一种防干扰气动手指及其制备方法与流程

本发明涉及一种防干扰气动手指及其制备方法。

背景技术：

软体机器人在很多领域中都需要用到，例如工业领域中易碎物品的抓取、医疗手术中与人体组织的接触、抢险救灾中的探险与搜救、农业机器人对果实的抓取与采收等。为了实现柔性抓取，目前采用的材料有形状记忆性合金(sma)、硅胶或橡胶、编织型弹性纤维，驱动方式主要有电机驱动、机械柔索驱动(或缆线驱动)、肌电控制(emg)、气动等方式。以仿人形手指的制作为例，主要结构有“金属指骨+全弹性体材料(硅胶或橡胶)”(如中国专利文献zl200680048498.2、zl201611177289.x)、“鲍登线+柔性外骨骼”(如中国专利文献zl201610018740.7)、“气动+编织型结构”(如中国专利文献zl201610095373.0)、“气动+全弹性体材料(硅胶或橡胶)”(如中国专利文献zl201510377294.4、zl201620683993.1)等方式，根据使用需要有的结构中会加入限制应变层。

上述结构与人体手指非常近似，但使用中在功能上还存在以下不足：1)采用“金属指骨+弹性体材料”的方式不能实现不同物品抓取时表面接触的不同柔性要求；2)采用“气动+编织型结构或弹性体材料”容易受到外界干扰，当与其他物体发生碰撞、受到冲击时易引起形变、影响动作精度；3)目前大多数气动手指都采用单腔体式结构，自由度有限，充放气需要一定时间，如果要实现多自由度则结构和控制方式过于复杂，实用性和稳定性较差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种防干扰气动手指及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种防干扰气动手指，包括气动中骨、末端手指、波浪形缓冲外套、末端联接装置、衬套和指根联接件；所述气动中骨和末端手指均设有两个内腔，气动中骨内的两个内腔分别连通末端手指内的两个内腔；所述波浪形缓冲外套套设于气动中骨外部，并且波浪形缓冲外套的内表面与气动中骨外表面之间设有间隙；所述波浪形缓冲外套的末端通过末端联接装置与气动中骨的末端可拆卸地密封固定连接；所述衬套可拆卸地密封固定在气动中骨的近端与波浪形缓冲外套的近端之间，衬套上设有能够向波浪形缓冲外套的内表面与气动中骨外表面之间的间隙内充气的外充气口；所述指根联接件可拆卸地密封固定在气动中骨的近端端部，指根联接件上设有两个能够分别向气动中骨的两个内腔中充气的内充气口。所述气动中骨、末端手指、波浪形缓冲外套均采用弹性材料，且其柔性依次提高。

所述气动中骨和末端手指为一体式结构。

所述波浪形缓冲外套的波峰部位的内侧封装有铁丝环和用于支撑铁丝环的软体铁丝支撑环。

所述末端联接装置包括卡簧、密封圈和第一卡箍及其锁紧装置；所述卡簧封装在气动中骨的末端内侧；所述气动中骨的末端设有环形凸台，环形凸台上设有环形燕尾槽；所述密封圈将波浪形缓冲外套的末端收紧在气动中骨的环形燕尾槽内，并通过第一卡箍及其锁紧装置锁紧。

所述气动中骨的环形凸台与末端手指之间设有限位挡环。

所述衬套采用带通孔的台阶式结构；所述衬套的小端深入气动中骨的近端与波浪形缓冲外套的近端之间，衬套的小端与气动中骨之间设有间隙，波浪形缓冲外套的近端通过第二卡箍及其锁紧装置锁紧在衬套的小端上；所述衬套的大端与气动中骨过盈配合；所述外充气口设置在衬套的大端的侧面，并通过设置在衬套的大端内部的“l”型充气通道连通衬套的小端的内腔。所述外充气口的进气管路上设有压力传感器和压力补偿控制系统。

所述指根联接件包括联接座和对称设置在联接座上的两个截面呈半圆环形的联接头；所述两个联接头从气动中骨的近端端部分别插入气动中骨的两个内腔中，并通过第三卡箍及其锁紧装置锁紧；所述两个内充气口分别设置在联接座的两侧，并分别连通两个联接头的内腔；所述联接座上还对称设有两个联接环。两个联接环的设置方向与两个内充气口的设置方向呈90°。两个内充气口的进气管路分别采用双电控电磁阀换向、电比例减压阀控制压力。

所述防干扰气动手指的制备方法，包括以下步骤：

①、先采用3d打印或浇注的方法得到内腔为圆柱形的一体式结构的气动中骨与末端手指；

②、再在气动中骨的末端内侧放入卡簧；

③、用浇注的方法在气动中骨的内腔中对卡簧进行固定封装，并得到贯通气动中骨与末端手指内侧的两腔隔板，从而形成两个内腔；

④、采用浇注的方法制作波浪形缓冲外套；

⑤、通过密封圈将波浪形缓冲外套的末端收紧在气动中骨的环形燕尾槽内，并通过第一卡箍及其锁紧装置锁紧；

⑥、通过第二卡箍及其锁紧装置和第三卡箍及其锁紧装置分别安装衬套和指根联接件。

所述步骤④中的波浪形缓冲外套的制作方法为：

ⅰ、采用铸铁或铝合金制作出波浪形缓冲外套的内轮廓实心模具和外轮廓模具；

ⅱ、采用3d打印或浇注的方法得到多个截面呈半圆形的软体铁丝支撑环；在内轮廓实心模具的波峰上依次套上多个软体铁丝支撑环，再在软体铁丝支撑环的外侧套上铁丝环，再套上外轮廓模具；

ⅲ、采用软体材料，在内轮廓模具与外轮廓模具之间形成的腔体内运用浇注的方法得到封装有铁丝环和软体铁丝支撑环的波浪形缓冲外套。

所述外轮廓模具包括对称设置的上外轮廓模具和下外轮廓模具。

采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明具有防干扰、动作精度高、灵活性强、制作成本低的优点，可以应用于仿生领域及工业动态抓取，前景广阔。

(2)本发明动作灵活。可以实现内缩夹持、外翻松开两个最主要的自由度，并且可以通过调整波浪形缓冲外套的结构或控制波浪形缓冲外套的内表面与气动中骨外表面之间的间隙中的压力对气动手指的动作进行微调。与一侧采用限制应变层导致只能实现主动弯曲的传统气动手指相比，本发明动作范围更加灵活。

(3)本发明连续抓取时的工作效率较高。一方面两个内充气口的进气管路分别采用双电控电磁阀换向、电比例减压阀控制压力，这样只需要通过调整气动中骨两个内腔的压力差便可实现内缩夹持、外翻松开两个动作，比传统的通过充放气来实现夹紧与松开效率要高；另一方面气动中骨采用两腔式结构，控制起来比三腔式结构或多自由度结构更简单，动作效率更高。因而可以应用于工业现场动态抓取任务。

(4)本发明防冲击防干扰能力强。波浪形缓冲外套结构、外充气口的进气管路上设有压力传感器和压力补偿控制系统为本装置的防冲击防干扰提供三重保障。其中，波浪形缓冲外套的波峰内侧封装的铁丝环能提高气动手指主体最外侧的接触强度，从而提高其抗冲击能力；波浪形缓冲外套的内表面与气动中骨外表面之间留有一定的间隙，能为本装置受到冲击时提供压力缓冲空间；波浪形缓冲外套的波谷和波浪形缓冲外套的柔性材料对碰撞时的应力起到消解作用；波浪形缓冲外套的波浪形结构能避免应力的轴向传递和扩散。因而本装置适用于较为复杂的工作环境。

(5)本发明动作精度高。本装置防冲击防干扰能力提高的同时，也保证了气动手指的动作精度。气动中骨的弹性材料柔性比末端手指的柔性更低，这一方面保证气动中骨在弯曲过程中形变不至于太大，从而保证气动手指动作的精度；也能保证末端手指接触时的灵活性，能够完成更灵巧的动作；气动中骨两个内腔压力单独控制能确定气动手指的位姿和输出力，波浪形缓冲外套的内表面与气动中骨外表面之间设置间隙和压力调节能对气动手指的位姿和输出力进行微调，进一步保证动作精度。因而本装置适用于高精度作业。

(6)本发明夹持工作时为柔性接触，并且接触力可控，能适应不同场合的使用需求。本专利的夹持部分为末端手指，采用弹性结构(硅胶或橡胶)、气压驱动，因而夹持接触面为柔性结构、接触力可控。末端手指的结构与人体手指相似，因而与现有的部分波浪形气动手指利用波浪形表面直接夹持相比本专利的接触面积更大、夹持更稳定，且能完成精细动作。本专利主要部件均可拆卸，互换性和通用性好，便于不同应用场合下进行调试和改进。因而本装置可以应用于柔性夹持作业。

(7)本发明制作成本低、容易形成系列化产品。气动中骨、末端手指、铁丝支撑环等存在曲面或局部结构复杂的元件或者数量较多的简单元件采用3d打印制作，3d打印难以解决的结构采用浇注的方法辅助制作，因此综合了3d打印快速成型技术和浇注成型的优势，使成本降低；并且便于根据材料和结构的不同设计系列化的产品，供不同场合使用。并且，气动中骨采用3d打印的方法更容易实现变截面结构的制作，使气动手指的位姿和输出力控制更加精准。因而本装置实用性强、应用前景广阔。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的轴向截面示意图。

图3为本发明的末端的放大示意图。

图4为本发明的衬套的结构示意图。

图5为本发明的指根联接件的结构示意图。

图6为制作本发明的波浪形缓冲外套的模具的结构示意图。

附图中的标号为：

气动中骨1、环形凸台1-1、限位挡环1-2、末端手指2、波浪形缓冲外套3、末端联接装置4、卡簧4-1、密封圈4-2、第一卡箍及其锁紧装置4-3、衬套5、第二卡箍及其锁紧装置5-2、外充气口5-1、指根联接件6、内充气口6-1、联接座6-2、的联接头6-3、第三卡箍及其锁紧装置6-4、联接环6-5、内轮廓实心模具7、外轮廓模具8、上外轮廓模具8-1、下外轮廓模具8-2。

具体实施方式

(实施例1)

见图1至图5，本实施例的防干扰气动手指，包括气动中骨1、末端手指2、波浪形缓冲外套3、末端联接装置4、衬套5和指根联接件6。

气动中骨1和末端手指2为一体式结构。气动中骨1根据需要可以采用变截面结构，截面可以是圆形、矩形或梯形。气动中骨1和末端手指2均设有两个内腔，气动中骨1内的两个内腔分别连通末端手指2内的两个内腔。

波浪形缓冲外套3套设于气动中骨1外部，并且波浪形缓冲外套3的内表面与气动中骨1外表面之间设有间隙。波浪形缓冲外套3的波峰部位的内侧封装有铁丝环3-1和用于支撑铁丝环3-1的软体铁丝支撑环3-2。铁丝环3-1的硬度不能太硬，以免影响气动手指的弯曲；也不能太软，否则起不到防冲击的作用。软体铁丝支撑环3-2采用软体结构，对铁丝环3-1起到支撑作用，便于将铁丝环3-1与波浪形缓冲外套3进行浇注封装。根据铁丝环3-1的材料、厚度的不同，以及波浪形缓冲外套3的材料、结构和厚度的不同，可以制作多个波浪形缓冲外套3备用件，以适于不同场合的使用需求。波浪形缓冲外套3可以采用不对称结构，并且可通过旋转调整波浪形缓冲外套3的不同安装角度以实现气动手指不同位姿的弯曲。

波浪形缓冲外套3的末端通过末端联接装置4与气动中骨1的末端可拆卸地密封固定连接。末端联接装置4包括卡簧4-1、密封圈4-2和第一卡箍及其锁紧装置4-3。卡簧4-1封装在气动中骨1的末端内侧。气动中骨1的末端设有环形凸台1-1，环形凸台1-1上设有环形燕尾槽。密封圈4-2将波浪形缓冲外套3的末端收紧在气动中骨1的环形燕尾槽内，并通过第一卡箍及其锁紧装置4-3锁紧。气动中骨1的环形凸台1-1与末端手指2之间设有限位挡环1-2，防止第一卡箍及其锁紧装置4-3在工作时脱落。

衬套5可拆卸地密封固定在气动中骨1的近端与波浪形缓冲外套3的近端之间，衬套5上设有能够向波浪形缓冲外套3的内表面与气动中骨1外表面之间的间隙内充气的外充气口5-1。衬套5采用带通孔的台阶式结构。衬套5的小端深入气动中骨1的近端与波浪形缓冲外套3的近端之间，衬套5的小端与气动中骨1之间设有间隙，波浪形缓冲外套3的近端通过第二卡箍及其锁紧装置5-2锁紧在衬套5的小端上。衬套5的大端与气动中骨1过盈配合。外充气口5-1设置在衬套5的大端的侧面，并通过设置在衬套5的大端内部的“l”型充气通道连通衬套5的小端的内腔。

指根联接件6可拆卸地密封固定在气动中骨1的近端端部，指根联接件6上设有两个能够分别向气动中骨1的两个内腔中充气的内充气口6-1。指根联接件6包括联接座6-2和对称设置在联接座6-2上的两个截面呈半圆环形的联接头6-3。两个联接头6-3从气动中骨1的近端端部分别插入气动中骨1的两个内腔中，并通过第三卡箍及其锁紧装置6-4锁紧。两个内充气口6-1分别设置在联接座6-2的两侧，并分别连通两个联接头6-3的内腔。联接座6-2上还对称设有两个联接环6-5。

外充气口5-1和两个内充气口6-1的压力均采用电比例减压阀调节，换向采用双电控二位三通阀控制，整个装置采用plc(可编程控制器)或单片机进行控制，并设置上位机或显示屏。连通外充气口5-1的气动管路上安装有压力传感器。当气动手指工作过程中与机械构件接触或受到外部冲击，引起外腔压力变化时，相应的压力传感器会向控制端发出警报，当压力超过阈值时会通过系统决策对外腔的电比例减压阀发出指令，从而对外腔的压力进行补偿以保证气动手指位姿和输出力的精度；当外部冲击力过大时，还需要对气动中骨的两个内腔的压力进行调节。通过结构的巧妙设计与控制方案保证气动手指的动作精度和稳定性。

本实施例的防干扰气动手指的制备方法，包括以下步骤：

①、先采用3d打印或浇注的方法得到内腔为圆柱形的一体式结构的气动中骨1与末端手指2。

②、再在气动中骨1的末端内侧放入卡簧4-1。

③、用浇注的方法在气动中骨1的内腔中对卡簧4-1进行固定封装，并得到贯通气动中骨1与末端手指2内侧的两腔隔板，从而形成两个内腔。

④、采用浇注的方法制作波浪形缓冲外套3，见图6，波浪形缓冲外套3的制作方法为：

ⅰ、采用铸铁或铝合金制作出波浪形缓冲外套3的内轮廓实心模具7和外轮廓模具8。外轮廓模具8包括对称设置的上外轮廓模具8-1和下外轮廓模具8-2。

ⅱ、采用3d打印或浇注的方法得到多个截面呈半圆形的软体铁丝支撑环3-2。在内轮廓实心模具7的波峰上依次套上多个软体铁丝支撑环3-2，再在软体铁丝支撑环3-2的外侧套上铁丝环3-1，再套上外轮廓模具8。

ⅲ、采用软体材料，在内轮廓模具7与外轮廓模具8之间形成的腔体内运用浇注的方法得到封装有铁丝环3-1和软体铁丝支撑环3-2的波浪形缓冲外套3。

⑤、通过密封圈4-2将波浪形缓冲外套3的末端收紧在气动中骨1的环形燕尾槽内，并通过第一卡箍及其锁紧装置4-3锁紧。

⑥、通过第二卡箍及其锁紧装置5-2和第三卡箍及其锁紧装置6-4分别安装衬套5和指根联接件6。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。