CN218138067U - 一种水液压柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水液压柔性机械手，涉及仿生设备技术领域。该水液压柔性机械手，包括压盘和至少三个柔性致动器；压盘内部设有流道，流道入水口与液压水泵一侧连通，液压水泵另一侧与外部水源相连通，流道出水口与外部水源连通；流道入水口侧和流道出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件，两个阀控组件将流道划分为阀控段区域；柔性致动器包括柔性外表皮，柔性外表皮内部设有内骨架，内骨架具有中空流道，且中空流道背离抓取方向一侧内壁设有凹槽腔室，中空流道一端封闭，另一端与压盘中流道阀控段区域相连通。本实用新型通过开放式液压系统和内骨架凹槽腔室设计，消除封闭式液压系统在水下环境作业的背压影响，实现抓取动作的精确控制。

Description

一种水液压柔性机械手

技术领域

本实用新型涉及仿生设备技术领域，特别涉及一种水液压柔性机械手。

背景技术

水下机器人是海洋开发的核心装备，水下机器人进行采样时主要依靠水下作业机械手，机械手可以分为刚性机械手和柔性机械手两种，柔性机械手作为一种采用柔性材料制作的新型机械装置，与传统刚性机械手相比，其操作细小或易碎物体的能力更强。利用柔性材料自身具备的柔顺性和适应性，柔性机械手的灵活性更高、复杂环境适应性更强和安全人机交互性更优，逐步受到人们的广泛关注。柔性致动器是实现柔性机械手柔性抓取的核心部件，现有柔性机械手采用的致动器按照其控制方式主要分为：介电性弹性体致动器（DEA）、形状聚合物致动器（SMPA）和气压致动器（PA）。其中，气压致动器具备质量较轻、变形大、移动灵活的优点，是应用最广的一种柔性致动器，其工作原理是通过气压使得采用柔性材料制成的柔性致动器产生轴向或纵向变形，进而完成机械手或人工肌肉的预设动作要求。

在实现本实用新型的过程中，实用新型人发现相关技术至少存在以下问题：

现有采用气压致动器的柔性机械手虽具备质量较轻、变形大、移动灵活的优点，但由于缺少刚性部件的支撑，导致其承压能力差，夹持力普遍较小，无法抓取质量较大的物体；同时，受其致动方式的限制，使用气压致动器的柔性机械手在执行抓取任务时，需要另外增加一个封闭式的供气装置，极大增加了整个系统的体积，尤其在水下作业环境中，供气装置需要额外的配重才能保持其正常运用，内外压强的不同也容易导致其运动精度受影响。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型提供了一种水液压柔性机械手，用以克服现有柔性机械手承压能力低、抓取性能低，难以满足水下作业设备在水下环境的高适应性和强抗干扰能力的需求的技术问题。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供一种水液压柔性机械手，其特征在于，所述水液压柔性机械手包括压盘和至少三个柔性致动器；

所述压盘内部设有流道，所述流道入水口与液压水泵一侧连通，所述液压水泵另一侧与外部水源相连通，所述流道出水口与外部水源连通；所述流道入水口侧和所述流道出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件，两个阀控组件将所述流道划分为阀控段区域，并通过各自开闭状态控制所述流道的阀控段区域内水压数值；

对于每个柔性致动器，所述柔性致动器包括柔性外表皮，所述柔性外表皮内部设有弹性耐压的内骨架，所述内骨架具有中空流道，且所述中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，所述中空流道的一端封闭，另一端与所述压盘中所述流道的阀控段区域相连通。

在一个优选的实施例中，所述柔性外表皮表面设有预设数量的凹槽或横纹。

在一个优选的实施例中，所述压盘内部的流道数量为单个，各个柔性致动器的中空流道均与所述流道的阀控段区域相连通。

在一个优选的实施例中，所述压盘内部的流道数量与所述柔性致动器数量相同，且各个柔性致动器的中空流道分别与对应流道的阀控段区域相连通。

在一个优选的实施例中，所述内骨架材料为热塑性聚氨酯弹性体TPU或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS，所述柔性外表皮材料为硅胶。

在一个优选的实施例中，所述压盘材料为TC4。

在一个优选的实施例中，所述阀控组件包括音圈电机、锥阀阀芯、上下端盖和密封板，所述音圈电机与所述锥阀阀芯通过螺纹连接，端面密封采用O形圈，轴向密封采用斯特封。

在一个优选的实施例中，所述音圈电机为圆柱形音圈电机，所述锥阀阀芯型号为17-4PH，所述上下端盖和所述密封板材料均为铝青铜。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种水液压柔性机械手具有以下优点：

本实用新型提供的一种水液压柔性机械手，包括压盘和至少三个柔性致动器；压盘内部设有流道，流道入水口与液压水泵一侧连通，液压水泵另一侧与外部水源相连通，流道出水口与外部水源连通；流道入水口侧和流道出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件，两个阀控组件将流道划分为阀控段区域；柔性致动器包括柔性外表皮，柔性外表皮内部设有内骨架，内骨架具有中空流道，且中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，中空流道的一端封闭，另一端与压盘中流道的阀控段区域相连通。本实用新型通过开放式液压系统和柔性致动器内骨架凹槽腔室设计，从而消除封闭式液压系统在水下环境作业的背压影响，进而实现抓取动作的精确控制。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并于说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是一种现有液压或气压柔性机械手的装置示意图。

图2是根据本实用新型一示例性实施例示出的水液压柔性机械手的装置示意图。

图3是根据本实用新型一示例性实施例示出的柔性致动器的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例（但不限于所举实施例)与附图详细描述本实用新型，本实施例的具体方法仅供说明本实用新型，本实用新型的范围不受实施例的限制，本实用新型在应用中可以作各种形态与结构的修改与变动，这些基于本实用新型基础上的等价形式同样处于本实用新型申请权利要求保护范围。

为了更好地说明本实用新型实施例提供的水液压柔性机械手的装置示意图，首先示出现有液压或气压柔性机械手的装置示意图进行对比说明。如图1所示现有液压或气压柔性机械手的装置示意图中，柔性机械手包括封闭式供气箱（供液箱）A、液压泵B、控制组件C和柔性机械臂D，其中，柔性机械臂D内部流道通过管道分别与液压泵B、封闭式供气箱（供液箱）A连通形成封闭的压力系统，并受控制组件C调节液压或气压大小。

需要说明的是，图1所示现有液压或气压柔性机械手的装置示意图中，由于其采用封闭式的压力系统，导致其在水下环境作业时，气压或液压的作用极易受外部水压影响，难以满足水下作业设备在水下环境的高适应性和强抗干扰能力的需求，且，液压或气压柔性机械手缺少刚性部件的支撑，该类型的机械手的承压能力差，夹持力普遍较小。

为了避免上述情况的发生，本发明经过大量创造性的实验研究，克服一系列技术问题，提出一种水液压柔性机械手。其中，图2是根据本实用新型一示例性实施例示出的水液压柔性机械手的装置示意图。如图2所示，该水液压柔性机械手包括压盘10和至少三个柔性致动器20；所述压盘10内部设有流道11，所述流道11入水口与液压水泵12一侧连通，所述液压水泵12另一侧与外部水源相连通，所述流道11出水口与外部水源连通；所述流道11入水口侧和所述流道11出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件30，两个阀控组件30将所述流道11划分为阀控段区域13，并通过各自开闭状态控制所述流道11的阀控段区域13内水压数值；对于每个柔性致动器20，所述柔性致动器20包括柔性外表皮，所述柔性外表皮内部设有弹性耐压的内骨架，所述内骨架具有中空流道，且所述中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，所述中空流道的一端封闭，另一端与所述压盘中所述流道的阀控段区域13相连通。

其中，各个柔性致动器均匀分布并安装于所述压盘底部，当柔性致动器的数量为3个时，相邻柔性致动器之间呈120°分布。

在一种可行的实现方式中，所述液压水泵可安装于所述压盘盘体内部，从而通过压盘集成各个部件的安装，也可单独设置于所述压盘外部。

本实施例所提供水液压柔性机械手的液压水泵一侧、流道出水口均与外部水源连通，即，该水液压柔性机械手整体与水下环境形成开放系统，水源由水下环境直接供应，与其他气压、液压类水下柔性机械手的封闭系统相比，可消除了水下环境产生的背压的影响，很好地解决了现有水下柔性机械机械手在水下环境中适应性差的问题。

在一种可行的实现方式中，本实施例提供的柔性致动器的示意图如图3所示，在图3中，柔性致动器由内骨架100和柔性外表皮200两部分组成，且内骨架100具有中空流道，中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，当水流进入内骨架100的中空流道后，各个凹槽腔室内壁受到水压作用会发生轴向的膨胀变形，多各凹槽腔室的膨胀变形叠加，使得内骨架100背离抓取方向一侧内壁的径向弯曲变形远大于靠近抓取方向一侧内壁的径向弯曲变形，同时带动外部的柔性外表皮200发生同样的弯曲变形，且柔性致动器的弯曲角度随着压力的增大而增大，从而通过控制系统水压大小达到控制柔性致动器弯曲变形目的，进而实现对柔性机械手抓取动作的精确控制。

此外，在柔性外表皮的背面的适当位置设计出部分凹槽以减小因外表柔性材料自身的弹性行为对致动器变形的影响，同时，在柔性外表皮的正面靠近封闭端的位置也设计出部分凹槽，以增加致动器表面的摩擦力，有助于抓取表面比较光滑或形状不规则的物体，实现平稳抓取。水液压柔性致动器结构如图1所示。

在一个优选的实施例中，所述柔性外表皮表面设有预设数量的凹槽或横纹。

在柔性外表皮表面设计出凹槽或横纹可减小因外表柔性材料自身的弹性行为对柔性致动器变形的影响，同时可增加柔性致动器表面的摩擦力，有助于抓取表面比较光滑或形状不规则的物体，实现平稳抓取。

在一个优选的实施例中，所述压盘内部的流道数量为单个，各个柔性致动器的中空流道均与所述流道的阀控段区域相连通。

在该种结构下，各个柔性致动器由单个流道对应的阀控组件控制弯曲状态，各个柔性致动器的弯曲程度相似或相同。

在一个优选的实施例中，所述压盘内部的流道数量与所述柔性致动器数量相同，且各个柔性致动器的中空流道分别与对应流道的阀控段区域相连通。

在该种结构下，各个柔性致动器分别由对应流道的阀控组件控制弯曲状态，各个柔性致动器的弯曲程度可相同也可不同，从而实现更精细的抓取动作。

在一个优选的实施例中，所述内骨架材料为热塑性聚氨酯弹性体TPU或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS，所述柔性外表皮材料为硅胶。

在一个优选的实施例中，所述压盘材料为TC4。

在一个优选的实施例中，所述阀控组件包括音圈电机、锥阀阀芯、上下端盖和密封板，所述音圈电机与所述锥阀阀芯通过螺纹连接，端面密封采用O形圈，轴向密封采用斯特封。

在一种可行的实施方式中，水液压柔性机械手的各个工作状态切换原理如下所示：压盘的流道入水口侧音圈电机反向通电，动子线圈带入水口侧动锥阀阀芯向上运动，使得流道阀控段区域进水端阀口打开；流道出水口侧音圈电机正向通电，动子线圈带动出水口侧锥阀阀芯向下运动，使得流道阀控段区域排水端阀口关闭，此时，柔性机械手的各个柔性致动器在系统流体压力的作用下，产生弯曲变形完成抓取动作。

当压盘的流道入水口侧音圈电机正向通电，动子线圈带动入水口侧锥阀阀芯向下运动，使得流道阀控段区域进水端阀口关闭；流道出水口侧音圈电机也正向通电，动子线圈带出水口侧动锥阀阀芯向下运动，使得流道阀控段区域排水端阀口关闭，此时，柔性机械手的各个柔性致动器处于保压状态，实现既定动作的保持。

当压盘的流道入水口侧音圈电机正向通电，动子线圈带入水口侧动锥阀阀芯向下运动，使得流道阀控段区域进水端阀口关闭；流道出水口侧音圈电机反向通电，动子线圈带动出水口侧锥阀阀芯向上运动，使得流道阀控段区域排水端阀口打开，此时，柔性机械手的各个柔性致动器处于卸压状态，变形恢复完成释放动作。

在一个优选的实施例中，所述音圈电机为圆柱形音圈电机，所述锥阀阀芯型号为17-4PH，所述上下端盖和所述密封板材料均为铝青铜。

综上所述，本实用新型提供的一种水液压柔性机械手，包括压盘和至少三个柔性致动器；压盘内部设有流道，流道入水口与液压水泵一侧连通，液压水泵另一侧与外部水源相连通，流道出水口与外部水源连通；流道入水口侧和流道出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件，两个阀控组件将流道划分为阀控段区域；柔性致动器包括柔性外表皮，柔性外表皮内部设有内骨架，内骨架具有中空流道，且中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，中空流道的一端封闭，另一端与压盘中流道的阀控段区域相连通。本实用新型通过开放式液压系统和柔性致动器内骨架凹槽腔室设计，从而消除封闭式液压系统在水下环境作业的背压影响，进而实现抓取动作的精确控制。

虽然，前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本实用新型做了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之进行修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本实用新型旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种水液压柔性机械手，其特征在于，所述水液压柔性机械手包括压盘和至少三个柔性致动器；

所述压盘内部设有流道，所述流道入水口与液压水泵一侧连通，所述液压水泵另一侧与外部水源相连通，所述流道出水口与外部水源连通；所述流道入水口侧和所述流道出水口侧分别嵌设有一个可开闭的阀控组件，两个阀控组件将所述流道划分为阀控段区域，并通过各自开闭状态控制所述流道的阀控段区域内水压数值；

对于每个柔性致动器，所述柔性致动器包括柔性外表皮，所述柔性外表皮内部设有弹性耐压的内骨架，所述内骨架具有中空流道，且所述中空流道背离抓取方向一侧内壁设有相互连通的预设数量凹槽腔室，所述中空流道的一端封闭，另一端与所述压盘中所述流道的阀控段区域相连通。

2.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述柔性外表皮表面设有预设数量的凹槽或横纹。

3.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述压盘内部的流道数量为单个，各个柔性致动器的中空流道均与所述流道的阀控段区域相连通。

4.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述压盘内部的流道数量与所述柔性致动器数量相同，且各个柔性致动器的中空流道分别与对应流道的阀控段区域相连通。

5.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述内骨架材料为热塑性聚氨酯弹性体TPU或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料ABS，所述柔性外表皮材料为硅胶。

6.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述压盘材料为TC4。

7.根据权利要求1所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述阀控组件包括音圈电机、锥阀阀芯、上下端盖和密封板，所述音圈电机与所述锥阀阀芯通过螺纹连接，端面密封采用O形圈，轴向密封采用斯特封。

8.根据权利要求7所述的水液压柔性机械手，其特征在于，所述音圈电机为圆柱形音圈电机，所述锥阀阀芯型号为17-4PH，所述上下端盖和所述密封板材料均为铝青铜。

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