CN109807924A - 一种自适应可变刚度软体手抓 - Google Patents

Abstract

本专利公开了自适应可变刚度的软体手抓结构，包括固定卡盘和多个执行部件。固定卡盘包含用于布置执行部件的环形腔室和放置颗粒的中间腔室；中间腔室上端留有一个中间通气孔，内部布满颗粒状物品，下腔壁由柔性软材料制成。执行部件包括弯曲单元和刚度调节单元，弯曲单元是呈半圆柱状的柔性中空结构，内外两侧材料硬度不同，上方留有一个弯度通气孔，外围按一定角度缠绕的不可拉伸纤维。刚度调节单元上端是一个呈半圆柱状柔性中空结构，上方留有一个刚度通气孔，下端是一个半球体的腔室，两个空腔连通，内部布满颗粒状物品。执行部件通过中空弯度通气螺钉和固定通气螺钉与固定卡盘连接。本专利可实现手抓刚、柔的转换，提高软体手抓夹紧力。

Description

一种自适应可变刚度软体手抓

技术领域

本专利属于软体机器人技术领域，具体而言涉及能够“刚”、“柔”转换的可变刚度软体手抓。

背景技术

随着机器人技术不断向高速度、高精度和轻量化发展, 以及打印技术和新型软材料的不断成熟，人们对软体机器人进行了广泛的研究。软体机器人由柔韧性材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，在医疗服务、勘探勘测、救灾救援等领域都有着广阔的应用前景。

最近几年，研究人员主要将软体机器人技术应用到人机交互、医疗康复以及手抓中，取得了较为显著的成果。2013 年，柏林工业大学 Raphael Deimel等人利用硅橡胶和聚合物纤维研制了一款气体驱动的船型柔性手，手指采用船型通腔结构，外面用纤维缠绕，通过在一侧加入被动层限制而一侧拉伸实现弯曲。柔性手加入了拇指和手掌对弯自由度，手掌由两片弯曲单元构成，从而可以和拇指实现指尖对指尖的接触。该柔性手安全简单，易于制造，可以实现 31 到 33 种抓取姿态，可以抓取 500g 左右的物体。

2014 年上海交通大学的邓韬等研制了面向心脏微创手术的软体机器臂。该软体机械臂模仿象鼻结构，采用柔软医用硅胶材料，通过绳线驱动特定的部位，实现软体趋向目标并且避开障碍物的目的。

软体机器人是机器人技术研究的全新方向，它弥补了传统机器人在某些功能上的缺陷，在很多方面都有其用武之地，未来发展的前景也很好。

但是，在仿人手软体手抓方面，现有技术仍然难以满足需要。

专利内容

本专利的目的是提供一种能够实现 “刚”、“柔”的转换，可提高手抓的夹紧力，有效的抓取物品的自适应可变刚度软体手抓。

本发明所述的自适应可变刚度软体手抓，包括固定卡盘和多个执行部件，固定卡盘的中部具有一个中间腔室，所述中间腔室的上腔壁留有一个中间通气孔，下腔壁由软材料制成，内部放置颗粒状物品；在中间腔室的周边设置有多个执行部件，每个执行部件由弯曲单元和刚度调节单元构成；所述刚度调节单元是一个中空结构，上端是一个呈半圆柱状的柔性中空结构，下端是一个半球体的腔室，且两端连通，内置颗粒状物品，上端上方留有一个刚度通气孔；所述弯曲单元是一个半圆柱状柔性中空结构，上端留有一个弯度通气孔，外侧包围着按一定角度缠绕的不可拉伸纤维；弯曲单元中的弧形部分的材料硬度小于平面部分的材料硬度；弯曲单元中的平面部分与刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的平面部分固定相连；以固定卡盘的中部为中心，沿着径向方向，刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构在弯曲单元的外侧。

上述的自适应可变刚度软体手抓，下腔壁由橡胶或硅胶材料制成。

上述的自适应可变刚度软体手抓，在固定卡盘上位于中间腔室的外周是环形腔室，各执行部件的上部伸入环形腔室。

上述的自适应可变刚度软体手抓，在固定卡盘上设置中空的、分别与中间通气孔、刚度通气孔、弯度通气孔相通的中间通气螺钉、刚度通气螺钉、弯度通气螺钉；刚度通气螺钉、弯度通气螺钉把执行部件与固定卡盘固定相连。

上述的自适应可变刚度软体手抓，颗粒状物品直径小于2mm。

本专利的有益效果：

中间腔室的中间通气孔不抽气时，中间腔室的下腔壁处于自由状态。当与操作对象接触后，中间腔室内的颗粒通过下腔壁间接与操作对象接触，自动保持最大接触面积。此时通过中间通气孔给所述中间腔室抽气时，其内的颗粒间的空隙被压缩，摩擦力增大，整个下腔壁呈现较硬的状态，紧紧吸附操作对象；当停止给中间腔室2抽气时，下腔壁恢复原状。

由于弯曲单元中的弧形部分的材料硬度小于平面部分的材料硬度；当通过弯度通气孔给所述弯曲单元充气时，内部压强增大，由于材料的柔韧性和四周纤维的制约，所述弯曲单元会向较硬侧弯曲；当停止给所述弯曲单元充气时，所述弯曲单元将恢复原状。

当通过刚度通气孔给所述刚度调节单元抽气时，刚度调节单元内的颗粒间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，所述刚度调节单元呈现较硬的状态，并且紧紧吸附操作对象；当停止给其抽气时，所述刚度调节单元恢复原状，呈现较软的状态。

具体使用时，通过中间腔室、执行部件（弯曲单元和刚度调节单元）的协同合作来完成对物体的夹持。当所述软体手抓尚未与操作对象完全接触时，各通气孔（包括中间通气孔、刚度通气孔、弯度通气孔）处于自然状态，既不抽气也不充气；当所述软体手抓与操作对象完全接触时，对弯度通气孔充气，所述弯曲单元在径向方向向内侧弯曲（即向固定卡盘的中心方向弯曲），由于材料的柔韧性，所述中间腔室的下腔壁和所述刚度调节单元会自动适应操作对象的形状和大小，下腔壁和执行部件与操作对象完方位接触，增大了手抓与物体的接触面积，再通过中间通气孔对中间腔室抽气，通过刚度通气孔对刚度调节单元抽气，中间腔室和固定调节单元内的颗粒间间隙变小，摩擦力增大，中间腔室下腔壁和刚度调节单元的刚度增大，软体手抓的夹紧力增大，紧紧吸附操作对象，实现对物体的有效夹持。

而且，由于刚度调节单元的下端是一个半球体的腔室，在弯曲单元在径向方向向内侧弯曲时，该半球体的腔室也随之向内向上运动，收到半球体的外壁能够与操作对象接触；当固定调节单元抽气后，多个刚度调节的多个半球体能够保证对操作对象的可靠夹紧。

所述弯曲单元外侧包围为按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材），用以约束其向四周膨胀。所述不可拉伸纤维（线材）一般可选用凯夫拉线或钓鱼线，通过调节纤维角度的大小，可以实现形变部分伸长、弯曲、扭转等运动形式。缠绕在柔性软体弯曲单元外围的不可拉伸纤维组成的弯曲单元属于现有技术。

所述颗粒状物品直径范围小于2mm，可选择大米、咖啡豆等。

附图说明

图1是软体手抓的立体图；

图2是固定卡盘等立体图；

图3是固定卡盘等的立体图；

图4是弯曲单元立体图；

图5是刚度调节单元立体图；

图6是刚度调节单元剖视图；

图7是执行部件立体图；

图8是固定卡盘等剖视图；

图9是软体手抓的剖视图；

图10是软体手抓控制流程图。

图中，固定卡盘1，环形腔室11，中间腔室12，下腔壁121；

执行部件2，弯曲单元21，弯曲单元的弧形部分211，弯曲单元的平面部分212；

刚度调节单元22，刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的弧形部分221，刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的平面部分222，半球体腔室223；

弯度通气螺钉31、刚度通气螺钉32，中间通气螺钉4，第一颗粒状物品5，第二颗粒状物品6。

具体实施方案

下面结合附图对本专利做进一步说明。

参照图1、图9所示自适应可变刚度软体手抓，主要由固定卡盘1和4个对称的执行部件2组成。所述固定卡盘由两个腔室组成，分别为环形腔室11和中间腔室12。所述环形腔室11是一个环形中空结构，在其上端面对称分布若干个孔，内部用于放置分别与气管相通的中空弯度通气螺钉31、中空刚度通气螺钉32。

参见图2、3、8、9，所述中间腔室12是一个封闭软材质腔体，侧壁为所述环形腔室11的内环外壁，其上腔壁留有一个安装中空中间通气螺钉4的中间通气孔，下腔壁121由软材料，如橡胶、硅胶等材料制成，内部放置第一颗粒状物品5。中间通气螺钉4与外部的气管相通。当中间腔室12的下腔壁与操作对象接触后，中间腔室12内的颗粒通过下腔壁与操作对象接触，自动保持最大接触面积。此时当通过中间通气螺钉4对所述中间腔室12抽气时，颗粒间的空隙被压缩，摩擦力增大，整个下腔壁呈现较硬的状态，紧紧吸附操作对象；当停止给中间腔室2抽气时，下腔壁恢复原状。

每个执行部件2由弯曲单元21和刚度调节单元22构成。

参见图4-7，所述弯曲单元21是一个半圆柱状中空结构，由柔性硅胶材料制成，其靠近固定卡盘中心的内侧弧形部分211材料的硬度大于外侧的平面部分212材料的硬度，上端留有一个弯度通气孔，外侧包围着两组按一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材）。当给所述弯曲单元充气时，内部压强增大，由于材料的柔韧性和四周纤维的制约，所述弯曲单元会向较硬侧弯曲；当停止给所述弯曲单元充气时，所述弯曲单元将恢复原状。

所述刚度调节单元22是一个中空结构，上端是一个呈半圆状的柔性中空结构，上方留有一个刚度通气孔，下端是一个半球体腔室223，且两端连通，内置第二颗粒状物品6。刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的平面部分222与弯曲单元中的平面部分212通过胶水固定相连。刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的弧形部分221与弯曲单元中的弧形部分211基本组成一个圆柱形。

当给所述刚度调节单元抽气时，刚度调节单元内颗粒间的空隙被压缩，接触面积增大，摩擦力增大，所述刚度调节单元呈现较硬的状态，紧紧吸附操作对象；当停止给其抽气时，所述刚度调节单元恢复原状，呈现较软的状态。

以固定卡盘的中部为中心，沿着径向方向，刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构在弯曲单元的外侧（弯曲单元更靠近固定卡盘的中部）。

弯度通气螺钉31、刚度通气螺钉32分别穿过弯度通气孔、刚度通气孔及环形腔室上端面上的孔，把执行部件与固定卡盘的环形腔室固定相连。

所述中间腔室2、所述弯曲单元21和所述刚度调节单元22的协同合作来完成对物体的夹持。当所述软体手抓尚未与操作对象完全接触时，中间通气螺钉4、弯度通气螺钉31、刚度通气螺钉32处于自然状态，既不抽气也不充气；当所述软体手抓与操作对象完全接触时，通过各弯度通气螺钉31对各弯曲单元充气，所述弯曲单元向内侧弯曲，由于材料的柔韧性，所述中间腔室2的下腔壁和所述刚度调节单元会自动适应操作对象的形状和大小，与操作对象接触，增大了手抓与物体的接触面积，再通过中间通气螺钉4对中间腔室12抽气，通过各刚度通气螺钉32对各刚度调节单元抽气，颗粒间间隙变小，摩擦力增大，所述中间腔室2下腔壁和所述刚度调节单元的刚度增大，软体手抓的夹紧力增大，实现对物体的有效夹持。

所述软体手抓控制流程图10。通过单片机控制各电磁阀开关，实现与中间通气螺钉4、弯度通气螺钉31、刚度通气螺钉32相通的气管抽气，控制软体手抓的动作，其属于现有技术，不再详述。

本专利公开的自适应可变刚度的软体手抓结构，主要包括固定卡盘和执行部件。其中固定卡盘包含两个腔室，分别为用于布置执行部件的环形腔室和放置颗粒的中间腔室，其中环形腔室含有若干通孔和执行部件装配孔；中间腔室的上端留有一个中间通气孔，内部布满颗粒状物品，且下腔壁由柔性软材料制成。每个执行部件包括弯曲单元和刚度调节单元，两个单元通过胶水粘连在一起。弯曲单元是一个呈半圆柱状的柔性中空结构，内外两侧材料硬度不同，上方留有一个弯度通气孔，外围着两组按一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材），用以约束其向四周膨胀。刚度调节单元的上端是一个呈半圆状的柔性中空结构，上方留有一个刚度通气孔，下端是一个半球体的腔室，两个空腔连通，内部布满颗粒状物品。执行部件通过中空弯度通气螺钉和固定通气螺钉与固定卡盘连接。本专利可实现手抓“刚”、“柔”的转换，可提高软体手抓的夹紧力，有效的抓取物品。

Claims (5)

1.一种自适应可变刚度软体手抓，包括固定卡盘和多个执行部件，其特征是：固定卡盘的中部具有一个中间腔室，所述中间腔室的上腔壁留有一个中间通气孔，下腔壁由软材料制成，内部放置颗粒状物品；在中间腔室的周边设置有多个执行部件，每个执行部件由弯曲单元和刚度调节单元构成；所述刚度调节单元是一个中空结构，上端是一个呈半圆柱状的柔性中空结构，下端是一个半球体的腔室，且两端连通，内置颗粒状物品，上端上方留有一个刚度通气孔；所述弯曲单元是一个半圆柱状柔性中空结构，上端留有一个弯度通气孔，外侧包围着按一定角度缠绕的不可拉伸纤维；弯曲单元中的弧形部分的材料硬度小于平面部分的材料硬度；弯曲单元中的平面部分与刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构的平面部分固定相连；以固定卡盘的中部为中心，沿着径向方向，刚度调节单元中半圆柱状柔性中空结构在弯曲单元的外侧。

2.如权利要求1所述的自适应可变刚度软体手抓，其特征是：下腔壁由橡胶或硅胶材料制成。

3.如权利要求1所述的自适应可变刚度软体手抓，其特征是：在固定卡盘上位于中间腔室的外周是环形腔室，各执行部件的上部伸入环形腔室。

4.如权利要求3所述的自适应可变刚度软体手抓，其特征是：在固定卡盘上设置中空的、分别与中间通气孔、刚度通气孔、弯度通气孔相通的中间通气螺钉、刚度通气螺钉、弯度通气螺钉；刚度通气螺钉、弯度通气螺钉把执行部件与固定卡盘固定相连。

5.如权利要求1所述的自适应可变刚度软体手抓，其特征是：颗粒状物品直径小于2mm。