手指手腕一体式软体手爪的制作方法

本发明涉及一种软体机器人技术领域的一种末端执行器，具体地，涉及一种手指手腕一体式软体手爪。

背景技术：

近年来，软体机器人逐渐成为机器人技术领域的热点研究对象，相对于传统的刚性机器人，软体机器人具有很好的柔性，不需要复杂的控制算法，便可以实现对环境和操作对象的自适应，而且能够避免碰撞引起的人体伤害以及物品和机器人损坏，在食品生产、医疗、农业等领域有很大的应用前景。

软体手爪主要用于抓取一些柔软或易碎的物品，如面包、肉食、水果、鸡蛋、玻璃杯、纸张等，能够自动适应所抓取物体的形状、大小和姿态，而且操作安全，在食品生产、农业采摘、医疗服务等方面有比较好的应用前景。

软体手爪的关键技术主要包括软体材料、驱动方式、构型设计三个方面。

查找相关文献可知，目前用于软体手爪的软体材料及驱动方式主要有：基于硅橡胶材料的气动驱动、基于纺织材料的气动驱动(气动人工肌肉)、基于鲍登线或形状记忆合金的线拉式驱动、基于微粒阻滞效应的刚柔转换驱动、基于导电聚合物的变形驱动等。目前软体手爪的构型主要有：多指型、象鼻型、球型、薄膜型等。相关研究主要有：美国哈佛大学polygerinos等人的基于硅橡胶胶的多气囊气动式软体弯曲驱动器，英国索尔福德大学abeach等人的基于气动人工肌肉的可变刚度三指型软体手爪，意大利仿生机器人研究所hassan等人的基于线驱动的三指型软体手爪，瑞士联邦理工学院的shintake等人的基于电致变形聚合物的薄膜型软体手爪，美国empirerobotics公司的基于微粒阻滞效应的球形软体手爪，德国festo公司的象鼻型软体机械手等。但是这些软体手爪由于材料和结构的原因，存在不能调节手爪姿态和张角、对所抓物体的适应性不够好、抓取不稳定等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种手指手腕一体式软体手爪，其具有柔性好、手爪的姿态和张角可调、对所抓物体的适应性好、抓取稳定等优点，可适用于物品分类和装箱、水果采摘、残疾病人护理等场合。

为实现以上目的，本发明提供一种手指手腕一体式软体手爪，包括：第一气动软体手指、第二气动软体手指、第一可调支臂、第二可调支臂、主臂、气动软体手腕和安装面板；其中：

所述第一气动软体手指连接安装在所述第一可调支臂上，所述第二气动软体手指连接安装在所述第二可调支臂上；所述第一可调支臂、所述第二可调支臂与所述主臂连接并分别夹持所述第一气动软体手指、所述第二气动软体手指；所述气动软体手腕的一端连接所述主臂，所述气动软体手腕的另一端连接所述安装面板；所述安装面板用于安装在外部的操作机械如机械臂上，使所述软体手爪作为末端执行器使用；

所述第一气动软体手指、所述第二气动软体手指内部均设置有气囊，通过分别向所述第一气动软体手指、所述第二气动软体手指内部的气囊充气实现双向弯曲变形，从而实现抓取或张开动作；所述气动软体手腕内部设置有气囊，通过向所述所述气动软体手腕内部的气囊充气实现双轴双向弯曲变形，从而改变所述第一气动软体手指、所述第二气动软体手指的姿态角。

优选地，所述第一气动软体手指、第二气动软体手指结构相同，第一气动软体手指、第二气动软体手指均采用具有双层气囊的板状结构，通过向第一气动软体手指或第二气动软体手指内部双层气囊中的不同气囊充气实现双向弯曲变形，即：第一气动软体手指、第二气动软体手指向内弯曲时进行抓取动作，第一气动软体手指、第二气动软体手指向外弯曲时进行张开动作。

优选地，所述第一可调支臂、第二可调支臂通过铰链与主臂连接。

优选地，所述第一可调支臂与第二可调支臂之间通过齿轮啮合，通过齿轮调节第一可调支臂与第二可调支臂的张角并保证第一可调支臂、第二可调支臂的对称性。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

①本发明采用软体材料构成手指和手腕，具有柔性好的优点，克服了刚性手爪易对物体造成损坏的缺点。

②本发明通过气动软体手腕的双向双轴弯曲变形，能够实现手爪的姿态调整，提高了对物体姿态的适应性。

③本发明通过第一可调支臂、第二可调支臂的铰链和齿轮啮合机构，实现了手爪张角的可调性，提高了对物体大小的适应性。

④本发明的第一气动软体手指、第二气动软体手指的双向弯曲功能可以拓宽所述软体手爪的应用场合，包括抓取较大尺寸的物体、抓取空心开口容器、抓取具有手柄的物体等。

⑤本发明的第一气动软体手指、第二气动软体手指采用板状结构，与所抓取物体形成线或面接触，克服了多指型手指抓取不稳定的缺点，能够稳定地抓取各种形状的物体。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的整体结构示意图：

图中：1a为左气动软体手指，1b为右气动软体手指，2a为可调左支臂，2b为可调右支臂，3为主臂,4为气动软体手腕，5为安装面板；

图2为本发明一优选实施例的左气动软体手指1a/右气动软体手指1b的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为a-a剖面图，

图中：1-1为弹性纺织材料，1-2为不可伸缩层，1-3为内芯；

图3为本发明一优选实施例的气动软体手腕的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为b-b剖面图，

图中：4-1为弹性纺织材料，4-2为不可伸缩纤维丝,4-3为内芯。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明一种手指手腕一体式软体手爪的优选实施例，所述软体手爪包括：左气动软体手指1a、右气动软体手指1b、可调左支臂2a、可调右支臂2b、主臂3、气动软体手腕4、安装面板5，左气动软体手指1a与右气动软体手指1b结构相同，可调左支臂2a与可调右支臂2b结构相同；

所述左气动软体手指1a、右气动软体手指1b分别安装在可调左支臂2a、可调右支臂2b上，可调左支臂2a、可调右支臂2b与主臂3连接，主臂3与气动软体手腕4的一端连接。所述可调左支臂2a、可调右支臂2b分别用于夹持左气动软体手指1a、右气动软体手指1b，可调左支臂2a、可调右支臂2b通过铰链形式与所述主臂3连接；所述可调左支臂2a与所述可调右支臂2b之间通过齿轮啮合，可以调节左气动软体手指1a、右气动软体手指1b的张角，适当增大张角可以实现较大物体如抓取足球、水桶的抓取，适当减小张角可以实现较小物体如钢笔、硬币、纸张的抓取；所述软体手腕4的另一端与安装面板5连接；所述安装面板5上开有螺栓孔，可以通过螺栓与操作机械(如机械臂)连接，作为末端执行器，实现物体的抓取、移动和放置。例如应用于生产线上食品的分类与装箱时，可以通过安装面板5将所述软体手爪安装在一个delta型并联机器人的末端；应用于残疾病人护理时，可以通过安装面板5将所述软体手爪安装在相应的服务机器人的末端。

在一优选的实施例里，如图2中(a)、(b)所示，为所述左气动软体手指1a或右气动软体手指1b的结构示意图，所述左气动软体手指1a或右气动软体手指1b包括弹性纺织材料1-1、不可伸缩层1-2、内芯1-3；其中：

所述左气动软体手指1a和右气动软体手指1b均为由弹性纺织材料1-1组成的具有两层气囊结构的板状弯曲驱动器，且每层气囊内均有一内芯1-3以保证气密性。所述左气动软体手指1a和右气动软体手指1b采用纺织材料，因此具有很好的柔性，可以抓取柔软或易碎的物体，如樱桃、鸡蛋等。所述左气动软体手指1a或右气动软体手指1b可以实现双向弯曲，当向左气动软体手指1a或右气动软体手指1b的其中一层气囊充气时，左气动软体手指1a或右气动软体手指1b向另一层气囊方向弯曲；两层气囊的邻接面上有一层柔性的不可伸缩层1-2，以限制左气动软体手指1a或右气动软体手指1b的伸长变形。所述左气动软体手指1a、右气动软体手指1b向内弯曲时可以实现抓取动作、向外弯曲时可以实现张开动作。当抓取较大的物体时，所述软体手爪可以先张开左气动软体手指1a和右气动软体手指1b，然后再实现抓取；抓取水杯一类的容器时，可以利用左气动软体手指1a和右气动软体手指1b的张开动作实现从容器的内表面抓取。所述左气动软体手指1a和右气动软体手指1b的板状机构使得所述软体手爪与所抓取物体形成线或面接触，能够对不同形状的物体实现稳定抓取，如抓取球体时，板状的左气动软体手指1a和右气动软体手指1b可以将球体的大部分包住，从而增强了所述软体手爪抓取的稳定性。

在上述实施例的基础上，所述气动软体手腕4可以优选采用具有2×2气囊阵列的圆柱形结构，通过向不同的气囊充气实现双轴双向弯曲变形，在保证双轴弯曲变形的正交性方面优于环向均布的3气囊结构，在保证双轴弯曲的等量变形方面优于椭圆柱形结构。当任意两个相邻气囊充气时，气动软体手腕4向另外两个气囊的方向弯曲，从而通过主臂、第一可调支臂、第二可调支臂带动并改变第一气动软体手指、第二气动软体手指的姿态角。在一具体实施例里，如图3中(a)、(b)所示，所述气动软体手腕4包括弹性纺织材料4-1、不可伸缩纤维丝4-2、内芯4-3；其中：

所述气动软体手腕4是由弹性纺织材料4-1组成的具有2×2气囊阵列结构的圆柱形弯曲驱动器，每个气囊内均有一内芯4-3以保证气密性。所述气动软体手腕4可以实现双轴双向弯曲，当任意两个相邻气囊充气时，气动软体手腕4向另外两个气囊的方向弯曲。四个气囊的邻接线处有一根不可伸缩纤维丝4-2，以限制气动软体手腕4的身长变形。所述气动软体手腕4的弯曲可以实现整个所述软体手爪的姿态变化，以适应不同姿态物体的抓取，例如抓取斜面上的物体。

本发明具有柔性好、手爪的姿态和张角可调、对所抓物体的适应性好、抓取稳定的优点，能抓取柔软或易碎的物体，能适应待抓取物体的大小和姿态角，能够稳定地抓取不同形状的物体，能适用于多种场合，尤其是用于物品分类和装箱、水果采摘、残疾病人护理等场合。

以上是本发明中的优选结构设计，当然在其他实施例中，各个优选结构可以单独使用，在互相不冲突的前提下，也可以任意组合使用，组合使用时效果会更好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于本发明简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。