柔韧耦合型软体驱动器及其末端执行器的制作方法

本发明涉及一种柔韧耦合型软体驱动器及其末端执行器。

背景技术

末端执行器是连接机器人与操作对象的重要媒介。与传统的刚性末端执行器相比，软体末端执行器具有适应性强、安全性高、质量轻、成本低、能量利用率高等优点。近年来，软体末端执行器以其高度自适应性及潜在的应用前景，使其在工业产品装卸与装配、军事机器人、农业机器人和服务机器人得到了重要应用。目前，已经出现了很多有关软体末端的创新设计，例如，专利cn201510377294.4中公开了一种气动的软体抓持装置，该装置包括有气动软体机械手、导气支撑组件、导气基座、盖板和气源分流器；专利cn201610515673.x中公开了一种双通道软体手指及软体机器人，该双通道软体手指上设有手指末端、手指接头、柔性关节、手指指板和柔性节肩。

目前，软体末端执行器主要由气动软体驱动器组成，普遍存在工作气压低、抓取力小的缺点。解决这一问题的有效手段是为软体驱动器增加驱动力增强层，但由于软体驱动器的结构形式多样，导致驱动力增强方面的工艺难度较大。因此，创造出工作气压高、抓取力大、且工艺简单的软体驱动器具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明针对现有软体驱动器的驱动力较小、及驱动力增强方面的工艺较为复杂等缺点，提供了柔韧耦合型的软体驱动器及其柔性末端执行器。

根据本发明的柔韧耦合型软体驱动器，其构造原理是通过在软体材料制成的保持体中嵌入具有增强层的条形气囊，从而形成高柔性软体材料与高韧性纤维材料的柔韧耦合结构，以提高软体驱动器的工作压力与驱动力，并降低其增强工艺的难度。本发明的柔韧耦合型软体驱动器及其末端执行器提供了两个柔韧耦合型软体驱动器的实施方案，以及两个由该柔韧耦合型软体驱动构成的末端执行器的实施方案。

根据本发明的一方面，柔韧耦合型软体驱动器包括：气囊，气囊的一端具有通气导管；保持架，保持架形成为腔体结构，该腔体结构具有开口面，腔体内能够容纳气囊；盖，盖与保持架顶部的开口面相配合。其中，在保持架内部，保持架的腔体内具有梳状凹槽，并且在保持架的外部，两个侧部及保持架的底部均布置有凸起，且在保持架的侧部和底部的过渡区域，该凸起互相连通，并通过圆弧过渡；并且，盖上也形成有突出部，且该突出部在盖与保持架相配合的一侧形成为凹部。

根据本发明的一方面，优选地，在保持架的内部，腔体内的梳状凹槽能够从保持架顶部的开口面附近向内延伸至保持架腔体的底部；并且，根据本发明，该腔体内的梳状凹槽也能够向内延伸至保持架至少侧面高度的三分之二处。

根据本发明的一方面，优选地，保持架的外侧面形成为对称面，并且两个对称面与其对称平面之间能够具有夹角，并且，保持架的底部的基准线与其开口面的基准线也能够具有夹角。

根据本发明的一方面，优选地，布置在保持架的侧部及底部的凸起从该底部或侧部向外延伸，并且能够具有不同的尺寸和形状；在一个实施例中，该凸起能够具有两种不同的尺寸，举例而言，沿着保持架的侧部或其底部，靠近保持架近端的凸起尺寸能够是靠近远端的凸起尺寸的1.5倍；并且，不同尺寸的凸起的数量能够任意分布，例如，靠近保持架近端的大尺寸凸起的数量为靠近远端的小尺寸凸起的数量的2倍。进一步，优选地，该凸起能够沿着保持架的侧部或底部均匀分布，或者根据保持架的形状进行自适应的分布，从而由于凸起的尺寸大小及分布而改善保持架的刚度，并且能够增加驱动器抓取物体时的表面附着力。

根据本发明的一方面，优选地，保持架的近端形成为圆形结构，以使得该驱动器能够与其末端执行器的刚性座相连接；其远端优选地形成为锥形结构，使得在抓取时，如果驱动器被置于水平状态下，其远端能够不易下坠。并且，优选地，保持架由柔性材料制成。

根据本发明的一方面，优选地，盖的突出部为多个，且该突出部能够具有不同的尺寸；在一个实施方案中，该突出部具有两种不同的尺寸，并且能够根据盖的形状进行自适应的调整。并且，优选地，盖由柔性材料制成。在一个实施方案中，该盖与保持架通过粘接的方式实现配合。进一步，当盖与驱动器的保持架相配合之后，盖中与保持架开口面相配合一侧的凹部能够为气囊提供变形空间。

根据本发明的一方面，在一个实施例中，保持架的开口面上能够设置多个横向的梳状凹槽，该凹槽能够使气囊被保持在保持架腔体内，并且在驱动器弯曲时保护气囊。

根据本发明的一方面，优选地，气囊具有多层结构，并且当气囊被置于保持架内时，气囊能够与保持架的形状相适应。在一个实施例中，气囊由四层结构组成，其中，气囊的外两层由纤维材料制成，构成纤维增强层，能够增大该柔韧耦合型软体驱动器的刚度，并且能够增强气囊的驱动力；气囊的内两层为tpu气囊，其末端的通气导管与通气设备相连通。

根据本发明的一方面，优选地，盖相对于保持架而言对气囊的束缚较小，并且由于盖中的凹部为气囊提供了变形空间，使得在对气囊进行充放气控制时，气囊与保持架能够弯曲；并且，盖由柔性材料制成，因此也能够与保持架一同变形；当盖的柔性比保持架更低时，或者通过减小盖的厚度，能够使得盖比保持架更易变形，使得气囊及保持架一体向与盖相对的一侧弯曲，从而驱动器弯曲以抓取物体。

如上所述，根据本发明，通过在柔性材料形成的保持架中置入具有纤维增强层的气囊，从而形成高柔性软体材料与高韧性纤维材料的柔韧耦合驱动器，能够提高软体驱动器的工作压力与驱动力，并且降低了其驱动力增强方面的工艺难度。

根据本发明的另一方面，柔韧耦合型软体驱动器包括：气囊，气囊的一端具有通气导管；保持架，保持架形成为腔体结构，该腔体结构具有开口面，腔体内能够容纳气囊；盖，盖与保持架顶部的开口面相配合。其中，在该保持架内部，保持架的腔体内具有梳状凹槽，并且在保持架外部，该保持架的底部也形成有梳状凹槽；并且盖上也形成有突出部，盖与保持架相配合的一侧形成为平面，突出部形成在盖的另一侧。

根据本发明的另一方面，优选地，在保持架的外部，保持架底部的梳状凹槽能够从保持架的底部向内延伸至例如保持架的中部。并且，根据本发明的实施例，该梳状凹槽也能够在腔体内向内延伸至不少于保持架侧面高度的三分之一处。

根据本发明的另一方面，优选地，在保持架内部，腔体内的梳状凹槽能够从保持架顶部的开口面附近向内延伸至保持架的底部。并且，根据本发明的实施例，该梳状凹槽也能够在腔体内向内延伸至不少于保持架侧面高度的三分之二处。

根据本发明的一方面，优选地，保持架的外侧面形成为对称面，并且两个对称面与其对称平面之间能够具有夹角；并且，优选地，保持架底部的基准线与开口面的基准线也能够具有夹角。

根据本发明的另一方面，优选地，保持架的近端形成为圆形结构，其远端形成为锥形结构。并且，该保持架优选地由柔性材料制成。

根据本发明的另一方面，优选地，盖的突出部为多个，且多个突出部能够具有不同的尺寸；并且，根据本发明，该突出部能够根据盖子的形状进行自适应的调整。从而由于突出部的尺寸大小及分布而改善驱动器的刚度，并且能够增加驱动器抓取物体时的表面附着力。并且，优选地，盖由柔性材料制成。在一个实施方案中，该盖与保持架通过浇注的方式实现配合。

根据本发明的另一方面，优选地，气囊具有多层结构，并且当气囊被置于保持架内时，气囊能够与保持架的形状相适应。在一个实施例中，气囊由四层结构组成，其中，气囊的外两层由纤维材料制成，构成加强纤维层，能够增大柔韧耦合型软体驱动器的刚度，并且能够增强气囊的驱动力；并且，气囊的内两层为tpu气囊，其末端的通气导管与通气设备相连通。

根据本发明的另一方面，优选地，当盖与保持架相配合的一侧形成为平面，在对气囊进行充放气控制时，由于在该保持架的外部，保持架底部具有梳状凹槽，从而气囊与保持架相适应的形状使得保持架底部的梳状凹槽首先进行变形，驱动器向盖的一侧弯曲；并且，盖由柔性材料制成，因此也能够与保持架一同变形；当盖的柔性比保持架更高时，或者通过增大盖的厚度，能够使得保持架比盖更易变形，使得气囊及保持架一体能够更加容易地向盖的一侧弯曲，从而驱动器弯曲以抓取物体。

如上所述，根据本发明，形成高柔性软体材料与高韧性纤维材料的柔韧耦合驱动器，提高了软体驱动器的工作压力与驱动力，并且降低了其驱动力增强方面的工艺难度。进一步，根据本发明，如上所述，为驱动器提供了多个方向的变形结构，使得在实际应用中能够灵活的采用不同的结构，更加便于对物体进行夹持和抓取。

根据本发明的柔韧耦合型软体驱动器的末端执行器，包括：至少一个柔韧耦合型软体驱动器，驱动器为末端执行器的核心部件；连接件，连接件用于使驱动器与机器人相连接，或使多个驱动器互相连接，并进一步与机器人相连接；直通接头，直通接头至少具有两个接口，用于使一个或多个驱动器的气囊与通气设备相连通；紧固件，紧固件用于紧固驱动器末端与连接件的连接。

根据本发明的末端执行器，优选地，其连接件能够为多个，用于使多个驱动器互相连接为一体。并且，优选地，末端执行器还能够包括法兰结构，法兰结构能够与连接件及机器人相连接，并且能够容纳直通接头。

在一个优选实施例中，本发明的末端执行器能够包括三个软体驱动器、连接件a、连接件b、法兰结构、直通接头及紧固件。连接件a能够与驱动器中的保持架进行连接，并且中间有通孔，用于使驱动器中气囊末端的通气导管伸出。紧固件优选地为卡箍，卡箍将连接件与驱动器的保持架的装配部分互相卡紧，并使用螺纹连接件实现连接件与驱动器的稳固配合。连接件b优选地形成为一体，包括三个对称的法兰盘结构，三个驱动器分别于三个连接件a螺纹连接，然后连接件b的每个法兰盘结构与每个连接件a之间螺纹连接，从而实现将三个软体驱动器连接为一体。法兰结构的一端用于与该连接件b相连，另一端用于连接机器人。直通接头具有四个通气接口，其中一个接口用于连接通气设备，其余三个接口用于分别连接三驱动器中气囊末端的通气导管。并且，在该实施例中，通过对三个软体驱动器的气囊进行充放气控制，使得每个软体驱动器分别进行弯曲，从而根据三个驱动器的开合来实现目标的抓取。

在另一个优选实施例中，本发明的柔性末端执行器包括一个软体驱动器，及其连接件，紧固件，直通接头。其中，该连接件优选地为法兰结构，法兰结构的一端为圆环结构，用于与软体驱动器的保持架近端的圆形结构互相配合，并且该法兰的圆环结构，其侧壁靠近保持架近端处布置有孔，用于使驱动器中气囊的通气导管伸出。法兰结构的另一端用于与机器人相连接。紧固件优选地为卡箍，卡箍的两个箍环将法兰结构与驱动器的近端装配部分卡紧，并使用螺纹连接件将两个箍环的连接部分连接并拧紧，从而实现法兰盘与软体驱动器的稳固配合。直通接头一端与气囊的通气导管相连通，另一端与通气设备相连通。在该实施例中，末端执行器通过对驱动器的气囊进行充放气控制，使得该软体驱动器进行弯曲，从而实现目标的卷曲式抓取。

根据本发明的柔韧耦合型软体驱动器及其柔性末端执行器，还具有如下优点：

经济性：本发明的驱动器及其执行器，制作工艺主要采用常规的注塑成型工艺、金属加工工艺等，能够尽量使用标准件，且所用材料价格低廉，使成本降低，从而产品具有较好的经济效益。

简易性：本发明的驱动器及其执行器，采用模块化设计，并且零部件较少，通过简易的装配即可完成，非常便于维修和更换。

抓持力大：本发明的柔性驱动器，由于其柔性保持架腔体内置气囊及保持架的高摩擦系数，增强了其重量抓取能力。

适用性强：本发明的驱动器及其执行器不仅能够采用卷取式抓持方式，而且能够采用多指型抓持方式对物体进行抓取，并且柔顺性好，在其可变形的范围内，能实现各种形状及物体的抓持，适应性强，适用范围较广。

附图说明

图1为根据本发明的一方面的驱动器的立体示意图。

图2为根据本发明的一方面的驱动器的主视示意图。

图3为根据本发明图2所示的驱动器由线a-a截取的剖视图。

图4为根据本发明的一方面的驱动器的保持架的立体示意图。

图5为根据本发明的一方面的驱动器的盖的立体示意图。

图6为本根据本发明的一方面的驱动器的气囊的立体示意图。

图7为根据本发明的另一方面的驱动器的立体示意图。

图8为根据本发明的另一方面的驱动器的主视示意图。

图9为本发明图8所示的驱动器由线b-b截取的剖视图。

图10为根据本发明的另一方面的驱动器的保持架的立体示意图。

图11为根据本发明的另一方面的驱动器的盖的立体示意图。

图12为根据本发明的另一方面的驱动器的气囊的立体示意图。

图13为根据本发明的一个实施例的末端执行器的立体示意图。

图14为根据本发明的一个实施例的末端执行器其驱动器的立体示意图。

图15为根据本发明的一个实施例的末端执行器的法兰结构的立体示意图。

图16为根据本发明的一个实施例的末端执行器的连接件b的立体示意图。

图17为根据本发明的一个实施例的末端执行器的连接件a的立体示意图。

图18为根据本发明的另一个实施例的末端执行器的立体示意图。

图19为根据本发明的另一个实施例的末端执行器的法兰结构的主视示意图。

图20为如图19所示的末端执行器的法兰结构由线c-c截取的剖视图。

图21为根据本发明的另一个实施例的末端执行器的卡箍的立体示意图。

具体实施方式

如图1-3所示，根据本发明的一方面，驱动器12包括气囊1、保持架2、和盖3，气囊1的一端具有通气导管。图4所示为保持架2的结构，保持架2形成为腔体结构，该腔体结构具有开口面，腔体内能够容纳气囊1；并且，保持架2能够由硅胶等柔性材料制成。盖3与保持架2的开口面相配合，并且，盖3上也形成有突出部，且该突出部在盖3与保持架2相配合的一侧形成为凹部。

如图3和4所示，在保持架2内部，保持架2的腔体内具有梳状凹槽，该梳状凹槽能够从保持架2的开口面附近向内延伸至保持架2腔体的底部。并且在保持架2的外部，两个侧部及保持架2的底部均布置有凸起，且在保持架2的侧部和底部的过渡区域，该凸起互相连通，并通过圆弧过渡。保持架2的外侧面形成为对称面，并且两个对称面与其对称平面之间具有夹角；并且，保持架2的底部的基准线与其开口面的基准线也具有夹角。布置在保持架2的侧部及底部的凸起从该底部或侧部向外延伸，并且该凸起具有不同的尺寸和形状。具体地，沿着保持架2的侧部或其底部，靠近保持架近端的凸起尺寸是靠近远端的凸起尺寸的1.5倍；并且，靠近保持架2近端的大尺寸凸起的数量为靠近远端的小尺寸凸起的数量的2倍。进一步，该凸起沿着保持架的侧部或底部均匀分布。保持架2的近端形成为圆形结构，以使得该驱动器12能够与其末端执行器的刚性座相连接，并且在圆形结构的中心具有通孔，气囊1的通气导管由该通孔伸出；保持架2的远端形成为锥形结构。

并且，如图4所示，保持架2的开口面上设置有多个横向的梳状凹槽，该多个凹槽能够使气囊1被保持在保持架腔体内，并且在驱动器12弯曲时能够保护气囊1。

如图5所示，盖3上设置有多个突出部，并且，盖3也由柔性材料制成。盖3与保持架2能够通过粘接等方式实现配合。当盖3与驱动器12的保持架2相配合之后，盖3中与保持架2开口面相配合一侧的凹部为气囊1提供变形空间。

如图6所示，气囊1形成为四层结构，其中，外面的两层由纤维材料制成，构成纤维增强层，能够增大该柔韧耦合型软体驱动器的刚度，并且能够增强气囊1的驱动力；气囊1的内两层为tpu气囊，其末端的通气导管与通气设备相连通。进一步，当气囊1被置于保持架2内时，能够形成与保持架2相适应的形状。

如上所述，在驱动器12中，盖3相对于保持架2而言对气囊1的束缚较小，并且由于盖3中的凹部为气囊1提供了变形空间，使得在对气囊1进行充放气控制时，气囊1与保持2架能够弯曲；并且，盖3也由柔性材料制成，因此也与保持架2一同变形；当盖3的柔性比保持架2更低时，或者减小盖3的厚度，能够使得盖3比保持架2更易变形，使得气囊1及保持架2一体向与盖3相对的一侧弯曲，从而驱动器12弯曲以抓取物体。

如图7-9所示，根据本发明的另一方面，驱动器16包括气囊4、保持架5、盖6。气囊4的一端具有通气导管；图10所示为保持架5的结构，保持架5能够由硅胶等柔性材料制成，并且形成为腔体结构，该腔体结构具有开口面，腔体内能够容纳气囊4。其中，在保持架5内部，保持架5的腔体内具有梳状凹槽，并且在保持架外部，保持架5的底部也形成有梳状凹槽。盖6与保持架5的开口面相配合，并且盖6上形成有突出部，盖6与保持架5相配合的一侧形成为平面，突出部形成在盖6的另一侧。

如图9和10所示，在保持架5的外部，保持架底部的梳状凹槽能够从保持架5的底部向内延伸至例如保持架5的中部。并且，在保持架5的内部，腔体内的梳状凹槽能够从保持架5的开口面附近向内延伸至保持架5的底部。并且，保持架5的外侧面形成为对称面，并且两个对称面与其对称平面之间具有夹角；进一步，保持架底部的基准线与开口面的基准线也具有夹角。保持架5的近端形成为圆形结构，用于固定安装，其远端形成为锥形结构。

如图11所示，盖6上的的突出部为多个，且多个突出部能够具有不同的尺寸；并且，突出部能够根据盖子的形状进行自适应的调整，从而由于突出部的尺寸大小及分布而改善驱动器的刚度，并且能够增加驱动器抓取物体时的表面附着力。进一步，盖也由柔性材料制成。盖6与保持架5例如通过浇注的方式实现配合。

图12所示的气囊4由四层结构组成，其中，外两层由纤维材料制成，构成增强纤维层，能够增大柔韧耦合型软体驱动器的刚度，并且能够增强气囊的驱动力；并且，气囊4的内两层为tpu气囊，其末端的通气导管与通气设备相连通。进一步，当气囊4被置于保持架5内时，气囊4能够形成与保持架5相适应的形状。

如上所述，驱动器16中，当盖6与保持架5相配合的一侧形成为平面，在对气囊4进行充放气控制时，由于在该保持架5的外部，保持架底部具有梳状凹槽，从而气囊4与保持架5相适应的形状使得保持架底部的梳状凹槽首先进行变形，驱动器16向盖6的一侧弯曲；进一步，盖6由柔性材料制成，因此也能够与保持架5一同变形；当盖6的柔性比保持架5更高时，或者增大盖6的厚度，使得保持架5比盖更易变形，从而能够使得气囊4及保持架5一体更加容易地向盖6的一侧弯曲，从而驱动器16弯曲以抓取物体。

如图13和14所示，在根据本发明的柔性末端执行器的一个实施例中，执行器包括3个驱动器12、螺纹连接套13、连接件8、连接件9、卡箍11、法兰7及直通接头10。螺纹连接套13用于与软体驱动器12的近端圆形结构进行配合。如图17所示，连接件9的一端为螺纹连接结构，用于与螺纹连接套13进行连接，另一端为法兰盘结构，并且中间有一通孔，用于气囊1的通气导管伸出。卡箍11作为紧固件，其两个箍环将法兰盘与软体驱动器的近端装配部分卡紧，并且，使用螺纹连接件将两个箍环的连接部分连接并拧紧，从而实现连接件9与软体驱动器12的稳固配合。如图16所示，本发明的连接件8为一体结构，整体具有三个对称的法兰盘结构，每一个法兰盘结构与一个的连接件9的法兰盘结构进行连接，从而实现将三个软体驱动器连接在一起，连接件8的中间部分具有四个通孔。图15所示的本发明的法兰盘7两端均为法兰盘结构，其中一端用于与连接件8中间的通孔部分相连接，另一端用于连接机器人。直通接头10有四个接口，其中三个接口分别用于连接三个驱动器的气囊末端的通气导管，另一个接口用于连接通气设备。进一步，通过对三个驱动器12的气囊进行充放气控制，使得每个软体驱动器分别进行弯曲，从而根据三个驱动器的开合来实现目标的抓取。

如图18所示，根据本发明的另一实施例的柔性末端执行器包括柔韧耦合型软体驱动器16、法兰14、卡箍15及直通接头17。如图19和图20所示，法兰14的一端为圆环结构，用于与驱动器16的近端圆形结构相配合，并且圆环结构的侧壁靠近保持架近端处布置有孔，用于使驱动器16中气囊的通气导管伸出，其法兰14的另一端为法兰盘结构，用于与机器人相连接。如图21所示，卡箍15的两个箍环将法兰盘结构与驱动器16的近端装配部分卡紧，并且，使用螺纹连接件将两个箍环的连接部分连接并拧紧，从而实现法兰14与驱动器16的稳固配合。直通接头17一端与驱动器16中气囊的通气导管相连通，另一端与通气设备相连通。在该实施例中，末端执行器通过对驱动器16的气囊进行充放气控制，使得该软体驱动器进行弯曲，从而实现目标的卷曲式抓取。

根据本发明，柔性末端执行器能够根据实际需求选用适当的驱动器，例如，选取驱动器12和16的任意组合，或者都选取驱动器16。应当理解，本发明的上述实施方案和实施例仅出于示例的目的，在不脱离本发明随附权利要求书所限定的范围的前提下，据此做出的多种改型和变体，都属于本发明的保护范围。

附图说明：

1，4气囊

2，5保持架

3，6盖

7,14法兰

8连接件b

9连接件a

10，17直通接口

11，15卡箍

12，16驱动器

13螺纹连接套