CN109048980A - 一种关节式内骨骼气动软体手爪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部、固定在中央手掌部一周的多个软体触手部；软体触手部包括多个依次相连的关节部；关节部包括弹性伸缩层、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部；支撑骨骼部支撑弹性伸缩层的内部空腔，与弹性伸缩层相连，支撑骨骼部之间铰接；支撑骨骼部中间设有气孔；关节部前端设有指尖骨骼部与支撑骨骼部铰接；关节部后端设有指根骨骼部与支撑骨骼部之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部与支撑骨骼部之间铰接；连接骨骼部和指根骨骼部上均设有气孔；且连接骨骼部和指根骨骼部单独连接有气管；弹性伸缩层内部填充有多圈纤维约束层，约束层对应于气室的外部；本发明提高了抓手刚度和抓持能力。
Description
技术领域
本发明属于软体夹持器领域，特别是一种关节式内骨骼气动软体手爪。
背景技术
在现代工业自动化夹持与搬运操作***中，气动夹持器受到越来越多的重视与应用。然而目前的气压夹持装置多针对特定种类和规格的目标物体，对于形状不规则的物体以及不同操作环境一般难以满足需求。为了克服其对夹持物材质、形状的严格限制，气动软体手爪得到了研究与开发。气动软体夹持器使用硅橡胶等超弹性材料，具有高柔顺性，能适应不同形状尺寸的目标物体，响应快捷，轻便且不易损伤被夹持物，同时对操作人员安全友好。国内外研究学者利用其优点研制出多款软体手爪。
中国专利201620690558.1发明名称为“一种软体三指机器人”的专利，它是基于软体材料气压驱动控制的结构，通过向手指内部的通道进行充气或吸气，从而实现手指向外弯曲或者向内弯曲的姿态变形来抓持物体，其柔顺性高，然而受限于材料本身性质，其输出力较低，对较重物体无法有效抓持。
美国专利US9464642B2,哈佛学者首次提出了一款纯软体仿海星式手爪，它具有六爪结构，应用于生物科学方面，可无损伤地抓取鸡蛋、实验小白鼠等易损伤目标体，柔顺性很好,但其径向膨胀严重，严重降低了输出效率。
目前的各类软体手爪主要采用纯软体材料，其柔顺性很大程度依赖于软体材料的硬度。软体材料本身既是动作驱动器又是末端夹持执行器，虽然能较安全灵巧地抓取多尺寸、多形状物体，但由于材料自身的局限性，缺乏足够的刚度夹取质量较大的物体以及形成可靠的约束，因此在材料的选择和新结构的研发上还有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种关节式内骨骼气动软体手爪，以实现对多种尺寸，多种形状目标物体的柔顺抓持，尤其是其刚度与抓持能力得到提高，对较大质量物体可以完成有效抓持。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部、固定在中央手掌部一周的N(N≥3)个软体触手部；
所述软体触手部包括M个(M≥3)依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部；所述支撑骨骼部用于支撑弹性伸缩层的内部空腔，将弹性伸缩层内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部与弹性伸缩层相连，支撑骨骼部之间依次铰接；支撑骨骼部中间设有气孔，将各个气室相连通；前端的关节部前端设有指尖骨骼部，用以封堵软体触手部的前端，且指尖骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；末端的关节部后端设有指根骨骼部，用以封堵软体触手部的后端，且指根骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部，连接骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；连接骨骼部和指根骨骼部上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部和指根骨骼部分别单独连接有气管独立供气；所述弹性伸缩层内部填充有多圈纤维约束层；所述纤维约束层对应于气室的外部一周。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，在软体触手部嵌入了关节式骨骼结构，包括相互铰接的支撑骨骼关节、连接骨骼部，在保持高柔顺性的同时极大地提高了刚度。
(2)本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，弹性伸缩层承担驱动功能，而抓取过程中产生的力则由铰接式内骨骼传递至中央手掌部，有效地提高了软体手爪的抓持能力。
(3)本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，弹性伸缩层内嵌入了纤维加强层，限制了住了手指的径向变形，保持了手指外形并提高了弯曲效率。
(4)本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，多段关节部独立控制，增加了手指的自由度，使得手指可以完成更多的变形位姿，手爪夹持多样性能力提高。
(5)本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，多段关节部可并行充气，显著提高了手指的响应速度。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪整体结构示意图。
图2为中央手掌部结构示意图。
图3为软体触手部结构示意图。
图4为支撑骨骼关节结构示意图。
图5(1-4)分别为三节关节部的软体触手部的各关节供气手指变形示意图。
图6为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪包络抓持的工作示意图。
图7为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪指尖抓取的工作示意图。
具体实施方式
为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1-图4，本发明的一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部2、均匀固定在中央手掌部2一周的N(N≥3)个软体触手部3；所述软体触手部3包括M个(M大于等于3)依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层4、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部15；所述支撑骨骼部15用于支撑弹性伸缩层4的内部空腔，将弹性伸缩层4内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部15与弹性伸缩层4相连，支撑骨骼部15之间依次铰接，可实现向外45°、向下180°的旋转范围；支撑骨骼部15中间设有气孔14，将各个气室相连通；位于前端的关节部前端设有指尖骨骼部6，用以封堵软体触手部3的前端，且指尖骨骼部6与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；位于末端的关节部后端设有指根骨骼部11，用以封堵软体触手部3的后端，且指根骨骼部11与相邻的支撑骨骼部15之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部12进行连接，且连接骨骼部12与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；连接骨骼部12和指根骨骼部11上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部12和指根骨骼部11分别单独连接有气管16，可实现各个关节部的独立供气；所述弹性伸缩层4内部填充有多圈纤维约束层7；所述纤维约束层7对应于气室的外部一周，用以限制软体触手部3径向膨胀，以提高软体触手部3的刚度和手指抓持重物的能力。
进一步的，所述弹性伸缩层4包括位于上端的半圆形的伸缩层和位于下端的平板形的接触层5，伸缩层和接触层5一起构成类似象鼻结构的弹性伸缩层4；伸缩层上端沿周向设有多个沟槽，以增大弹性伸缩层4向下弯曲的长度，接触层5下端等间隔的设有多个纹路，平板形增加了接触面积，纹路增加了接触摩擦力。
进一步的，所述弹性伸缩层4与支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11之间均通过强力软胶粘接；为了增大粘结接触面积，保证粘结强度；所述支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11上端均设有弧形卡槽24，所述伸缩层内等间隔的设有多个凸起，凸起卡入卡槽24内，然后粘结；通过卡槽24和凸起的配合可对支撑骨骼部15相对伸缩层的位置进行定位，同时，增加接触面积，保证连接强度。优选的，所述连接骨骼部12上设有两个卡槽24，进一步增加相邻的弹性伸缩层4之间的连接强度。
进一步的，所述相邻的关节部之间还设有支撑环8；所述支撑环8设置在弹性伸缩层4内，且对应于连接骨骼部12位置，用以支撑相邻的弹性伸缩层4，所述支撑环8的长度小于连接骨骼部12的长度(长度方向为软体触手部3伸缩方向)，通过支撑环8保证了膨胀过程中弹性伸缩层4与连接骨骼部12之间不会脱胶，从而避免了相邻的关节部之间的气室连通而导致独立供气的失效，同时支撑环8的长度小于连接骨骼部12的长度，避免过长的支撑环8对相邻的弹性伸缩层4之间过渡段的弯曲产生影响。
进一步的，所述弹性伸缩层4采用硅橡胶制成。首先制备内层，在内层外设置多圈纤维约束层7，然后再制备外层，将整个纤维约束层7包裹在内。
优选的，所述选用低硬度、高弹性、高稳定性、低收缩性的室温硫化硅橡胶。
进一步的，所述中央手掌部2采用3D打印技术一体成型，可选用PLA或者ABS等树脂材料，具有足够的刚度。所述中央手掌部2升段设有多个螺纹孔1，可用于连接法兰的安装。
进一步的，所述中央手掌部2中心成圆柱形，圆柱外部均匀设有多个连接柱21，连接柱21内设有连接孔，所述软体触手部3末端设有连接轴，连接轴设置在连接孔内，通过螺栓固连，通过连接轴可实现软体触手部3相对中央手掌部2的角度位姿。通过设置连接柱21轴向与中央手掌部2圆柱轴向的夹角，即可调整软体触手部3末端相对中央手掌部2的张开角度。
所述气管16采用柔性乳胶气管，通过强力软胶与连接骨骼部12和指根骨骼部11上的气孔粘合密封。
进一步的，所述骨骼部采用3D打印技术一体成型，可选用PLA或者ABS等树脂材料，具有足够刚度的同时保持轻便性。
进一步的，每个气管16各由一个比例压力阀控制输入气压，所述伸缩层内还设有柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值，以精确控制每个软体触手部3的弯曲角度。
以三节关节部的软体触手部3为例进行说明：本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，通过气管16对软体触手部3三节指段进行独立控制，每个气管16各由一个比例压力阀控制输入气压，可以获得多种位姿。通入压缩气体时，软体触手部3受气压作用产生拉伸变形，从而带动内骨骼关节向内旋转，获得弯曲角位移。结合图5，图5-1为单独驱动前端指段软体手指的变形示意图。图5-2为单独驱动中间指段软体手指的变形示意图。图5-3为单独驱动末端指段软体手指的变形示意图。图5-4为同时驱动整个软体触手部3的变形示意图。通过对三指段的分别控制，手爪可以获得丰富的位置和姿态，同时三段并行通气设计可以较小地提高响应时间，提高工作效率。
本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，可实现多种抓住姿势的抓取工作：
包络抓取方式：结合图6，对于大尺寸、大质量的目标物体23，软体手爪优选选用包络抓取方式。根据目标物体23的形状尺寸，依次调节三个指段的输入气压，输入气压与弯曲角度之间的关系可由实验数据测试获得，并可在软体手指内置柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值。当三个手指贴合目标物体完成包络抓取，根据物体质量继续增大输入气压，完成稳定的抓取。纹路式的接触层具有很好的适应性，可以有效地贴合适应物体轮廓，从而提高抓持能力。
指尖抓持方式：结合图7，对于小尺寸、小质量目标物体23，软体手爪优先选用指尖抓持方式。根据目标物体23的形状尺寸，调节后两节指段的输入气压以较小手指初始张开角度。当软体手指到达预期位置后，调节前端指段输入气压，使指尖接触物体，继续增大输入气压完成对目标物体的稳定抓取。
本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，通过气压驱动完成弯曲动作，通过支撑骨骼部15、连接骨骼部12构成的内骨骼限制了软体触手部3的轴向伸长与径向膨胀，承受抓持过程中产生的力并传递到中央手掌部2，极大地提高了抓持力。内骨骼与软体材料构成了内部气腔，当压缩气体通入时，骨骼限制了腔室前后以及底部的变形，位于中间的软体材料则在气压作用下沿轴向拉伸变形，从而带动底部铰接的骨骼关节绕铰链轴旋转，形成弯曲动作。通过控制软体手指的多个指节内腔压力来获得预期的手爪抓持姿态，其软体驱动的柔顺性和内骨骼提供的刚度，可以实现对多种尺寸、多种形状、多种重量目标物体的抓持。
Claims (8)
1.一种关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，包括中央手掌部(2)、固定在中央手掌部(2)一周的N(N≥3)个软体触手部(3)；
所述软体触手部(3)包括M个(M≥3)依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层(4)、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部(15)；所述支撑骨骼部(15)用于支撑弹性伸缩层(4)的内部空腔，将弹性伸缩层(4)内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部(15)与弹性伸缩层(4)相连，支撑骨骼部(15)之间依次铰接；支撑骨骼部(15)中间设有气孔(14)，将各个气室相连通；前端的关节部前端设有指尖骨骼部(6)，用以封堵软体触手部(3)的前端，且指尖骨骼部(6)与相邻的支撑骨骼部(14)之间铰接；末端的关节部后端设有指根骨骼部(11)，用以封堵软体触手部(3)的后端，且指根骨骼部(11)与相邻的支撑骨骼部(15)之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部(12)，连接骨骼部(12)与相邻的支撑骨骼部(14)之间铰接；连接骨骼部(12)和指根骨骼部(11)上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部(12)和指根骨骼部(11)分别单独连接有气管(16)独立供气；所述弹性伸缩层(4)内部填充有多圈纤维约束层(7)；所述纤维约束层(7)对应于气室的外部一周。
2.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述弹性伸缩层(4)包括位于上端的半圆形的伸缩层和位于下端的平板形的接触层(5)，伸缩层上端沿周向设有多个沟槽；接触层(5)下端等间隔的设有多个纹路。
3.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述弹性伸缩层(4)与支撑骨骼部(15)、指尖骨骼部(6)、连接骨骼部(12)、指根骨骼部(11)之间均为粘接；所述支撑骨骼部(15)、指尖骨骼部(6)、连接骨骼部(12)、指根骨骼部(11)上端均设有弧形卡槽(24)，所述伸缩层内等间隔的设有多个凸起，凸起卡入卡槽(24)内。
4.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，根据权利要求3所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，相邻的关节部之间还设有支撑环(8)；所述支撑环(8)设置在弹性伸缩层(4)内，且对应于连接骨骼部(12)位置；所述支撑环(8)的长度小于连接骨骼部(12)的长度。
5.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，弹性伸缩层(4)采用硅橡胶制成；所述中央手掌部(2)、骨骼部均采用树脂材料制成。
6.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述中央手掌部(2)中心成圆柱形，圆柱外部均匀设有多个连接柱(21)，连接柱(21)内设有连接孔，所述软体触手部(3)末端设有连接轴，连接轴设置在连接孔内。
7.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，每个气管(16)各由一个比例压力阀控制输入气压，所述伸缩层内还设有柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值，以控制每个软体触手部(3)的弯曲角度。
8.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述气管(16)采用柔性乳胶气管。
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