CN117901162A - 一种刚柔耦合抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合抓手，包括：支撑单元；连接于支撑单元的刚性抓手单元与柔性抓手单元，刚性抓手单元与柔性抓手单元并联连接，刚性抓手单元包括连接于支撑单元的扇形齿轮和连接于扇形齿轮且能在所述扇形齿轮的带动下活动的刚性抓手；电机驱动单元，连接于刚性抓手单元，包括电机和不完全齿轮，不完全齿轮包括有齿部分以及无齿部分，其中：电机连接于不完全齿轮，用于驱动不完全齿轮转动；扇形齿轮被设置为能与不完全齿轮的有齿部分进行啮合；气动驱动单元，连接于柔性抓手单元，用于驱动柔性抓手单元产生弯曲形变。

Description

一种刚柔耦合抓手

技术领域

本发明涉及机械抓手技术领域，具体涉及一种可切换刚柔模式的刚柔耦合抓手。

背景技术

随着机械自动化的迅速发展，当今市场上已存在各种不同类型的机械抓手，它们分别以刚性、柔性以及刚柔耦合的形式存在。这些抓手都在各自的应用领域发挥着重要的作用。刚性机械抓手以其稳定性和高效率在工业自动化中占据主导地位，而柔性抓手则凭借其良好的适应性和安全性在处理脆弱或易碎物品时展现出独特的优势。然而，尽管现有技术已经给我们带来了很多便利，但仍存在一些挑战需要解决。特别是对于刚柔耦合的抓手，尽管它们试图结合刚性抓手的稳定性和柔性抓手的适应性，但在模态切换速度上却表现得相当缓慢。这种速度上的限制可能导致在实际应用中错过最佳的抓取时机，或者在快速变化的场景中无法及时作出响应。目前已有采用双气动驱动刚性抓手和柔性抓手的刚柔耦合抓手方案，但这类方案仍然存在响应速度受限、输出力难以控制、容易受到气体泄漏的影响、能量效率较低等问题。

因此，市场上迫切需要一种新型的抓手，它不仅能继承刚性抓手的大范围抓取能力和柔性抓手的良好适应性，而且还能在模态切换的响应上实现更快的速度，以更好地应对各种复杂和多变的工作环境，提高整体的工作效率和抓取的准确性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种刚柔耦合抓手，解决现有的刚柔耦合抓手的刚性抓手单元难以精确控制，稳定性不好且抓取精度不高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：

一种刚柔耦合抓手，包括：支撑单元；连接于所述支撑单元的刚性抓手单元与柔性抓手单元，所述刚性抓手单元与所述柔性抓手单元并联连接，所述刚性抓手单元包括连接于所述支撑单元的扇形齿轮和连接于所述扇形齿轮且能在所述扇形齿轮的带动下活动的刚性抓手；电机驱动单元，连接于所述刚性抓手单元，包括电机和不完全齿轮，所述不完全齿轮包括有齿部分以及无齿部分，其中：所述电机连接于所述不完全齿轮，用于驱动所述不完全齿轮转动；所述扇形齿轮被设置为能与所述不完全齿轮的有齿部分进行啮合；气动驱动单元，连接于所述柔性抓手单元，用于驱动所述柔性抓手单元产生弯曲形变。

进一步地，所述柔性抓手单元包括至少两个柔性抓手，所述刚性抓手单元包括至少两组刚性抓手，每组刚性抓手包括两个所述刚性抓手，每组刚性抓手分别与一个柔性抓手并联连接，所述并联连接使得：所述刚性抓手在所述电机驱动单元的驱动下活动时，能带动所述柔性抓手产生弯曲形变；以及，所述柔性抓手在所述气动驱动单元的驱动下产生弯曲形变时，能带动所述刚性抓手活动。

进一步地，每组刚性抓手的两个刚性抓手位于与之并联连接的柔性抓手的两侧，并且每个刚性抓手的指根部分别连接一个所述扇形齿轮。

进一步地，所述电机为双轴电机，每组刚性抓手采用一个双轴电机驱动，每个双轴电机两侧分别设置一个所述不完全齿轮，所述双轴电机分别通过两侧的键连接所在侧的所述不完全齿轮。

进一步地，所述不完全齿轮的有齿部分与无齿部分的圆周占比的比例为15:12~19:12。

进一步地，所述扇形齿轮的扇形圆心角为60~80°。

进一步地，所述电机能驱动所述刚性抓手产生5~58°的角度变化。

进一步地，所述柔性抓手单元的柔性抓手包括柔性手指内层、纤维、柔性手指表层和应变限制层；所述柔性手指内层具有与所述气动驱动单元的气泵连接的可充气中空结构，通过向所述柔性手指内层充气使其发生膨胀变形；所述纤维缠绕在所述柔性手指内层的外围，用于限制所述柔性手指内层发生横向膨胀；所述柔性手指表层套设在所述柔性手指内层的外部，能在所述柔性手指内层的带动下沿长度方向伸长；所述应变限制层与所述柔性手指内层连接，并且其形变小于所述柔性手指内层的形变使得充气时所述柔性手指内层和所述柔性手指表层向所述应变限制层所在侧发生弯曲，以实现所述柔性抓手单元的弯曲形变。

进一步地，所述刚性抓手包括指尖板、第一支杆、第一连杆、中间板、第二支杆以及第二连杆；所述指尖板具有指尖端以及位于所述指尖端相对侧的第一连接部和第二连接部，所述中间板具有第三连接部、第四连接部和第五连接部；所述第一支杆的第一端活动连接于所述第一连接部，所述第一连杆的第一端活动连接于所述第二连接部，所述第一支杆的第二端活动连接于所述第三连接部，所述第一连杆的第二端活动连接于所述第四连接部，所述第二支杆的第一端活动连接于所述第三连接部，所述第二连杆的第一端活动连接于所述第五连接部，所述第二支杆的第二端活动连接于所述扇形齿轮，所述第二连杆的第二端活动连接于所述扇形齿轮；所述指尖板的一边、所述第一支杆和所述第二支杆均与所述柔性抓手的所述应变限制层连接，并且与所述应变限制层的底面位于同一平面内，以实现所述并联连接。

进一步地，所述扇形齿轮的圆心角处延伸形成有一尾部，所述尾部设有第一安装孔，用于安装所述第二连杆的第二端；所述扇形齿轮的圆心处设有第二安装孔，用于安装所述第二支杆的第二端；同时所述扇形齿轮通过所述第二安装孔安装至所述支撑单元。

本发明技术方案的有益效果体现在：本发明利用电机作为刚性抓手单元的驱动源，通过不完全齿轮与扇形齿轮的配合，一方面解决了由于充气量和进气速度难以精确控制导致气动驱动的刚性抓手运动精度不高的问题，采用电机驱动齿轮啮合的方式，能够实现对旋转角度的精确控制，提高了刚性抓手的抓取精度，使刚柔耦合抓手能实现大重量、高精度抓取。另一方面，电机驱动不完全齿轮来与扇形齿轮啮合/非啮合，在啮合状态下可以直接通过电机驱动刚性抓手，实施高稳定性、大重量、高精度抓取；在啮合但电机停止工作状态，或者在非啮合状态下即便电机仍在运转也只是空转，并不会驱动刚性抓手活动，此种情况下可以采用气动驱动柔性抓手，实施对于脆弱、易碎物的高适应性和高安全性抓取；在需要切换到刚性为主抓取时，电机驱动的响应速度比气动驱动的响应速度要快，因此本发明的刚柔耦合抓手在模态切换的响应速度方面得以提升。再者，现有技术刚性抓手采用气动驱动的方式下，充气量和进气速度难以精确控制，甚至需要额外配置气压控制器，而本发明减少了一个气动驱动单元，不需要两个气泵进行进气、充气的交叉切换，结构和控制上更简化了。最后，现有技术需通过增加气缸内的压强来提升刚性抓手夹持力，这对气缸的密封性提出了更高要求，而本发明可以通过电机的大扭矩驱动，显著提升刚性抓手的夹持力，因此本发明更易提高抓取重量的上限。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种刚柔耦合抓手的主视图。

图1A是图1所示刚柔耦合抓手的爆炸图。

图2是本发明实施例的刚柔耦合抓手中柔性抓手的示意图。

图3是本发明实施例的刚柔耦合抓手中刚性抓手的示意图。

图3A是图3所示刚性抓手的爆炸图。

图4是本发明实施例的刚柔耦合抓手抓取纸张的示意图。

图5是本发明实施例的刚柔耦合抓手抓取长方体的示意图。

图6是本发明实施例的刚柔耦合抓手抓取砝码的示意图。

图7是本发明实施例的刚柔耦合抓手中支撑单元的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

现有的双气动驱动的刚柔耦合抓手，气缸的驱动速度受到气体的流动速度和气缸的结构尺寸等因素的限制，通常比电机驱动的响应速度慢，对于需要快速响应的应用场景，如高速生产线或需要快速定位的机械臂，以及需要快速切换抓取模式的场景，显然是不适用的；其次，气缸输出的力受到气体压力和活塞面积的限制，不易实现精确控制，因此刚性抓手的运动精度难以控制，抓取精度不高；再者，气缸中的气体可能会发生泄漏，导致气压不足或不稳定，影响气缸的正常工作，对于抓取大重量的刚性抓手而言，严重降低其工作稳定性；最后，由于气缸驱动的大部分能量在压缩气体和克服摩擦力时被消耗，对于抓取大重量的刚性抓手而言，严重降低其能量效率。

综上，现有的刚性耦合抓手仍具有抓取精度较低、输出力能以精确控制导致的稳定性不好、能量效率较低，而且驱动响应速度受限、模式切换响应速度慢等问题。鉴于此，本发明实施例提出了一种新型的刚柔耦合抓手，通过改变刚性抓手的驱动方式，以及刚性抓手及其驱动单元之间的连接方式，来解决上述问题。本发明实施例提出的这种刚柔耦合抓手，它不仅能继承刚性抓手的大范围抓取能力和柔性抓手的良好适应性，而且还能精确控制刚性抓手的运动精度，提高刚性抓手的抓取精度，此外控制刚性抓手抓取大重量物体时更加稳定；再者，在模式切换时也能更快响应，能够更好地应对各种复杂和多变的工作环境，提高抓手整体的工作效率和抓取的准确性。

下面参考附图对本发明实施例提出的所述刚柔耦合抓手进行结构和工作原理的详细说明。应当理解的是，提供实施例的目的仅在于示意，而非对本发明刚柔耦合抓手的结构予以限制。此外，针对本说明书中采用的“上”、“下”、“左”、“右”等空间方位词，是便于描述所述刚柔耦合抓手的构成部件之间的相对位置关系，并不代表其仅有图中展示的摆向，在实际使用过程中，随着产品摆向的不同（例如旋转90度或其它方位），用以描述其摆向的空间相关叙述亦应通过类似的方式予以解释。此外，“第一”、“第二”等用词，仅用于区分部件，应理解的是该些部件不应被这类用词所限制，其本身并不意味该些部件具有前述的序数，也不代表某一部件与另一部件的排列顺序或是制造方法上的顺序。

请参考图1和图1A，本发明实施例的刚柔耦合抓手包括：支撑单元，连接于支撑单元的刚性抓手单元与柔性抓手单元，连接于刚性抓手单元的电机驱动单元，以及，连接于柔性抓手单元的气动驱动单元。刚性抓手单元与柔性抓手单元并联连接。刚性抓手单元包括连接于支撑单元的扇形齿轮7和连接于扇形齿轮7的刚性抓手。电机驱动单元包括电机13和不完全齿轮10，不完全齿轮10包括有齿部分以及无齿部分。其中，电机13连接于不完全齿轮10，用于驱动不完全齿轮10转动；扇形齿轮7被设置为能与不完全齿轮10的有齿部分进行啮合，这样一来，在扇形齿轮与有齿部分啮合时，扇形齿轮能够随不完全齿轮的转动而旋转从而带动刚性抓手活动，适于执行以刚性抓取为主的抓取动作。气动驱动单元用于驱动柔性抓手单元产生弯曲形变，进行高适应性、无损伤的柔性抓取。

在例如装配、搬运等需要高精度、高稳定性抓取的场景下，本发明实施例的刚柔耦合抓手通过电机驱动刚性抓手单元，实现精确的夹持和移动，电机驱动能够提供强大的动力和精确、稳定的控制，确保刚性抓手在执行此类任务时具有高度的稳定性、可靠性和精准性。在需要抓取形状不规则、尺寸变化的物体，如水果、蔬菜等的场景时，本发明实施例的刚柔耦合抓手通过气动驱动单元驱动柔性抓手单元，实现自适应的、无损伤的抓取。柔性抓手单元具有自适应抓取的特点，能够根据物体的形状和尺寸进行自动调整，提高抓取的适应性和成功率。本领域技术人员可以根据要抓取的物体的形状、尺寸、重量、材质等物品信息，确定要采用的抓取模式，然后通过控制系统控制本发明实施例的刚柔耦合抓手进行抓取，以及模式的切换。

应当理解的是，本发明实施例的刚柔耦合抓手也可以电机驱动刚性抓手和气动驱动柔性抓手同时进行，以充分发挥各自的优势，实现更为高效和稳定的抓取效果。但这种情况下，刚性抓手的活动方向与柔性抓手的活动方向应当一致。这种灵活的组合方式使得刚柔耦合抓手在应对各种复杂抓取任务时，具有出色的适应性和高效性。

此外，本发明实施例的刚柔耦合抓手在工作时，可以通过增加电机的输入电压或电流，使电机产生更大的转矩，从而提高电机驱动单元的驱动占比；也可以通过增加气源的压力来提高气动驱动单元的驱动占比。针对不同的抓取需求和场景，就可以灵活调配电机驱动单元和气动驱动单元的驱动比例，实现对所述刚柔耦合抓手抓取范围和抓取紧密贴合度的调控。例如抓取易碎物品或精密零件，可以通过增大气动驱动单元的驱动比例来实现更轻柔的抓取动作，从而避免物品损坏；在重型搬运、吊装等应用场景中，就可以增大电机驱动单元的驱动比例来克服重力和摩擦力。

本发明实施例的柔性抓手单元包括至少两个柔性抓手，刚性抓手单元包括至少两组刚性抓手，每组刚性抓手包括两个刚性抓手，每组刚性抓手分别与一个柔性抓手并联连接，所述并联连接使得：刚性抓手在电机驱动单元的驱动下活动时，能带动柔性抓手产生弯曲形变，此种情况下刚性抓手为主动，柔性抓手为从动，以刚性抓取为主；以及，柔性抓手在气动驱动单元的驱动下产生弯曲形变时，能带动刚性抓手活动，此种情况下柔性抓手为主动，刚性抓手为从动，以柔性抓取为主，刚性抓手可以为柔性抓取提供一定的抓取力度。每组刚性抓手的两个刚性抓手位于与之并联连接的柔性抓手的两侧，并且每个刚性抓手的指根部分别连接一个扇形齿轮7。

参考图1、图1A、以及图2，在该实施例中，柔性抓手单元包括两个柔性抓手，对称地连接于支撑单元的两侧，每个柔性抓手包括柔性手指内层21、纤维22、柔性手指表层8和应变限制层9；柔性手指内层21具有与气动驱动单元的气泵连接的可充气中空结构，柔性时抓手工作时是通过向柔性手指内层21充气使其发生膨胀变形来抓取；纤维22缠绕在柔性手指内层21的外围，用于限制柔性手指内层21发生横向膨胀；柔性手指表层8套设在柔性手指内层21的外部，能在柔性手指内层21的带动下沿长度方向伸长；应变限制层9与柔性手指内层21连接，并且其形变小于柔性手指内层21的形变使得充气时柔性手指内层21和柔性手指表层8向应变限制层9所在侧发生弯曲，以实现柔性抓手单元抓取物体的弯曲形变。柔性抓手在制作过程中，柔性手指内层21的外表面铸有线槽，用于固定纤维22，纤维22从柔性手指内层21的一端缠绕至另一端，并打结固定，之后，柔性手指内层21与柔性手指表层8结合，纤维22被固定，而后从模具中取出后通过硅胶与应变限制层9粘接固定，然后，柔性手指内层21的指根端与柔性抓手连接块20密封形成所述中空结构。气管通过连接块插入该中空结构，当气体充入柔性手指内层21时，它在长度方向上伸长，使整个柔性抓手有伸长趋势，同时由于应变限制层9的形变小于柔性手指内层21的形变，最终，柔性手指内层21、柔性手指表层8和应变限制层9同时向应变限制层9所在侧弯曲，向内收拢。

应当理解的是，柔性抓手单元的柔性抓手的数量不限于2个，优选地至少为2个，可以是三个、四个或其他数量；多个柔性抓手优选地围绕支撑单元周向均匀分布。优选地，刚性抓手单元包含的刚性抓手的组数与柔性抓手的个数相同，例如有两个柔性抓手的实施例中，包含两组共4个刚性抓手。抓手的数量不构成对本发明保护范围的限制，本领域技术人员可以根据实际需求设计不同的抓手数量。

参考图1、图1A以及图3、图3A，在该实施例中，刚性抓手单元包括两组刚性抓手，每组刚性抓手包括分设于与之并联的柔性抓手左右两侧的两个刚性抓手，每个刚性抓手包括指尖板1、第一支杆2、第一连杆3、中间板4、第二支杆5以及第二连杆6。其中，指尖板1具有指尖端（如图3中所示下端）以及位于指尖端相对侧的第一连接部和第二连接部，中间板4具有第三连接部、第四连接部和第五连接部。在一些优选的实施例中，第一支杆2的第一端（如图3中所示下端）活动连接于指尖板1的所述第一连接部，第一连杆3的第一端（如图3中所示下端）活动连接于指尖板1的所述第二连接部，第一支杆2的第二端（如图3中所示上端）活动连接于中间板4的所述第三连接部，第一连杆3的第二端（如图3中所示上端）活动连接于中间板4的所述第四连接部，第二支杆5的第一端（如图3中所示下端）活动连接于中间板4的所述第三连接部，第二连杆6的第一端（如图3中所示下端）活动连接于中间板4的所述第五连接部，第二支杆5的第二端（如图3中所示上端）活动连接于扇形齿轮7，第二连杆6的第二端（如图3中所示上端）活动连接于扇形齿轮7。此外，指尖板1的一边、第一支杆2和第二支杆5均与柔性抓手的应变限制层9连接，并与应变限制层9的底面处于同一平面内，以此实现刚性抓手与柔性抓手的所述并联连接。

参考图3和图3A，扇形齿轮7的圆心角处延伸形成有一尾部，所述尾部设有第一安装孔25，用于安装第二连杆6的第二端；扇形齿轮7的圆心处设有第二安装孔24，用于安装第二支杆5的第二端；同时，扇形齿轮7通过第二安装孔24安装至所述支撑单元。参考图7和图2，支撑单元23包括连接架15、肋板16和内固定板19，内固定板19的内侧设置有凹槽，用于容纳气动驱动单元的外充气管14和三通气管接头17，通过两块内固定板19配合安装，实现对气动驱动单元的固定。为了确保刚性抓手单元的稳定性和防止其晃动，内固定板19的外表面被设计得与同一侧的肋板内表面紧密配合，形成两个相互夹持的面，这种夹持结构有效地限制了刚性抓手单元在多个方向上的自由移动，从而提高了整体抓手结构的刚性和稳定性。肋板16对称设置在两块内固定板19的外侧；肋板16和内固定板19均与连接架15连接，且连接架15顶部用于与机械臂连接。扇形齿轮7、第二支杆5的第二端与肋板16三者通过第二安装孔24，利用螺栓进行固定。

应当理解的是，本发明不对指尖板和中间板的形状进行限制。在一些实施例中，指尖板1和中间板4可以为三角板，继续参考图1、图3和图3A，其中指尖板1最短的边和两个角位于上端，位于下端的角为所述指尖端，与柔性抓手的应变限制层连接，上端的两个角处分别开设两个孔，位于内侧的角处的孔用于安装第一支杆2的第一端，位于外侧的角处的孔用于安装第一连杆3的第一端。此处所述内侧和外侧是相对于抓取动作而言，抓取时抓手向内活动合拢，释放时抓手向外松开。中间板4优选为钝角三角形，以较短边为动力臂，以最长边为阻力臂，用较小的力可以产生或维持较大的转动效果；并分别在三个角处开设三个孔，其中最大角处的安装孔用于安装第二连杆6的第一端，另外两个角处的安装孔分别用于安装第一支杆2的第二端和第一连杆3的第二端，其中安装第一支杆2的第二端的孔还同时用于安装第二支杆5的第一端。参考图3A，为了便于刚性抓手的装配和活动，第一连杆3、第二连杆6和第二支杆5的两端沿杆的厚度方向上分别开设了方形槽，而第一支杆2的较大端（与指尖板连接的一端，即第一支杆的第一端）也开设了方形槽。指尖板1的最大角端被置入第一支杆2较大端的方形槽内，并且指间板1的最大角端的孔与第一支杆2较大端的孔同轴心配合，使第一支杆2与指尖板1可以发生相对旋转。指间板1的次大角端则被置入第一连杆3的第一端的方形槽内，并与第一连杆3的第一端的孔同轴心配合，使第一连杆3与指尖板1也可以发生相对旋转。中间板4的次大角端41沿着垂直于板厚方向开设了一个槽，以便于装配和活动，第一支杆2的较小端（与中间板4连接的一端，即第一支杆的第二端）被置入中间板4的这个槽内，同时第一支杆2的第二端的孔与中间板4次大角端41的孔同轴心配合。接着，中间板4的最小角端42与第一连杆3的第二端的方形槽相连，而中间板4的最大角端43则与第二连杆6的第一端方形槽相连。此外，中间板4的次大角端的孔与第一支杆2的第二端同轴心配合。同时，第一安装孔25与第二连杆6的第二端的孔同轴心配合。

在本发明实施例中，由于每组刚性抓手包括两个结构相同的刚性抓手，因此用于驱动每组刚性抓手的电机为双轴电机，参考图1和图1A，双轴电机通过L型固定板12与支撑单元连接固定，双轴电机两侧分别具有键11，一个电机的两侧分别设有一个不完全齿轮10，一个不完全齿轮10与一个键11对应连接。在一些具体的实施例中，不完全齿轮10的有齿部分与无齿部分的圆周占比的比例为15:12~19:12，以确保齿轮的正常工作和性能优化，在本发明的一个实施例中，采用了17:12的比例。在一些具体的实施例中，扇形齿轮的扇形圆心角设定为60°至80°范围内，优选70°作为扇形齿轮的圆心角，这一选择确保了扇形齿轮的体积适中，同时其运动行程也足够满足实际需求。在扇形齿轮与不完全齿轮的配合中，两者必须满足啮合的基本条件，包括模数相等、压力角一致、齿形相同以及中心距准确。这些条件的满足确保了扇形齿轮与不完全齿轮的有齿部分能够顺利啮合，并在传动过程中保持平稳、可靠。此外，在本发明一些实施例中，电机能驱动刚性抓手产生5~58°的角度变化。

此外需要说明的是，本发明实施例的刚柔耦合抓手，在采用电机驱动刚性抓手单元的基础上，利用不完全齿轮与扇形齿轮的配合来实现模式切换。当双轴电机的不完全齿轮的有齿部分与扇形齿轮啮合时，通过调整电机转动的方向，能驱动刚性抓手进行向内收拢或向外扩张，对应实现抓取或释放；此外由于刚性抓手与柔性抓手的所述并联连接的设计，刚性抓手运动进行抓取时还能带动柔性抓手产生同方向的弯曲形变，进一步增强刚性抓手对物体的抱紧能力，确保稳定、可靠的抓取效果。而当扇形齿轮与不完全齿轮的无齿部分对应（不再与有齿部分啮合）时，例如图4所示的状态，此种状态称为非啮合状态，或者虽然处于啮合状态但电机停止驱动时，通过气动驱动柔性抓手执行柔性抓取，此时同样由于所述的并联连接，柔性抓手可以带动刚性抓手产生一定的旋转，为柔性抓取增加一定的抓取力。基于这种独特的刚柔耦合设计，以及扇形齿轮与不完全齿轮的相互配合，本发明实施例的刚柔耦合抓手可以有如下的状态：

①在刚柔耦合抓手开始工作前的初始化状态，不完全齿轮10和扇形齿轮7处于不啮合的状态，两者间没有力的传递和传动关系。

②在开始工作后，如果控制系统选择的是以刚性抓取为主的模式，则随着电机的驱动，不完全齿轮的有齿部分与扇形齿轮开始啮合，此时，刚性抓手在驱动作用下开始活动，准备抓取物体，同时也对柔性抓手施加一定的弯曲力矩，这个力矩导致软体抓手单元弯曲变形，此时如果刚性抓手停止活动，柔性抓手仍会保持一定的弯曲状态，这是因为柔性抓手和刚性抓手为并联连接，此时给柔性抓手充气则能为刚性抓取增加更好的包裹性。或者，在开始工作后，如果控制系统选择的是以柔性为主的抓取模式，则不采用电机驱动刚性抓手而采用气动驱动柔性抓手，此时，柔性抓手在驱动作用下开始弯曲变形，准备抓取物体，同时这种弯曲变形也能带动刚性抓手产生一定的同方向活动，为柔性抓取增加抓取力。

③在工作过程中，当需要由刚性为主的抓取切换至柔性为主的抓取模式时，可直接停止电机驱动、开启气动驱动单元。即便此时不完全齿轮的有齿部分与扇形齿轮仍处于啮合状态，气动驱动单元驱动柔性抓手弯曲形变的过程中，由于电机停止驱动，不完全齿轮与扇形齿轮基本上是卡住的，柔性抓手也可以带动刚性抓手的部分关节（例如靠近指尖的关节）活动。反之，当需要由柔性为主的抓取切换至刚性为主的抓取模式时，停止气动驱动单元，开启电机驱动单元，电机带动不完全齿轮转动，在有齿部分与扇形齿轮啮合的状态下刚性抓手活动，提供更大的加持力。本发明实施例中，不完全齿轮的有齿部分与无齿部分的圆周占比的比例为15:12~19:12，有齿部分比无齿部分占比多。

本发明实施例的柔性抓手具有足够的柔性和适应性，能够紧密贴合纸张的形状。请参考图2和图4，当对柔性抓手进行充压时，它会向内弯曲，产生一定的夹持力。当柔性抓手弯曲至一定角度，刚好能够夹住纸张，不再进行充压，完成夹取动作。具体操作步骤是：从外充气管14进行充气，气体通过三通气管接头17后分别流向两个内导气管18，而每个内导气管18都是直接插入柔性抓手连接块20的小口端，最后气体充入柔性抓手的柔性手指内层21的中空结构中，使柔性抓手发生弯曲，直至指尖部分贴合到纸张，从而无损夹取纸张。

如图5，当抓取较大长方体物体时，本发明实施例的刚柔耦合抓手能够很好地贴合物体的表面，并确保稳定的抓取效果。在具体实施方式中，刚柔耦合抓手展现出优秀的适应性，面对不同形状和尺寸的物体，通过模式切换调整不同工作模式来抓取。首先，刚柔耦合抓手的刚性抓手单元可以根据物体的形状和尺寸进行弯曲和伸展，以适应物体的外形。通过控制双轴电机的转动，使不完全齿轮有齿部分与扇形齿轮啮合，由于刚性抓手具有多个关节，可以实现在不同方向上的弯曲，从而与长方体的各个面紧密贴合。其次，柔性抓手单元也起到了关键作用：当刚性抓手单元完全伸展时，通过对柔性抓手进行充压，从而使它具有足够的弹性和恢复性，能够根据物体的形状和硬度进行自适应调整，当柔性抓手与长方体接触时，应变限制层能够紧密贴合物体的表面，增大摩擦并减小振动，确保抓取的稳定性和准确性。

此外，为了展示本发明实施例的刚柔耦合抓手在抓取不同重量物体的抓取效果，本发明另一具体实施例还选取了较重的砝码作为抓取对象。本具体实施例采用电机驱动单元和气动驱动单元联合驱动来实现稳定抓取。首先，当需要抓取砝码时，通过控制系统控制电机转动，来驱动不完全齿轮10转动，使其有齿部分与扇形齿轮7进行啮合，从而驱动刚性抓手弯曲或伸展，从而实现对砝码的初步抓取；其次，通过控制系统控制气动驱动单元根据需要向柔性抓手充气，通过气压来进一步增强抓取力。气动驱动的优点在于能够根据物体的重量和抓取的需要灵活调整气压，从而实现对不同重量物体的稳定抓取。同时，应变限制层在气压的作用下能够紧密贴合砝码的表面，增大摩擦并减小振动，提高抓取的稳定性和准确性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种刚柔耦合抓手，其特征在于，包括：

支撑单元；

连接于所述支撑单元的刚性抓手单元与柔性抓手单元，所述刚性抓手单元与所述柔性抓手单元并联连接，所述刚性抓手单元包括连接于所述支撑单元的扇形齿轮和连接于所述扇形齿轮且能在所述扇形齿轮的带动下活动的刚性抓手；

电机驱动单元，连接于所述刚性抓手单元，包括电机和不完全齿轮，所述不完全齿轮包括有齿部分以及无齿部分，其中：所述电机连接于所述不完全齿轮，用于驱动所述不完全齿轮转动；所述扇形齿轮被设置为能与所述不完全齿轮的有齿部分进行啮合；

气动驱动单元，连接于所述柔性抓手单元，用于驱动所述柔性抓手单元产生弯曲形变。

2.如权利要求1所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述柔性抓手单元包括至少两个柔性抓手，所述刚性抓手单元包括至少两组刚性抓手，每组刚性抓手包括两个所述刚性抓手，每组刚性抓手分别与一个柔性抓手并联连接，所述并联连接使得：所述刚性抓手在所述电机驱动单元的驱动下活动时，能带动所述柔性抓手产生弯曲形变；以及，所述柔性抓手在所述气动驱动单元的驱动下产生弯曲形变时，能带动所述刚性抓手活动。

3.如权利要求2所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：每组刚性抓手的两个刚性抓手位于与之并联连接的柔性抓手的两侧，并且每个刚性抓手的指根部分别连接一个所述扇形齿轮。

4.如权利要求2所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述电机为双轴电机，每组刚性抓手采用一个双轴电机驱动，每个双轴电机两侧分别设置一个所述不完全齿轮，所述双轴电机分别通过两侧的键连接所在侧的所述不完全齿轮。

5.如权利要求1所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述不完全齿轮的有齿部分与无齿部分的圆周占比的比例为15:12~19:12。

6.如权利要求1或5所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述扇形齿轮的扇形圆心角为60~80°。

7.如权利要求1所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述电机能驱动所述刚性抓手产生5~58°的角度变化。

8.如权利要求1所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述柔性抓手单元的柔性抓手包括柔性手指内层、纤维、柔性手指表层和应变限制层；所述柔性手指内层具有与所述气动驱动单元的气泵连接的可充气中空结构，通过向所述柔性手指内层充气使其发生膨胀变形；所述纤维缠绕在所述柔性手指内层的外围，用于限制所述柔性手指内层发生横向膨胀；所述柔性手指表层套设在所述柔性手指内层的外部，能在所述柔性手指内层的带动下沿长度方向伸长；所述应变限制层与所述柔性手指内层连接，并且其形变小于所述柔性手指内层的形变使得充气时所述柔性手指内层和所述柔性手指表层向所述应变限制层所在侧发生弯曲，以实现所述柔性抓手单元的弯曲形变。

9.如权利要求8所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述刚性抓手包括指尖板、第一支杆、第一连杆、中间板、第二支杆以及第二连杆；所述指尖板具有指尖端以及位于所述指尖端相对侧的第一连接部和第二连接部，所述中间板具有第三连接部、第四连接部和第五连接部；所述第一支杆的第一端活动连接于所述第一连接部，所述第一连杆的第一端活动连接于所述第二连接部，所述第一支杆的第二端活动连接于所述第三连接部，所述第一连杆的第二端活动连接于所述第四连接部，所述第二支杆的第一端活动连接于所述第三连接部，所述第二连杆的第一端活动连接于所述第五连接部，所述第二支杆的第二端活动连接于所述扇形齿轮，所述第二连杆的第二端活动连接于所述扇形齿轮；所述指尖板的一边、所述第一支杆和所述第二支杆均与所述柔性抓手的所述应变限制层连接，并且与所述应变限制层的底面位于同一平面内，以实现所述并联连接。

10.如权利要求9所述的刚柔耦合抓手，其特征在于：所述扇形齿轮的圆心角处延伸形成有一尾部，所述尾部设有第一安装孔，用于安装所述第二连杆的第二端；所述扇形齿轮的圆心处设有第二安装孔，用于安装所述第二支杆的第二端；同时所述扇形齿轮通过所述第二安装孔安装至所述支撑单元。