一种自感知双腔多自由度气动柔性仿生手指的制作方法

本发明涉及一种机械手，特别是一种仿生手指。

背景技术：

机械手作为机器人的末端执行部件，从机器人技术广泛发展开始就成为科研人员的重点研究对象。随着科技发展和社会进步，工业产品装卸与装配、军事机器人、农业机器人、伤残人员和服务机器人中需要大量的柔性机械手，来完成类似人手的功能，代替人实现灵巧操作。评价柔性机械手的性能指标主要是柔顺性、灵活性和控制性能。从驱动方式上柔性机械手可以分为：电机驱动、气液驱动和功能材料驱动等，其中电机驱动机械手控制性能较好；气液驱动柔性机械手柔顺性较好，并且由于气动气源方便、重量轻，所以气动在轻型柔性机械手中应用广泛；功能材料驱动是采用形状记忆合金、超声波、高分子聚合物和功能性液体驱动，在要求机械手小巧轻便的场合中有其独特的优势。

目前这些类型的柔性机械手很难同时满足柔顺性、灵活性和控制性能的要求，如电机驱动机械手控制性能较好但柔顺性差，气动柔性机械手柔顺性较好但抓取精度低，难以实现精确位置控制和力控制，功能材料驱动机械手灵活性较差，抓取能力有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种柔顺性好、灵活性高、能够提高精度控制和力控制的自感知双腔多自由度气动柔性仿生手指。

本发明包括气动柔性手指基体、柔性多维形变传感器、右气动空腔和左气动空腔，采用常规方法用柔性硅橡胶在模具中分步浇注一体而成，其中，柔性基体的顶部为多段半圆柱面构成的褶皱结构，气动柔性手指基体的底面为平面并设有凹槽，柔性三维形变传感器嵌入在基体底部的凹槽中；气动柔性手指基体的上面设左右两个气动空腔，左、右气动空腔的一端为封闭端，其另一端右气动空腔设右进气管接口，左气动空腔设左进气管接口；柔性多维形变传感器引出两条接引线接入数据采集系统，所述两个进气管接口通过压力控制系统接空气压缩机。

所述顶部褶皱结构的个数和长度、内部双腔形状尺寸、柔性多维形变传感器实现形式且位置大小均根据需要进行调整。

可以将多个柔性手指安装在一个基座上组装成一个柔性灵巧机械手，在抓取物体之前根据物体形状设定每个手指的变形量，各个柔性三维形变传感器将手指实际变形信息反馈给控制系统，控制系统再通过压力控制阀调节各个手指的变形，直至柔性机械手运动到合适的姿态以实现精确稳定抓取。

本发明的工作原理如下：当通过压力控制阀对左气动空腔通入压力气体，右气动空腔接通大气压时，柔性手指向右弯曲；当通过压力控制阀对右气动空腔接通压力气体，左气动空腔接通大气压时，柔性手指向左弯曲；当两气动空腔同时通入相同压强的压力气体时，柔性手指向下弯曲。柔性多维形变传感器可将柔性手指的形变数据反馈给控制系统，控制系统进而控制压力控制阀不断调节通入气动空腔的气体压力，直到手指到达指定的形变为止。

本发明与现有技术相比具有的有益效果如下：

1、形状、尺寸和柔度可根据使用要求而改变，并由于采用的硅胶材料耐酸碱，故其可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境，能够在恶劣环境中长期稳定的工作；

2、气动柔性手指内部的双腔结构使得其不仅能够上下弯曲，而且能够左右摆动，增加了手指的自由度，提高了手指的灵活性；该气动柔性手指构成的柔性机械手安装方便，柔顺灵巧，力学性能和生物肌肉相似，不会对抓取物造成破坏，可广泛用于对易损物体的自动化抓取；

3、将三维形变传感器嵌入在内部结构中并一体成型，保证了自感知功能的可靠性，并且通过利用多维形变传感器的反馈信息，可对柔性机械手的抓取动作实现闭环控制，保证了对物体的精确稳定抓取。

附图说明

图1为本发明的主视示意简图。

图2为本发明的内部结构示意图。

图中：1-气动柔性手指基体、2-柔性多维形变传感器、3-右气动空腔、4-右进气管接口、5-左气动空腔、6-左进气管接口。

具体实施方式

在图1所示的自感知双腔多自由度气动柔性仿生手指示意图中，气动柔性手指基体1外形总长度为80mm，其顶部为多段直径为20mm的半圆柱面构成的褶皱结构，气动柔性手指基体的底面为平面并设有凹槽，柔性三维形变传感器2嵌入在柔性基体底部的凹槽中；气动柔性手指基体的上面设有右气动空腔3和左气动空腔5，左、右气动空腔的一端为封闭端，其另一端右气动空腔设右进气管接口4，左气动空腔设左进气管接口6；柔性多维形变传感器引出两条接引线接入数据采集系统，所述两个进气管接口和通过压力控制系统接空气压缩机。整个仿生手指采用常规方法用柔性硅橡胶在模具中分步浇注一体而成。

如图2所示，顶部每段半圆柱体内部有两个隔离开的近似扇形的空腔，每个这样的空腔再分别与左右两个对称长方体空腔连通分别形成对称左右气动空腔，可以在压力气体通入时使顶部变形大于底部变形，表现为手指向下弯曲变形。

本发明的工作原理如下：当通过压力控制阀对左气动空腔通入压力气体，右气动空腔接通大气压时，柔性手指向右弯曲；当通过压力控制阀对右气动空腔接通压力气体，左气动空腔接通大气压时，柔性手指向左弯曲；当两气动空腔同时通入相同压强的压力气体时，柔性手指向下弯曲。柔性多维形变传感器可将柔性手指的形变数据反馈给控制系统，控制系统进而控制压力控制阀不断调节通入气动空腔的气体压力，直到手指到达指定的形变为止。

本发明可以通过将多个柔性手指安装在一个基座上组装成一个柔性灵巧机械手，在抓取物体之前可根据物体形状设定每个手指的变形量，各个柔性三维形变传感器将手指实际变形信息反馈给控制系统，控制系统再通过压力控制阀调节各个手指的变形，直至柔性机械手运动到合适的姿态以实现精确稳定抓取。

技术特征：

技术总结
一种自感知双腔多自由度气动柔性仿生手指，其包括气动柔性手指基体、柔性多维形变传感器、右气动空腔和左气动空腔，采用常规方法用柔性硅橡胶在模具中分步浇注一体而成，其中，柔性基体的顶部为多段半圆柱面构成的褶皱结构，气动柔性手指基体的底面为平面并设有凹槽，柔性三维形变传感器嵌入在基体底部的凹槽中；气动柔性手指基体的上面设左右两个气动空腔，左、右气动空腔的一端为封闭端，其另一端右气动空腔设右进气管接口，左气动空腔设左进气管接口；柔性多维形变传感器接入数据采集系统，两个进气管接口通过压力控制系统接空气压缩机。本发明结构简单，柔顺灵巧，控制性能良好，能够很大程度模仿人手指运动，并实现对物体的精确稳定抓取。

技术研发人员：姚建涛;张弘;陈俊涛;闫永超;勾栓栓;许允斗;赵永生
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2017.07.07
技术公布日：2017.09.29