一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置制造方法
【专利摘要】一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，属于拟人机器人【技术领域】。该装置包括拟人机器人手主体刚性机械部分和辅助抓取胶囊沙袋系统两部分，其手指结构及手指排布与人手相似。胶囊沙袋系统包括胶囊沙袋、真空抽气装置及管路；胶囊沙袋表面为高弹性薄膜，内部填充轻质坚硬颗粒；胶囊沙袋附着于机器人各指段的手掌心一侧及掌心的表面。当胶囊沙袋内部充有一定压力的空气时，其表面柔软可变形；当胶囊沙袋内部的空气被抽出并维持一定真空度时，胶囊沙袋表面变硬并可维持抽气之前的形状。本装置可辅助机器人手自动适应抓取不同形状和大小的物体，特别是拈取细小物体或特殊形状的物体，并具有结构简单、成本低、便于安装维护和可靠性高等特点。
【专利说明】一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于拟人机器人【技术领域】，特别涉及一种胶囊沙袋辅助抓取的机器人手装置的结构设计。
【背景技术】
[0002]拟人机器人与人类似，多数功能要通过手部操作来实现，因而手部结构是拟人机器人的重要组成部分，其设计是拟人机器人的关键技术之一。抓取功能是机器人手的最基本也是最重要的功能，提高机器人手抓取物体的能力是机器人手研究和设计的重要课题。
[0003]根据自由度与驱动器数目的关系，拟人机器人手可以分为灵巧手和欠驱动机器人手两大类。为了增加拟人化程度并提高抓取能力，拟人机器人手需要设计较多的关节自由度，同时，为了减轻控制难度、减小手部的体积和重量，需要减少驱动器数目。此外，为了更好地完成抓取物体的任务，需要手指在抓取物体时具有一定的自适应性。为实现形态上拟人，拟人机器人手表面一般还要覆盖一层适当柔性的材料，这层柔性材料通常还具有增加抓握时的摩擦力的作用。
[0004]目前，无论是灵巧手还是欠驱动机器人手都难以抓取细小物体。如何抓取形状不规则且至少在两个维度上尺寸接近或小于手指尺寸的物体，如金属丝、小尺寸螺母等，是机器人手设计及控制方面的一个难题。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，使其具有形状及柔软度可调节的表面，从而能够更好地抓取不同形状、尺寸的物体，同时，可使机器人手具备拈取细小物体或特殊形状物体的功能。
[0006]本实用新型的技术方案如下:
[0007]—种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，包括手指、关节轴、手掌和驱动装置；手指包括根部指段、中部指段和末端指段，手指结构及手指排布与人手相似，其特征在于:该机器人手装置还包括一个辅助抓取胶囊沙袋系统，该胶囊沙袋系统包括胶囊沙袋、真空抽气装置及管路；胶囊沙袋表面为高弹性薄膜，内部填充轻质坚硬颗粒；在每个手指的末端指段的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋，所述胶囊沙袋通过管路与真空抽气装置I连接。
[0008]本实用新型的另一技术特征是:在每个手指的中部指段和根部指段的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋，该胶囊沙袋通过管路与真空抽气装置连接。
[0009]本实用新型的又一技术特征是:在手掌的掌心一侧表面附着有一个或多个胶囊沙袋，该胶囊沙袋通过管路与真空抽气装置连接。
[0010]上述技术方案中，所述的高弹性薄膜采用乳胶、高弹性橡胶、或高弹性热塑性弹性体材料；所述的充轻质坚硬颗粒采用表面粗糙的天然或人造固体材料，其粒径介于2?
0.1mm。所述胶囊沙袋的厚度至少为5毫米。[0011]本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果:本实用新型装置利用在手指和手掌上附着的胶囊沙袋系统实现了拟人机器人手的表面硬度和形状的可控变化，利用胶囊沙袋的这一性质，可辅助机器人手完成拈取细小物体等动作，完成现有机器人手难以完成的抓取功能。这种机器人手装置结构简单、可靠、成本低，便于安装维护，与人手指相似，体积小、重量轻，可自动适应抓取不同形状和大小的物体，特别是具备拈取细小物体或特殊形状物体的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置正视图。
[0013]图2为图1局部手指部分的侧面刨视图。
[0014]图3为指尖拈取物体的立体投影视图。
[0015]图4为图3的侧面刨视图。
[0016]图5为多手指配合拈取细长物体的立体投影视图。
[0017]图6为图5的侧视图。
[0018]图7为多手指配合拈取异形物体的立体投影视图。
[0019]图8为抓握物体时手指示意图。
[0020]在图1至图8中:1 一真空抽气装置；2 —管路；3 —手掌；4 一关节轴；5 —根部指段；6 —中部指段；7 —末端指段；8 —胶囊沙袋；9 一高弹性薄膜10 —轻质坚硬颗粒；11 -被拈取物体；12 —被抓取物体。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图及实施例进一步详细介绍本实用新型的具体结构、工作原理和【具体实施方式】。
[0022]本实用新型设计的一种表面附着胶囊沙袋的机器人手装置的实施例，如图1、图2所示，此装置包括拟人机器人手主体刚性机械部分和辅助抓取胶囊沙袋系统两部分，拟人机器人手机械部分包括手掌3，关节轴4和手指，手指包括根部指段5、中部指段6和末端指段7 ;机械部分可以采用灵巧手的机械结构，也可以采用欠驱动手的机械结构，但其主体刚性机械部分厚度不应超过装置总体厚度的1/2，为胶囊沙袋系统留出足够空间；胶囊沙袋系统包括胶囊沙袋8、真空抽气装置I及管路2 ;胶囊沙袋表面为高弹性薄膜9，内部填充轻质坚硬颗粒10 ;所述的高弹性薄膜可采用乳胶或高弹性橡胶材料；所述的轻质坚硬颗粒可采用表面粗糙的天然或人造固体材料，其粒径介于2?0.1mm。
[0023]本实用新型可以只在每个手指的末端指段7的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋8，也可以同时在根部指段5、中部指段6和末端指段7以及手掌3的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋8。胶囊沙袋附着固定在拟人机器人手手指根部指段5、中部指段6、末端指段7以及手掌3的掌心一侧表面；手掌部位的胶囊沙袋可以是一个，也可以是数个，胶囊沙袋的整体厚度应不小于5毫米；附着胶囊沙袋后，机器人手的整体外观与人手相仿，胶囊沙袋通过带有阀门的管路2与真空抽气装置I相连，可快速改变胶囊沙袋内填充的空气的气压，并可维持胶囊沙袋内部的低气压；当胶囊沙袋内部维持低气压状态时，胶囊沙袋内部的轻质颗粒10发生颗粒堵塞效应，在此情况下胶囊沙袋整体呈现一定的硬度不可变形；当胶囊沙袋内部为常压状态时，内部轻质颗粒可移动，胶囊沙袋整体呈现柔软可变形状态。
[0024]本实施例的工作原理，如图3至图8所示。
[0025]图3、4展示了本实施例的胶囊沙袋工作原理及末端指段拈取功能，当胶囊沙袋8内部充有一定压力的空气时(通常为一个大气压)，胶囊沙袋整体柔软可变形，当位于机器人手指末端指段的胶囊沙袋8接触并按压细小物体，例如杆状物11时，被按压物体会陷入胶囊沙袋中，胶囊沙袋自发形成对被按压物体的包裹，此时，通过真空管路系统2抽走胶囊沙袋中的气体，胶囊沙袋内部气压降低，大气压通过胶囊沙袋表面的薄膜对内部的颗粒施加压力，会产生颗粒堵塞效应，胶囊沙袋内的颗粒受压力影响不再能自由改变位置，在此情况下，胶囊沙袋整体呈现一定硬度且不易变形，可将细小物体半包裹在其中，实现拈取的效果，对杆状、粒状、或形状不规则的细小物体都有效果。
[0026]附着于末端指段的胶囊沙袋可以比其他位置的胶囊沙袋更厚一些，以方便拈取物体。
[0027]每一个附着于手指或手掌表面的胶囊沙袋都可以独立实现对细小物体的拈取功能，多个胶囊沙袋配合可以实现对较大或形状复杂的物体的拈取。
[0028]图5、6、7展示了本实施例的多手指配合拈取功能，对于比较长的杆状物体或形状不规则的杆状物体，单个胶囊沙袋拈取可靠性较差，在此情况下，可利用分布在机器人手不同位置上的多个胶囊沙袋配合实现拈取，以便更好的适应被拈取物体的形状，使拈取更加
可靠、有效。
[0029]图8展示了本实施例的抓握功能。胶囊沙袋不影响机器人手机械部分所能实现的抓握功能，在胶囊沙袋呈柔软状态时抓住物体，并在胶囊沙袋适应被抓握物体的形状后通过真空抽气系统抽气使胶囊沙袋变硬，可以使机器人手更好地贴合不同形状物体，使抓握更为有效。
[0030]本实用新型利用附着于仿人机器人手表面的胶囊沙袋系统所具有的形状、硬度可控变化的性能综合实现了指尖拈取、手掌拈取、多手指配合拈取等抓取物体的特殊效果。这种机器人手装置结构简单、可靠、成本低，便于安装维护，与人手指相似，体积小、重量轻，可自动适应抓取不同形状大小物体。
【权利要求】
1.一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，包括手指、关节轴(4)、手掌(3)和驱动装置；手指包括根部指段(5)、中部指段(6)和末端指段(7，手指结构及手指排布与人手相似，其特征在于:该机器人手装置还包括一个辅助抓取胶囊沙袋系统，该胶囊沙袋系统包括胶囊沙袋、真空抽气装置(I)及管路(2);胶囊沙袋表面为高弹性薄膜(9)，内部填充轻质坚硬颗粒(10);在每个手指的末端指段(7)的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋(8)，所述胶囊沙袋通过管路(2 )与真空抽气装置(I)连接。
2.如权利要求1所述的一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，其特征在于:每个手指的中部指段(6 )和根部指段(5 )的掌心一侧表面分别附着有胶囊沙袋(8 )，所述胶囊沙袋分别通过管路与真空抽气装置连接。
3.如权利要求1或2所述的一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，其特征在于:手掌(3)的掌心一侧表面附着有一个或多个胶囊沙袋，所述胶囊沙袋通过管路与真空抽气装置连接。
4.如权利要求1所述的一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，其特征在于:所述的高弹性薄膜采用乳胶或高弹性橡胶材料。
5.如权利要求1所述的一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，其特征在于:所述的轻质坚硬颗粒采用表面粗糙的天然或人造固体材料，其粒径介于2?0.1mm。
6.如权利要求1所述的一种表面附着胶囊沙袋的拟人机器人手装置，其特征在于:所述胶囊沙袋的厚度至少为5毫米。
【文档编号】B25J15/08GK203495949SQ201320560994
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】郭庆翔, 张文增, 吕文清, 刘翠荣, 田丽, 怀英, 李锦鹏 申请人:郭庆翔, 清华大学