本发明涉及软体机器人领域，特指一种利用气体驱动的、完全软体的多自由度运动手指。
背景技术：
软体机器人是继仿生机器人后的一种新型机器人，它通常由软体材料、刚性骨架、致动单元及控制单元组成的具有多自由度的机械人系统；刚体机械手一般由传统的金属材料或硬质塑料通过运动副连接构成，虽然这种刚性结构具有工作效率高、控制精确等优点，但是其柔软性、安全性及适应性较差；柔软性是生物体本质而又普遍的特性，这些生物体依靠自身的柔软性可以高效、和谐地与自然界进行交互。软体机器人也能像柔软的生物体一样，可以改变自身的形状、尺寸、刚度和运动形式以适应不同的环境，这是传统刚体机器人所不具备的；随着软体机器人技术的发展，一些基于弹性体软材料的运动手指由于具有高度的灵活性和安全的人机交互性，并且可以适应不同的形状和尺寸抓取易柔易碎的物体而深受科学者们的广泛关注；申请号为201610515673.x的中国专利申请公开了一种双通道软体手指及软体机器人，设计出一种叠层排布的褶皱式柔性结构体，通过向手指内部的通道进行充气或吸气，从而实现手指向外弯曲或者向内弯曲的姿态变形,达到抓持或拾取物体的目的；申请号为201710348540.2的中国专利申请公开了一种微管道的软体两手指夹持装置，该夹持器基于弹性材料形变原理设计而成，使用气体驱动微管的收缩,使其能够在空间中进行弯曲变形运动，同时由于是柔软的弹性材料，可以有效的避免刚性冲击；但是这类手指的自由度少，运动形式单一，只能实现单一方向上的弯曲变形运动从而抓取物体；而本专利的新颖之处在于通过模仿手指关节的弯曲变形运动，可以实现诸如手指弯曲抓取物体或手指侧摆夹持物体等多方向的运动形式。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于弹性体软材料的多自由度运动手指及其制备方法，通过外部管道向手指的内部腔室充入气体时，手指内部的特定腔体结构就会膨胀变形，从而实现类似手指的弯曲变形姿态，达到可以适应物体的形状与尺寸抓取不同物体的目的。
本发明设计的一种基于弹性体软材料的多自由度运动手指，其特征在于：所述多自由度运动手指上设有柔性远指骨、柔性中指骨、柔性近指骨、外部管道；所述柔性远指骨与柔性中指骨之间设有柔性远关节；所述柔性中指骨与柔性近指骨之间设有柔性近关节；所述柔性近指骨末端设有多自由度运动的柔性基关节；所述柔性远关节内部设有柔性远关节内部腔室；所述柔性近关节内部设有柔性近关节内部腔室；所述多自由度运动的柔性基关节内部设有柔性基关节内部腔室；所述柔性基关节内部腔室内部包含四个气体通道，分别控制柔性基关节上下左右四个方向的自由度；其中所述第一外部管道与第一气体通道相连；所述第二外部管道与第二气体通道相连；所述第三外部管道与第三气体通道相连；所述第四外部管道与第四气体通道相连；所述第五外部管道与柔性近关节内部腔室和柔性远关节内部腔室相连。
本发明进一步限定的技术方案如下：
前述基于弹性体软材料的多自由度运动手指本体为圆柱形，柔性远指骨的手指前端成弧形模仿手指的形状，柔性远关节和柔性近关节的下半部成三角形缺口，方便实现运动手指的弯曲变形。
前述多自由度运动手指的柔性指骨材料采用硅橡胶ecoflex00-30与聚二甲基硅氧烷(pdms)以5:1混合的复合材料经过加料、塑化、注射、冷却和脱模过程一体化注塑成型制备。硅橡胶ecoflex00-30的拉伸率大，弹性好，而pdms具有硬度大，延展率小等特点，混合后的复合材料则具有很好的柔软性但拉伸性能一般，是柔性指骨的理想材料。
前述多自由度运动手指的柔性关节采用拉伸率大，弹性好的硅橡胶ecoflex00-30材料，同样经过加料、塑化、注射、冷却和脱模过程一体化注塑成型工艺制备。当通过外部管道向柔性关节内部腔室进行气体时，充入的气体会致使柔性关节发生弯曲变形。
前述多自由度运动手指的柔性远关节、柔性近关节和柔性基关节外表面缠绕一层纤维线，限制其径向膨胀变形，使其具有更大的弯曲变形。
前述柔性远关节和柔性近关节的内部腔室包含5个截面形状呈半圆形的气体通道，这些气体通道与第五外部管道的中心轴线垂直，通过外部气压控制气体通道的膨胀变形，使其多自由度运动手指的柔性远关节和柔性近关节发生弯曲变形。
前述多自由度运动手指的柔性基关节的内部腔室包含了4个圆柱形气体通道，通过气体通道的弯曲变形分别控制运动手指柔性基关节上下左右4个自由度的变形运动。
前述外部管道一端分别与气体通道和柔性远关节内部腔室、柔性近关节内部腔室相连，另一端分别与气泵和电磁阀相连。
本发明一种基于弹性体软材料的多自由度运动手指的优点在于：
1、所述的多自由度运动手指均采用硅橡胶制备而成，无任何硬质零件和结构，具有很好的柔韧性和安全性。
2、所述的多自由度运动手指采用气体驱动，具有低成本、易获得、无污染等优点。
3、所述的多自由度运动手指可以实现手指的多个自由度方向的运动，可以适应不同的形状和尺寸抓取物体。
附图说明
图1所述为本发明设计的一种多自由度运动手指的轴向剖面结构图；
图2所述为本发明设计的一种多自由度运动手指的末端结构主视图；
图3所述为本发明设计的一种多自由度运动手指的外部结构示意图；
图4所述为本发明设计的一种多自由度运动手指的实物图；
图5所述为本发明设计的一种多自由度运动手指致动后的实物图；
图中：1、柔性远指骨，2、柔性远关节，3、柔性中指骨，4、柔性近关节，5、柔性近指骨，6、柔性基关节，7、柔性远关节内部腔室，8、柔性近关节内部腔室，9、柔性基关节内部腔室，10、第一外部管道，11、第二外部管道，12、第三外部管道，13、第四外部管道，14、第五外部管道，9a、第一气体通道，9b、第二气体通道，9c、第三气体通道，9d、第四气体通道。
具体实施方式
为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明，但本发明绝非仅限于实施例。
本发明中的一种基于弹性体软材料的多自由度运动手指，结构如图1、图2、图3所示，该运动手指主要由柔性远指骨1、柔性远关节2、柔性中指骨3、柔性近关节4、柔性近指骨5、柔性基关节6组成；所述柔性远关节2和柔性近关节4内部至少包含五个截面形状呈半圆形的气体通道；所述柔性基关节内部均匀分布了四个圆柱形腔体通道。该手指主要由弹性体软材料制备而成，其中柔性远指骨1、柔性中指骨3、柔性近指骨5选用硅橡胶ecoflex00-30与聚二甲基硅氧烷(pdms)以5:1混合的复合材料，柔性远关节2、柔性近关节4和柔性基关节6选用硅橡胶ecoflex00-30。由于材料的柔软性，该手指可以适应不同的形状抓取易柔易碎的物体，且软体材料的摩擦系数较大，抓取物体不容易滑脱。
本专利所述多自由度运动手指的工作原理如下：
如图2所示，当通过第五外部管道14向腔室内充入气体时，充入的气体通过柔性近关节内部腔室8和柔性远关节内部腔室7，其内部腔体结构就会像气球一样发生膨胀变形，而由于底部的约束层和外表面缠绕的纤维线，整个柔性关节会向下弯曲变形，实现手指近关节和远关节的弯曲变形运动。当通过第一外部管道10向第一气体通道9a内充入气体时，实现柔性基关节向上弯曲变形；同理，当通过第二、三、四外部管道11、12、13分别向第二、三、四气体通道9b、9c、9d内充入气体时，可以实现柔性基关节向下、向左、向右弯曲变形。另外，为了满足其它的运动需求，还可以同时向不同腔室充气实现其它自由度方向上的运动，例如，当通过第二、三外部管道11、12向第二、三气体通道9b、9c内同时充气时，可以实现柔性基关节向左下弯曲变形；当通过第二、四外部管道11、13向第二、四气体通道9b、9d内同时充气时，可以实现柔性基关节向右下弯曲变形等，根据实际需求可以选择不同的腔室组合进行弯曲致动实现多自由度运动。
实施例1
本实施例中多自由度运动手指柔性指骨的材料采用硅橡胶ecoflex00-30与聚二甲基硅氧烷(pdms)以5:1混合的复合材料，柔性指关节的材料采用硅橡胶ecoflex00-30。首先通过3d打印技术制备出直径为15mm，长度为100mm的手指成型模具，其中手指的柔性远关节2、柔性近关节4、柔性基关节6各15mm，手指的柔性远指骨1长15mm，柔性中指骨3和柔性近指骨5各20mm。将硅橡胶ecoflex00-30和pdms以质量比为5:1混合均匀，放在真空干燥皿中抽气5min后，将除气后的复合材料浇注到手指模具中的柔性远指骨1、柔性中指骨3和柔性近指骨5的位置，然后将样品放于烘胶台中固化2h，固化温度为60度，固化完成以后，将硅橡胶ecoflex00-30除气后浇注到手指模具中柔性远关节2、柔性近关节4和柔性基关节6的位置，然后将样品放于烘胶台中固化1h，固化温度为60度，最后将固化好的手指从模具中剥下后，在手指柔性远关节2、柔性近关节4和柔性基关节6的外表面缠绕一层纤维线，其中手指柔性远关节2、柔性近关节4和柔性基关节6的壁厚为1.5mm。
本实施例测试结果为当外部气压达到60kpa时，多自由度运动手指可以达到如图5的最大弯曲角度。
实施例2
本实施例中多自由度运动手指的制备方法同实例1，但改变了运动手指的柔性指骨和柔性关节材料，其中柔性指骨的材料采用硅橡胶ecoflex00-20与聚二甲基硅氧烷(pdms)以3:1混合的复合材料，柔性指关节的材料采用硅橡胶ecoflex00-20，其中手指柔性远关节2、柔性近关节4和柔性基关节6的壁厚同样为1.5mm。
本实施例测试结果为当外部气压达到40kpa时，多自由度运动手指可以达到如图5的最大弯曲角度。