一种应用折纸机构的变刚度分腔软体机械手的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，更具体的说，是涉及一种应用折纸机构的变刚度分腔软体机械手。

背景技术：

随着技术的不断进步，机器人逐渐替代人工操作完成各种操作。为了适应特定领域的使用需要，软体机器人应运而生。目前广泛应用易碎品、软体物品、复杂形状物品等的抓取，以及医疗康复等领域。

目前，应用于完成抓取动作的软体手主要是气动多腔室结构，通过对气体腔室充气，使得软体手整体向一定的方向弯曲，通过两只软体手的配合实现抓取动作。虽然这类软体手具有柔性很好、自由度多、灵活敏捷的优点，但仍具有刚性不足、弯曲角度不可控、抓取力太小、易在外力作用下变形等缺陷。因此，使用关节模块连接多个软体手指的刚柔复合型软体机械手就应运而生。但是，目前，大多数软体手关节模块采用柔性材料制作，使用柔性材料将气动弯曲结构的两端连接，其原理是当两端的气动弯曲结构受力时，关节模块的柔性材料在两边力的作用下发生弹性变形被压缩，从而使两端气动弯曲结构的活动范围扩大。这种结构的缺点是：材料内部作用反力很大；在宏观上看，软体手指对物体的抓取力较小，刚度较差，抓取稳定性差；整个手指的弯曲角度、弯曲范围均较小。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种采用折纸连接方式，柔性高，抓取稳定性好的软体手指及其组成的软体手。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种软体手指，包括至少一组气动弯曲模块和折纸式连接机构；每个所述折纸式连接机构包括折纸式伸缩模块和两个连接件，两个所述连接件分别连接于所述折纸式伸缩模块的两端，一端的所述连接件与所述气动弯曲模块连接；另一端的所述连接件与相邻的所述气动弯曲模块或支撑机构连接；每个所述连接件与所述折纸式伸缩模块之间安装有复位板簧，所述复位板簧用于弯曲时为对应的所述连接件及所述折纸式伸缩模块提供回复力。

所述折纸式伸缩模块包括由多个第一折叠板组成的锯齿状的第一折叠单元和由多个第二折叠板组成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，且所述第一折叠单元的第一折叠板和所述第二折叠单元的第二折叠板依次交替重叠排列，所述第一折叠板和第二折叠板相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴。

所述气动弯曲模块为由上基体和下基体组成的多气体腔室结构，相邻所述气体腔室的外壁之间形成变形间隙，每个所述气体腔室的侧壁为受力膨胀面。

所述折纸式伸缩模块为铝箔或柔性塑料纸片；所述连接件采用工程塑料或聚酯纤维，所述气动弯曲模块为硅胶材料。

一种应用折纸机构的变刚度分腔软体机械手，包括底座、支撑机构和软体手指；所述软体手指包括至少一组气动弯曲模块和折纸式连接机构；每个所述折纸式连接机构包括折纸式伸缩模块和两个连接件，两个所述连接件分别连接于所述折纸式伸缩模块的两端，一端的所述连接件与所述气动弯曲模块连接；另一端的所述连接件与相邻的所述折纸式伸缩模块连接或通过所述支撑机构与底座连接；每个所述连接件与相对应的所述折纸式伸缩模块之间安装有复位板簧，所述复位板簧用于弯曲时为对应的所述连接件及所述折纸式伸缩模块提供回复力。

所述折纸式伸缩模块包括由多个第一折叠板组成的锯齿状的第一折叠单元和由多个第二折叠板组成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，且所述第一折叠单元的第一折叠板和所述第二折叠单元的第二折叠板依次交替重叠排列，所述第一折叠板和第二折叠板相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴。

所述气动弯曲模块为由上基体和下基体组成的多气体腔室结构，相邻所述气体腔室的外壁之间形成变形间隙，每个所述气体腔室的侧壁为受力膨胀面。

所述支撑杆和连接卡座采用工程塑料。

所述连接件包括一体的第一横板、第二横板和两侧的连接卡板，所述第一横板和第二横板通过所述连接卡板连接，第一横板上设置有连接槽，用于与所述折纸式伸缩模块的连接；与所述气动弯曲模块连接的所述连接件的所述第二横板上设置有气管孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的软体手指及其组成的软体手中，采用由折纸式伸缩模块、连接件及复位板簧组成的关节模块实现相邻气动弯曲模块或气动弯曲模块与支撑机构之间的连接，重量轻、自由度大，柔性好，具有缓冲吸震能力，同时，具有能够随被抓取物的刚度出现变刚度的特性，抓取力大、抓取稳定性提高。

2、本发明的软体手指及其组成的软体手制造简单、成本低、重量轻、拆卸安装方便、互换性好。

3、本发明的软体手，按照一定的充、排气规律向其通气可以实现对物体的抓取动作，驱动控制十分简便。控制输入气体的气压可以实现该软体手抓取力大小和弯曲程度的精确控制。

4、本发明的软体手指及其组成的软体手模仿了人的手指形状以及功能，更大程度上模拟了人手的灵活性。

5、本发明中软体手指的折纸式伸缩模块通过两个锯齿状折叠板组成，制作方便，强度高，制作成本低，使用灵活方便。

附图说明

图1所示为本发明软体手指的结构示意图；

图2所示为折纸式伸缩模块的整体结构示意图；

图3所示为折纸式伸缩模块折叠状态的结构示意图；

图4所示为连接件的结构示意图；

图5所示为气动弯曲模块的结构示意图；

图6所示为本发明软体手的结构示意图；

图7所示为支撑机构的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：软体手指

本发明软体手指的示意图如图1所示，包括至少一组气动弯曲模块1和折纸式连接机构2。每个所述折纸式连接机构2包括折纸式伸缩模块2-2和两个连接件2-1、2-3，两个所述连接件2-1、2-3分别连接于所述折纸式伸缩模块2-2的两端。连接件的功能是实现气动弯曲模块与折纸式伸缩模块或其他支撑机构的过渡连接。气动弯曲模块1的数量根据所要抓取的物品的大小确定，可以为1-3个。与之对应，折纸式连接机构2的数量与气动弯曲模块1的数量相等。当具有一个气动弯曲模块1时，一端的所述连接件2-3与所述气动弯曲模块1连接，另一端的连接件2-1与其他的支撑机构或其他部件连接。当采用多个气动弯曲模块时，一端的所述连接件2-3与一个所述气动弯曲模块1连接，另一端的连接件2-1与另外一个相邻的气动弯曲模块1连接，最下端的连接件与其他的支撑机构或其他部件连接。每个所述连接件与所述折纸式伸缩模块之间安装有复位板簧，所述复位板簧用于弯曲时为对应的所述连接件及所述折纸式伸缩模块提供回复力。本实施例中的所述复位板簧为矩形结构，其两端有突出的卡片，可固定在相对应的所述连接件上。所述复位板簧水平放置时对两端无力的作用，但是如果被弯曲，就会向两端接触的连接板及折纸式伸缩模块输出回复力，从而使软体手指在受到外力作用时呈现出刚性，即可使软体手指具有随被抓取物的刚度出现变刚度的特性。

本实施例中的所述折纸式伸缩模块的示意图如图2-图3所示，所述折纸式伸缩模块2-2包括由多个第一折叠板2-2-1连接而成的锯齿状的第一折叠单元和由多个第二折叠板2-2-2连接而成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，且所述第一折叠单元的第一折叠板2-2-1和所述第二折叠单元的第二折叠板2-2-2依次交替重叠排列，形成两个所述第一折叠板2-2-1沿垂直方向夹持一个所述第二折叠板2-2-2，两个所述第二折叠板2-2-2沿垂直方向夹持一个所述第一折叠板2-2-1的结构。两个第一折叠板和两个第二折叠板形成一个折纸伸缩单元，每个折纸伸缩单元在弯曲功能的实现中仅负责弯曲一个小的单元角度。所述第一折叠板2-2-1和第二折叠板2-2-2相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴，多个所述第一折叠板2-2-1和第二折叠板2-2-2围绕所述弯曲旋转轴呈圆周阵列排布。其中，所述第一折叠单元中的第一折叠板2-2-1与第二折叠单元中的第二折叠板2-2-2均为尺寸相同的正方形。以采用纸材料为例说明本发明的折纸式伸缩模块的具体的制作方法如下：将作为第一折叠单元和第二折叠单元的两张尺寸相同的折叠纸张垂直交叉摆放，作为第一折叠单元的第一张纸的长边与作为第二折叠单元的第二张纸在一端呈直角形放置，两张纸重叠交叉的部分为正方形，对于第一折叠单元即为第一折叠板，对于第二折叠单元为第二折叠板。将第一折叠单元可见部分沿第二折叠单元的上边线向下翻折，之后将第二折叠单元的可见部分沿第一折叠单元的右边线向左翻折，之后将第一折叠单元的可见部分向上翻折，之后将第二折叠单元的可见部分向右翻折，之后将第一折叠单元的可见部分向下翻折，以此类推，周期的重复以上过程，直到两张纸条全部被折叠进入“正方形”的范围以内，折叠后的示意图如图3所示。将上述折纸压缩成薄层后，将底面正方形四条边中的任意一条边粘贴住，使该折纸式伸缩模块在该条边上不可被拉开，该边即为折纸弯曲模块的弯曲旋转轴，即可得到以被粘贴边为弯曲旋转轴而弯曲的折纸式伸缩模块，其示意图如图2所示。

所述折纸式伸缩模块与所述连接件之间，所述连接件与软体弯曲模块之间的连接方式均有现有技术。本实施例中，折纸式伸缩模块两端的两个连接件结构相同，所述连接件的示意图如图4所示，包括一体的第一横板2-a、第二横板2-b和两侧的连接卡板2-c，所述第一横板2-a和第二横板2-b通过所述连接卡板2-c连接，第一横板2-a上设置有连接槽2-d，用于帮助和折纸式伸缩模块的连接；与气动弯曲模块连接的所述连接件的所述第二横板上设置有气管孔2-e，用于引出硅胶软气管，不对其他结构产生影响。与所述气动弯曲模块1连接的所述连接件的连接卡板2-c与所述气动弯曲模块1过盈配合连接。所述连接件与所述折纸式伸缩模块粘接或使用连接绳连接。所述连接件与所述气动弯曲模块也可以采用销、键、螺钉螺母等方式连接。

本实施例中的气动弯曲模块采用分腔式结构，其示意图如图5所示，所述气动弯曲模块为由上基体1-1和下基体1-2组成的多气体腔室结构，相邻所述气体腔室1-3的外壁之间形成变形间隙，每个所述气体腔室1-3的侧壁为受力膨胀面。通过实验显示优选的实施例为：所述气动弯曲模块的宽度和高度相等，且所述气动弯曲模块应的长度为宽度或高度的3-4倍，在硅胶材料和密封条件的最大许可安全气压范围内，所述气动弯曲模块最大的弯曲角度可以达到60度，适应抓取普遍尺寸的物体。

其中，所述折纸式伸缩模块采用满足一定刚度要求的柔性材料，该材料在被软体手指或重物拖拽过程中不至于撕裂，承受50n的拉力不会破坏；材料单层厚度较薄(小于1mm)、且比较柔软，具有一定的弯曲伸张性能，以施加正常的折叠力即可形成折痕为柔性的标准。例如：高韧性铝箔或者柔性塑料纸片等材料。连接件采用可采用工程塑料或聚酯纤维等质量轻、强度好的材料，所述气动弯曲模块为硅胶材料。

实施例2：软体手

本发明的应用折纸机构的变刚度分腔软体机械手的结构示意图如图6所示，包括底座3、支撑机构4和软体手指。其中，软体手指部分与实施例1相同，软体手手指的数量根据使用需要确定，可以为1-5个。软体手指的示意图参见图1-图5所示，所述软体手指包括至少一组气动弯曲模块1和折纸式连接机构2。每个所述折纸式连接机构2包括折纸式伸缩模块2-2和两个连接件2-1、2-3，两个所述连接件2-1、2-3分别安装于所述折纸式伸缩模块2-2的两端。当具有一个气动弯曲模块1时，一端的所述连接件2-3与所述气动弯曲模块1连接，另一端的连接件2-1通过支撑机构4与底座3连接。当采用多个气动弯曲模块时，一端的所述连接件2-3与一个所述气动弯曲模块1连接，另一端的连接件2-1与另外一个气动弯曲模块1连接，最下端的连接件通过支撑机构4与底座3连接。每个所述连接件与所述折纸式伸缩模块之间安装有复位板簧，所述复位板簧用于弯曲时为对应的所述连接件及所述折纸式伸缩模块提供回复力。

本实施例中，所述支撑机构的示意图如图7所示，包括连接卡座4-1和支撑杆4-2，所述连接卡座4-1一端与所述软体手指中的下端的所述连接件插接，所述连接卡座4-1的另一端通过所述支撑杆4-2安装于所述底座3上。

本实施例中的所述折纸式伸缩模块的示意图如图2-图3所示，所述折纸式伸缩模块2-2包括由多个第一折叠板2-2-1连接而成的锯齿状的第一折叠单元和由多个第二折叠板2-2-2连接而成的锯齿状的第二折叠单元，所述第一折叠单元与所述第二折叠单元互相垂直设置，且所述第一折叠单元的第一折叠板2-2-1和所述第二折叠单元的第二折叠板2-2-2依次交替重叠排列，形成两个所述第一折叠板2-2-1沿垂直方向夹持一个所述第二折叠板2-2-2，两个所述第二折叠板2-2-2沿垂直方向夹持一个所述第一折叠板2-2-1的结构。两个第一折叠板和两个第二折叠板形成一个折纸伸缩单元，每个折纸伸缩单元在弯曲功能的实现中仅负责弯曲一个小的单元角度。所述第一折叠板2-2-1和第二折叠板2-2-2相同一侧的边粘接在一起作为弯曲旋转轴，多个所述第一折叠板2-2-1和第二折叠板2-2-2围绕所述弯曲旋转轴呈圆周阵列排布。其中，所述第一折叠单元中的第一折叠板2-2-1与第二折叠单元中的第二折叠板2-2-2均为尺寸相同的正方形。

所述折纸式伸缩模块与所述连接件之间，所述连接件与软体弯曲模块之间的连接方式均有现有技术。本实施例中，折纸式伸缩模块两端的两个连接件结构相同，所述连接件的示意图如图4所示，包括一体的第一横板2-a、第二横板2-b和两侧的连接卡板2-c，所述第一横板2-a和第二横板2-b通过所述连接卡板2-c连接，第一横板2-a上设置有连接槽2-d，用于帮助和折纸式伸缩模块的连接；与气动弯曲模块连接的所述连接件的所述第二横板上设置有气管孔2-e，用于引出硅胶软气管，不对其他结构产生影响。与所述气动弯曲模块1连接的所述连接件的连接卡板2-c与所述气动弯曲模块1过盈配合或销、键、螺钉螺母等连接方式，所述连接件与所述折纸式伸缩模块粘接或使用连接绳连接。

本实施例中的气动弯曲模块采用分腔式结构，其示意图如图5所示，所述气动弯曲模块为由上基体1-1和下基体1-2组成的多气体腔室结构，相邻所述气体腔室1-3的外壁之间形成变形间隙，每个所述气体腔室1-3的侧壁为受力膨胀面。通过实验显示优选的实施例为：所述气动弯曲模块的宽度和高度相等，且所述气动弯曲模块应的长度为宽度或高度的3-4倍，在硅胶材料和密封条件的最大许可安全气压范围内，所述气动弯曲模块最大的弯曲角度可以达到60度，适应抓取普遍尺寸的物体。

支撑杆4-2和底座3可采用多种方式连接，如可拆卸插装结构、螺钉螺母连接、键连接等等，本实施例为方便零部件的拆装方便，采用可拆卸插装结构作为连接方式。即支撑杆和底座之间采用插装式间隙配合的连接方式。支撑杆4-2和连接卡座4-1之间也可采用多种方式连接，如可拆卸插装结构、螺钉螺母连接、键连接等等，本实施例为方便零部件的拆装方便，采用可拆卸插装结构，即支撑杆的头部和连接卡座之间采用插装式间隙配合的连接方式。

支撑杆、底座和卡座作为软体手的支撑部件，需要具有一定强度的材料，如铸铁、碳钢、合金钢、复合材料等等。本实施例为制造成本考虑，选择工程塑料作为支撑杆、底座和连接卡座的材料。

以下以抓取动作使用的软体手由3根手指、每根手指由2个气动弯曲模块构成为例进行说明：

1.抓取动作之前，所有软体手指均处于自然放松状态。通过移动底座使被抓取物体被3个软体手指从四周包围。

2.对每根软体手指最末端的气动弯曲模块充气，使之弯曲并接触到被抓取物体的底部，在气动弯曲模块充气的弯曲的同时，折纸式连接机构中的折纸式伸缩模块打开，直到折纸伸缩模块因为物体的作用反力而弯曲到最大角度时，停止充气。此时，复位板簧就会向两端接触的连接板及折纸式伸缩模块输出回复力，从而使软体手指呈现出刚性，即可使软体手指具有随被抓取物的刚度出现变刚度的特性。此时对于尺寸规格较小的物体，或已被末端3个气动弯曲模块抓住的物体，已经完成抓取动作。

3.对于尺寸规格较大的物体，还需要每个软体手指第二层的气动弯曲模块配合。此时，给每个软体手指第二层的气动弯曲模块充气，使之弯曲并接触到被抓取物体的中上部，在第二层的气动弯曲模块充气的弯曲的同时，与该气动弯曲模块连接的折纸式连接机构中的折纸式伸缩模块打开，抓牢物体后停止充气。此时，复位板簧就会向两端接触的连接板及折纸式伸缩模块输出回复力，完成抓取动作。

本发明的软体手按照一定的充、排气规律向其中的气动弯曲模块通气可以实现对物体的抓取动作，驱动控制十分简便。控制输入气体的气压可以实现该软体手抓取力大小和弯曲程度的精确控制。本发明最大程度的模仿了人的手指形状以及功能，更大程度上模拟了人手的灵活性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。