一种微管道的软体夹持手指的制作方法

本发明涉及软体夹持手指，尤其是一种微管道的软体夹持手指。

背景技术：

工业领域的机器人大多基于刚性结构，包括金属骨架、电机、传统的机械夹持器，和机械关节等。可以高效执行需要高精度、快速运动、或高强度的任务。然而，这些刚性机器人往往重量大、价格昂贵、控制方式复杂。虽然近年来出现了一些轻量化的机器人夹持器设计，且能够进行精细的操作，但是仍然易使被夹件受到冲击或挤压损伤。不论是机械关节的研发，还是传感器的高效应用，都不能从根本上解决夹持器易造成机械损伤的问题。

常见的机械手夹持器应用十分广泛，种类繁多，精巧的机构设计能使其结构简单、紧凑，重量轻，效率高。一般的工业产品可以使用该种夹持器进行抓取作业。而对于极易破碎的产品，或价格昂贵的工艺品，使用普通机械手夹持器不可避免的会对该类物品造成损伤，且对于不同复杂形状的被夹件，机械手夹持器往往需要对应的特殊设计。自然界中，象鼻、章鱼触手等通过弯曲，缠绕于物体表面来抓取物体的方式具有高度的灵活性，且尽可能地减少了物理损伤。

技术实现要素：

为了克服已有机械夹持方式的灵活性较差、存在机械冲击导致物理损伤的不足，本发明提供一种灵活性较好、避免物理损伤的微管道的软体夹持手指。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种微管道的软体夹持手指，包括用于通过自身形变来适应被夹件形状及提供夹持力的弹性手指部分和用于控制弹性手指内气室压强的微流控制部分，所述弹性手指部分包括手指本体和塑形条，所述手指本体为弹性材料制作的本体，所述手指本体呈长方体，所述塑形条纵向布置在所述手指本体的两侧，每一侧的上下各布置一根塑形条；所述手指本体的中部布置气室，所述气室包括直四棱柱气室和直三菱柱气室，从横向截面上看，气室呈上下对称设置，且上层气室或下层气室均为直四棱柱气室和直三菱柱气室间隔布置；从纵向截面上看，同一排的直四棱柱气室和直三菱柱气室前后等间隔设置；所述微流控制部分包括微管管道和微气流驱动器，所述微管管道穿过所述手指本体并与各个直四棱柱气室和直三菱柱气室连通。

进一步，所述夹持手指还包括力反馈部分，所述力反馈部分包括触觉传感器和控制器，所述触觉传感器安装在所述手指本体的工作接触面，所述触觉传感器与所述控制器连接。

再进一步，所述触觉传感器呈阵列式分布在所述工作接触面上。

更进一步，所述直四棱柱纵向剖面呈等腰梯形，所述直三棱柱的横向剖面呈等腰三角形。

优选的，同一排中，所述直四棱柱气室比直三菱柱气室多一个，位于两侧的直四棱柱气室靠近所述塑形条。

所述塑形条的横截面呈圆形。

本发明的技术构思为：基于弹性材料形变原理设计而成，使用微流气体驱动和控制，能够高度灵活地在空间中运动，并且能够尽可能地增大与复杂形状被夹件的接触面积，同时由于是柔软的弹性材料，作用于被夹件上的力无刚性冲击且分布趋于均匀。

所述弹性手指部分包括：主体形变材料及塑形材料的选择，考虑到在气室内压强变化的驱动下，该手指需要产生足够的形变来保证夹持力，同时避免自身扭结及过度形变影响初始形状的恢复。其次，气室形状及排布方式的设计，所述气室形状需保证单个气室在压强变化下能够产生需要的形变，考虑到实际作业中手指不需要如同章鱼触手那么多的自由度，所以依据夹持力作用方向和适应复杂形状方向来设计气室排布方式，同时考虑不影响塑形。每一个气室通过对应的微管与气动驱动连接，为简化控制，结合实际作业动作的考虑，某些气室可以使用同一条微管控制，即在这些气室同步形变时不影响夹持动作。

所述微流控制部分包括：考虑到气体质量轻、反应迅速，采用微气流介质。首先建立单个气室与手指材料形变的力学关系，在此基础上，建立空间区域内气室群气压变化与手指弯曲程度的物理模型，因每一个气室对应独立的微管控制，即可得到微管群与该弹性手指某一区域形变的关系。

所述力反馈部分包括：使用触觉传感器确认弹性手指在主要接触面上都达到了夹持力要求。而且，与上述微流控制部分结合，控制手指向着增大接触面积的方向发生形变，达到自适应复杂形状被夹件表面的目的。所述触觉传感器需均布于整个手指设计的接触面上，在开始接触被夹件时，反馈未接触的区域，控制器驱动相应区域内的气室使得接触面积增加。

本发明的有益效果主要表现在：

1)该夹持手指全部使用柔性材料，对被夹件无任何刚性冲击；

2)该夹持手指内部气室采用微流控制技术，每一个气室都可以独立控制，且通过气室内气压与手指形变关系的建立，可以精确的控制该手指上任意位置的形变。实现空间中多自由度的运动，能够随着复杂形状被夹件表面形变，增大接触面积减少应力集中造成的损伤；

3)该夹持器采用触觉传感器进行力反馈，不仅保证了夹持的稳定性，还在微管道技术的基础上，通过控制器实时分析，实现了对复杂形状被夹件的自动适应。

附图说明

图1是本发明弹性手指透视图；

图2是图1的一处纵向剖视图及细节图；

图3是图1的一处横向剖视图；

图4是梯形气室和三角形气室的受力分析图；

图5是平面上手指弯曲与两列气室压强大小的关系示意图；

图6是两种类型气室驱动手指上某一区域进行空间弯曲示意图；

图7是触觉传感器排布及接触面划分区域示意图；

图8是三个弹性手指夹持的控制流程图。

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8，一种微管道的软体夹持手指，包括用于通过自身形变来适应被夹件形状及提供夹持力的弹性手指部分和用于控制弹性手指内气室压强的微流控制部分，所述弹性手指部分包括手指本体和塑形条5，所述手指本体为弹性材料制作的本体，所述手指本体呈长方体，所述塑形条5纵向布置在所述手指本体的两侧，每一侧的上下各布置一根塑形条5；所述手指本体的中部布置气室，所述气室包括直四棱柱气室2和直三菱柱气室4，从横向截面上看，气室呈上下对称设置，且上层气室或下层气室均为直四棱柱气室2和直三菱柱气室4间隔布置；从纵向截面上看，同一排的直四棱柱气室2和直三菱柱气室4前后等间隔设置；所述微流控制部分包括微管管道4和微气流驱动器，所述微管管道4穿过所述手指本体并与各个直四棱柱气室2和直三菱柱气室4连通。

进一步，所述夹持手指还包括力反馈部分，所述力反馈部分包括触觉传感器2和控制器，所述触觉传感器2安装在所述手指本体的工作接触面1，所述触觉传感器与所述控制器连接。

再进一步，所述触觉传感器2呈阵列式分布在所述工作接触面1上。

更进一步，所述直四棱柱纵向剖面呈等腰梯形，所述直三棱柱的横向剖面呈等腰三角形。

优选的，同一排中，所述直四棱柱气室比直三菱柱气室多一个，位于两侧的直四棱柱气室靠近所述塑形条。

所述塑形条的横截面呈圆形。

图1是本发明弹性手指透视图。该手指主体部分为一长方体。如图所示，该手指由均匀排布的气室、微管管道，和塑形条三部分组成。该手指由弹性材料，如硅胶，弹性聚酯材料等制造而成，在气室附近使用弹性较大的材料保证足够的形变，采用当今微流控技术普遍使用的直径为0.5mm的微管道，管道附近使用弹性较小的材料防止管道受压变形，图3中塑形条5使用弹性较小的材料防止该手指自身扭结和保证夹持的稳定性。具体制造工艺这里不做介绍。

气室形状设计分为两种，底面为等腰梯形的直四棱柱，和底面为等腰三角形的直三棱柱，将这两种形状的气室间隔排布。如图2所示，在该手指的工作接触面1上，四棱柱气室2排布如图，在局部放大图中可以看到，微管管道3在该手指中部连接每一个气室。图3中三棱柱气室4的设计是为了在该平面上，该手指能够随着复杂形状被夹件的表面弯曲，增大接触面积。因被夹件外形可能十分复杂，为更好的适应其表面，需要每个气室单独控制。所以在设计气室大小及排布密度时需考虑到，气室太多的情况下需要相应数量的微管，且控制相对复杂；在不考虑制造难度及控制难度时，设计气室越多该手指的灵活性越强，气室太少的情况下影响其灵活性。根据实际作业对象的形状复杂程度来设计气室排布密度。

为了合理设计气室尺寸参数，根据理论力学原理，建立气室形状与内部压力的数学关系。假设忽略弹性材料自身重力引起的形状变化。如图4(1)所示，假设该气室内气体压强为p，梯形斜边长度为l1，上边长度为l2，其夹角为θ，气室的深度为h，左边承受的张力为f1，上边承受的张力为f2，气室上面与手指外面的距离为l，如该手指外面为接触面，有外力fk，否则fk为0。当气室内部气压增大时，张力f1和f2增大。据此得出，气室上面的力学方程为：

f1sinθ＝phl2+fk.........................................................(1)

气室左斜面的力学方程为:

phl1＝f2cosθ...........................................................(2)

从上式可看出，若该面为非接触面，fk为0，气压p增大时，f1，f2增大，且对气室上面的压力最大，而气室左侧材料与上面材料厚度l相比较厚，所以弹性形变主要发生在气室上面，l2增大。若该面为接触面，随着p的减小，θ减小。综上，即驱动手指非接触面伸长，接触面收缩，使得手指向着接触方向弯曲。同理可推出图4(2)中三角形气室外力和内部气压对结构形状的变化情况，得到相同结论，不同的是，因图6切面为非提供主要提拉力的平面，且为提高手指内部空间利用率，设计三角形气室上边长l4<l2，即同样p变化下，三角形气室提供的弯曲能力弱于梯形气室。

该力学分析为理想情况下的外力和内部气压对结构形状的变化情况，为构建气室矩阵模型，还需建立运动学分析。从上面的力学分析可知，为了使该手指能够弯曲，关键使两列梯形或三角形上边长度不同，使得气室间距不同。对该弹性手指的运动学分析依据分段常曲率的理论进行建模，假设弹性手指以常曲率弯曲，如图5(1)两列气室的弯曲平面示意图所示，图中以圆形代替梯形或三角形气室，每两个气室之间一小段通过曲率半径ri及圆心角θi来描述。可以看出，当右边气室气压比左边大时，气室间距l2>l1，手指向左侧弯曲，反之同理。而且，气室单元越多越密集，其能够做出的形变就越复杂。手指中心弧长li与曲率半径ri及圆心角θi(弧度制)的关系式为

li＝ri×θi......................................................(3)

如图5(2)所示，在开始调整两侧微管压强时，还未产生弯曲，当两侧因压强不同产生的切向张力q2远大于q1时，建立微管横截面积与产生张力的大小关系，将其对手指的作用力等效于正向压力fn'作用于该区域末端的情况，将弹性体受内力弯曲简化为求解简直梁弹性曲线问题。

为了合理设计弹性手指厚度、长度等参数，根据理论力学、弹性力学原理，建立单个弹性手指在一个方向上的弯曲角度与其内部施加的压力之间的数学公式。建立坐标系并写出弯矩方程

m(x)＝fn′(x-l)..................................................(4)

应用位移边界条件求积分方常数

eif″＝-m(x)＝fn′(l-x)

得出

写出弹性曲线方程

最大挠度及最大转角

这样就建立了弹性手指在一个平面上的弯曲角度与其施加的压力之间的关系。通过上述力学可行性分析，可以得到弹性手指尺寸与弯曲角度之间的关系，据此设计该弹性关节厚度、长度等参数。

如图6所示，两种形状的气室在相互垂直的平面上的弯曲形成了弹性手指的空间曲面。即该弹性手指在空间中的弯曲角度由两个平面的弯曲角度决定。由此可得，为形成空间中某一区域的手指曲面，需要对该区域内的气室群进行矩阵控制。

为实现弹性手指对被夹件形状的自适应，需在手指接触面添加触觉传感器来进行自动控制。这里采用电阻式薄膜压力传感器均匀排布于手指接触面，因其尺寸小而薄，且均有柔性、可弯曲等优点，适用于该弹性手指而不影响手指形变。根据传感器排布将接触面分为大小相同的区域，如图7所示，图中接触面1被触觉传感器2分为大小相同的方格区域，每一个区域按照图6示意图单独控制。

具体实施案例所示，应用三个该弹性手指的夹持装置夹持一瓷瓶，理想情况下弹性手指随瓶身形状弯曲。如整体控制流程图8所示，在实施例1夹持该瓷瓶时，首先设定抓取该产品每一个传感器需达到的压力范围，并标记每一个方格区域包含的气室对应的微流管，建立这些微流管气压变化与该区域内弹性手指空间弯曲的力学关系；在夹持过程中，以最先有力反馈的传感器为中心，驱动该区域上下区域也进行弯曲形变，保证竖直方向主要提拉面完全接触。当开始时有区域连续的传感器反馈接触的情况下，将这些区域视为一个图6区域驱动变形，使这些连续区域弯曲弧度过渡平缓。以首次接触区域的传感器压力的变化来判断上下区域弯曲方向正确与否，如当首次接触区域下方进行对于被夹件向内弯曲时，首个传感器压力减小，即说明该下方弯曲方向错误，立刻互换该区域两侧气室压力改变弯曲方向；在上下区域进行调整的同时，驱动左右区域向内弯曲，扩大接触面积；当所有传感器都接触被夹件时，微调每个区域使其压力值达到预定范围，直至夹持成功。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化以及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。