一种气体驱动柔性高分子软体机械手的制作方法

本发明涉及仿生手部装置，尤其是一种能实现与人体直接接触的互动以及简单实物的抓取的气体驱动柔性高分子软体机械手。

背景技术：

机械手是目前机器人领域的重要组成部分。它的特点是可以通过编程实现各种预期功能。传统机械手大都是以金属为材基的刚性机械手，其特点是单位质量输出功率大、动态性能好、工作精度高。因此，刚性机械手主要适用于在特定条件下的运输、抓取工作，但缺乏在多变环境中的顺应性。伴随着服务机器人行业的不断发展，单纯将传统工业机械手进行移植应用，无法满足服务机器人行业的需求。严重依赖结构化环境和精确数学模型的刚性机械手在上述的非结构复杂环境中与难以用准确的数学模型加以描述的复杂多变对象进行交互作业时，传统机械手的高刚度、高强度、高精度特点反而成为导致其不能胜任此类任务的缺点。此外，机械手功能越接近人体手的功能，就越具备复杂的机械结构、高昂的造价，并且由于其刚性结构具有伤人隐患，所以在人机接触领域存在一定弊端。在这种情况下，软体机械手研究逐渐兴起。科研工作者和工程技术人员借助于智能材料(如:硅橡胶、形状记忆合金sma、电活性聚合物epa等)和新型驱动技术(如:sma、气动、磁流变、epa等)，研究开发完全不用或少用刚性机构的新型机械手结构，这类软体机械手一般具有充分的柔顺性、适应性、超冗余或无限自由度，甚至可以任意改变自身形状和尺寸以适应环境和目标。

技术实现要素：

为了克服现有刚性机械手对环境的改变不具有足够灵活性、机械结构复杂、造价高昂的不足，本发明提供了一种气体驱动柔性高分子软体机械手，该机械手能够顺应接触物体表面变化，贴合物体表面，达到足够的顺应性；以高分子软体材料代替金属材料，可以保障使用过程中的安全性；其整体结构简单，使得制造与使用成本均保持较低水准，易于维护。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气体驱动柔性高分子软体机械手，包括下手掌、舵机、上手掌、软体手指和关节，所述软体手指设有气腔，所述气腔的下端与外界连通，所述气腔的上端封闭；所述软体手指包括大拇指、食指、中指、无名指和小拇指，所述大拇指胶接在所述下手掌一侧的安装槽内，所述下手掌设有与大拇指气腔连通的大拇指气管连接通道；所述下手掌另一侧安装所述舵机，所述舵机的动作端安装所述上手掌，所述食指、中指、无名指和小拇指分别包括下指节、关节和上指节，所述下指节的上端与关节的下端的安装凹槽连接，所述关节的上端的安装凹槽与上指节的下端连接，所述关节上设有与上指节的气腔连通的上指节气管连接通道；所述食指、中指、无名指和小拇指的下指节分别胶接在的所述上手掌的上端的安装凹槽内，所述上手掌设有与下指节的气腔连通的下指节气管连接通道，所述大拇指气管连接通道、四个上指节气管连接通道和四个下指节气管连接通道均通过控制阀接入气泵。

进一步，所述大拇指设有用于实现三个方向弯曲的三个气腔，三个气腔等圆弧间隔设置。

再进一步，所述食指、中指、无名指和小拇指的上指节与下指节的中部均设有一个气腔。

所述大拇指胶接在所述下手掌一侧的圆柱形安装槽内。

所述食指、中指、无名指和小拇指的下指节分别胶接在的所述上手掌的上端的圆柱形安装凹槽内。

所述关节呈圆柱形，所述下指节的上端与关节的下端的圆柱形安装凹槽连接，所述关节的上端的圆柱形安装凹槽与上指节的下端连接。

本发明中，软体手指由pdms与ecoflex00-30两种橡胶复合而成。承担大拇指功能的软体手指拥有三个气腔，气腔间隔120度。中间材料为pdms。气腔一端封闭，另一端与外界连通，分别充气可实现三个方向的弯曲。另外四根手指分为上下两层结构，中间只有一个气腔，气腔一端封闭，另一端与外界连通。

软体手指节气腔与气管连通，通过电磁阀接入气泵。由已经写好的单片机控制程序，通过单片机控制系统控制电磁阀的开闭，将气泵产生气体送入软体手指气腔，由于软体手指的材料特性，软体手指将向一侧弯曲。同时控制手掌舵机转动，保持下手掌不动，上手掌随舵机转动，实现手掌的弯曲。软体手指的弯曲动作与手掌动作相配合，实现气动柔性机械手的仿生功能。

本发明的有益效果主要表现在：可以控制整只手的运作，手指分关节运动以及手掌运动相结合，接近人手的动作模式，且使用的结构简单，降低了制造成本。

附图说明

图1是气体驱动柔性高分子软体机械手的正面图。

图2是气体驱动柔性高分子软体机械手的背面图。

图3是指节的示意图。

图4是关节的示意图。

图5是大拇指的示意图。

图中，1.无名指上指节，2.小拇指上指节，3.无名指关节，4.小拇指关节，5.无名指下指节，6.小拇指下指节，7.上手掌，8.舵机，9.下手掌，10.大拇指，11.食指下指节，12.中指下指节，13.食指关节，14.中指关节，15.食指上指节，16.中指上指节，17.大拇指气管连接通道，18.小拇指下指节气管连接通道，19.无名指下指节气管连接通道，20.小拇指关节气管连接通道，21.无名指关节气管连接通道，22.食指关节气管连接通道，23.中指关节气管连接通道，24.食指下指节气管连接通道，25.中指下指节气管连接通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种气体驱动柔性高分子软体机械手，包括下手掌9、舵机8、上手掌7、软体手指和关节，所述软体手指设有气腔，所述气腔的下端与外界连通，所述气腔的上端封闭；所述软体手指包括大拇指10、食指、中指、无名指和小拇指，所述大拇指10胶接在所述下手掌9一侧的安装槽内，所述下手掌9设有与大拇指气腔连通的大拇指气管连接通道17；所述下手掌9另一侧安装所述舵机8，所述舵机8的动作端安装所述上手掌7，所述食指、中指、无名指和小拇指分别包括下指节、关节和上指节，所述下指节的上端与关节的下端的安装凹槽连接，所述关节的上端的安装凹槽与上指节的下端连接，所述关节上设有与上指节的气腔连通的上指节气管连接通道；所述食指、中指、无名指和小拇指的下指节分别胶接在的所述上手掌7的上端的安装凹槽内，所述上手掌7设有与下指节的气腔连通的下指节气管连接通道，所述大拇指气管连接通道17、四个上指节气管连接通道和四个下指节气管连接通道均通过控制阀接入气泵。

进一步，所述大拇指10设有用于实现三个方向弯曲的三个气腔，三个气腔等圆弧间隔设置。

再进一步，所述食指、中指、无名指和小拇指的上指节与下指节的中部均设有一个气腔。

所述大拇指10胶接在所述下手掌9一侧的圆柱形安装槽内。

所述食指、中指、无名指和小拇指的下指节分别胶接在的所述上手掌的7上端的圆柱形安装凹槽内。

所述关节呈圆柱形，所述下指节的上端与关节的下端的圆柱形安装凹槽连接，所述关节的上端的圆柱形安装凹槽与上指节的下端连接。

在图1中，大拇指10安装在下手掌9的大拇指安装凹槽中，采用胶接，气腔与大拇指气管通道17连通。舵机8的左右两个表面，分别通过螺钉与上手掌7、下手掌9连接在一起。舵机控制导线连接到控制电路中。小拇指下指节6、无名指下指节5、中指下指节12、食指下指节11，通过胶接连接到上手掌7对应的四个圆柱形安装凹槽中并且四个下指节气腔分别与对应的小拇指下指节气管连接通道18、无名指下指节气管连接通道19、中指下指节气管连接通道25，食指下指节气管连接通道24连通。

小拇指下指节6、无名指下指节5、中指下指节12、食指下指节11，通过胶接连接到小拇指关节4、无名指关节3、中指关节14、食指关节13对应的无气管连接通道的圆柱形凹槽中。小拇指关节4、无名指关节3、中指关节14、食指关节13有气管连接通道的圆柱形凹槽通过胶接，连接小拇指上指节2、无名指上指节1、中指上指节16、食指上指节15，气腔与小拇指关节气管连接通道20、无名指关节气管连接通道21、中指关节气管连接通道23，食指关节气管连接通道22连通。