分别通过3个通气孔经电磁阀接入对应弯曲驱动腔Ⅱ(15)和刚度调节腔Ⅱ(16)，再通过一个四通接头(4)将3根气动软管(3)接通起来，并留有一个通气孔用来控制外部气体的输入输出；密封薄膜(17)嵌在刚度调节腔Ⅱ(16)内壁，密封薄膜(17)内部由多个菱形骨架(20)构成，菱形骨架(20)之间通过柔性绳索(31)连接，堵塞颗粒(19)均匀分布在菱形骨架(20)与密封薄膜(17)之间的间隙处。
6.根据权利要求5所述的可变刚度的软体按摩机械手，其特征在于：所述三腔软体手指(2)外周缠绕有螺旋形约束纤维(1)，弯曲驱动腔Ⅱ(15)间隔处设置有2个传感器腔Ⅱ(30)。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113664875A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-11-19 | 吴建宇 | 一种新型线驱动式刚度可变软体机器人 |
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2020
- 2020-07-08 CN CN202021324623.1U patent/CN213526293U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |