CN113183174B - 一种基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器，包括基座和夹持手指；基座为环形，基座外侧设有用于安装夹持手指的连接臂，夹持手指固定在连接臂下方，夹持手指包括作为夹持面的内侧和对应的外侧，外侧固定有多个磁球，每个磁球之间均设有凸台；夹持手指为条状软性材质，夹持手指内设有第一线孔，夹持手指内侧设有多个第一线槽，连接臂上设有第二线槽，基座的内侧壁上开设有多个第二线孔。本技术方案利用磁球之间的磁力场和硅胶自身的弹性耦合形成一种自弯曲复合结构，伺服电机驱动系绳往复调控这种自弯曲复合结构，解决了响应时间慢、形态变化有局限的问题，同时增强了弹性体的弹性性能，夹持范围大从而也保证了夹持的稳定性及实用性。
Description
技术领域
本发明涉及机器人末端夹持器技术领域，具有涉及一种基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器。
背景技术
夹持器是机器人的末端执行机构之一，它能够通过力约束或形状约束实现对目标抓取物体的夹紧及松开，广泛用于各类工业自动化生产中。软体夹持器是指用低刚度的软弹性材料制作的夹持器，能够在一定范围内自适应抓取不同形状的物体或易碎物体，逐渐成为智能机器人的重要工具附件之一。
而现有的夹持器都具有一定的问题，像专利号CN201710392167.0公开的一款完全仿人手的机械手，整个手具有14个弯曲自由度，12个接触觉传感器，4个弯曲传感器，可以实时进行抓取感知。整体采用3D打印技术一次成型制作出5指仿人机械手，本发明提供的机械手具有很高的仿生性，其具有结构简单、体积小、柔软度高的特点，但这款机械手夹持物体范围有限，且手指材料属于塑料，硬度高，容易造成物体外表面的损坏。5个手指同时利用绳驱动，电机负荷过大，极大减少手指使用寿命。
同样，像专利号为CN201920037409.9公开的一种气动软体夹持器，手指由硅橡胶一次浇筑成型，内嵌凯夫拉线和玻璃纤维，利用气体的可压缩性与软体夹爪的弹性，对易损物品进行无损夹持。软体夹持器是由电机驱动，通过丝杆转动带动摆臂，同时利用气压驱动手指弯曲夹持，整个过程涉及零件过多，组装复杂，夹持器的自身重量也过大。
又如专利号为CN202010934730.4公开一种软体夹持器，主要安装在外部升降机构上，包括多个夹爪组件，以及控制部。通过手指上设定压强的气囊感知接触到物体，再通过夹持程序控制多个夹爪同时相向运动，完成夹持动作。本发明能够很好的确定预定工件进入到多个夹爪的夹持范围内以及完成该多个夹爪对预定工件的夹持，但该夹持器夹持范围有限，完成夹持响应时间过长，且气囊内部颗粒物长时间摩擦会造成气囊破损，缩短使用寿命。
发明人通过研究现有的夹持器，并且致力于对现有的夹持器进行改进，利用磁球和弹性体之间的关系，通过磁球之间的磁力场和硅胶自身的弹性耦合，并且利用电机驱动的特性；设计了一种基于磁球增强弹性体的软体夹持器，以解决上述现有技术存在的问题。
发明内容
本发明为解决现有的软体夹持器响应时间、形态变化方面局限性以及装配复杂等问题，提供一种用磁球-硅胶耦合弹性体结构制备的软体机器人夹持器，有效的增强了弹性体的弹性性能，夹持范围大的同时也保证了夹持的稳定性及实用性。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器，包括基座和夹持手指；所述基座为环形，所述基座外侧一圈还设有至少3个用于安装夹持手指的连接臂，所述夹持手指固定在所述连接臂下方，所述夹持手指包括作为夹持面的内侧和对应的外侧，所述外侧固定有多个磁球，每个磁球之间均设有凸台；所述夹持手指为软性材质的条状结构，所述夹持手指自一端向另一端设有贯通的第一线孔，所述夹持手指的内侧设有多个第一线槽，所述连接臂上设有第二线槽，所述基座的内侧壁上开设有多个第二线孔。
进一步地，还包括固定翼，所述固定翼设置于所述环形基座的上方中部位置，所述固定翼呈十字形，所述十字形固定翼的四个的端部均设有第三线孔。
进一步地，还包括尼龙线，所述尼龙线的一端通过所述第三线孔缠绕固定，分别穿过所述第二线孔、第二线槽，从第一线孔的一端穿入所述夹持手指内，再一一交错的穿过每个所述第一线槽从第一线孔的下端固定在指尖位置。
再进一步地，所述基座的内侧设有基台，所述基台上固定有舵机，所述舵机连接所述尼龙绳。
再进一步地，所述环形基座的内侧壁上开设有多个支架孔，通过所述支架孔将所述基座固定在机械臂上。
再进一步地，所述基座外侧一圈设有至少3个用于安装霍尔传感器的传感器卡槽，所述传感器卡槽与所述连接臂相互交错的间隔设置在所述基座外侧，所述霍尔传感器与所述传感器卡槽采用X、Y、Z正交配置的安装方式。
再进一步地，所述第一线槽与所述磁球数量相同，每个所述第一线槽分别对应每个磁球设置在磁球靠下的内侧位置。
优选地，每个连接臂下端设有手指卡槽，所述夹持手指的顶端设有连接凸台，所述夹持手指顶端的连接凸台通过所述手指卡槽与所述凸台配合。
优选地，所述夹持手指整体结构由磁球和硅胶一体化浇筑成型，所述磁球为由钕铁硼材质制备且具有磁性的巴克球，所述夹持手指由材质为903号RTV-2制模硅橡胶制备。
优选地，所述夹持手指上的每个磁球等间距设置，所述夹持手指的下端指尖两侧对称截取45°角的两边角。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的夹持器在结构上通过磁球之间的磁力场和硅胶自身的弹性耦合形成了一种自弯曲复合结构，通过电机驱动系绳往复调控这种自弯曲复合结构；具有结构简单可靠，制作成本相对较低的优点，且夹持范围大、夹持效果更稳定，同时解决了响应时间慢、形态变化有局限的问题。
2、通过磁球-硅胶耦合弹性体结构采用一体化浇筑成型制备，简化了装配过程，此外，磁球增强了弹性体，可快速有效完成抓取动作，提高了夹持效率；同时它的耐久性能高，普通机械手夹持结构关节部分容易出现损伤，本发明磁球增强弹性体变形能力，形成的软体夹持器具有很强的鲁棒性，可以更加长久地使用，同等条件下夹持效果更优。
3、而且通过霍尔传感器可以实时反馈所述手指夹持物体时的状态；所以本发明的基于磁球增强弹性体的软体夹持器具有智能、简单、易操作，夹持效率高等优点，在工业领域、仿生科学领域以及医疗科学领域等多个领域都具有重要的应用价值，结构简单，可大批量生产，同时应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的夹持器的整体结构***图；
图2为本发明的夹持器的固定翼结构图；
图3为本发明的夹持器的夹持手指的外侧结构示意图；
图4为本发明的夹持器的夹持手指的内侧结构示意图；
图5为本发明的夹持器的基座结构示意图；
图6为本发明的夹持器的基座结构俯视图；
图7为本发明的夹持器的基座结构仰视效果图。
附图标记说明：1、固定翼；2、基座；3、传感器卡槽；4、夹持手指；5、凸台；6、磁球；7、第一线槽；8、连接臂；9、舵机；10、连接凸台；11、手指底座；12、第一线孔；13、第二线孔；14、支架孔；15、基台；16、第二线槽；17、手指卡槽；18、第三线孔；19、螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明的基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器作进一步地详细说明。
实施例
实施例一
参照图1所示，本示例公开一种基于磁球增强弹性体的软体机器人的夹持器，该夹持器具有结构简单可靠，制作成本相对较低，且夹持范围大、夹持响应时间快等优点,其具体包括固定翼1、基座2、传感器卡槽3和夹持手指4；所述基座2为环形，所述固定翼1设置于所述环形基座2的上方中部位置，基座2外侧一圈还设有至少3个用于安装夹持手指4的连接臂8，夹持手指4固定在所述连接臂8下方，夹持手指4包括作为夹持面的内侧42和对应的外侧41，外侧41固定有多个磁球6，每个磁球6之间均设有凸台5；夹持手指4为软性材质的条状结构，夹持手指4自一端向另一端设有贯通的第一线孔12，所述夹持手指4的内侧42设有多个第一线槽7，所述连接臂8上设有第二线槽16，所述基座1的内侧设有基台15，所述基台15上固定有舵机9，所述舵机9连接所述尼龙绳，所述舵机9通过螺钉19固定在基座的基台15上，所述基座2的内侧壁上开设有多个第二线孔13。还包括用于收缩手指的尼龙线，所述尼龙线的一端通过所述第三线孔18缠绕固定，分别穿过所述第二线孔13、第二线槽16，从第一线孔12的一端穿入所述夹持手指4内，再一一交错的穿过每个所述第一线槽7从第一线孔12的下端通过压片固定在指尖位置。
进一步结合图2所示，所述固定翼1呈十字形，所述十字形固定翼的四个的端部均设有第三线孔18；每个连接臂8下端设有手指卡槽17，所述夹持手指4的顶端设有连接凸台10，所述夹持手指4顶端的连接凸台10通过所述手指卡槽17与所述凸台配合。该夹持器的夹持手指优选为3只，所述夹持手指4采用磁球-硅胶一体化浇筑成型制备的，手指通过连接凸台10与基座2连接臂8的手指卡槽17配合，所述牵线组件用于实现手指弯曲和伸展的状态，所述第一线槽7与所述磁球数量相同，每个所述第一线槽7分别对应每个磁球6设置在磁球靠下的内侧位置。
接通电源，舵机9转动，带动尼龙线，沿舵机9转动方向缠绕尼龙线，线与手指指尖拉力以及线与手指内侧硅胶接触面力的作用，带动磁球6与磁球间的凸台5发生扭转，产生位移，使手指4达到弯曲夹持的效果；
进一步地，所述连接臂8上的第二线槽16和基座2上的第二线孔13，用于固定尼龙线径向的位置，防止在舵机9转动时，尼龙线拉力方向与手指4轴向不在一条水平线上，使手指发生扭转的现象。
本实施例利用磁球增强了弹性体，提出的软体夹持器可快速有效完成抓取动作，提高了夹持效率。同时它的耐久性能高，普通机械手夹持结构关节部分容易出现损伤，该软体夹持器具有很强的鲁棒性，可以更加长久地使用，同等条件下夹持效果更优。而且通过霍尔传感器可以实时反馈所述手指夹持物体时的状态。所以本发明的基于磁球增强弹性体的软体夹持器具有智能、简单、易操作，夹持效率高等优点，在工业领域，仿生科学领域以及医疗科学领域都具有重要的应用价值。
实施例二
本发明实施例2在实施例1的基础上进一步限定夹持器手指制备工艺，手指通过磁球-硅胶一体化浇筑成型制备的；利用3D打印技术，打印手指模具，将磁球6置入模具中设定好的圆槽里，把配比好的硅胶注满整个模具，用塑料棒进行搅拌，使磁球与硅胶充分融合，再将焊锡丝拧成长棒，***硅胶中，盖上模具上盖，待其固化成型后，取出制备的软体手指4，拔出长棒，留下第一线孔12，便于尼龙线穿引。
参照图3和图4所示的夹持手指进行描述，所述夹持手指的下端指尖两侧对称截取45°角的两边角，所述磁球6单侧嵌入手指底座11，手指底座11厚选为2mm，磁球6之间的间距选为3mm，凸台5对应的排布在磁球6之间；手指底座11另一侧，凸台5对应的正下方等距的设有线槽Ⅰ7，便于牵线组件的穿引，以及手指4在线的拉力下弯曲，同时还减轻了舵机9的负载，使夹持器达到模仿手指夹持的效果。
同时作为优选的方案，所述夹持手指4整体结构由磁球和硅胶一体化浇筑成型，所述磁球6为由钕铁硼材质制备且具有磁性的巴克球，所述夹持手指4由材质为903号RTV-2制模硅橡胶制备，磁球之间的磁力场和硅胶自身的弹性耦合形成了一种自弯曲复合结构，伺服电机驱动系绳往复调控这种自弯曲复合结构；夹持手指的结构优选为5个磁球、4个凸台，所述凸台5用于隔开磁球6，凸台5尺寸为2.5*3*12，可达到手指4缓冲和保护的作用。
进一步需要结合图3和图4说明，夹持手指4两侧采用不同的结构设计，一侧设有磁球6和凸台5的等距间隔排布，另一侧是硅胶平面，即一侧是驱动层，另一侧是限制层，使手指4在低耗能的情况下即可达到夹持的效果。通过磁球-硅胶耦合制备的手指4，利用磁球6增强弹性体，向磁球一侧微弯的手指，增大了夹持器的夹持范围。
实施例三
参照图5-图7所示，本实施例3在实施例1的基础上进一步限定，所述基座2外侧一圈设有至少3个用于安装霍尔传感器的传感器卡槽3，所述传感器卡槽3与所述连接臂8相互交错的间隔设置在所述基座2外侧，每个连接臂8下端设有手指卡槽17，所述夹持手指4的顶端设有连接凸台10，所述夹持手指4顶端的连接凸台10通过所述手指卡槽17与所述凸台配合，所述环形基座2的内侧壁上开设有多个支架孔14，通过所述支架孔14将所述基座1固定在机械臂上。
所述霍尔传感器与所述传感器卡槽3采用X、Y、Z正交配置的安装方式，通过在Arduino软件的串口监视器和串口绘图器中观察，当舵机9转动，牵引尼龙线使手指弯曲夹持不同尺寸的物体时，波形图以及数据的振动频率可即时反应是否抓取到物体以及物体的尺寸范围；通过霍尔传感器感知手指4在弯曲是磁场的变化，来实时反馈手指夹持物体的状态。
本发明利用磁球增强弹性体的优势，具有结构简单可靠，制作成本相对较低，且夹持范围大的优点。同时通过磁球-硅胶耦合弹性体结构采用一体化浇筑成型制备，简化了装配过程，此外，磁球增强了弹性体，可快速有效完成抓取动作，提高了夹持效率；同时它的耐久性能高，普通机械手夹持结构关节部分容易出现损伤，本发明磁球增强弹性体变形能力，形成的软体夹持器具有很强的鲁棒性，可以更加长久地使用，同等条件下夹持效果更优。
而且通过霍尔传感器可以实时反馈所述手指夹持物体时的状态；所以本发明的基于磁球增强弹性体的软体夹持器具有智能、简单、易操作，夹持效率高等优点，在工业领域、仿生科学领域以及医疗科学领域等多个领域都具有重要的应用价值，结构简单，可大批量生产，同时应用范围广泛。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围，在不脱离本发明构思的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于磁球增强弹性体的软体机器人夹持器，其特征在于：包括基座（2）、夹持手指（4）和固定翼（1）；
所述基座（2）为环形，所述基座（2）外侧一圈还设有至少3个用于安装夹持手指（4）的连接臂（8），所述夹持手指（4）固定在所述连接臂（8）下方，所述夹持手指（4）包括作为夹持面的内侧（42）和对应的外侧（41），所述外侧（41）固定有多个磁球（6），每个磁球（6）之间均设有凸台（5）；
所述夹持手指（4）为软性材质的条状结构，所述夹持手指（4）自一端向另一端设有贯通的第一线孔（12），所述夹持手指（4）的内侧（42）设有多个第一线槽（7），所述连接臂（8）上设有第二线槽（16），所述基座（2）的内侧壁上开设有多个第二线孔（13），所述夹持手指（4）整体结构由磁球和硅胶一体化浇筑成型；
所述固定翼（1）设置于所述基座（2）的上方中部位置，所述固定翼呈十字形，所述固定翼的四个的端部均设有第三线孔（18）；
所述基座（2）外侧一圈设有至少3个用于安装霍尔传感器的传感器卡槽（3），所述传感器卡槽（3）与所述连接臂（8）相互交错的间隔设置在所述基座（2）外侧，所述霍尔传感器与所述传感器卡槽（3）采用X、Y、Z正交配置的安装方式。
2.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：还包括尼龙线，所述尼龙线的一端通过所述第三线孔（18）缠绕固定，分别穿过所述第二线孔（13）、第二线槽（16），从第一线孔（12）的一端穿入所述夹持手指（4）内，再一一交错的穿过每个所述第一线槽（7）从第一线孔（12）的下端固定在指尖位置。
3.根据权利要求2所述的夹持器，其特征在于：所述基座（2）的内侧设有基台（15），所述基台（15）上固定有舵机（9），所述舵机（9）连接尼龙绳。
4.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：所述基座（2）的内侧壁上开设有多个支架孔（14），通过所述支架孔（14）将所述基座（2）固定在机械臂上。
5.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：所述第一线槽（7）与所述磁球数量相同，每个所述第一线槽（7）分别对应每个磁球（6）设置在磁球靠下的内侧位置。
6.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：每个连接臂（8）下端设有手指卡槽（17），所述夹持手指（4）的顶端设有连接凸台（10），所述夹持手指（4）顶端的连接凸台（10）通过所述手指卡槽（17）与所述凸台配合。
7.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：所述磁球（6）为由钕铁硼材质制备且具有磁性的巴克球，所述夹持手指（4）由材质为903号RTV-2制模硅橡胶制备。
8.根据权利要求1所述的夹持器，其特征在于：所述夹持手指（4）上的每个磁球（6）等间距设置，所述夹持手指的下端指尖两侧对称截取45°角的两边角。
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