CN111267138A - 一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手 - Google Patents

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焦志伟
程月
丁玉梅
杨卫民
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Abstract

本发明公开了一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，包括若干个执行单元、固定部分和基座部分。每个执行单元类似于人的一个手指，若干个执行单元实现抓取功能，执行单元为一长条状手指，至少包含一个气道，气道至少具有一个气口。在执行单元的基体上设置一个或多个小空腔，每个小空腔包含一个气口，小空腔里填充若干个微球，微球的尺寸大于气口最小孔的尺寸。小空腔可以在执行单元上任意需要变刚度的位置上。若干个执行单元根据被抓取物体的形状和尺寸经过固定部分安装在基座部分，固定方式可以是螺钉和螺母连接。执行单元的气道通过气压驱动，小空腔通过负压装置控制刚度，通过负压装置的启动与关闭，从而实现软体抓手具有刚柔并济的特性。

Description

一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手
技术领域
本发明涉及一种可变刚度的软体抓手，属于机器人研究领域。
背景技术
传统刚性抓手等仿人手功能和形状制造的机械装置已被广泛用于工业生产和人们的生活中，实现了工业生产的自动化，同时也提高了人们的生活水平。
目前，软体机器人在仿生领域、工业抓持领域以及医疗康复领域具有很广阔的应用前景。2019年5月中南大学的韩奉林等人将气动软体驱动器和颗粒软囊万能抓手的有机结合，设计出了一种可实现主动可控变形和刚度调控的弯曲软体驱动器，该驱动器可以主动控制驱动器的形态，方便地实现刚度调控，还可使承载能力提高约2.75倍。
软体机器人是机器人研究的一个全新方向，软体抓手克服了传统刚性抓手人和环境交互差、复杂环境适应性差、不灵活等缺陷，所以有着非常广的应用前景。但由于对软体抓手的研究才刚刚开始，关于其结构、驱动、传感与控制方面的技术还不太成熟，还需要我们进一步的进行研究和探索，所以关于它的研究也具有一定的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可变刚度的软体抓手来弥补软体抓手仅仅能提供柔性抓取而不能实现变刚度的缺陷。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，包括若干个执行单元、固定部分和基座部分。每个执行单元类似于人的一个手指，若干个执行单元实现抓取功能，执行单元为一长条状手指，至少包含一个气道，气道至少具有一个气口。在执行单元的基体上设置一个或多个小的空腔，每个小空腔包含一个气口，小空腔里填充若干个微球，微球的尺寸大于气口最小孔的尺寸。小空腔可以在执行单元上任意需要变刚度的位置上。若干个执行单元根据被抓取物体的形状和尺寸经过固定部分安装在基座部分，固定方式可以是螺钉和螺母连接。
执行单元与固定部分以及基座部分固定在一起组成本发明的一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手。执行单元气道和小空腔的气管会穿过固定部分与基座部分的气孔与所需的气泵相连。
本发明一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手通过控制充气气泵的气压从而改变执行单元的弯曲程度，提供的气压越大，软体抓手的弯曲程度越大。执行单元基体的小空腔是利用负压装置驱动的，当负压装置未启动时，小空腔内部的弹性小球之间的空隙较大，从而表现出柔性材料的特性；当负压装置启动时，小空腔内的弹性小球之间的空隙减小，使得弹性小球之间的摩擦力急剧增大，导致执行单元设有小空腔位置的基体刚度增大，从而实现软体抓手在任意位置可变刚度的特性。
本发明一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，部分小空腔里可以没有弹性小球。没有弹性小球的小空腔充气，有弹性小球的小空腔抽真空，实现向有弹性小球侧弯曲抓取。
由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比具有如下优点：第一，本发明可以实现软体抓手任意部分变刚度的特性；第二，本发明变刚度的方法易于实现。
附图说明
附图是方便对本发明作进一步理解，并构成说明书的一部分，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手的外观示意图。
图2是一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手的俯视图。
图3是一种执行单元的半剖视图。
图4是一种固定部分的外观示意图。
图5是一种基座部分的外观示意图。
图6是执行单元充气时的示意图。
图7是执行单元充气且进行抽真空时的示意图。
图中：1-执行单元，2-固定部分，3-基座部分，4-固定螺栓，5-固定螺母，1-1-小空腔，1-2-气道，1-3-用来抽真空的气管，1-4-用来充气的气管，3-1-抽真空气管孔，3-2-充气气管孔。
具体实施方式
下面结合附图进行进一步说明。
首先，图1为本发明一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手的外观示意图，包括固定部分2、基座部分3、4个执行单元1、若干固定螺栓4和若干固定螺母5。
图3中的执行单元1包括一个气道1-2和一个小空腔1-1。小空腔1-1外层采用1mm-2mm的硅胶层，小空腔1-1内部包裹着若干直径为2mm左右的弹性小球组成，小空腔1-1末端通过用来抽真空的气管1-3与负压装置相连。气道1-2通过用来充气的气管1-4与气压装置相连。图1中的固定部分2和基座部分3均采用3D打印方法制造。
执行单元1中的气管与气孔是通过硅胶粘接在一起的。如图1所示，执行单元1、固定部分2和基座部分3通过固定螺栓4和固定螺母5固定在一起，固定部分2和基座部分3如图4和图5所示。图3中的用来抽真空的气管1-3、用来充气的气管1-4通过图2基座部分3的抽真空气管孔3-1和充气气管孔3-2出去，从而连接气源装置。基座部分3通过固定螺栓4和固定螺母5连接在刚性机械臂上。
执行单元1的气道1-2通过用来充气的气管1-4进行充气，通过控制充气气泵的气压从而改***体抓手的弯曲程度，气泵气压越大，执行单元1的弯曲程度越大。图6为执行单元1充气的示意图。执行单元1底部的小空腔1-1通过用来抽真空的气管1-3连接负压装置，通过控制负压装置的开启与关闭，来控制小空腔1-1是否进行变刚度。当负压装置开启时，负压装置对小空腔1-1进行抽真空，使得小空腔1-1内部若干弹性小球之间的间隙减小，由于本例的小空腔1-1设置在执行单元1的底部，所以执行单元1底部基体的刚度增大，从而可以增大抓取力和实现软体抓手刚柔并济的特性。图7为执行单元1充气且进行抽真空的示意图，有弹性小球的空腔抽真空，无弹性小球的空腔充气。
以上所述为本发明的工作原理及连接方式，配合各图予以说明。但是本发明并不局限于以上所述的连接方式，任何基于上述所说的对于相关连接方式的局部调整，只要在本发明的精神领域范围内，均属于本发明。

Claims (5)

1.一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，其特征在于：包括若干个执行单元、固定部分和基座部分，每个执行单元类似于人的一个手指，若干个执行单元实现抓取功能，执行单元为一长条状手指，至少包含一个气道，气道至少具有一个气口；在执行单元的基体上设置一个或多个小的空腔，每个小空腔包含一个气口，小空腔里填充若干个微球，微球的尺寸大于气口最小孔的尺寸；小空腔在执行单元上任意需要变刚度的位置上，若干个执行单元根据被抓取物体的形状和尺寸经过固定部分安装在基座部分，固定方式可以是螺钉和螺母连接；执行单元气道和小空腔的气管会穿过固定部分与基座部分的气孔与所需的气泵相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，其特征在于：部分小空腔里没有弹性小球。
3.根据权利要求1所述的一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，其特征在于：小空腔外层采用1mm-2mm的硅胶层，小空腔内部包裹着若干直径为2mm左右的弹性小球。
4.根据权利要求1所述的一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，其特征在于：执行单元底部的小空腔通过用来抽真空的气管连接负压装置，通过控制负压装置的开启与关闭，来控制小空腔是否进行变刚度。
5.根据权利要求2所述的一种基于弹性小球的可变刚度软体抓手，其特征在于：有弹性小球的空腔抽真空，无弹性小球的空腔充气。
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