CN113070899A - 一种变刚度柔性机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械手领域。目的是提供一种变刚度柔性机械手，可在一定范围内或在不同的抓取阶段调节机械手的刚度以适应不同的抓取对象，保证有足够的抓持力，更好地抓取物体。技术方案是：一种变刚度柔性机械手，其特征在于：该机械手包括设置于安装架上的电机与基座、分别通过变刚度部件连接在基座上的至少两个柔性手指以及连接在柔性手指与基座之间的腱绳；所述电机数量与柔性手指数量一致且通过对应的腱绳一一驱动对应的柔性手指；所述变刚度部件接通外部的动力源。
Description
技术领域
本发明涉及机械手领域，尤其涉及一种变刚度柔性机械手。
背景技术
随着机器人技术、自动控制技术的不断进步，机器人已经广泛应用于人类社会的各个方面。在人类不宜涉足的极端和危险的工程环境中，机器人为人类提供了很大的便利。机械手是机器人操作的主要执行器，目前市场上具有很多性能良好的刚性机械手，但这些机械手仍存在很多不足，如难以抓取易损坏、易变形物体等。近年来，学术界出现许多柔性机械手，把传统刚性机械手的刚性部件换成柔性的有机聚合物，以克服现有传统机械手在特定应用场景的缺点。柔性机械手在抓取对象时能更好的与物体相贴合，不易破坏物体本身结构，同时抓取不规则形状物体时也存在较大的优势。但是由于柔性机械手的关节弹性，其抓持力有限，因此适用范围有限，且当抓取物体做大加速度的加、减速运动时可能会甩出物体。针对这个问题，急需发明一种可变刚度的柔性机械手，不仅能够适应抓取各种物体，同时也能在抓取物体后进行力锁紧。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种变刚度柔性机械手，可在一定范围内或在不同的抓取阶段调节机械手的刚度以适应不同的抓取对象，保证有足够的抓持力，更好地抓取物体。
本发明的技术方案是：
一种变刚度柔性机械手，其特征在于：该机械手包括设置于安装架上的电机与基座、分别通过变刚度部件连接在基座上的至少两个柔性手指以及连接在柔性手指与基座之间的腱绳；所述电机数量与柔性手指数量一致且通过对应的腱绳一一驱动对应的柔性手指；所述变刚度部件接通外部的动力源。
所述变刚度部件由并排贴合为一体的弹性部与可控部组成；所述弹性部由弹性材料制作而成；
可控部是填充着磁粉的弹性薄膜袋，且薄膜袋内安装有可接通电源的线圈，所述动力源是电源；或者是包括密封的薄膜袋、置于薄膜袋内的颗粒物以及制作在薄膜袋壁上且通过气管连通真空泵的接口；所述动力源是是电源或真空泵。
所述柔性手指包括通过变刚度部件连接基座且为中空结构的指根以及通过另一变刚度部件连接指根的指尖。
所述指根的侧面中央开设有圆孔；所述腱绳的一端与指尖固定，腱绳的另一端伸入指根的圆孔中，并绕过指根内腔壁部的滑轮以及基座上的滑轮后，再向下缠绕在电机轴端的转盘上。
所述电机为伺服电机、步进电机或舵机。
所述弹性材料为弹性硅胶、橡胶中的一种。
所述颗粒物为玻璃球、砂子中的一种。
本发明的有益效果是：
本发明提供的变刚度柔性机械手，由电机旋转带动腱绳从而使柔性手指弯曲实现物体的抓取。当需要变刚度时，给可控部中线圈通电，使得磁粉贴紧线圈，增大柔性手指的刚度，从而改变柔性手指的抓持力；或者，通过外接真空泵实现的负压程度控制柔性手指变刚度部件的刚度，从而改变柔性手指刚度；驱动方式安全，人机交互性强，保证了机械手的适应力和负载能力；还可以根据不同的抓取对象调整机械手的整体刚度，保证有足够的抓持力，提升了机械手的负载能力，可完成对易碎和易变形物体的抓取；也可以在不同的抓取阶段调整刚度，提高抓取过程的稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的整体轴测示意图。
图2是本发明的俯视示意图。
图3是本发明中的单根手指结构示意图。
图4是本发明中腱绳的绕线结构示意图。
图5是本发明中的变刚度部件结构示意图之一。
图6是本发明中的变刚度部件结构示意图之二。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1、图2所示的变刚度柔性机械手，包括安装架5、基座3、电机6、指尖1、指根2、变刚度部件7、滑轮9、腱绳11。
所述基座3通过连接部件4(优选铜柱铆接或螺栓连接)安装于安装架5上；
所述安装架5是为方便机械手与工业机械臂集成、易于安装于其他机械臂上使用而设计；所述电机6安装于安装架5上，用于控制柔性手指；
所述柔性手指安装于所述基座3边缘；所述柔性手指由指尖1和指根2两部分组成，指尖与指根由变刚度部件7连接，指根2与基座3也由变刚度部件7连接；所述柔性手指可为二指、三指甚至多指，本实施例采用二根手指，并且相向布置，以便于二根手指共同抓取同一件物件。
如图3所述，指尖1和指根2的接触表面8为软体(弹性部)，可由硅胶制作而成，也可以是橡胶等柔性材料，可适应不规则物体，也利于抓取易碎物品。表面还可以嵌入压力传感器，用于测量和反馈抓取压力。柔性指根的指尖和指根均为现有技术。
如图4所示，指尖1和指根2的同一侧面设有圆孔，腱绳11的上端伸入指尖的圆孔中且与指尖固定(指尖上也可用凸钉替代圆孔，腱绳的上端系紧在凸钉上)，腱绳的下端伸入指根上的圆孔，并依次绕过指根上的滑轮9与基座上的滑轮后，再缠绕在转盘(转盘固定在所述电机6的电机轴端)上；所述滑轮9可转动地安装在指根内腔壁部的中间部位，可显著减少腱绳的摩擦力；
所述变刚度部件7由并排贴合为一体的两部分组成，一部分为弹性部7.1，可由弹性硅胶、橡胶或其他弹性材料制作而成，另一部分为可控部7.2。可控部可以有以下两种结构；
一种如图5所示，将弹性薄膜制作成袋状(优选高分子薄膜袋)，内部装有中装有适量(优选袋内空间的三分之二至四分之三之间)的磁粉7.3，薄膜袋内安装的线圈7.4；线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化,形成磁粉链,通过之间的结合力和摩擦力增加刚度，电流消失时磁粉处于自由松散状态，刚度变小。
另一种如图6所示，是将弹性薄膜制作成袋状(优选高分子薄膜袋)，内部装有适量(优选袋内空间的三分之二至四分之三之间)的颗粒物7.6，薄膜袋壁部的接口7.5通过气管与真空泵相连；通过真空泵抽真空的程度可控制弹性薄膜里负压的大小，改变颗粒物之间及弹性薄膜与颗粒物之间的摩擦力，从而调节整个变刚度部件的刚度大小。所述颗粒物可为玻璃球、沙子等颗粒状物体。
由图可知：变刚度部件呈条状，弹性部与可控部也为并排布置且粘连为一体的条状；变刚度部件连接(优选粘结胶粘连)两个物体(如指尖与指根)时，弹性部的两端分别与这两个物体连接，可控部的两端也分别与这两个物体连接。
图中省略气管、真空泵及导线。
本发明的工作原理是：
本发明的初始状态如图1所示；工作时，电机6转动带动腱绳11，由于柔性手指的指尖1与指根2和指根2与基座3之间是由有弹性的变刚度部件7连接，受到拉力时，柔性手指会向内部弯曲，当手指表面8与被抓取对象完全贴合时，通过调节外部电压改变变刚度部件7内部磁粉7.3间的结合力和摩擦力(或者通过调节真空泵的负压大小，改变可控部7.2内颗粒物7.6之间的摩擦力)，最终改变整个机械手的刚度，使机械手的刚度变大，从而提高机械手的抓持力，使机械手同时具备了良好的适应性和负载能力。释放物体时，先断开线圈电压(或关闭真空泵)，再反向旋转电机即可；由于变刚度部件拥有弹性，柔性手指就会在弹性作用下恢复原状，释放被抓取的物体。
本发明提供的变刚度软体机械手，在普通软体机械手的基础上大大提高了机械手的负载能力，并可在一定范围内调节机械手的刚度大小，能在很大程度上拓宽软体机械手的应用领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (7)
1.一种变刚度柔性机械手，其特征在于：该机械手包括设置于安装架(5)上的电机(6)与基座(3)、分别通过变刚度部件(7)连接在基座上的至少两个柔性手指以及连接在柔性手指与基座之间的腱绳(11)；所述电机数量与柔性手指数量一致且通过对应的腱绳一一驱动对应的柔性手指；所述变刚度部件接通外部的动力源。
2.根据权利要求1所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述变刚度部件由并排贴合为一体的弹性部(7.1)与可控部(7.2)组成；所述弹性部由弹性材料制作而成；
可控部是填充着磁粉的弹性薄膜袋，且薄膜袋内安装有可接通电源的线圈；或者是包括密封的薄膜袋、置于薄膜袋内的颗粒物(7.6)以及制作在薄膜袋壁上且通过气管连通真空泵的接口(7.5)；所述动力源是电源或真空泵。
3.根据权利要求2所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述柔性手指包括通过变刚度部件连接基座且为中空结构的指根(2)以及通过另一变刚度部件连接指根的指尖(1)。
4.根据权利要求3所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述指根的侧面中央开设有圆孔；所述腱绳的一端与指尖固定；腱绳的另一端伸入指根的圆孔中，并绕过指根内腔壁部的滑轮(9)以及基座上的滑轮后，再向下缠绕在电机轴端的转盘上。
5.根据权利要求4所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述弹性材料为弹性硅胶、橡胶中的一种。
6.根据权利要求5所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述电机为伺服电机、步进电机或舵机。
7.根据权利要求6所述的变刚度软体机械手，其特征在于：所述颗粒物为玻璃球、砂子中的一种。
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