CN110524523A - 一种模块化软体机械手 - Google Patents

Abstract

本技术公开一种模块化软体机械手，通过联接端子，联接多个执行单元。执行单元分为扭转单元，弯曲单元和拉伸单元。执行单元为硅胶合成材料制成的柔性中空管状结构，通过对腔体充气，由扭转，弯曲，拉伸单元功能，模拟人的手臂自由度，实现机械手更大的执行空间。执行单元包括形变部分和刚度调节部分，形变部分主要由软体基体和外围约束纤维组成。模块化软体机械手由扭转单元、弯曲单元、拉伸单元构成。一种模块化软体机械手通过联接端子联接扭转，伸长，弯曲单元，模拟人的手臂关节自由度,可以实现更大的操作空间，实现对复杂环境的抓取，具有极高的作业效率，保证与外界操作对象与操作环境交互时具有极高的安全性。

Description

一种模块化软体机械手

技术领域

本专利属于软体机器人技术领域，具体而言涉及，是一种模块化软体机械手。

背景技术

随着科学技术的蓬勃发展，机器人已广泛应用于工业生产、医疗、勘探、科学实验和抢险救援等各个方面。传统机器人的工作结构主要是以刚性结构为主，现阶段在各个领域也有着较广的应用，与之相关的技术也已较为成熟。然而，传统的以刚性结构为基础的机器人，不可避免的在结构、安全性、灵敏度以及适应性方面存在缺陷。随着新型智能材料的不断革新，以及相应技术的不断发展，软体机器人成为研究热点，它具有无限的自由度与很强的连续变形能力以及很好的环境适应性，能够在复杂的工作环境中工作，通过改变自身的形态来穿越狭窄的缝隙、孔洞、通道等。

目前，大部分机器人多采用刚性结构和刚性驱动器驱动设计，具有高精度、高速度、负载高等特性，主要应用于有专业化和精确化要求的场合。但是在家庭服务、医疗康复等领域，由于环境的不确定性和个体差异性，刚性机器人通常难以胜任。于是人们展开了对软体机器人的研究。与刚性机器人不同，软体机器人具有以下特点：1）柔性材料在空间内有多个自由度，只需简单的结构，软体机器人就能实现连续灵活的变形。2）柔韧性材料的柔顺性较好，可以根据复杂变化的工作环境，来改变自身的大小和形状。3）软体机器人能保证与外界操作对象与操作环境交互时具有较好的安全性。4）软体机器人整体形态结构简单，可以采用模块化设计与组装，设计和制造成本较低。

2007 年，美国国防部设计了一个化学机器人Chembots，其具有较大的柔韧性，能够根据通道的大小，调节自身的尺寸和形状，来通过通道。2014 年美国RUS 课题组设计了一种可自由游动的软体机器鱼，通过尾部进行驱动，可进行快速的移动。麻省理工学院等多所高校的研究人员研制了一种软体蠕虫机器人，不仅可以蠕动，而且具有很强的抗冲击能力。哈佛大学George M. Whitesides 研究小组设计并制作了一种充气式蠕动软体机器人，抗击性能强，通过气压驱动，可以穿越狭小空间。

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，未来发展的前景一片光明。但是由于对它的研究才刚刚起步，在材料、设计、加工、传感到控制、使用均存在着一系列问题需要继续研究，所以对于它的研究也充满了困难与挑战。

发明内容

为了弥补刚性机器人无法兼顾柔韧性和刚度调节的缺陷，本发明提供一种模块化软体机械手，它具有无限的自由度与连续变形能力以及很好的环境适应性，具有良好的人机交互安全性。

本专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

本专利所述的模块化软体机械手，它具有执行单元，所述执行单元为外周缠绕有螺旋形约束纤维、内部有腔室的柔性柱体；执行单元有三种，即通过对腔室充气或抽气实现扭转，弯曲，拉伸的扭转单元，弯曲单元和拉伸单元；该模块化软体机械手至少包括两个不同种类的执行单元，相邻两个执行单元的端部之间通过联接端子联接；联接端子上开有与联接在其上的两个执行单元中的至少一个执行单元的内部腔室相通的气道。

本专利的有益效果：本专利把不同种类的执行单元即扭转单元、弯曲单元或者拉伸单元有机组合在一起。在使用时，执行单元上的腔室直接或者通过联接端子上的气道与外部的气路驱动系统连接，气路驱动系统向执行单元的腔室充放气，实现执行单元的拉伸（伸长）、扭转或者弯曲。这样，本机械手即可实现拉伸、扭转或者弯曲这三种功能中的至少两种功能。本专利通过联接端子把执行单元相连，结构简单，可以任意把所需的执行单元连接起来，实现了模块化组装，快捷方便。本机械手由均为柔性柱体的各执行单元组成，能够实现柔韧性和刚度调节，具有无限的自由度与连续变形能力。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，所述的扭转单元，扭转单元柱体内部的腔室是螺旋形，扭转单元柱体的一端具有与螺旋形腔室一端相通的通气孔。当向扭转单元柱体内部的螺旋形腔室充气时，由于扭转单元柱体缠绕的约束纤维限制了扭转单元柱体的径向尺寸变化，拉伸单元柱体只能沿着螺旋形腔室的轴向伸缩，使得扭转单元柱体形成螺旋形，能够适应外部不同的复杂环境。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，所述的弯曲单元，弯曲单元柱体内部有两个柱状腔室，弯曲单元柱体的一端具有与两个柱状腔室一端分别相通的通气孔。当弯曲单元柱体的两个柱状腔室充气时，由于弯曲单元柱体缠绕的约束纤维限制了弯曲单元柱体的径向尺寸变化，弯曲单元柱体只能沿着轴向伸缩。当弯曲单元柱体的两个柱状腔室充气量不同时，充气量少的弯曲单元柱体一侧在轴向伸长量小于充气量多的弯曲单元柱体另一侧，因此弯曲单元柱体向充气量少的弯曲单元柱体一侧弯曲。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，所述的拉伸单元，拉伸单元柱体内部有一柱状腔室，拉伸单元柱体的一端具有与柱状腔室一端相通的通气孔。当向拉伸单元柱体内部的柱状腔室充气时，由于拉伸单元柱体缠绕的约束纤维限制了拉伸单元柱体的径向尺寸变化，拉伸单元柱体只能轴向伸缩。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，所述执行单元外周缠绕有两组螺旋方向相反的螺旋形约束纤维；约束纤维为不可拉伸纤维。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，联接端子上仅仅开有与联接在其上的两个执行单元中的一个执行单元的内部腔室相通的气道。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，联接端子的两端均开有沉孔，执行单元的端部嵌入联接端子上的沉孔。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，执行单元共有三个，其中拉伸单元、弯曲单元、扭转单元各一个。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，执行单元共有四个，其中，拉伸单元、弯曲单元、扭转单元这三种执行单元中的任意一种执行单元有一个，其它两种执行单元各有一个。

作为对上述的模块化软体机械手的进一步改进，它还包括连接在一个执行单元端部的软体手抓。软体手抓属于现有技术，如申请号为2019102784270的中国专利所公开的一种自适应可变刚度软体手抓。

本模块化软体机械手能够模拟人的手臂关节自由度,可以实现更大的操作空间，实现对复杂环境的抓取，具有极高的作业效率，保证与外界操作对象与操作环境交互时具有极高的安全性。

附图说明

图1是扭转单元结构示意图；

图2是弯曲单元结构示意图；

图3是拉伸单元结构示意图；

图4是扭转单元联接端子结构示意图；

图5是弯曲单元联接端子结构示意图；

图6是拉伸联接端子结构示意图；

图7是一种模块化软体机械手示意图；

图8是图7中执行单元等另一角度的示意图；

图9是又一种模块化软体机械手示意图；

图10是图9中的模块化软体机械手另一角度的示意图；

图11是再一种模块化软体机械手示意图；

图12是图11中的模块化软体机械手另一角度的示意图；

图13是扭转单元剖视图；

图14是弯曲单元剖视图；

图15是拉伸单元剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本来模块化软体机械手，它具有三种执行单元即扭转单元1，弯曲单元2和拉伸单元3中至少任意两种。每种执行单元为均为外周缠绕有螺旋形的不可拉伸的约束纤维7、内部有腔室的柔性柱体。

参见图1，所述的扭转单元1，扭转单元柱体内部的腔室11是螺旋形，扭转单元柱体的一端具有与螺旋形腔室一端相通的通气孔12。当向扭转单元柱体内部的螺旋形腔室充气时，由于扭转单元柱体缠绕的约束纤维限制了扭转单元柱体的径向尺寸变化，拉伸单元柱体只能沿着螺旋形腔室的轴向伸缩，使得扭转单元柱体形成螺旋形，能够适应外部不同的复杂环境。

参见图2，所述的弯曲单元2，弯曲单元柱体内部有两个柱状腔室21、22，弯曲单元柱体的一端具有与两个柱状腔室一端分别相通的通气孔23、24。当弯曲单元柱体的两个柱状腔室充气时，由于弯曲单元柱体缠绕的约束纤维限制了弯曲单元柱体的径向尺寸变化，弯曲单元柱体只能沿着轴向伸缩。当弯曲单元柱体的两个柱状腔室充气量不同时，充气量少的弯曲单元柱体一侧在轴向伸长量小于充气量多的弯曲单元柱体另一侧，因此弯曲单元柱体向充气量少的弯曲单元柱体一侧弯曲。

参见图3，所述的拉伸单元3，拉伸单元柱体内部有一柱状腔室31，拉伸单元柱体的一端具有与柱状腔室一端相通的通气孔32。当向拉伸单元柱体内部的柱状腔室充气时，由于拉伸单元柱体缠绕的约束纤维限制了拉伸单元柱体的径向尺寸变化，拉伸单元柱体只能轴向伸缩。

模块化软体机械手至少包括两个不同种类的执行单元，相邻两个执行单元的端部之间通过联接端子联接；联接端子上仅仅开有与联接在其上的两个执行单元中的一个执行单元的内部腔室相通的气道。联接端子与执行单元相对应，有扭转联接端子4、弯曲联接端子5、拉伸联接端子6三种。三种联接端子的两端开有第一沉孔8、第二沉孔9。两个执行单元的端部嵌入联接端子上的沉孔。

参见图4，对于扭转联接端子4，其第一沉孔8内插入扭转单元1的具有通气孔12的一端。在第一沉孔8的底面具有伸入通气孔12内的气嘴41；扭转联接端子4内的气道42一端开口在扭转联接端子4的外周上，另一端开口在气嘴41处。

参见图5，对于弯曲联接端子5，其第一沉孔8内插入弯曲单元2的具有通气孔23、24的一端。在第一沉孔8的底面具有分别伸入通气孔23、24内的气嘴53、54；弯曲联接端子5内的两个气道51、52一端开口分别在弯曲联接端子5的外周上，另一端开口分别在气嘴53、54处。

参见图6，对于拉伸联接端子6，其第一沉孔8内插入拉伸单元3的具有通气孔32的一端。在第一沉孔8的底面具有伸入通气孔32内的气嘴61；拉伸联接端子6内的气道62一端开口在拉伸联接端子4的外周上，另一端开口在气嘴61处。

参见图7、8，所示的模块化软体机械手，第一扭转单元1、第一弯曲联接端子5、第一弯曲单元2、拉伸联接端子6、拉伸单元3、扭转联接端子4、第二扭转单元101（为了与第一扭转单元1相区别，采用序号101）、第二弯曲联接端子501（为了与第一弯曲联接端子5相区别，采用序号501）、第二弯曲单元201（为了与第一弯曲单元2相区别，采用序号201）、软体手抓10依次连接。

第一扭转单元1的通气孔12、第一弯曲联接端子5上的两个气道、拉伸联接端子6上的气道、扭转联接端子4上的气道、第二弯曲联接端子501上的两个气道均与外部的供气系统相通。

参见图9、10所示的另一种模块化软体机械手，拉伸单元3、扭转联接端子4、扭转单元1、弯曲联接端子5、弯曲单元2依次连接。

拉伸单元3的通气孔32、扭转联接端子4上的气道、弯曲联接端子5上的两个气道均与外部的供气系统相通。

参见图11、12所示的又一种模块化软体机械手，弯曲单元2、扭转联接端子4、扭转单元1、拉伸联接端子6、拉伸单元3依次连接。

弯曲单元2的两个通气孔23、24、扭转联接端子4上的气道、拉伸联接端子6上的气道均与外部的供气系统相通。

气路驱动系统包括通过管路相连的气泵、减压阀、闸阀、电磁阀、分配接头等，其属于现有技术，不再描述。

本专利中通过联接端子，联接多个执行单元。所述执行单元的内层为软质硅胶或其他软材料制成的柔性中空管状结构，外侧通过一定角度缠绕的纤维约束，通过充气，使其变形，达到扭转、弯曲、伸长功能。通过改变充气量，改变执行单元的变形程度。

执行单元组合起来，通过充气，不同执行单元执行不同动作，实现更大的执行空间，便于在复杂环境中实现抓取工作。

所述扭转单元，其内部有螺旋状轨道腔室，外侧缠绕一定角度的约束纤维。所述单元的两端密封，腔室一端留有一个通气孔，用于与外接气路驱动系统连接。当给扭转单元充气时，由于外侧缠绕约束纤维，以及材料自身的应力和柔韧性，螺旋状腔室内充满气体并受到压力扭转，实现扭转变形。所述扭转单元可以通过调节腔室的充气量来改变整个执行单元的扭转程度。

所述弯曲单元的内部对称分布两个关于基体轴线对称的圆柱形腔室，或用多块层板将其均分成多个腔室。所述弯曲单元的两端密封，每个腔室一端留有一个通气孔，用于与外接气路驱动系统连接。当给弯曲单元充气时，若给左腔室充气，左腔室内充满气体并受到压力，由于材料自身的柔韧性和约束纤维的限制，整个左腔室将伸长，右腔室未受到压力作用，长度保持不变。由于材料自身的应力和柔韧性，整个执行单元将向右侧弯曲。同理，若给右腔室充气，整个执行单元将向左侧弯曲。弯曲单元可以通过调节左、右两个腔室的充气量来改变整个执行单元的弯曲程度。

所述拉伸单元外侧为两组按照一定角度缠绕的约束纤维，内层为软质硅胶或其他软材料制成的柔性中空管状结构。拉伸单元为薄壁圆柱，所述单元的两端密封，腔室密封端留有一个通气孔，用于与外接气路驱动系统连接。当给拉伸单元充气时，由于外侧缠绕约束纤维，以及材料自身的应力和柔韧性，圆柱状腔室内充满气体并受到压力，外侧纤维约束，实现伸长变形。拉伸单元可以通过调节腔室的充气量来改变整个执行单元的伸长程度。

所述执行单元外侧为两组按照一定角度缠绕的不可拉伸纤维（线材）。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，可以实现伸长、弯曲、扭转单元变形。

所述联接端子为泰恩TAIEN耐磨软管或其他材料软管，用胶水联接执行单元。

联接端子针对不同的执行单元结构不同，由于弯曲单元具有两个腔室，所以弯曲联接端子要具有两个气道，分别给两个腔室充气。

一种模块化软体机械手，通过联接端子，联接多个执行单元。根据执行单元的联接顺序不同，可以实现对不同点的抓取。

若执行单元拉伸单元、弯曲单元、扭转单元各一个，联接顺序可以为拉扭弯、拉弯扭、弯扭拉、弯拉扭、扭拉弯、扭弯拉。

若执行单元为四个，执行单元为拉伸单元、拉伸单元、弯曲单元、扭转单元，可以有18种不同的接法。在执行单元是3个的基础上，每种分别有3种不同的连接方式。

若执行单元为四个，执行单元还可以为拉伸单元、弯曲单元、扭转单元、扭转单元组合和拉伸单元、弯曲单元、扭转单元、弯曲单元组合，联接顺序各有18种。

所以针对不同的抓取点，可以根据具体情况选择合适的联接的数量和联接顺序。

该模块化软体机械手，是一种模拟人的手臂自由度结构，通过执行单元数量和种类与联接端子组合，使得模块化软体机械手像人的手臂一样灵活，实现更大的抓取空间，便于在复杂环境中实现抓取工作。

Claims (10)

1.一种模块化软体机械手，其特征是：它具有执行单元，所述执行单元为外周缠绕有螺旋形约束纤维、内部有腔室的柔性柱体；执行单元有三种，即通过对腔室充气或抽气实现扭转，弯曲，拉伸的扭转单元，弯曲单元和拉伸单元；该模块化软体机械手至少包括两个不同种类的执行单元，相邻两个执行单元的端部之间通过联接端子联接；联接端子上开有与联接在其上的两个执行单元中的至少一个执行单元的内部腔室相通的气道。

2.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征在于：所述的扭转单元，扭转单元柱体内部的腔室是螺旋形，扭转单元柱体的一端具有与螺旋形腔室一端相通的通气孔。

3.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征：所述的弯曲单元，弯曲单元柱体内部有两个柱状腔室，弯曲单元柱体的一端具有与两个柱状腔室一端分别相通的通气孔。

4.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征：所述的拉伸单元，拉伸单元柱体内部有一柱状腔室，拉伸单元柱体的一端具有与柱状腔室一端相通的通气孔。

5.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征在于：所述执行单元外周缠绕有两组螺旋方向相反的螺旋形约束纤维；约束纤维为不可拉伸纤维。

6.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征在于：联接端子上仅仅开有与联接在其上的两个执行单元中的一个执行单元的内部腔室相通的气道。

7.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征是：联接端子的两端均开有沉孔，执行单元的端部嵌入联接端子上的沉孔。

8.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征是：执行单元共有三个，其中拉伸单元、弯曲单元、扭转单元各一个。

9.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征是：执行单元共有四个，其中，拉伸单元、弯曲单元、扭转单元这三种执行单元中的任意一种执行单元有一个，其它两种执行单元各有一个。

10.根据权利要求1所述的模块化软体机械手，其特征是：它还包括连接在一个执行单元端部的软体手抓。