气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指的制作方法

本发明属于智能机器人领域，更具体的说，本发明涉及一种气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指。

背景技术：

机器手作为机器人末端操作的核心元件，从广义的机器人技术的发展开始，就被广泛的研究。按机器手组成材料方面的特性可将其分为以下几类：在工业搬运中已经广泛使用的刚性机械手、仿人式的刚柔混合机械手及纯柔性灵巧手。传统刚性机械手的优点为其刚性的结构及其成熟的基础运动学、动力学理论数学模型，刚性的结构可承载较大的力，而成熟的理论基础便于对其运动进行控制。刚柔混合机械手即为兼有刚性结构与柔性结构的机械手，可驱动刚性结构带动柔性结构进行运动，使整体具有一定的柔顺性，同时还具备刚性结构的特点；另外也可驱动柔性材料来带动刚性结构，刚性结构在其中起支撑作用，这样在一定程度上，保持了结构的整体刚性及确定的运动。

纯柔性灵巧手主要在于其柔性材料的多自由度，具有高度的柔顺性及适应性，能够适应抓取物的形状，不会对抓取物造成损伤。纯柔性灵巧手目前的研究方向主要为流体驱动及一些新材料驱动，而气动作为流体驱动分支中的一种，由于其重量轻，使其广泛的应用在轻型柔性灵巧手中，能够制造出重量轻，成本低，高柔顺的多自由度灵巧手。

尽管如此，气动灵巧手仍然存在着一定的问题，其抓取力度不够，且抓取时对目标的适应性不强，安全性较低。针对这种情况，研究出弯曲受力自感知柔性手指，其能够克服气动灵巧手指中传感器安装困难，难以形成闭环控制的缺点，将力检测装置嵌入到手指结构中，可实现手指运动的闭环控制，提高抓取的安全性和可靠性。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提出了一种新型的基于气动的自感知冗余多自由度柔性灵巧手指，它具有良好的柔顺性，控制精度高，能实现多自由度的运动，且易于模块化，可用于构建气动多指柔性手。

本发明采用的技术方案如下：

一种气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指，包括圆柱形柔性手指基体1和与所述圆柱形柔性手指基体1等圆的圆台形柔性连接基体2；所述柔性手指基体1沿轴向设有四个沿圆周均匀分布的气动空腔3，所述气动空腔3为圆柱形，在靠近柔性连接基体2的一端呈开口状，另一端呈封闭状；在所述柔性手指基体1的轴心装有弯曲内芯4并在端部设有管接口16；在所述气动空腔3四周设有四组沿圆周均匀分布的微敏感通道5；所述微敏感通道5包括一组弧形分布微敏感通道6和一组直线分布微敏感通道7；所述弧形分布微敏感通道6包括数个轴向弧形分布直通道9和在柔性手指基体1两端部的数个弧形分布连接通道10，弧形分布直线通道9与弧形分布连接通道10依次连接，形成一条从第一弧形分布微通道端口8至第二弧形分布微通道端口11贯通的蛇形分布的弧形分布微敏感通道，弧形分布微敏感通道内部充入液态镓铟锡合金或液态敏感压阻元件，并在通道两端口处各引出一根信号检测导线；所述直线分布微敏感通道7包括数个轴向直线分布直线通道13和在柔性手指基体1两端部的数个直线分布连接通道14，直线分布直线通道13与直线分布连接通道14依次连接，形成一条从第一直线分布微通道端口12至第二直线分布微通道端口15贯通的蛇形分布的直线分布微敏感通道，直线分布微敏感通道内部充入液态镓铟锡合金或液态敏感压阻元件，并在通道两端口处各引出一根信号检测导线；所述柔性灵巧手指1的指跟部设有的四个胶管接口16，对应于4个气动内腔。

所述柔性手指基体1和柔性连接基体2的结构均采用柔性硅橡胶或高弹性材料；所述弯曲内芯4采用比柔性手指基体1材料刚度大的硅橡胶或高弹性材料。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明与当前的刚性结构机械手相比，可柔顺的抓取不同形状的物体，并且对物体施力均匀，不易对抓取物造成破坏，可广泛的应用于对易损物的自动化抓取中。此外，通过在柔性手指的四个气动内腔中通入不同压力的气体，形成压力差，使柔性手指可弯曲向任意方向，并通过安装有柔性弯曲内芯来增加手指的弯曲程度，使得该柔性手指能够获得更广泛的自由度与弯曲情况，增加了传统柔性手指的工作空间。

本发明将力与位置检测装置嵌入到手指结构中，与手指基体成型为一体，保证了手指自感知功能的可靠性，并能够实现手指运动的闭环控制，提高抓取的精度，保证了抓取的可靠性。

综上所述，本发明具有结构简单，重量轻，清洁安全，工作空间大、控制精确高等优点，能够保证多自由度柔性机械手指在工作时具有较大的精度，可在工农业生产、国防安全及医疗康复等多个领域中广泛的应用。

附图说明

图1为本发明气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指的外部结构示意图；

图2为图1中组成零件2的结构示意图；

图3为图1中由零件2向零件1方向的正视图；

图4为图1中组成零件1的结构示意图；

图5为本发明气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指中弧形微敏感通道的局部放大图；

图6为本发明气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指中直线形微敏感通道的局部放大图。

图中：1、柔性手指基体；2、柔性连接基体；3、气动空腔；4、弯曲内芯；5、微敏感通道；6、弧形分布微通道；7、直线形分布微通道；8、第一弧形分布微通道端口；9、弧形分布直线通道；10、弧形分布连接通道；11、第二弧形分布微通道端口；12、第一直线分布微通道端口；13、直线分布直线通道；14、直线分布连接通道；15、第二直线分布微通道端口；16、进气管接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明加以详细说明。

本发明的一种气动自感知冗余多自由度柔性灵巧手指，如图1—4所示，包括圆柱形柔性手指基体1和与所述圆柱形柔性手指基体1等圆的圆台形柔性连接基体2，所述柔性手指基体1柔性连接基体2的结构均采用柔性硅橡胶或其它符合性能要求的高弹性材料；所述柔性手指基体1通过一体式成型技术沿轴向成型出四个沿圆周均匀分布的气动空腔3，所述气动空腔3为圆柱形，在靠近柔性连接基体2的一端呈开口状，另一端呈封闭状；在所述柔性手指基体1的轴心装有弯曲内芯4，采用硬度比柔性手指基体1大2倍的硅橡胶或其它符合性能要求的高弹性材料填充，采用二次浇注工艺，使其完全与柔性手指基体1贴合，并在端部设有管接口16用于通入气体；在所述气动空腔3四周设有四组沿圆周均匀分布的微敏感通道5，所述微敏感通道5包括一组弧形分布微敏感通道6和一组直线分布微敏感通道7；所述弧形分布微敏感通道6包括数个轴向弧形分布直通道9和在柔性手指基体1两端部的数个弧形分布连接通道10，弧形分布直线通道9与弧形分布连接通道10依次连接，形成一条从第一弧形分布微通道端口8至第二弧形分布微通道端口11贯通的蛇形分布的弧形分布微敏感通道，弧形分布微敏感通道内部充入液态镓铟锡合金或其它符合性能要求的液态敏感压阻元件，并在通道两端口处各引出一根信号检测导线；所述直线分布微敏感通道7包括数个轴向直线分布直线通道13和在柔性手指基体1两端部的数个直线分布连接通道14，直线分布直线通道13与直线分布连接通道14依次连接，形成一条从第一直线分布微通道端口12至第二直线分布微通道端口15贯通的蛇形分布的直线分布微敏感通道，直线分布微敏感通道内部充入液态镓铟锡合金或其它符合性能要求的液态敏感压阻元件，并在通道两端口处各引出一根信号检测导线；所述弧形分布微敏感通道6和直线分布微敏感通道7在基体1中由抽丝成型工艺制成，直径为0.01mm，长度随不同的手指长度而变化，敏感通道连接处为在基体中成型的直槽口状通道，深度为0.02mm；弧形分布微敏感通道6和直线分布微敏感通道7在充入液态敏感阻抗元件及在通道端口装入外接引线后，两端用柔性胶进行密封；其中直线型微敏感通道7用于手指弯曲的检测，弧形微敏感通道6用于手指触觉力的检测，检测方式采用差分的方式进行处理，使检测的结果准确可靠；最后，根据检测的柔性灵巧手弯曲及受力的大小来进行反馈的精确运动控制；所述柔性灵巧手指的指跟部设有四个胶管接口，对应于相应的气动内腔，用柔性专用胶密封。

所述的柔性灵巧手指的工作原理为，通过在柔性手指的四个气动内腔3中通入不同压力的气体，形成压力差，使柔性手指可弯曲向任意方向，并通过安装有柔性弯曲内芯4来增加手指的弯曲程度。由于手指的气动空腔外侧壁的刚度小于手指弯曲内芯4的刚度，故在手指内气腔受力膨胀时，会向刚度大的内芯方向弯曲，综合其它内腔的压力差，手指可进行一定角度的弯曲。

当柔性灵巧手指弯曲时，设置在手指四周的微敏感通道5的长度与直径会发生变化，导致微敏感通道内部的敏感材料的电阻发生变化，通过根据四组敏感通道差动的检测其敏感材料电阻的变化大小，来确定柔性灵巧手指弯曲角度的方向与大小。当手指弯曲并触碰到物体时，物体会对手指中物体所在方向的敏感通道产生压力，弧形敏感通道的变形更为明显，在弯曲变形导致电阻变形的基础上，敏感通道产生压力的额外电阻变化，为对物体抓取力的信号大小。检测方式采用差分的方式进行处理，使检测的结构准确可靠。最后，根据检测的柔性灵巧手弯曲及受力的大小来进行反馈的精确运动控制。

在不脱离本发明实质的前提下，采用各种不同形式的实现方法，不经创造性地设计出与本发明相类似的结构形状或布局如改变微通道及气腔的分布，尺寸等，均属本发明专利的保护范围。