CN113427503B - 一种波纹气动软体驱动器及软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波纹气动软体驱动器及软体机械手，波纹气动软体驱动器包括波纹结构、根基结构、末端结构和气管，根基结构与末端结构均为斜截圆柱，与波纹结构内部形状贴合，形成封闭气腔，根基结构轴心处有一通孔，供气管通入；波纹结构为对称波纹结构，同时能够为螺旋波纹结构，软体机械手包括对称波纹结构、螺旋波纹结构、根基支架、定位支架、末端支架、气管、半开放式手套。本发明通过改变驱动器截面惯性矩，实现驱动器的自主双向弯曲变形和扭转耦合变形，无需任何限制层约束，能够很好地适应不同的操作需求，基于驱动器设计的软体机械手具有安全、轻便的特点，可实现多自由度的运动。

Description

一种波纹气动软体驱动器及软体机械手

技术领域

本发明属于机械结构设计、机器人末端执行器技术及软体机器人技术领域，涉及一种波纹气动软体驱动器及软体机械手。

背景技术

作为机器人末端执行器，机械手广泛应用于工业、食品加工、农作物采摘、航空航天等领域。目前的传统刚性机械手通常采用电机（电磁）或液（气）压缸驱动，需要依靠多种传感器反馈与精密控制保证作业的安全性，刚性机械传动部件执行各种操作，存在实现的技术难度大、控制繁琐、适应性差、动作灵活性差、空间尺寸大、交互安全性低等问题，不能满足脆弱目标的抓取需求。而软体手通常由柔软的材料制作而成，或由柔性驱动器代替电机等驱动，相较于刚性机械手，具有更好的安全性和适应性。其中，气动柔性手指通常由硅橡胶等柔软的材料制造而成，由压缩气体驱动，使驱动器内腔膨胀，由于驱动两侧变形的差异而产生弯曲变形，通过多个驱动器的组合可实现多自由度的运动，完成各种动作。

通过分析现有流体压力驱动软体驱动器的工作原理发现，目前驱动器的设计结构具有一定局限性，许多学者通过优化结构可以增强其弯曲性能，但输出力量却没有增加。另外，目前的气动软体驱动器，大部分需要增加限制一侧变形的装置才能实现挠曲运动，制造工艺复杂，难以一体成型，不能很好地适应不同的操作需求；另外，在气压作用下，输出变形不协调，容易造成失稳现象；同时，驱动器的上下结构通常对称，在施加相同的气压作用时，由于限制层的作用，导致驱动器上下的变形程度不同，会造成内部应力分布不均，使用寿命降低等问题，同时输出的弯曲变形效率低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种波纹气动软体驱动器及软体机械手，通过改变驱动器截面惯性矩，实现驱动器的自主双向弯曲变形和扭转耦合变形，无需任何限制层约束，能够很好地适应不同的操作需求，基于驱动器设计的机械手具有安全、轻便的特点，可实现多自由度的运动，设计简单。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种波纹气动软体驱动器，包括：波纹结构、根基结构、末端结构和气管。

根基结构与末端结构均为斜截圆柱，与波纹结构内部形状贴合，形成封闭气腔，根基结构轴心处有一通孔，供气管通入。

本发明的进一步改进在于：

波纹结构为对称波纹结构，对称波纹结构一侧波纹间距与波纹高度大于另一侧波纹；在输入正向驱动气压作用下，一侧波纹伸长变形大于另一侧波纹，使波纹气动软体驱动器向下侧弯曲；在输入负向驱动气压作用下，一侧波纹缩短变形大于另一侧波纹波纹，使波纹气动软体驱动器向上侧弯曲。

波纹结构为螺旋波纹结构，螺旋波纹结构一侧波纹间距与波纹高度大于另一侧波纹；在输入正向驱动气压作用下，一侧波纹伸长变形大于另一侧波纹，使波纹气动软体驱动器向下侧弯曲，波纹的轴心沿驱动器螺旋布置，使驱动器在弯曲的同时实现扭转运动。

一种软体机械手，包括：对称波纹结构、螺旋波纹结构、根基支架、定位支架、末端支架、气管和半开放式手套。

三个对称波纹结构组成一个食指、中指、无名指与小指的气动柔性康复手指，通过根基支架、两个定位支架、末端支架与半开放式手套固定连接；根基支架固定在半开放式手套的手背部位，两个定位支架分别固定在半开放式手套的近指骨和中指骨处，末端支架固定在半开放式手套的远指骨处；

一个螺旋波纹结构与一个对称波纹结构组成一个拇指的气动柔性康复手指，通过根基支架、定位支架、末端支架与半开放式手套固定连接；根基支架固定在半开放式手套的拇指掌骨部位，定位支架固定在半开放式手套的拇指近指骨处，末端支架固定在半开放式手套的拇指远指骨处。

半开放式手套包括半开放式手套本体、手套手腕处固定柔性带、手套手掌处固定柔性带以及手套手指节处固定柔性带，通过固定柔性带将人手与软体机械手进行固定。

根基支架包括气管定位通孔、支撑柱以及手背定位开口槽。

气管通过气管定位通孔与对称波纹结构相连；通过支撑柱使对称波纹结构与半开放式手套本体之间留有缝隙；手背定位开口槽底面设计成弧形以适应手背形状。

定位支架包括气管定位开口槽、支撑柱以及手指节定位开口槽。

气管通过气管定位开口槽固定，两端与对称波纹结构相连；通过支撑柱使对称波纹结构与半开放式手套本体之间留有缝隙；手指节定位开口槽底面设计成弧形以适应手背形状。

末端支架包括末端密封塞、支撑柱以及指尖定位开口槽。

末端密封塞与对称波纹结构靠近指尖一端密封连接；通过支撑柱使波纹结构与半开放式手套本体之间留有缝隙；指尖定位开口槽截面为扇形，半径与半开放式手套本体上对应的手指部分的半径相同。

对称波纹结构和气管依次连接形成气腔，首节对称波纹结构的首端通过气管连接气路驱动控制***；末节对称波纹结构的末端通过末端密封塞密封；相邻的对称波纹结构之间通过气管密封连接。

螺旋波纹结构、对称波纹结构和气管依次连接形成气腔，螺旋波纹结构的首端通过气管连接气路驱动控制***；对称波纹结构的末端通过末端密封塞密封；螺旋波纹结构与对称波纹结构之间通过气管密封连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对气动软体驱动器设置成波纹结构，采用两侧波纹间距、波峰高度的非均匀布置，改变了截面惯性矩，提升了气动驱动器的弯曲能力，使驱动器在没有限制层约束的情况下，在输入气压时能实现自主弯曲，且输出能力得到了提高。

本发明通过将波纹设置为螺旋状，且两侧螺旋半径、波纹高度、波纹间距以及螺旋方向的差异性布置使驱动器在实现弯曲变形的同时具有扭转变形，能适用于特殊应用场景。

本发明给出了自定义气动波纹驱动器结构参数，通过设置不同的波纹数与波纹高度等参数，能具有不同的输出特性，可满足多种设计要求。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的一实施方式中对称波纹气动弯曲软体驱动器装配图；

图2为本发明的一实施方式中对称波纹气动弯曲软体驱动器装配结构图；

图3为本发明的一实施方式中对称波纹结构轴测图；

图4为本发明的一实施方式中对称波纹结构侧视图；

图5为本发明的一实施方式中对称波纹结构参数图与剖视图；

图6为本发明的一实施方式中对称波纹结构波纹轴心轨迹的轴线位置参数方程图；

图7为本发明的一实施方式中对称波纹结构波纹轴心轨迹示意图；

图8为本发明的一实施方式中对称波纹气动弯曲软体驱动器在正压下变形效果图；

图9为本发明的一实施方式中对称波纹气动弯曲软体驱动器在负压下变形效果图；

图10为本发明的一实施方式中螺旋波纹气动弯扭软体驱动器装配图；

图11为本发明的一实施方式中螺旋波纹气动弯扭软体驱动器装配结构图；

图12为本发明的一实施方式中螺旋波纹结构轴测图；

图13为本发明的一实施方式中螺旋波纹结构侧视图；

图14为本发明的一实施方式中螺旋波纹轴心轨迹的轴线位置参数方程图；

图15为本发明的一实施方式中螺旋波纹结构波纹轴心轨迹示意图；

图16为本发明的一实施方式中螺旋波纹气动弯扭软体驱动器在正压下变形效果图；

图17为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手轴测图；

图18为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手左视图；

图19为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手中食指气动软体康复关节的结构示意图；

图20为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手中根基支架结构示意图；

图21为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手中定位支架结构示意图；

图22为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手中末端支架结构示意图；

图23为本发明的一实施方式中波纹气动软体康复手中拇指气动软体康复关节的结构示意图；

图24为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手装配图；

图25为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中柔性手掌结构图；

图26为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中柔性手掌结构剖视图；

图27为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手无柔性手掌外部装配图；

图28为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手无柔性手掌外部装配图（掌侧轴测图）；

图29为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中柔性多关节中指装配图；

图30为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中柔性多关节中指结构图；

图31为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中柔性多关节中指结构剖视图；

图32为本发明的一实施方式中气动柔性多关节灵巧手中指骨段结构示意图。

其中：11-对称波纹结构，12-根基结构，13-末端结构，14-气管，21-螺旋波纹结构，3-根基支架，31-气管定位通孔，32-支撑柱，33-手背定位开口槽，4-定位支架，41-气管定位开口槽，42-支撑柱，43-手指节定位开口槽，5-末端支架，51-末端密封塞，52-支撑柱，53-指尖定位开口槽，6-气管，71-半开放式手套本体，72-手套手腕处固定柔性带，73-手套手掌处固定柔性带，74-手套手指节处固定柔性带，8-气动柔性多关节手指，81-柔性手指关节，811-柔性基关节，812-柔性近关节，813-柔性远关节，82-柔性手指指骨段，821-近指骨段，822-中指骨段，823-远指骨段，83-柔性拇指关节，831-柔性腕掌关节，832-柔性基关节，833-柔性指间关节，84-柔性拇指指骨段，841-掌骨段，842-近指骨段，843-远指骨段，9-柔性手掌，91-柔性手掌外部，92-柔性手掌内部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

参见图1和图2，本发明对称波纹气动弯曲软体驱动器，包括对称波纹结构11、根基结构12、末端结构13、气管14；对称波纹结构11采用具有良好伸缩和耐压性能的硅橡胶或软胶材料制作而成；根基结构12和末端结构13均采用硬度和韧性好的材料如光敏树脂制作而成。

参见图3、图4和图5，对称波纹结构11总长度为，主体为外径/>内径/>的圆柱体，波纹沿驱动器轴线方向对称布置，上侧波纹与下侧波纹非对称布置，/>为上侧波纹间距，/>为下侧波纹间距，上侧波纹间距/>大于下侧波纹间距/>，上侧波纹高度/>大于下侧波纹高度/>，上侧波纹壁厚为/>，下侧波纹壁厚为/>。

波纹轴心轨迹的轴线位置参数方程如下式所示

其中

其中为波纹数，/>，/>，当/>为5，/>为5，/>为3时，对称波纹结构11的轨迹的轴线位置参数方程图如图6所示，波纹轴心轨迹如图7所示。

根基结构12和末端结构13形状大致相似，斜截圆柱与对称波纹结构11的两端内部形状近似，封堵部分的直径与对称波纹结构11的内径一致，形成一空腔，连接处使用硅橡胶密封胶密封；根基结构12轴心处有一通孔，供气管14安装，直径与气管14的直径一致。

本发明的优选例，作进一步说明。

基于上述基础实施例，对称波纹结构11的一侧壁厚大于另一侧壁厚/>，减小一侧波纹外侧的应力集中，提高驱动器的承载能力。

基于上述基础实施例，对称波纹结构11的波谷处可设置限制径向变形的纤维约束或刚性约束，从而提高驱动器的输出能力。

本发明的工作原理如下：

输入气体从气管14，通过根基结构12，进入对称波纹气动弯曲驱动器空腔内部，在正向气压的驱动下，一侧波纹的伸长变形大于另一侧波纹，因此整体驱动器向下侧弯曲，如图8所示；在负向气压的驱动下，上侧波纹的收缩变形大于下侧波纹，因此整体驱动器向上侧弯曲，如图9所示。

本发明通过上下侧间距与形状非对称波纹的布置，改变了驱动器截面惯性矩，在输入正反向气压下可实现驱动器的自主双向弯曲变形，无需任何限制层约束，输出的弯矩大，减小了非均匀变形、局部应力、额外变形等。

实施例二

参见图10和图11，本发明螺旋波纹气动弯扭驱动器，包括螺旋波纹结构21、根基结构12、末端结构13、气管14；螺旋波纹结构21采用具有良好伸缩和耐压性能的硅橡胶或软胶材料制作而成；根基结构12和末端结构13均采用硬度和韧性好的材料如光敏树脂制作而成。

参见图12和图13，螺旋波纹结构21主体为圆柱体，波纹沿驱动器轴线方向螺旋布置，上侧波纹与下侧波纹的螺旋间距非对称布置，上侧波纹螺旋间距大于下侧波纹螺旋间距，上侧波纹高度大于下侧波纹高度；螺旋方向可以为左旋和右旋，可根据实际应用需求选择，其轨迹的轴线位置的参数方程实际上为一次线性函数与振幅衰减的余弦函数的乘积与另外一个一次线性函数之和，如下式所示

其中，为波纹数，/>为最大波纹间距，/>为最小波纹间距。当/>为5，/>为5，/>为3时，螺旋方向为右旋时，螺旋波纹结构21的轨迹的轴线位置参数方程图如图14所示，波纹轴心轨迹如图15所示。

根基结构12和末端结构13为斜截圆柱，封堵部分的直径与螺旋波纹结构21的内径一致，形成一空腔，连接处使用硅橡胶密封胶密封；根基结构12轴心处有一通孔，供气管安装，直径与气管14的直径一致。

本发明的优选例，作进一步说明：

基于上述基础实施例，螺旋波纹结构21的一侧壁厚大于另一侧壁厚，减小一侧波纹外侧的应力集中，提高驱动器的承载能力。

基于上述基础实施例，螺旋波纹结构21的波谷处可设置限制径向变形的纤维约束或刚性约束，从而提高驱动器的输出能力。

本发明的工作原理如下：

输入气体从气管14，通过根基结构12，进入螺旋波纹气动弯扭驱动器1空腔内部，在正向气压的驱动下，一侧波纹的伸长变形大于另一侧波纹，因此整体驱动器向另一侧弯曲，波纹轨迹的螺旋设置使驱动器向侧向扭转，如图16所示。

本发明通过上下侧间距与螺旋波纹的布置，改变了驱动器截面惯性矩，在输入正反向气压下可实现驱动器的自主双向弯曲扭转耦合变形，无需任何限制层约束，可应用于特殊场合。

实施例三

机械康复手在手部运动功能障碍症状的康复中发挥重要作用，提高了康复医疗服务质量。但现有的传统刚性康复设备存在安全性差、不能与手指完全贴合、易产生压迫疼痛、重量过大、康复训练单调、价格昂贵等诸多缺点，实际康复效果不佳。而软体康复手具有轻便、安全、高顺应性和便携等诸多优点，但是由于现有的软体康复手采用的气动软体驱动器大多利用硅橡胶等软材料制作驱动气腔，使用增压泵增压，同时限制其径向膨胀和轴向一侧伸长，使增压时轴向两侧伸长量不一致，从而正压驱动驱动器弯曲。使用单气腔驱动器时，只能辅助人手实现主动屈曲或主动伸展运动，输出力不足；使用双气腔结构或拉线和气压的混合驱动，虽然能够辅助人手同时实现主动伸屈运动，但是本体结构和控制***复杂度增加，气压驱动的单向力量却没有增加。同时，只有部分气动软体康复手考虑拇指的内收/外展运动。因此，需要设计一款软体康复手在不施加位移限制的情况下能实现自主弯曲，增加弯曲变形输出能力，提高康复训练效果，另外，改善康复手与患者手指的贴合度，增强舒适性。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图17和图18，本发明波纹气动软体康复手，包括对称波纹结构11、螺旋波纹结构21、根基支架3、定位支架4、末端支架5、气管6、半开放式手套；对称波纹结构11和螺旋波纹结构21采用具有良好伸缩和耐压性能的硅橡胶材料浇筑或软胶材料3D打印而成；根基支架3、定位支架4、末端支架5均采用硬度和韧性好的材料如光敏树脂3D打印而成；半开放式手套包括半开放式手套本体71、手套手腕处固定柔性带72、手套手掌处固定柔性带73、手套手指节处固定柔性带74，通过固定柔性带将人手与软体机械手进行固定。

参见图19，食指、中指、无名指以及小指的气动软体弯曲康复关节由三个对称波纹结构11通过气管6依次串联连接密封而成，气管6通过根基支架3以及定位支架4固定在手背和手指上，与半开放式手套本体71固定相连；靠近指尖的对称波纹结构11由末端支架5密封并固定在手指上，远离指尖的一端连接气管14，对称波纹结构11的内径与连接气管6的外径一致，形成气腔，密封处均用硅橡胶密封胶粘连；气管4初始端连接气动驱动控制***，通过气动驱动控制***向气腔内充气或抽气，通过各个对称波纹结构11带动半开放手套7手指部分进行弯曲动作。对称波纹结构11与手指弯曲关节耦合，波纹结构间的连接气管4与指节相对应，对称波纹结构11长度、连接气管4长度以及气动软体弯曲康复关节整体长度可根据指节长度、手指长度和康复需求自定义设计。

参见图20，根基支架3由气管定位通孔31、支撑柱32以及手背定位开口槽33组成；气管6通过气管定位通孔31与对称波纹结构11相连，气管定位通孔31的内径与气管6的外径一致，长度与支撑部分长度相适应，连接处用硅橡胶密封胶粘连；支撑柱32高度使对称波纹结构11被气管定位通孔31支撑时恰好不与半开放式手套本体71上表面接触；手背定位开口槽33底面有一定弧度以顺应手背形状和尺寸，固定在半开放式手套本体71的手背部位。

参见图21，定位支架4由气管定位开口槽41、支撑柱42以及手指节定位开口槽43组成；气管6通过气管定位开口槽41固定，两端与对称波纹结构11连接，气管定位开口槽41的内径与气管6的外径一致，长度与支撑部分长度相适应；支撑柱42高度使对称波纹结构11被气管定位开口槽41支撑时恰好不与半开放式手套本体71上表面接触；手指节定位开口槽43截面为扇形，其角度和半径与连接段指节尺寸相适应，固定在半开放式手套本体71的手指节背面部位。

参见图22，末端支架5由末端密封塞51、支撑柱52以及指尖定位开口槽53组成；末端密封塞51与对称波纹结构11靠近指尖一端形状相配合，内径一致，连接处用硅橡胶密封胶粘连；支撑柱52高度使对称波纹结构11被末端密封塞51支撑时恰好不与半开放式手套本体71上表面接触；指尖定位开口槽53截面为扇形，其角度和半径与指尖背面部位尺寸相适应，固定在半开放式手套本体71的手指尖背面部位。

参见图23，拇指的气动软体弯扭康复关节由一个螺旋波纹结构21与一个对称对称波纹结构11通过气管6串联形成；螺旋波纹结构21与拇指的掌骨关节和基关节的弯曲和扭转耦合运动相适应；对称波纹结构11与拇指远关节的弯曲运动相适应，波纹结构间的气管6与指节相对应，螺旋波纹结构21、对称波纹结构11长度、气管6长度以及气动软体弯扭康复关节整体长度可根据指节长度、手指长度和康复需求自定义设计。

半开放式手套本体71主要覆盖了手腕、手掌背部、手指背部和指尖指腹等部分，手掌和手指下方裸露在外；半开放式手套手腕处固定柔性带72、手套手掌处固定柔性带73以及手指节处的固定柔性带74通过缝纫方式连接；半开放式手套本体71使用柔软、透气、舒适的布料裁剪而成；手套手腕处固定柔性带72、手套手掌处固定柔性带73和手指节处的固定柔性带74使用魔术贴等材料制成，可调节长度与松紧程度，与不同使用者的手部贴合，舒适性佳。

本发明的工作原理如下：

在具体安装时，对称波纹结构11的波纹间距大的一侧朝手背上方方向，波纹间距小的一侧朝手背方向安装，两端固定在手背或指节段上；在正向驱动气压的作用下，对称波纹结构11的波纹间距大的一侧伸长变形大于波纹间距小的一侧，带动手指关节向下弯曲；在负向驱动气压的作用下，对称波纹结构11的波纹间距大的一侧收缩变形大于波纹间距小的一侧，带动手指关节伸展。

螺旋波纹结构21的波纹间距大的一侧朝大拇指掌骨外侧方向，波纹间距小的一侧朝大拇指掌骨内侧方向安装，两端分别固定在大拇指掌骨和近指骨上；在输入气压的作用下，螺旋波纹结构21向下侧弯曲的同时扭转，带动拇指弯扭运动。

本发明提供的新型软体康复手与刚性康复外骨骼相比具有安全、轻便的特点，均采用小型设备及元件，实现了小型化、轻型化、全过程控制，基于新型气动弯曲驱动器与气动弯扭驱动器的设计，具有成本低、便携性好、输出能力大、康复效果佳等优点。

实施例四

软体灵巧手本质是使用柔性材料制作的仿人手机械手，具有柔顺性、环境适应性、安全交互性等优势，在目前软体灵巧手的研究中，主要使用各种驱动源来驱动软体驱动器产生连续弯曲变形，这类软体手自由度有限，不能实现人类双手更加灵巧的操作，因此相较于刚性机械手，软体灵巧手能实现的动作有限。因此，需要设计一款软体手具有仿人手的灵活性和抓取能力，且不需要施加额外的限制层约束，便于制作。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图24，本发明提出的气动柔性多关节灵巧手，包括：气动柔性多关节手指8、柔性手掌9和气管6；其中所述气动柔性多关节手指8有五个，分别粘接在软体手掌9的固定位置。

参见图25和图26，其中所述柔性手掌9包括软体手掌外部91和软体手掌内部92，气动柔性多关节手指8固定在软体手掌内部92上，与气动柔性多关节手指8形成封闭的气腔，气管6从软体手掌内部92末端通入气动柔性多关节手指8的气腔内部；软体手掌外部91包裹着软体手掌内部92，同时限制气动柔性多关节手指8的柔性基关节811的运动，与人手的生理结构相似。

参见图27和图28，其中所述气动柔性多关节灵巧手的食指、中指、无名指和小指的气动柔性多关节手指8包括柔性手指关节81、柔性手指指骨段82两个部分，所述柔性手指关节81是三个不同尺寸的对称波纹结构11组成的三个指关节（柔性基关节811、柔性近关节812、柔性远关节813），整体长度和波纹数量从基关节到远关节依次减小。所述柔性手指指骨段82从手指根部到指尖依次为近指骨段821、中指骨段822和远指骨段823，所述近指骨段821和中指骨段822为上述新型气动弯曲软体驱动器的根基部分12连接而成，轴心处设有一个气道可供气管6或气体通过；所述远指骨段823为封闭结构，连接在远关节末端，代表手指的指尖部分。

其中所述气动柔性多关节灵巧手的大拇指包括柔性拇指关节83、柔性拇指指骨段84两个部分，所述柔性拇指关节83包括柔性腕掌关节831、柔性基关节832和柔性指间关节833，其中柔性腕掌关节831是螺旋波纹结构21，柔性基关节832和柔性指间关节833是两个不同尺寸的对称波纹结构11，柔性基关节832的整体长度和波纹数量大于柔性指间关节833的整体长度和波纹数量。所述柔性拇指指骨段84从手指根部到指尖依次为掌骨段841、近指骨段842和远指骨段843，参见图32，所述掌骨段841和近指骨段842与近指骨段821和中指骨段822形状相似，轴心处设有一个气道可供气管6或气体通过；所述远指骨段843为封闭结构，连接在指间关节末端，代表大拇指的指尖部分。

参见图29、图30和图31，对于柔性食指、中指、无名指和小指的具体的气动驱动方式为，每个气动柔性多关节手指8由两根气管6从手掌末端通过，连接到气动柔性多关节手指8内。一个气管6通往柔性基关节811内，另一个气管6从近指骨821的中间气道通过，气体通往柔性近关节812内，同时气体通过中指骨822的中间气道连通到柔性远关节813内，所述柔性近关节812和柔性远关节813气动软体驱动器共用一个气源，以单个气压输入实现两个指节模块的欠驱动，在减少驱动源的同时尽可能确保较高的抓取可靠性，保证在抓取目标物时保持生理学的抓取形态。

对于柔性大拇指的气动驱动方式为，由两根气管6从手掌末端通过，连接到气动柔性多关节手指8内。一个气管6通往柔性腕掌关节831内，另一个气管6从掌骨段841的中间气道通过，气体通往柔性基关节832内，同时气体通过近指骨段842的中间气道连通到柔性指间关节833内，所述柔性基关节832和柔性指间关节833气动软体驱动器共用一个气源，实现两个指节模块的驱动，减少控制复杂性。

可选地，远指骨段823和843上可粘上硬质材料如塑料片，作为仿人软体手的指甲，在某些特定环境和应用场景下适用。

可选地，所述气动柔性多关节手指8和柔性手掌9可由柔性材料制成，也可将软体手掌内部92和柔性手指指骨段82和柔性拇指指骨段84使用光敏树脂等硬的材料制作，一方面可以通过3D打印方法制造，另一方面可增强软体手的输出能力。

本发明实例提供的气动柔性多关节灵巧手采用软体材料制成，采用模块化的设计组合为一种多自由度软体灵巧手，结构简单、成本低廉、质量轻、顺应性好、安全性高、输出力量大，能够实现对操作对象的无损伤作业，此外柔性关节的设计，使得软体手在输入气压下能实现自主分段的连续弯曲变形，输出的变形与人手的运动变形相似，能完成现有连续变形的软体手无法完成的拟人手的灵活操作。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波纹气动软体驱动器，其特征在于，包括：波纹结构、根基结构（12）、末端结构（13）和气管（14）；

所述根基结构（12）与末端结构（13）均为斜截圆柱，与波纹结构内部形状贴合，形成封闭气腔，根基结构（12）轴心处有一通孔，供气管（14）通入；

所述波纹结构为对称波纹结构（11）或螺旋波纹结构（21），所述对称波纹结构（11）一侧波纹间距与波纹高度大于另一侧波纹；在输入正向驱动气压作用下，一侧波纹伸长变形大于另一侧波纹，使波纹气动软体驱动器向下侧弯曲；在输入负向驱动气压作用下，一侧波纹缩短变形大于另一侧波纹波纹，使波纹气动软体驱动器向上侧弯曲；

所述对称波纹结构（11）的主体为圆柱体，波纹沿驱动器轴线方向对称布置，上侧波纹与下侧波纹非对称布置，上侧波纹间距大于下侧波纹间距，上侧波纹高度大于下侧波纹高度，波纹轴心轨迹的轴线位置参数方程如下式所示：

其中：

其中，为上侧波纹间距，/>为下侧波纹间距，/>为波纹数，/>，/>；

所述螺旋波纹结构（21）一侧波纹间距与波纹高度大于另一侧波纹；在输入正向驱动气压作用下，一侧波纹伸长变形大于另一侧波纹，使波纹气动软体驱动器向下侧弯曲，波纹的轴心沿驱动器螺旋布置，使驱动器在弯曲的同时实现扭转运动；

所述螺旋波纹结构（21）主体为圆柱体，波纹沿驱动器轴线方向螺旋布置，上侧波纹与下侧波纹的螺旋间距非对称布置，上侧波纹螺旋间距大于下侧波纹螺旋间距，上侧波纹高度大于下侧波纹高度；螺旋方向为左旋和右旋，其轨迹的轴线位置的参数方程为一次线性函数与振幅衰减的余弦函数的乘积与另外一个一次线性函数之和，如下式所示：

其中，为波纹数，/>为上侧波纹间距，/>为下侧波纹间距。

2.一种具有权利要求1所述波纹气动软体驱动器的软体机械手，其特征在于，包括：对称波纹结构（11）、螺旋波纹结构（21）、根基支架（3）、定位支架（4）、末端支架（5）、气管（6）和半开放式手套；

三个所述对称波纹结构（11）组成一个食指、中指、无名指与小指的气动柔性康复手指，通过根基支架（3）、两个定位支架（4）、末端支架（5）与半开放式手套固定连接；根基支架（3）固定在半开放式手套的手背部位，两个定位支架（4）分别固定在半开放式手套的近指骨和中指骨处，末端支架（5）固定在半开放式手套的远指骨处；

所述一个螺旋波纹结构（21）与一个对称波纹结构（11）组成一个拇指的气动柔性康复手指，通过根基支架（3）、定位支架（4）、末端支架（5）与半开放式手套固定连接；根基支架（3）固定在半开放式手套的拇指掌骨部位，定位支架（4）固定在半开放式手套的拇指近指骨处，末端支架（5）固定在半开放式手套的拇指远指骨处。

3.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述半开放式手套包括半开放式手套本体（71）、手套手腕处固定柔性带（72）、手套手掌处固定柔性带（73）以及手套手指节处固定柔性带（74），通过固定柔性带将人手与软体机械手进行固定。

4.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述根基支架（3）包括气管定位通孔（31）、支撑柱（32）以及手背定位开口槽（33）；

气管（6）通过气管定位通孔（31）与对称波纹结构（11）相连；通过支撑柱（32）使对称波纹结构（11）与半开放式手套本体（71）之间留有缝隙；手背定位开口槽（33）底面设计成弧形以适应手背形状。

5.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述定位支架（4）包括气管定位开口槽（41）、支撑柱（42）以及手指节定位开口槽（43）；

气管（6）通过气管定位开口槽（41）固定，两端与对称波纹结构（11）相连；通过支撑柱（42）使对称波纹结构（11）与半开放式手套本体（71）之间留有缝隙；手指节定位开口槽（43）底面设计成弧形以适应手背形状。

6.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述末端支架（5）包括末端密封塞（51）、支撑柱（52）以及指尖定位开口槽（53）；

末端密封塞（51）与对称波纹结构（11）靠近指尖一端密封连接；通过支撑柱（52）使波纹结构与半开放式手套本体（71）之间留有缝隙；指尖定位开口槽（53）截面为扇形，半径与半开放式手套本体（71）上对应的手指部分的半径相同。

7.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述对称波纹结构（11）和气管（6）依次连接形成气腔，首节对称波纹结构（11）的首端通过气管（6）连接气路驱动控制***；末节对称波纹结构（11）的末端通过末端密封塞（51）密封；相邻的对称波纹结构（11）之间通过气管（6）密封连接。

8.根据权利要求2所述的软体机械手，其特征在于，所述螺旋波纹结构（21）、对称波纹结构（11）和气管（6）依次连接形成气腔，螺旋波纹结构（21）的首端通过气管（6）连接气路驱动控制***；对称波纹结构（11）的末端通过末端密封塞（51）密封；螺旋波纹结构（21）与对称波纹结构（11）之间通过气管（6）密封连接。