本发明涉及夹具技术领域，尤其涉及一种柔性手指、柔性夹爪及机械夹具。
背景技术
在工业生产或者日常生活中，经常会有从一个堆积着物料的容器中，把物料抓取出来，放置到其他位置的需求，对于这种需求，目前是采用机器人末端执行器或夹具来完成抓取，主要有两种方式，一种是通过吸盘来吸取，但是由于物料之间存在缝隙，所以很难建立真空环境，如果用小吸盘一个个地吸取，效率太低，另一种是通过金属夹爪来夹取，但是由于其具有金属的前端，因此，在伸入物料过程中，很容易产生较高的应力，将物料挤压损坏，并且金属夹具闭合时，难以形成有效包覆。而柔性手指由于具有一定的柔性，
因此，在抓取堆积散料时不会对其产生损伤，即使是伸入物料中在其中运动，也不会对其产生损坏，但另一方面，由于柔性手指01采用气压控制，因此当夹爪张开时，柔性手指01会在负压状态下向外翻转，使得指腹朝下，因而难以插入堆积的散料中，实现有效包覆抓取(如图1所示)，仅能夹取表面少部分散料，夹取效率极低；而如果柔性手指内无压差状态，虽然指尖向下，但手指因为无内压，而处于较柔软状态，同样难以插入堆积散料中(如图2(a)和2(b)所示)，甚至不能实现有效抓取。
技术实现要素：
(一)发明目的
本发明实施例的目的是提供一种可以有效地提高柔性夹爪的抓取能力的柔性手指、柔性夹爪及机械夹具。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明实施例的第一方面提供了一种柔性手指，包括手指本体和锁定结构，手指本体的外表面具有多个空腔；锁定结构设置为对手指本体的弯曲方向进行单向限制和强化手指本体的硬度。
进一步地，锁定结构沿手指本体的尖端向手指本体与基座连接的一端延伸设置于手指本体外部或内部。
进一步地，手指本体设置为在不同压差状态下实现不同方向弯曲，压差状态包括正压状态和负压状态；手指本体在不同压差状态下实现不同方向弯曲包括：在负压状态下，手指本体反向弯曲，或者在正压状态下，手指本体正向弯曲。
进一步地，锁定结构设置于所述手指本体内部时，所述锁定结构包括：多个硬质结构件和将两个相邻的所述硬质结构件连接的连接件。
进一步地，连接件位于所述硬质结构件靠近所述本体手指的指腹的一侧。
进一步地，连接件设置为转动时，使得两个相邻的所述硬质结构件远离所述指腹的一侧抵接以进行锁紧。
进一步地，锁定结构包括：至少一个限位部件，设置在两个相邻的所述空腔之间。
进一步地，限位部件包括：止挡部，设置在所述手指本体的指背的一侧，沿所述手指本体长度方向设置有一定厚度。
进一步地，限位部件还包括：卡接部，设置在所述手指本体的指腹的一侧，与所述止挡部连接，且与所述手指本体卡接。
进一步地，卡接部为u形结构，所述u形结构两侧的开口端朝向其中心线延伸形成挡边。
进一步地，u形结构的至少一侧与所述止挡部连接。
进一步地，止挡部和/或所述限位部件为硬质材料制成。
进一步地，锁定结构包括：由低熔点金属合金材料制成的金属层。
进一步地，还包括：加热部件，与所述金属层连接，用于对所述金属层加热使其达到熔点并液化。
根据本发明实施例的第二方面，还提供一种柔性夹爪，包括至少两个柔性手指。
进一步地，柔性夹爪还包括：还包括：流体导通阀、充压嘴和支架，流体导通阀和充压嘴的数量均与柔性手指的数量相同；流体导通阀安装在支架上；充压嘴安装在流体导通阀上，且通过流体导通阀中心的通孔连通至柔性手指。
根据本发明实施例的第三方面，还提供一种机械夹具，包括机械手臂和一个或多个柔性夹爪，所述机械手臂上安装有一个或多个柔性夹爪。
进一步地，还包括：控制设备，与柔性夹爪连接，用于在柔性手指伸入堆积物料时，控制柔性夹爪抖动或者扭动。
进一步地，所述控制所述柔性夹爪抖动包括：控制所述柔性夹爪以一定幅度来回横移；或，控制所述柔性手指以一定频次在正压状态和负压状态来回切换。
进一步地，所述控制所述柔性夹爪扭动，包括：控制所述柔性夹爪顺时针或者逆时针旋转，或者在顺时针和逆时针之间来回切换旋转。
(三)有益效果
本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过设置一锁定结构，使得锁定结构对手指的弯曲方向进行单向限制，强化手指的硬度，从而实现在抓取堆积散料时，能够较深地插入待抓取物中，有效地提高柔性夹爪的抓取能力，满足更多的生产、生活中的抓取任务。
附图说明
图1是现有技术中常规柔性夹爪在负压状态下抓取堆积散料的状态示意图；
图2(a)是现有技术中常规柔性夹爪在无压状态下的状态示意图；
图2(b)是现有技术中常规柔性夹爪在无压状态下抓取堆积散料的状态示意图；
图3是本发明实施例一的柔性手指反向弯曲的状态示意图；
图4是本发明实施例一的柔性手指正向弯曲的状态示意图；
图5(a)是本发明实施例二的具有锁定结构的两个柔性手指在负压状态下伸入堆积散料中的状态示意图；
图5(b)是本发明实施例二的具有锁定结构的两个柔性手指在正压状态下实现有效包覆抓取的状态示意图；
图6(a)是本发明实施例三的具有限位部件的柔性手指的结构示意图；
图6(b)是本发明实施例三的具有限位部件的柔性手指正向弯曲的状态示意图；
图7是本发明一种实施方式的限位部件的俯视图；
图8是本发明另一种实施方式的限位部件的俯视图；
图9是本发明又一种实施方式的限位部件的俯视图；
图10是本发明又一种实施方式的限位部件的俯视图；
图11是本发明实施例三的一种包括两个柔性手指的柔性夹爪的结构示意图。
附图标记：
01：柔性手指；1：手指本体；11：空腔；2：锁定结构；21：硬质结构件；3：限位部件；31：止挡部；32：卡接部；33：挡边；4：流体导通阀；41：上阀头；42：下阀头；5：充压嘴；6：支架；61：支臂；62：安装面板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在以下的本发明实施例中，手指采用弹性材料或合成纤维材料制成，例如橡胶材质或者硅胶材料制成，手指均包括指腹和指背，手指的一侧设置为大致平面状，相对的另一侧形成为多个凸起，手指上为平面的一侧称之为指腹，具有多个空腔(如果充入流体为气体，一般称之为气囊)的另一侧称之为指背，指腹与指背相对设置。空腔呈凸起的波峰状结构，而多个空腔之间内部连通。手指内部与外部产生压力差即可实现弯曲东西(正向或者反向)，且压差不仅可以由气体实现，液体也可以。另外，手指还包括末端和尖端，末端与尖端之间为指节，尖端是用于插入堆积散料中的，末端是与导流管连接对手指的空腔进行充气(液)或者抽气(液)。具体地，手指包括三种状态：1、负压状态下为反向弯曲状态；2、无内压的松弛状态；3、正压状态下为正向弯曲状态。下文以气体为例，详细介绍手指的状态切换。要完成散料的抓取，则需要在负压或者无内压的状态下将手指插入物料中，而对于无内压状态，虽然手指呈自由伸直状态，但是强度较低，在伸入散料中时，很容易被折弯变形，基本不可能伸入物料很深，在负压状态下，柔性手指内部为真空状态，其外部的空腔之间相互挤压，但是由于其呈现反向弯曲的状态，即指腹朝下，故在伸向物料中时，指腹抵在物料堆上，而不能插入物料中。若手指可以顺利地插入物料中，再使其呈正压状态，则可以将物料抓取出来。
目前，散料抓取时的难点，在于如何让手指有效插入堆叠的散料中，实现包覆式夹取。如果能够使手指尖端指向散料，同时手指整体具备一定的硬度，则可以实现有效的包覆式夹取。具体实施请参见以下实施例的介绍：
需要说明的是，本发明实施例的反向弯曲是指手指朝向指背侧弯曲，正向弯曲是指手指朝向指腹侧弯曲。
图3是本发明实施例一的柔性手指反向弯曲的状态示意图；
图4是本发明实施例一的柔性手指正向弯曲的状态示意图。
如图3、图4所示，一种柔性手指，包括手指本体1和锁定结构2，手指本体1的外表面具有多个空腔11；锁定结构2设置为对手指本体1的弯曲方向进行单向限制和强化手指的硬度。
进一步，手指本体2在不同压差状态(包括正压状态和负压状态)下能够实现不同方向弯曲。
进一步，锁定结构2设置于手指本体1外部或内部，与手指本体1连接，且沿手指本体1的尖端向末端延伸设置，锁定结构2设置为对手指本体1的弯曲方向进行单向限制和强化手指本体的硬度。
在一个实施方式中，锁定结构2能够对手指的弯曲方向进行单向限制，当手指朝某一方向弯曲(例如反向弯曲或者正向弯曲)时，锁定结构2会处于硬化状态，进而实现在该弯曲方向上对手指的弯曲程度进行限制，而当手指朝相反方向弯曲时，锁定结构2不对手指的弯曲进行限制，手指可正常完成堆积散料的有效包覆抓取。锁定结构2硬化功能可以是采用刚性材料来实现，即在限制弯曲方向时，手指本体1会随着锁定结构2的硬化而硬化，便于较深地插入堆积散料之中。
具体地，可以将手指本体1的末端连通至导流管，导流管和手指本体1形成一密闭空腔，导流管可通过该密闭空腔充气使手指内部的气压达到正压状态，或者该密闭空腔抽气使手指内部的气压达到负压状态。
其中，手指本体1在不同压差状态下实现不同方向弯曲是指：在负压状态下，手指反向弯曲，或者在正压状态下，手指正向弯曲。在一个优选的实施方式中，锁定结构2设置为对手指反向弯曲的角度进行限制，以及在正向弯曲时，锁定状态解除。现有技术中，由于手指为柔性手指，因此，在反向弯曲插入堆积散料中时，手指会在压力下弯曲从而使得指腹朝向散料，因此，会导致其仅在物料表面进行抓取，无法较深地插入堆积散料中，出现抓取效率低的问题，本发明通过对反向弯曲的角度进行限制，能够使其保证为基本垂直插入(如图5(a)所示)，正向弯曲时，由于手指是实现有效包覆抓取的过程，因此，不需要对弯曲角度进行限制，包覆抓取的状态图如图5(b)所示。
在一个实施方式中，锁定结构2进一步设置为将手指反向弯曲的角度限定在某一角度，以锁定手指本体1为尖端指向抓取物且结构硬化的状态。更进一步地，锁定结构2还可以设置为在手指本体1正向弯曲时，锁定状态解除，此时，手指本体1可正常弯曲，优选地，还可以在锁定结构2正向弯曲后，对锁定结构进行硬化处理，使得锁定结构2处于硬化状态，以增强手指的硬度，更加有效地夹取散料，使其不易掉落。
锁定结构2可以设置于手指内部，也可以设置于手指外部，在一个实施方式中，锁定结构2在设置于手指本体1外部时，可以是与手指本体1接触设置，或者是在手指本体1外部(例如：指腹侧)设置一与锁定结构2形状相匹配的凹槽，将锁定结构2嵌入凹槽中，锁定结构2可以通过一驱动部件驱动其朝某一方向弯曲，进而手指会随之弯曲，当锁定结构2的弯曲角度到达锁定角度时，手指本体1即被锁定，不再弯曲。锁定结构2也可以通过一粘接物粘贴在凹槽内部。
作为一种锁定结构的实施方式，锁定结构2设置于手指本体1内部时，其一端固定连接至手指本体1的末端，另一端设置为悬空状态，手指在无压状态时，锁定结构2为自由状态，不硬化。进一步地，锁定结构包括多个硬质结构件21和将两个相邻的硬质结构件21连接的连接件22，例如：每两个相邻的硬质结构件之间均设置有连接件22，这些连接件22将这些硬质结构件21串联形成一个整体的硬质结构。该连接件22设置为朝向反向弯曲的方向转动至某一角度时，锁定结构2锁紧使得手指呈硬化状态。硬质结构件21可以是刚性结构等其他具有硬度的结构。
可选的，锁定结构2还可以是采用单向链条。
在另一个实施方式中，锁定结构2在无压状态下时，两个相邻硬质结构件21之间具有一定间隙，连接件22位于该间隙靠近手指本体1指腹一侧的相邻两个硬质结构件21之间，且设置为可转动。
连接件22可以是自身具有锁定功能的结构，例如：铰链，即当锁定结构2转动至某一角度时，则无法再继续朝该方向转动，锁定结构2即锁定，且手指呈硬化状态。连接件22也可以是自身不具有转动角度限制的结构，依靠相邻两个硬质结构件21在远离指腹的一侧抵接来对手指的反向弯曲角度进行限制。当手指本体1内部的空腔处于负压状态时，由于手指本体1会外翻进行反向弯曲，因此，连接件22也会跟随手指本体1的弯曲进行相应转动，当转动至一定角度或者相邻两个硬质结构件21远离指腹的一侧抵接时，多个硬质结构21之间就会相互锁紧，形成硬质的锁定结构2，对手指的反向弯曲角度进行限制，并且在锁紧状态下，锁定结构2本身的刚性能够对柔性手指形成一定支撑，相当于在柔性手指内部内置了一个骨架，来增强手指整体的刚性，使得尖端能够基本垂直且较深地插入散料中；正向弯曲时，锁紧状态解除，不影响手指正向弯曲，可正常抓取物料。
图6(a)是本发明实施例二的具有限位部件的柔性手指的结构示意图；
图6(b)是本发明实施例二的具有限位部件的柔性手指正向弯曲的结构示意图。
如图6(a)、6(b)所示，当锁定结构2设置在手指本体1的外部时，锁定结构2包括至少一个限位部件3，设置在两个相邻的空腔11之间，在负压状态下，与该两个空腔11形成挤压状态，将手指本体1反向弯曲的角度限制在某一角度；在正压状态下，手指本体1正向弯曲，不影响正常抓取过程。
其中，限位部件3包括止挡部31，设置在手指本体1的指背的一侧，止挡部31具有一定厚度，当止挡部31位于手指本体1的空腔之间时，其厚度方向与手指本体的长度方向一致。止挡部31可以是一硬质垫块，其沿手指的尖端向末端分布设置，可以是在每两个空腔之间分布，也可以是仅在尖端处的几个空腔之间分布，还可以是在所有的空腔之间分布，在手指处于负压状态时，硬质垫块会与相邻的两个空腔相互挤压和夹紧，此时，手指硬化，手指本体1的反向弯曲的角度被限制在某一角度，且由于硬质垫块具有一定硬度，手指在反向弯曲至某一角度后则不能再弯曲，在夹紧状态下，手指不会大幅度反向弯曲，从而保证指尖部分能够较深地插入堆叠物料；而手指处于正压状态时，由于硬质垫块仅在指背侧设置，指腹侧并未设置硬质垫块，因此，手指正向弯曲时，不影响正常的抓取动作。硬质垫块可以是采用聚氨酯材料制成的具有硬度的垫块。可选的，由于位于顶端和底端的两个空腔仅能受到硬质垫块在一个方向的压力(沿竖直方向向上或者向下的压力)，因此可以通过将位于顶端和底端的两个空腔的硬度设置为高于其他的空腔，这样，硬质垫块在和空腔相互挤压时，相当于通过空腔本身的硬度给位于顶端的空腔提供一个反方向(沿竖直方向向下)的挤压力，也给位于底端的空腔提供反方向(沿竖直方向向上)的挤压力，从而使得空腔和硬质垫块更加充分地挤压并夹紧。
其中，硬质垫块也可以是通过连接部件连接的一体部件，例如：通过将多个硬质垫块远离指背侧的一端串联实现一体连接。
另外，限位部件3还包括：卡接部32，设置在手指本体1的指腹的一侧，与止挡部31连接，且与手指本体1卡接。止挡部31沿手指本体1长度方向的厚度可以大于卡接部32沿手指本体1长度方向的厚度。止挡部31和/或限位部件3为硬质材料制成。当手指本体1反向弯曲时，止挡部31与空腔11形成挤压并呈夹紧状态，止挡部31的厚度也可以设置为稍大于空腔11的波峰的最大宽度，但应不小于空腔11的波峰的最大宽度，以在负压状态下和止挡部31形成较为紧密的接触进行挤压，从而限制手指本体1反向弯曲的角度。其中，止挡部31与卡接部32为固定连接或者一体成型。其中，止挡部31可以设置为空腔，也可以设置为实心。
在一个实施方式中，如图6所示，卡接部32形成为大致u形，u形结构两侧的开口端朝向其中心线延伸形成挡边33，或者u形结构的底部与止挡部31连接，或者u形结构的其中一侧与止挡部31连接，止挡部31的截面大致为矩形，也可以设置为空腔11在挤压状态下的截面形状，以使得空腔11在受到挤压时能够与止挡部31充分接触，从而限制手指本体1的反向弯曲的角度；卡接部32形成为大致u形，对应于上述卡接部32的三种结构，u形结构的开口朝向指腹的一侧、手指空腔的一侧或者手指的某一侧面；
当u形结构的开口朝向指腹的一侧时，其结构如图7所示：u形结构两侧的开口端朝向中心线(指腹到指背侧所在直线)延伸形成挡边33。挡边33与卡接部32的两个侧边垂直，形成为l形状。使用时，将u形结构的两个挡边33卡在指腹两侧，即可将整个锁定结构2卡在相邻两个空腔11之间，不需要时，也可以将锁定结构2取下，与柔性手指分离储存。其中，挡边33的长度可以设置为指腹宽度的1/10长度、1/5长度、1/3长度或者1/2长度，但为了能够方便地将限位部件从手指上取下，挡边33不宜设置过长，当整个限位部件卡接在手指上时，挡边33仅需要略伸出一点即可，例如：将挡边33的长度设置为指腹宽度的1/10长度或者1/5长度。
如图8所示，当u形结构的开口在手指的某一侧面时，u形结构的其中一个侧面与止挡部连接；
如图9所示，当u形结构的开口朝向手指空腔的一侧时，u形结构开口的宽度大于止挡部的厚度，止挡部的两个侧面上分别设置一凸台，u形结构开口端的内侧设置有与凸台相应的凹槽，通过凸台和凹槽的匹配实现u形结构和止挡部的卡合。
如图10所示，将止挡部31相对的两个边延伸出一段，形成为u形，并在止挡部31的u形开口的两个端部开设一凹槽，凹槽形状与卡接部32远离挡边33的两个端的形状匹配，二者通过卡接的形式连接为一体。
在一个实施方式中，强化手指本体的硬度，可以是将锁定结构2设置为低熔点金属合金材料制成，覆盖于手指本体1内表面形成金属层，金属层可以选择低熔点的金属或金属合金材料制成，典型的有低温合金有镓铟锡合金和武德合金。常温下，金属层为凝固态，在手指反向弯曲时，凝固态的金属可以提高手指刚性，使其便于插入物料中。金属层可以设置于手指内表面中的任一面或者手指内表面全部都设置，由于在反向弯曲时，指腹侧决定其弯曲程度，因此，金属层可以优选地设置于手指内表面的指腹侧。在手指正向弯曲时，为了不影响手指正向弯曲的抓取，可以对该金属层进行加热，例如电磁波加热等对金属层进行加热，使其达到熔点并液化。还可以设置一加热部件，与金属层连接，用于对金属层加热使其达到熔点并液化。加热部件可以是一电阻丝，在手指需要正向弯曲进行抓取时，通过电阻丝加热金属层，使其达到熔点并液化。当然，金属层也可以设置在手指外表面的指腹侧，本发明不作限制。
进一步地，为了避免金属层熔化后变为高温液态流体，对柔性手指造成损坏，可以在金属层外表面镀一层保护层，该保护层设置为具有多个小方格的形状，方格不宜过大，金属层可以在保护层内部实现熔化并不损坏柔性手指本身。
需要说明的是，本发明实施例所介绍的锁定结构的3种实施方式可以是单独使用，也可以是配合在一起使用。另外，在手指反向弯曲完成后，需要对手指进行加热，使得金属层固转液，才能实现正向弯曲，正向弯曲的时候，不对金属层加热，使金属层冷却呈固化状态，以增加手指的硬度，实现更加有效的抓取。
在本发明的另一方面，还提供一种柔性夹爪，包括至少两个柔性手指。
在两个柔性手指组成的柔性夹爪的实施例中，如图11所示，柔性夹爪包括两个柔性手指、两个流体导通阀4、两个充压嘴5和支架6；流体导通阀4固定安装于支架6上；支架6上包括至少两个支臂61，每个支臂61一端连接支架6、另一端固定安装一个流体导通阀4，流体导通阀4与柔性手指连通。每个流体导通阀4包括上阀头41和下阀头42，柔性手指的末端夹持在上阀头41和下阀头42之间，并通过螺钉固定。上阀头41上安装有一个充压嘴5，充压嘴5通过上阀头41中心的通孔连通柔性手指的气路通道。
柔性手指的末端为外凸环形体，柔性手指的末端与靠近柔性手指末端的空腔之间的过渡段为锥形体；上阀头41的内部设有锥体椭圆凸嘴，下阀头42的内部设有锥体椭圆通孔和内凸台；过渡段的锥形体被夹持在锥体椭圆凸嘴和锥体椭圆通孔之间，末端的外凸环形体被固定限位在内凸台内。
支架6上还设置有安装面板62，柔性夹爪通过安装面板62固定安装在机器人上。
在三个以及三个以上柔性手指组成的柔性夹爪的实施例中，包括一个支架，柔性手指沿支架的圆周方向均匀分布。其余结构可参见两个柔性手指组成的柔性夹爪的实施例，在此不再赘述。
在本发明的又一方面，还提供一种机械夹具，包括一个或多个柔性夹爪，还包括一个或多个机械手臂，每个机械手臂上安装有一个或多个柔性夹爪。
进一步地，由于有些堆积物料堆积地较为紧实，直接采用柔性手指硬往里插效果并不好，故可以增加一个控制设备，与柔性夹爪连接，用于控制柔性夹爪抖动，模拟人手插入堆积物料的过程，例如：往物料堆积较为松散的地方抖动。抖动方式可以有两种：1、机械臂带动整个柔性夹爪小幅度地来回横移，在颤动中，将柔性夹爪伸入物料；2、每一根柔性手指，高频次地切换正压和负压状态，使其正向和反向弯曲颤动，伸入物料。
可选的，控制设备还可以用于控制柔性夹爪扭动。在柔性夹爪呈负压状态(即张开或者受限伸直状态)时，机械臂将柔性夹爪伸向物料，同时机械臂带动柔性夹爪旋转起来，可以是顺时针或者逆时针旋转，也可以是在顺时针和逆时针之间来回切换旋转，即正向弯曲和反向弯曲的来回切换选择，也能实现有效抓取。
对于控制方法的实施过程可以参阅上述关于机械夹具的实施例的介绍，在此不再赘述。
在一个实施方式中，在对抓取物进行抓取时，若抓取物的表面较为光滑、或者呈酸性、碱性或者具有腐蚀性时，可以通过在柔性手指的尖端处涂覆一层防滑材料、耐酸性材料、耐碱性材料或者防腐蚀性材料。
在另一个实施方式中，还可以是在手指的指尖部位设置一能够增大摩擦力的粗糙结构，例如：在指尖部位设置不规则形状的球面凸起或者波形凸起，以增加柔性手指在抓取物体时的摩擦力，使得物体不易掉落，还可以是直接将手指的指尖部位设置为具有较大摩擦力的粗糙结构。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。