一种变刚度三指软体机器人的制作方法

本发明涉及一种软体手指，特别是涉及一种气动变刚度软体手指，以及将所述手指组装的变刚度三指软体机器人。

背景技术

受到软体生物杰出的环境适应能力启发，近年来形成了一种共识，那就是解决机器人环境适应性，交互友好性，行动安全性的根本解决办法是革新机器人的基础结构，使之整体结构或部分结构变成全软体结构。软体机器人能够像生物体那样主/被动的控制自身的形状以实现更好的环境交互。中国专利cn106003131a公开了一种双通道软体手指及软体机器人，利用气体驱动软体结构实现抓取、搬运等功能，该设备受限于软材料的特性，针对不同质量、形状、材质的物体无法有效的在抓持过程中实现刚度的变换，从而在抓持过程中的鲁棒性较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以在保证抓取速度的同时，实现对生产对象的无伤抓取，结构简单、重量轻、安全性高、刚度可变、抓取能力强变刚度三指软体机器人。

本发明的变刚度三指软体机器人，包括三个变刚度软体手指，变刚度软体手指由从上至下依次固定连接的驱动层、不可延展层和变刚度层组成，所述的不可延展层将驱动层和变刚度层分隔为两部分，所述变刚度软体手指前端为软体指尖，在对应所述的变刚度手指驱动层的后壁上开有正压输入口且对应变刚度层的后壁上开有负压输入口；

所述的驱动层包括左右依次相连的多个气囊，每个气囊的气囊顶壁厚度大于2.5mm，所述的气囊侧壁厚度为1mm-1.5mm，在每个气囊侧壁上都有齿状结构，在所述的每个气囊侧壁下部都开有通孔，全部通孔彼此连通形成气道，所述的气道与正压输入口连通使由正压输入口输入的正压能到达每一个气囊；

所述不可延展层包括固定在多个气囊底壁上的硅胶基底以及沿水平方向镶嵌在不可延展层内的网格布，所述的变刚度层包括与不可延展层底面固定相连的硅胶壳，所述硅胶基底将气囊与硅胶壳分别密封使多个气囊与硅胶壳各形成一个密闭的空间；

在所述硅胶壳内硅胶基底的底壁上固定有基座，在所述的基座人上设置有多个左右平行间隔设置的轴孔，每个轴孔均与一个人造鳞片上的轴转动相连，每个所述的人造鳞片由位于轴前端的水平抛物线形结构以及轴后端的平面结构连接构成，在平面结构的底面上设置有后齿面，在所述的水平抛物线形结构的顶面上设置有前齿面，当负压输入口输入负压时，多个人造鳞片之间能够通过前一人造鳞片的后齿面与后一人造鳞片的前齿面相互咬合而依次相互咬合；

每一个所述变刚度软体手指的后端固定在手指基座上，手指基座夹在n形角度调整架的空隙中，在所述的n形角度调整架的两个侧壁上分别开有多个螺栓孔，所述的手指基座通过螺栓螺母与角度调整架上预定位置的螺栓孔相连，在所述的n形角度调整架的顶壁开有4个螺栓孔且在顶壁中间开有滑槽,所述的滑槽与正压输入口与负压输入口相对以方便从正压输入口与负压输入口输入正压与负压，一个位置调整架具有中心架，在所述的中心架上沿设定的同一圆周方向均匀间隔设置有三个连接臂，每个所述的连接臂与一个变刚度软体手指相连，在每个连接臂上开有多道彼此平行设置的连接槽，每个与变刚度软体手指连接的角度调整架通过穿过顶壁上的螺栓孔的螺栓螺母连接在位置调整架的连接槽的预定位置上；

所述的驱动层、硅胶基底、硅胶壳和基座采用硅橡胶材料，人造鳞片由尼龙材料制造。

本发明与现有发明相比，本发明具有以下优势：

1.适用性：采用可调支架，可实现软体手指多间距多角度可调，在软体手指大的适用性基础上进一步增大其适用性，从而达到所述软体机器人抓取多种种尺寸、形状物体，适应多种环境的能力。

2.低成本：利用硅橡胶浇筑工艺，同时变刚度层主要由3d打印件组成，无需复杂工序工艺与原料，降低了加工制造成本。

3.安全性：材质主体由硅橡胶组成，同时由较低的正/负压驱动，与人或环境交互安全。

4.可变刚度：通过输入负压驱动变刚度层实现软体机器人“软”与“硬”的快速转变，以改善软体机器人在抓取过程中承载低，搬运不稳定的问题。

5.较好的弯曲效果：借助气囊壁上的齿状结构，使在相同气压驱动下获得更大的输出弯曲角度和指尖力。

附图说明

图1a是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的外部结构图；

图1b是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的另一视角外部结构图。

图1c是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的轴向剖面结构图；

图1d是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的变刚度结构图；

图1e是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的结构爆炸图；

图1f是本发明设计的一种变刚度三指软体手指的充气效果图；

图2是本发明设计的一种变刚度三指软体机器人的结构图；

图2a是本发明设计的一种变刚度三指软体机器人的正视图；

图2b是本发明设计的一种变刚度三指软体机器人的俯视图；

图2c是本发明设计的一种变刚度三指软体机器人的调整模块结构图；

图2d是本发明设计的一种变刚度三指软体机器人的角度调整架结构图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参见附图本发明的变刚度三指软体机器人包括三个变刚度软体手指，如图1a、图1b、图1c、图1d、图1e所示，每一个所述的变刚度软体手指为一多层结构件。变刚度软体手指采用硅橡胶(即siliconrubber原料)加工，故为软体特质。其中驱动层1、硅胶基底20、硅胶壳13由硅橡胶制造，可以利用传统浇筑工艺制作，基座16为硅橡胶材料制造,可以采用3d打印快速成型，人造鳞片14由尼龙材料制造，可以采用3d打印快速成型。

如附图1a、图1b所示，所述变刚度软体手指由从上至下依次固定连接的驱动层1、不可延展层2和变刚度层3组成。所述的不可延展层2将驱动层1和变刚度层3分隔为两部分。所述变刚度软体手指前端为软体指尖4，在对应所述的变刚度手指驱动层1的后壁上开有正压输入口7且对应变刚度层3的后壁上开有负压输入口6。

如附图1c、1d、1e所示，所述的驱动层1包括左右依次相连的多个气囊。每个气囊8的气囊顶壁10较厚，每个气囊8的气囊顶壁10厚度大于2.5mm，优选的每个气囊8的气囊顶壁10厚度在2.5mm-4mm之间，气囊侧壁9较薄，所述的气囊侧壁9厚度为1mm-1.5mm。在每个气囊侧壁9上都有齿状结构5以增强其弯曲性能。在所述的每个气囊8侧壁9下部都开有通孔，全部通孔彼此连通形成气道11，所述的气道11与正压输入口7连通使由正压输入口7输入的正压能到达每一个气囊8。

所述不可延展层2包括固定在多个气囊8底壁上的硅胶基底20以及沿水平方向镶嵌在不可延展层2内的网格布12，网格布12嵌入到硅胶底20中使不可延展层2具有不可延展的物理特性。所述的变刚度层3包括与不可延展层2底面固定相连的硅胶壳13，所述硅胶基底20将气囊8与硅胶壳13分别密封使多个气囊8与硅胶壳13各形成一个密闭的空间。

在所述硅胶壳13内硅胶基底20的底壁上固定有基座16，在所述的基座16人上设置有多个左右平行间隔设置的轴孔15，每个轴孔均与一个人造鳞片14上的轴19转动相连。每个所述的人造鳞片14由位于轴19前端的水平抛物线形结构以及轴19后端的平面结构连接构成，在平面结构的底面上设置有后齿面18，在所述的水平抛物线形结构的顶面上设置有前齿面17，当负压输入口6输入负压时，多个人造鳞片14之间能够通过前一人造鳞片14的后齿面18与后一人造鳞片14的前齿面17相互咬合而依次相互咬合。

在本发明中，如图1f所示，通过正压输入口7输入气压后，较薄的气囊侧壁9膨胀相互挤压产生了整体的弯曲效果。

当负压输入口6输入负压时，原本没有相互咬合的人造鳞片14由于负压后外界大气压力的作用而依次相互咬合，产生整体的刚度变化，从而实现了软体手指由柔变刚的一个过程。

参见图2、图2a、图2b、图2c、图2d，所述的变刚度软体手指、手指基座22、角度调整架23、位置调整架21组成。每一个所述变刚度软体手指的后端固定在手指基座22上，手指基座22夹在n形角度调整架23的空隙中，在所述的n形角度调整架23的两个侧壁上分别开有多个螺栓孔，所述的手指基座22通过螺栓螺母与角度调整架23上预定位置的螺栓孔相连，通过调整4个螺母不同的安装位置，可以调整带基座的软体手指的安装角度。在所述的n形角度调整架23的顶壁开有4个螺栓孔，顶壁中间开有滑槽,所述的滑槽与正压输入口7与负压输入口6相对以方便从正压输入口7与负压输入口6输入正压与负压，一个位置调整架21具有中心架，在所述的中心架上沿设定的同一圆周方向均匀间隔设置有三个连接臂，每个所述的连接臂与一个变刚度软体手指相连，在每个连接臂上开有多道彼此平行设置的连接槽，每个与变刚度软体手指连接的角度调整架23通过穿过顶壁上的螺栓孔的螺栓螺母连接在位置调整架21的连接槽的预定位置上，可以连续调整周向分布的变刚度软体手指与位置调整架23中心的距离，最终实现变刚度软体手指位置、角度的可调。

通过向所述变刚度软体手指正压输入口充入或排出气体，可实现变刚度三指软体机器人的抓放动作，通过向变刚度软体手指负压输入口抽气可实现变刚度三指软体机器人刚度的转变，获得更好的抓取效果。具体抓取过程是首先需要有较好的柔顺性去贴合目标物体表面，这时不能使用真空泵，仅利用驱动腔输入正压弯曲抓取。当尽可能的贴合目标物体后，启动真空泵充入负压，这样就能在抓持和操纵的时候获得大的刚度来抵抗被抓持目标或者外界带来的冲击力，从而更稳定的提升抓取性能和抓取稳定性。

本发明的一种变刚度三指软体机器人具有对多种形状，材料，质量物体的抓取能力，同时具有变刚度特性，提升抓取的可靠性和稳定性，变刚度结构设计简单，机器人控制方便，满足软体机器人完成复杂条件抓取等任务的性能需求。

以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型均属于本发明的保护范围。