CN215848227U - 一种仿生软体手指、软体机械手及水下作业机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿生软体手指、软体机械手及水下作业机器人，其中，仿生软体手指包括指尖骨骼、指根骨骼和指中驱动器，指中驱动器包括具有流体流道的指中骨骼和具有第一流体腔室的第一软体伸缩件，指尖骨骼和指根骨骼分别挠性连接指中骨骼的首端和尾端，第一软体伸缩件连接于指尖骨骼与指中骨骼之间以及指根骨骼与指中骨骼之间，并且第一流体腔室连通流体通道。利用指中骨骼将所有第一软体伸缩件的内部空间进行串联连通，可使所有第一软体伸缩件同步发生伸缩形变效应，实现手指整体弯曲、伸展等姿态的调控；利用由指中骨骼和指尖骨骼所建立的刚性结构并结合第一软体伸缩件的软驱动形式，形成手指刚柔耦合，可以有效提高手指的载荷能力以及自适应柔顺性。

Description

一种仿生软体手指、软体机械手及水下作业机器人

技术领域

本实用新型涉及仿生设备技术领域，具体涉及一种仿生软体手指、软体机械手及水下作业机器人。

背景技术

随着机器人在诸如水下资源开发、工业自动化生产、宇宙空间探索、医疗护理、家政服务等领域的广泛应用，机器人夹爪（又可称为机械手爪、机械手等）作为机器人的末端执行机构（或末端执行器）得到了越来越广泛的关注，并逐渐成为热门的研究方向之一。

传统的机器人夹爪通常是由多个刚性的手指单元组合而成的，其利用电机、液压缸等刚性驱动器作为动力源输入，在减速器、传动机构等系列刚性部件的配合下，完成对手指单元的结构姿态的调整，并最终转换成夹爪整体的运动模式的输出，从而通过模仿人手（或手指）的某些功能动作，来执行诸如物件的抓取、搬运、摆放等作业项目。此类夹爪通常对大负载作业十分有效，但由于采用的是由硬质金属材料部件构成刚性手指单元，使得夹爪的灵活性、柔顺性等自适应性能较差，很难适应如柔性（软体）、异形、结构脆弱等物体的抓取作业。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种仿生软体手指以及应用了该仿生软体手指的软体机械手和水下作业机器人，以达到提升载荷能力和自适应性的目的。

根据第一方面，一种实施例提供一种仿生软体手指，包括逐级顺序分布的指尖骨骼、指中驱动器和指根骨骼；其中，所述指中驱动器包括：

指中骨骼，所述指中骨骼具有流体通道，所述指中骨骼的首端挠性连接指尖骨骼，所述指中骨骼的尾端挠性连接指根骨骼；以及

第一软体伸缩件，所述第一软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第一流体腔室，所述第一流体腔室连通流体通道，且所述第一软体伸缩件连接在指尖骨骼与指中骨骼之间以及指根骨骼与指中骨骼之间，用于在流体介质出入所述第一流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使所述指尖骨骼和指根骨骼相对于指中骨骼作摆转运动。

一个实施例中，所述指中驱动器还包括第二软体伸缩件，所述第二软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第二流体腔室，所述第二流体腔室通过流体通道连通第一流体腔室；

所述指中骨骼至少两个，且邻近所述指尖骨骼的指中骨骼的首端挠性连接指尖骨骼，邻近所述指根骨骼的指中骨骼的尾端挠性连接指根骨骼，相邻的两个所述指中骨骼挠性连接为一体；所述第二软体伸缩件连接于相邻两个指中骨骼之间，用于在流体介质出入所述第二流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使相邻的两个所述指中骨骼作相对的摆转运动。

一个实施例中，还包括约束关节，所述指尖骨骼和指根骨骼分别通过约束关节挠性连接指中骨骼，所述约束关节为转动副连接件、弹性体折转连接件或形状记忆合金折转连接件。

一个实施例中，所述指尖骨骼和/或指中骨骼具有指腹面，所述指腹面上设有防护垫。

一个实施例中，所述指尖骨骼为中空结构体。

根据第二方面，一种实施例提供一种软体机械手，包括指根基座和至少两个呈镜像相对分布或环形阵列分布的仿生手指，所述仿生手指采用第一方面所述的仿生软体手指，所述指根骨骼固定连接指根基座。

一个实施例中，所述指根骨骼为由指根基座的边缘朝指根基座的中心区域作倾斜弯折后形成的板状结构体。

一个实施例中，所述指根骨骼上设有流体出入口，所述流体出入口用于连通第一流体腔室与流体驱动件，以使流体驱动件能够驱使流体介质出入第一流体腔室。

根据第三方面，一种实施例提供一种水下作业机器人，包括作业手，所述作业手采用第二方面所述的软体机械手。

一个实施例中，还包括：

伸缩臂，所述伸缩臂包括第三软体伸缩件和若干个相互间呈层级间隔分布的基板，所述第三软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第三流体腔室，且所述第三软体伸缩件连接于相邻的两个基板之间，用于在流体介质出入所述第三流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使对应的两个所述基板相互靠近或远离；以及

机体，所述机体上设有流体驱动件，所述流体驱动件分别连通第一流体腔室和第三流体腔室，用于采集流体介质并驱使流体介质出入所述第一流体腔室和/或第三流体腔室；

所述作业手和机体分别与对应端侧的基板固定连接。

依据上述实施例的仿生软体手指，包括指尖骨骼、指根骨骼和指中驱动器，指中驱动器包括具有流体流道的指中骨骼和具有第一流体腔室的第一软体伸缩件，指尖骨骼和指根骨骼分别挠性连接指中骨骼的首端和尾端，第一软体伸缩件连接于指尖骨骼与指中骨骼之间以及指根骨骼与指中骨骼之间，并且第一流体腔室连通流体通道。利用指中骨骼将所有第一软体伸缩件的内部空间进行串联连通，可使所有第一软体伸缩件同步发生伸缩形变效应，实现手指整体弯曲、伸展等姿态的调控；利用由指中骨骼和指尖骨骼所建立的刚性结构并结合第一软体伸缩件的软驱动形式，形成手指刚柔耦合，可以有效提高手指的载荷能力以及自适应柔顺性。

依据上述实施例的软体机械手，则包括指根基座以及若干个呈镜像相对分布或环形阵列分布的仿生软体手指，利用仿生软体手指本身的特点以及仿生软体手指在指根基座上的结构布局，通过对各仿生软体手指的伸缩形变的独立调控，可适时且灵活多变地调整各手指之间的相对位置关系，使整个机械手能够适应不同形状、不同尺寸、不同柔软度的目标物体，以包裹的形式完成对目标物体的抓取作业，既可以保证输出足够的抓取力，又可有效避免对目标物体造成损伤。

附图说明

图1为一种实施例的仿生软体手指为双关节结构时的结构示意图（一）。

图2为一种实施例的仿生软体手指为双关节结构时的结构示意图（二）。

图3为一种实施例的仿生软体手指为双关节结构时的结构剖面示意图。

图4为一种实施例的仿生软体手指为双关节结构时的结构分解示意图。

图5为一种实施例的仿生软体手指为三关节结构时的结构装配示意图。

图6为一种实施例的软体机械手为双指型结构时的结构示意图（一）。

图7为一种实施例的软体机械手为双指型结构时的结构示意图（二）。

图8为一种实施例的软体机械手为双指型结构时的结构分解示意图。

图9为一种实施例的软体机械手为双指型结构时的平面结构示意图。

图10为一种实施例的软体机械手为四指型结构时的平面结构示意图（一）。

图11为一种实施例的软体机械手为三指型结构时的平面结构示意图。

图12为一种实施例的软体机械手为四指型结构时的平面结构示意图（二）。

图13为一种实施例的水下作业机器人的结构装配示意图。

图14为一种实施例的水下作业机器人的结构分解示意图。

图中：

1、指尖骨骼；1-1、壳体部；1-2、端盖部；2、指根骨骼；3、指中骨骼；4、第一软体伸缩件；5、第二软体伸缩件；6、约束关节；6-1、第一铰接件；6-2、第二铰接件；6-3、铰接轴；7、防护垫；a、流体通道；b、第一流体腔室；

10、指根基座；20、仿生手指；d、流体出入口；

100、作业手；200、伸缩臂；210、第三软体伸缩件；220、基板；300、机体；310、机架；320、行进转向舵机；330、升降平衡舵机。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

鉴于此现有刚性夹爪所存在的系列弊端，目前业内出现了一些由软体手指组合而成的机器人夹爪，该类机器人夹爪的基本原理是：通过特殊工艺（如注塑、吹塑等）将柔性材料（如硅橡胶等）制成的单个软体手指，再将两个或两个以上的软体手指进行集成，以形成夹爪结构，通过向软体手指内充气以驱使软体手指背部的气腔发生膨胀，使得软体手指的背部材料伸长，而手指内侧由于嵌入有限制层（如布条等）导致手指内侧材料难以伸长，最终利用手指两侧的材料变形差异使手指向内弯曲，而多根手指的共同作用便可对物体进行抓取。虽然该类机器人夹爪具有一定的柔顺性，但由于是通过手指的弯曲变形对物体施加作用力的，不但夹爪本身的载荷能力受到较大的限制，而且柔性材料的手指与物体直接接触，也很容易对手指本身造成损伤。

实施例一

请参阅图1至图6及图8，本实施例提供了一种仿生软体手指，主要由指尖骨骼1、指中驱动器和指根骨骼2作逐级顺序连接而成，指尖骨骼1可以理解为是整个手指的指尖侧的端部部件，指根骨骼2可理解为是整个手指的根部部件，而指中驱动器则属于指尖骨骼1与指根骨骼2之间的结构约束部件和动力驱动部件，利用指根骨骼2可将整个手指固定安装于某一固定部件（如：机器人的机械臂）或某一固定位置，利用指中驱动器所输出的驱动力可驱使指尖骨骼1与指根骨骼2发生相对运动，以模拟如人体的手指所具备的弯曲、伸展等功能动作姿态。其中，指中驱动器主要包括指中骨骼3和第一软体伸缩件4两部分，下面分别说明。

请参阅图1至图4及图6，指中骨骼3为一具有固定结构构造且内部中空的刚性结构体，其可以由金属或非金属坯料拼装组合而成，也可以由诸如塑胶等材料一体注塑成型，指中骨骼3的首端挠性连接指尖骨骼1、尾端挠性连接指根骨骼2，从而既可以利用指中骨骼3来约束指尖骨骼1与指根骨骼2之间的位置关系和连接关系，又可以利用指中骨骼3的内部空间作为流体通道a，为流体介质的流动、输送提供相对封闭的结构空间。其中，需要说明的是，所述及的“流体介质”可以是如水等液态介质、如空气等气态介质、或者气液混合态介质，流体介质的选择可依据软体手指具体应用场景就地取材，如，在软体手指应用于水下环境时，可采用环境水作为流体介质；又如，在软体手指应用于工业自动化生产等领域时，则可采用环境内的空气作为流体介质。而所述及的“挠性连接”又称可曲挠连接或柔性连接，是指允许连接部分发生弯折、转动、伸缩等运动，以产生一定位移量的连接方式；如，指中骨骼3与指尖骨骼1之间、指中骨骼3与指根骨骼2之间可采用诸如铰轴、球头等转动副连接件或转动副连接结构进行挠性连接，从而赋予指尖骨骼1相对于指中骨骼3在一个方向或多个方向上的摆转自由度、赋予指中骨骼3相对于指根骨骼2在一个方向或多个方向上的摆转自由度，亦相当于在指尖骨骼1与指中骨骼3之间以及指根骨骼2与指中骨骼3之间自然形成或构建出沿一个方向或多个方向延伸的旋摆轴线。又如，指中骨骼3与指尖骨骼1之间、指中骨骼3与指根骨骼2之间可采用如弹性体或形状记忆合金等材料制成且能够沿某一预设方向发生形变效应的折转连接件进行挠性连接，亦可相当于赋予相应两个部件在一个方向的摆转自由度，或者在相应两个部件之间自然形成或构建出沿一个方向延伸的旋摆轴线。

请参阅图1至图4及图6，第一软体伸缩件4又可称为软体肌肉，其可根据实际情况采用由弹性材料或塑胶材料等经吹塑、注塑、3D打印等工艺一体制作成型的管状结构体，如波纹管式、折纸管式或者其他具有一定结构伸缩性能的管状结构构造；利用第一软体伸缩件4的内部空间可容纳流体介质（此时，可将该内部空间定义为第一流体腔室b），通过向第一流体腔室b内充入或排出流体介质，可改变第一流体腔室b内的流体压强，从而使第一软体伸缩件4发生伸展或收缩的结构形变效应，以实现第一软体伸缩件4能够对外输出驱动力的功能。本实施例中，在指尖骨骼1与指中骨骼3之间并且位于对应旋摆轴线的边侧设置有一个第一软体伸缩件4、在指根骨骼2与指中骨骼3之间并且位于对应旋摆轴线的边侧设置有两个第一软体伸缩件4，第一软体伸缩件4的两端以诸如胶粘、超声波焊接、卡合、卡箍、热封等方式分别对应连接指尖骨骼1、指根骨骼2和指中骨骼3，以利用第一软体伸缩件4来辅助指中骨骼3对指尖骨骼1与指根骨骼2之间的结构位置关系以及连接关系作进一步地约束；同时，第一流体腔室b连通流体流道a，以使指尖骨骼1与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的第一流体腔室b以及指根骨骼2与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的第一流体腔室b能够通过指中骨骼3内的流体通道a进行串联连通，从而可通过向流体通道a或某一第一流体腔室b内注入或排出流体介质，使所有第一软体伸缩件4能够同步地发生伸展或收缩形变，进而在指尖骨骼1、指根骨骼2和指中骨骼3两两之间的挠性连接关系的约束下，使得指尖骨骼1与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4能够驱使指尖骨骼1和指中骨骼3绕两者相对应的旋摆轴线进行摆转运动、指根骨骼2与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4能够驱使指根骨骼2和指中骨骼3绕两者相对应的摆转轴线进行相对的摆转运动。

另一个实施例中，指尖骨骼1与指中骨骼3之间以及指根骨骼2与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的数量也可以相同，如均为一个、两个或者更多；其他实施例中，指根骨骼2与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的数量或者形变程度最好大于指尖骨骼1与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的数量或者形变程度，亦可理解为第一软体伸缩件4的数量或者形变程度最好由指根骨骼2所在侧朝指尖骨骼1所在侧进行递减，以确保指中骨骼3与指尖骨骼1能够同步联动动作。

基于此，利用指中骨骼3在指尖骨骼1与指根骨骼2之间构建刚性机械结构，并在两者之间建立可相对运动的挠性连接关系，利用第一软体伸缩件4的软驱动形式结合刚性机械结构，实现软体手指的刚柔耦合。

一方面，充分利用形成于指中骨骼3内的流体通道a，将整个软体手指中的所有第一软体伸缩件4的内部空间（即：第一流体腔室b）进行串联连通，通过向第一流体腔室b内充入流体介质或者排出流体介质，使所有第一软体伸缩件4能够同步发生伸展或收缩形变效应，既可以有效减少关联配件（如水泵、气泵等流体驱动部件，如管路、阀门等流体调控输送部件）的配置数量，增强整个软体手指的结构紧凑性，又可以基于对指尖骨骼1与指中骨骼3之间以及指根骨骼2与指中骨骼3之间的第一软体伸缩件4的形变尺度（即：可伸展或收缩的长度）、安装角度等规格参数的选择设置，实现对相关部件的摆转幅度的预设及控制，进而调节整个软体手指的伸直、弯曲等运动姿态，使软体手指能够更为柔顺地适应目标物体的结构构造，提升其自适应性。

另一方面，区别于传统的软体手指直接以软体伸缩部件向目标物体施加作用力的方式，第一软体伸缩件4所输出的驱动力被转换为指尖骨骼1、指中骨骼3和指根骨骼2的空间运动力，使得软体手指所产生的对外作用力不再直接依赖于第一软体伸缩件4自身的形变效应，而是基于指中骨骼3、指尖骨骼1和指根骨骼2等刚性结构部件作用于或施加于目标物体上，从而既可以保证软体手指能够输出稳定且较大的作用力，提高软体手指的载荷能力，又可以增强整个软体手指的结构强度、提高软体手指的刚度，并为降低软体伸缩部件的损伤（如因直接与目标物体接触而产生的摩擦损伤）创造有利条件。

一个实施例中，指中骨骼3可以多个，以增加软体手指的关节数量，形成两个以上的关节（或指节），从而不但可以进一步提升软体手指的自适应柔顺程度和灵活性，还可使整个软体手指具备远距离传输动力的能力。请参阅图5并结合图1至图4及图6和图8，以指中骨骼3为两个为例作示例性说明，此时，指中驱动器则还包括第二软体伸缩件5，第二软体伸缩件5的结构形态、动作原理以及安装方式等可参考第一软体伸缩件5进行选择设置，具体地，如第二软体伸缩件5同样具有用于容纳流体介质的内部空间（即：可将此内部空间定义为第二流体腔室）；其中，邻近指尖骨骼1的指中骨骼3的首端挠性连接指尖骨骼1（相应地，在该指中骨骼3与指尖骨骼1之间连接有第一软体伸缩件4），邻近指根骨骼2的指中骨骼3的尾端挠性连接指根骨骼2（相应地，在该指中骨骼3与指根骨骼2之间连接有第一软体伸缩件4），而两个指中骨骼3相互间则采用挠性连接的方式连为一体，而第二软体伸缩件5则连接于两个指中骨骼3之间，并且第二流体腔室与流体通道a连通，从而使得第一流体腔室b和第二流体腔室能够通过流体通道a串联连通；以此，在流体介质经由第一流体腔室b、流体通道a或第二流体腔室出入第二流体腔室时，可使得第二软体伸缩件5产生伸展或收缩形变，以驱使相邻的两个指中骨骼3能够产生相对的摆转运动。与此同时，由于流体通道a、第一流体腔室b和第二流体腔室是串联连通的，故仅需将流体介质经由三者中的其中一个充入或排出，即可使得第一软体伸缩件4与第二软体伸缩件5同步地进行伸展或收缩，从而使整个软体手指中的各个刚性部件能够同步联动，以执行手指伸直、弯曲等运动姿态，如在指根骨骼2被固定在预定位置或某一部件上后，指尖骨骼1和指中骨骼3可联动动作，进而不但可以有效延长软体手指的动力传输距离，以向目标物体施加有效作用力，又可以增强软体手指的自适应柔顺程度，以适应目标物体的形态构造。

请参阅图4和图8并结合图1至图3以及图5、图6和图7，本实施例提供的一种仿生软体手指，还包括约束关节6，主要用于在指尖骨骼1与指中骨骼3之间、指根骨骼2与指中骨骼3之间以及相邻的两个指中骨骼3之间建立挠性连接关系；该约束关节6为铰轴连接结构，以指根骨骼2与指中骨骼3之间的约束关节6为例进行示例性说明，其包括设置于指根骨骼2上的第一铰接件6-1、设置于指中骨骼3上的第二铰接件6-2以及贯穿于第一铰接件6-1和第二铰接件6-2分布以将两者同轴转动连接为一体的铰接轴6-3，从而利用铰接轴6-3本身的结构及功能特点，可使得指中骨骼3相对于指根骨骼2具有一个方向的摆转自由度，进而为两者之间可进行相对的摆转运动创造结构条件；另外，指尖骨骼1与指中骨骼3之间以及两个相邻的指中骨骼3之间的约束关节6可参考前述铰轴连接结构进行设置，其中，所有约束关节6的铰接轴6-3可采用空间平行的方式进行布置，以使得整个软体手指只能沿某一预设方向进行弯曲或伸直；当然，各铰接轴6-3也可采用空间交叉的方式进行布置，以使得软体手指的各指节沿不同的方向进行运动，以满足某些特殊场景的应用需求。

另一个实施例中，约束关节6也可采用由弹性体或形状记忆合金等材料制成的折转连接件，该类折转连接件通常为一由原始坯料预制成的具有一定的弯折角度或曲度的板状或带状结构体，在折转连接件受力时，可沿预设方向发生形变；以指根骨骼2与指中骨骼3之间的约束关节6为例，约束关节6的一端固定连接指根骨骼2、另一端固定连接指中骨骼3，从而亦可利用该种结构形式的约束关节6在指根骨骼2与指中骨骼3之间建立挠性连接关系，并赋予两者在一个预设方向的摆转自由度。其他实施例中，约束关节6亦可采用球头式转动连接副，通过对第一软体伸缩件4和/或第二软体伸缩件5的安装位置以及形变方向的选择设置，可将软体伸缩件布置在约束关节6的某一条旋转轴线的边侧，从而形成对约束关节6的转动方向的限定，而关联骨骼则可在约束关节6的约束作用下，能够沿预设方向进行相对的摆转运动。

一个实施例中，请参阅图1至图6及图8，在软体手指具体应用时，指尖骨骼1和指中骨骼3通常是与目标物体进行直接接触并施加作用力的部件，故为增强指尖骨骼1和指中骨骼3的功能性，可对两者进行防护结构设计，具体地，将指尖骨骼1和/或指中骨骼3与目标物体进行接触的表面定义为指腹面，在指腹面上设置防护垫7，防护垫7可以为包覆于指中骨骼3或指尖骨骼1的外表面上的包胶层，也可以使装配于其外表面上的胶垫；当然，防护垫7的材质也可采用其他具有一定柔软度的材料；利用防护垫7可实现指尖骨骼1或指中骨骼3与目标物体表面的间接接触，既可以通过防护垫7来增加接触面积、增大对目标物体施加作用力的尺寸范围以及摩擦力、防止物体侧滑等，又可以实现软体手指与目标物体的柔性接触，避免对目标物体表面造成损伤；另外，由于防护垫7可依托实际需求进行自主设计或自主更换配置，也使得软体手指对各种形状、尺寸的目标物体具有很好的自适应性。

一个实施例中，请参阅图4，指尖骨骼1为中空结构体，其包括壳体部1-1和端盖部1-2，壳体部1-1上（如前述的指腹面）设有端口，而端盖部1-2则可拆卸地盖合壳体部1-1的端口，从而使得指尖骨骼1具有相对封闭的内部空间，不但可以降低指尖骨骼1的自身重量，为进一步减小整个软体手指的自身负重创造条件，而且能够为指中驱动器所关联的如流体管路等部件的布置提供结构空间。一些实施例中，指根骨骼2也可参考指尖骨骼1采用中空结构体，最大限度地降低软体手指的自身负重。

实施例二

请参阅图6至图12，本实施例提供了一种软体机械手，其主要由指根基座10和仿生手指20两部分组成；其中，指根基座10为一具有固定结构构造的刚性结构体，主要作为整个机械手的相关组成部件的安装载体以及整个机械手与其他机构部件的装配载体来使用；如，在机械手应用于机器人上时，可将指根基座10安装并固定在机器人的机械臂上。而仿生手指20则采用实施例一中所述及的仿生软体手指，主要作为与目标物体进行直接接触的部件来使用，在指根基座10上可根据实际情况设置两个、三个、四个或者更多数量的仿生手指20，以组建成机械手的夹爪结构形式；具体地，仿生手指20可以为两个，并且两个仿生手指20呈左右镜像相对分布的方式布置在指根基座10上（此时，各仿生手指的指根骨骼2则与指根基座10固定连接），从而可形成双指型结构的软体机械手（请参阅图6至图9）；仿生手指20也可为多个，以形成多指型结构的软体机械手（请参阅图10、图11和图12）；如，仿生手指20为三个时，三个仿生手指20可采用环形阵列排布的方式布置在指根基座10上，从而形成三指型结构软体机械手（请参阅图11）；又如，仿生手指20为四个时，四个仿生手指20以两两相对分布的形式设置在指根基座10上（请参阅图10）或者以环形阵列的形式设置在指根基座10上（请参阅图12），从而形成四指型结构的软体机械手。如此，利用仿生手指20在指根基座10上的排布形式，通过向各仿生手指20内（具体为实施例一中所述及的第一软体伸缩件4和第二软体伸缩件5）充入或排放流体介质，可使得各个仿生手指20在进行弯曲运动时，实现相向靠近（或聚拢），以抓取目标物体，而在进行伸直运动时，则实现相背远离（或扩散），以松开目标物体，进而可利用软体机械手完成对目标物体的抓取、搬运、摆放等系列操作动作。

其一，通过对各个仿生手指20的伸展或收缩等形变程度的独立调控，可适时且灵活多变地调整仿生手指20相对于指根基座10的摆转角度以及仿生手指20之间的相对位置关系，不但使得机械手的灵活性、柔顺性等自适应性能得到了有效地提升，而且在多个仿生手指20的相互配合下，整个机械手能够适应不同形状、不同尺寸、不同柔软度的物体，以具有多个呈环形阵列分布的仿生手指20为例，当利用仿生手指20朝指根基座10的中心区域进行聚拢时，整个机械手能够形成可适应物体形状、尺寸、柔软度等条件的封闭式形态，从而以包裹的形式完成对物体进行抓取作业，尤其是在对软体或结构较为脆弱的物体进行抓取时，可以在施加较大夹持力的同时避免对物体造成不必要的损伤。

其二，利用软体伸缩件本身所具有的参与部件少、重量轻、设计要求低、装配简单、成本低廉等特点以及软体手指的刚柔耦合的特点，不但可为降低机械手的结构复杂性、装配及维护难度和机械手本身的负重以及实现机械手大规模批量化生产创造有利条件，而且通过选择非金属材料的仿生手指20、指根基座10等关联部件，可使整个软体机械手本身不具备任何电子元件或金属件，能够良好地适应各种应用场景，如在应用于水下作业机器人时，机械手的运动性能和使用寿命等可不受深海高压以及海水介质环境的影响。

其三，可直接借助机械手应用环境内的流体介质作为流体源，使指中驱动器能够就地取材并输出驱动力，如在应用于水下作业机器人时，可利用流体驱动件直接将下水环境内的水抽送至软体伸缩件内，从而实现指中驱动器的液压驱动效果。

综上所述，以现有的水下作业机器人为例，其通常采用夹钳式刚性夹爪作为末端执行器，以对水下生物或样本进行夹持和抓取作业，由于此类夹爪是由硬质金属材料部件组成的结构，使得夹爪的自适应性能较差，在执行水下作业任务时，若夹爪需要产生的夹持力较大，则在抓取诸如水下生物等目标对象时容易对水下生物造成不可修复的损伤；同时，亦需要配置较大质量的诸如电机、液压缸等驱动器，从而对水下作业机器人运动的灵活性造成负面影响；若夹爪需要产生的夹持力较小，则在抓取水下生物等目标对象时，则很容易让黏滑的水下生物逃脱，导致作业失败。另外，以金属材料部件为主体的夹爪在处于诸如海水等作业环境内时，很容易受到腐蚀，从而影响夹爪的运动性能和使用寿命。

本实施例提供的软体机械手，可作为各类机械化、自动化、智能化的机器设备的末端执行机构，而该机器设备包括但不限于可应用在水下资源开发、工业自动化生产、宇宙空间探索、医疗护理等诸多领域的诸如水下作业机器人、工业机器人等机器设备。由于本实施例的软体机械手是利用软体驱动部件来驱动刚性硬质结构件的，可实现刚柔耦合的动力输出效应，既可以自适应地包裹物体，以实现对物体的抓取、搬运和摆放等功能，在对物体施加较大夹持力的情况下可避免损伤物体，又可以在应用环境内就地取材，利用气态、液态或气液混合态等流体介质作为软体驱动器的动力源，快速适应应用环境；同时，通过增加软体伸缩件的数量以及刚性硬质结构件的关节数量，可进一步丰富软体机械手的自由度，提升软体机械手的柔顺性和灵活性、延长软体机械手所输出动力的传输距离，从而满足不同形状、不同尺寸、不同柔软度的物体的抓取作业需求。

一个实施例中，请参阅图6、图7和图8，指根基座10和指根骨骼2采用一体式结构，两者可由金属材料或非金属材料制作成型，如在机械手应用于水下环境时，为避免机械手受到诸如海水的腐蚀或者受到水下高压的影响，指根基座10和指根骨骼2可采用诸如塑胶等非金属材料一体注塑成型。具体地，指根基座10和指根骨骼2可共同组成一中空结构体或者镂空结构体，指根骨骼2为由指根基座10的边缘朝指根基座10的中心区域作倾斜弯折后形成的板状结构体；而指根骨骼2的数量和布局方式则取决于仿生手指20的数量和布局方式，如当多个仿生手指20以环形阵列的方式布置在指根基座10上后，由指根基座10与多个指根骨骼2所组成的结构体的外观形状近似于圆台状、截断面的形状则近似于等腰梯形的结构构造（请参阅图11和图12），又如，当将两个或者两个以上的偶数个仿生手指20以两两镜像相对分布的方式布置在指根基座10上后，则由指根基座10和指根骨骼2所组成的结构体的外观形态近似于长条状、截断面形状则近似于等腰三角形（请参阅图6、图7和图8）；同时，各挠性连接部位（如实施例一中所述及的约束关节6）可布置在邻近指根基座10的中心区域的一侧，而软体伸缩件布置在位于指根基座10的外侧区域。如此，利用指根基座10与指根骨骼2所呈现的倾斜结构形态以及通过对指根骨骼2的倾斜角度的选择性设置，可以优化软体伸缩件（尤其是第一软体伸缩件4）的安装角度以及指中骨骼3相对于指根骨骼2或指根基座10的偏转距离；同时，由于指根基座10和指根骨骼2所组成的结构体是以中空或镂空的结构形式存在的，故有利于降低整个机械手的自身负重。

一个实施例中，请参阅图8以及图2和图4，在指根骨骼2上设有流体出入口d，流体出入口d主要作为整个机械手的外接通道来使用，在将第一软体伸缩件4装设于指根骨骼2上后，即可使流体出入口d与第一流体腔室b连通，从而通过将诸如水泵、气泵等流体驱动件的对应端口与流体出入口d进行连通（如通过流体管路进行连通），即可在第一流体腔室b与流体驱动件之间建立管路连接关系，从而可利用流体驱动件来采集机械手应用环境内的流体介质，并将流体介质泵入第一流体腔室b内，并经由流体通道a充入对应的仿生手指20内的各个软体伸缩件内，或者经由第一流体腔室b将对应的仿生手指20内流体介质排出，以此实现对仿生手指20的运动姿态或者机械手的动作姿态的调节控制。另外，将流体出入口d布置在指根骨骼2上，无需在指尖骨骼1、指中骨骼3及软体伸缩件上布置如管路、阀门等辅助配件，不但有利于增强软体机械手的结构紧凑性，而且不会因辅助配件的存在对机械手的动作姿态以及操作性能等造成干扰。当然，在一些实施例中，依实际情况，也可将流体出入口d布置在其他部件上，如其中一个指中骨骼3上或者其中一个软体伸缩件的周壁上，以满足不同场景下的应用需求。

实施例三

请参阅图13和图14并结合图1至图12，本实施例提供了一种水下作业机器人，其包括顺序连接的作业手100、伸缩臂200和机体300；其中，作业手100采用实施例二所述及的软体机械手，伸缩臂200主要作为作业手100与机体300之间的衔接构件来使用，以便于扩展作业手100的作业范围；机体300可以理解为是水下作业机器人的主体部分，利用机体300可将诸如控制系统、传感监控系统、动力功能部件等整合为一体，以起到对机器人的水下运动、视觉引导、水下作业等功能的调控管理作用。当然，伸缩臂200和机体300是可以根据现有的水下机器人的相关机构进行选择设置的，要点在于：将实施例二所述及的软体机械手作为作业手100应用在该类水下机器人上，以使得水下作业机器人在水下执行作业时，能够基于作业手100的结构及性能，更为柔顺地适应目标物体的结构形态，并对目标物体进行包裹式抓取，既可以保证作业手100的抓取力度，亦可避免对目标物体造成不必要的损伤。下面分别说明。

请参阅图13和图14，区别于传统的刚性机械臂，本实施例的伸缩臂200采用刚柔耦合的软体机械臂，即伸缩臂200主要由第三软体伸缩件210和若干个相互间呈层级间隔分布的基板220组成；其中，邻近作业手100一端的基板220固定连接作业手100（具体为实施例二中所述及的指根基座10），邻近机体300一端的基板220则固定连接在机体300上；而第三软体伸缩件210的结构形式以及动作远离等可参考实施例一中所述及的第一软体伸缩件4进行选择设置，即：第三软体伸缩件210具有用于容纳流体介质的第三流体腔室，而每相邻的两个基板220之间则均布置有一个或多个第三软伸缩件210（如多个第三软体伸缩件210以环形阵列的形式分布在对应的两个基板220之间），当向每个第三软体伸缩件210内（即：第三流体腔室）充入或排出流体介质时，则可使第三软体伸缩件210产生伸展或收缩形变，从而驱使对应的两个基板220相互靠近或远离，进而完成对伸缩臂200伸展长度或者弯曲曲度的调节控制，使其作业手100在伸缩臂200的带动下能够适时变换在水下环境内的空间位置。需要说明的是，以相邻两个基板220之间设置有多个第三软体伸缩件210为例；当该多个第三软体伸缩件210的伸展或收缩的程度一致时，两个基板220即会沿第三软体伸缩件210的形变方向进行直线靠近或远离，形成近似于轴向伸缩的驱动效果；反之，当该多个第三软体伸缩件210的伸缩程度不一致时，则可使两个基板220的一部分区域相互靠近、另一部分区域相互远离，就整个伸缩臂200所呈现的直观形态效果而言，此时的伸缩臂200相当于变向弯曲。

请参阅图13和图14，机体300主要由机架310以及装设于机架310上的行进转向舵机320、升降平衡舵机330、流体驱动件（图中未示出）和如控制系统等组合搭建而成；其中，流体驱动件可通过流体管路分别连通第一流体腔室b（连同流体通道a和第二流体腔室）以及第三流体腔室，主要用于在水下环境内采集环境水并驱使环境水出入第一流体腔室b和/或第三流体腔室，从而实现对仿生手指20和伸缩臂200的动作姿态的调控，流体驱动件可以为一个，通过在流体管路上设置相应的管路阀门（如电磁阀等），对目标对象（如第一软体伸缩件4、第二软体伸缩件5和第三软体伸缩件210等）的伸缩形变分别进行控制；流体驱动件也可为多个，每个流体驱动件均通过对应的流体管路连接一个或多个目标对象，通过对流体驱动件启停控制以及管路阀门的开关控制，实现对目标对象的调控。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种仿生软体手指，其特征在于，包括逐级顺序分布的指尖骨骼、指中驱动器和指根骨骼；其中，所述指中驱动器包括：

指中骨骼，所述指中骨骼具有流体通道，所述指中骨骼的首端挠性连接指尖骨骼，所述指中骨骼的尾端挠性连接指根骨骼；以及

第一软体伸缩件，所述第一软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第一流体腔室，所述第一流体腔室连通流体通道，且所述第一软体伸缩件连接在指尖骨骼与指中骨骼之间以及指根骨骼与指中骨骼之间，用于在流体介质出入所述第一流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使所述指尖骨骼和指根骨骼相对于指中骨骼作摆转运动。

2.如权利要求1所述的仿生软体手指，其特征在于，所述指中驱动器还包括第二软体伸缩件，所述第二软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第二流体腔室，所述第二流体腔室通过流体通道连通第一流体腔室；

所述指中骨骼至少两个，且邻近所述指尖骨骼的指中骨骼的首端挠性连接指尖骨骼，邻近所述指根骨骼的指中骨骼的尾端挠性连接指根骨骼，相邻的两个所述指中骨骼挠性连接为一体；所述第二软体伸缩件连接于相邻两个指中骨骼之间，用于在流体介质出入所述第二流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使相邻的两个所述指中骨骼作相对的摆转运动。

3.如权利要求1所述的仿生软体手指，其特征在于，还包括约束关节，所述指尖骨骼和指根骨骼分别通过约束关节挠性连接指中骨骼，所述约束关节为转动副连接件、弹性体折转连接件或形状记忆合金折转连接件。

4.如权利要求1所述的仿生软体手指，其特征在于，所述指尖骨骼和/或指中骨骼具有指腹面，所述指腹面上设有防护垫。

5.如权利要求1所述的仿生软体手指，其特征在于，所述指尖骨骼为中空结构体。

6.一种软体机械手，其特征在于，包括指根基座和至少两个呈镜像相对分布或环形阵列分布的仿生手指，所述仿生手指采用如权利要求1-5中任一项所述的仿生软体手指，所述指根骨骼固定连接指根基座。

7.如权利要求6所述的软体机械手，其特征在于，所述指根骨骼为由指根基座的边缘朝指根基座的中心区域作倾斜弯折后形成的板状结构体。

8.如权利要求6所述的软体机械手，其特征在于，所述指根骨骼上设有流体出入口，所述流体出入口用于连通第一流体腔室与流体驱动件，以使流体驱动件能够驱使流体介质出入第一流体腔室。

9.一种水下作业机器人，其特征在于，包括作业手，所述作业手采用如权利要求6所述的软体机械手。

10.如权利要求9所述的水下作业机器人，其特征在于，还包括：

伸缩臂，所述伸缩臂包括第三软体伸缩件和若干个相互间呈层级间隔分布的基板，所述第三软体伸缩件具有用于容纳流体介质的第三流体腔室，且所述第三软体伸缩件连接于相邻的两个基板之间，用于在流体介质出入所述第三流体腔室时，产生伸展或收缩形变，以驱使对应的两个所述基板相互靠近或远离；以及

机体，所述机体上设有流体驱动件，所述流体驱动件分别连通第一流体腔室和第三流体腔室，用于采集流体介质并驱使流体介质出入所述第一流体腔室和/或第三流体腔室；

所述作业手和机体分别与对应端侧的基板固定连接。

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