快拆型柔性仿生手指的制作方法

本发明属于果蔬采摘及分拣机器人的末端执行器技术领域，具体涉及一种快拆型柔性仿生手指。

背景技术：

我国是农业果蔬生产大国，在整个果蔬生产链中最耗时、最费力的环节即为果蔬采摘和分拣环节，但目前果蔬采摘和分拣作业主要采用人工劳作方式，存在效率低、成本高、劳动量大等问题。随着社会发展，特别是工业化发展进程使得农业劳动力逐渐减少，农业劳动力成本逐渐增加，依靠人工劳作的生产形式已不能满足现代农业发展的需求，依靠机器人、智能化装备开展农业生产成为现代农业发展的迫切需要，是在农业机械化、自动化基础上提出的新的要求和发展趋势。机器人夹爪结构是机器人与果蔬等农产品直接接触的最后执行部件，由于作业对象的特殊性，其研制成为了农业机器人尤其是果蔬采摘、分拣机器人的关键技术之一，它的性能优异程度直接影响机器人的工作效率。

传统工业机器人多以刚性结构为主，其夹爪采用的是刚性构件，具有高刚度、高强度、高速度的特点，其作业时需要依赖结构化环境和精确数学模型，而对于在农业环境这种非结构复杂环境中与难以用准确的数学模型加以描述的复杂多变对象进行交互作业时，其高刚度、高强度、高速度的特点反而限制其完成此任务，自适应能力差、自由度有限、安全性低是其明显缺点；随着技术发展，采用充气柔性手指作为夹爪，柔性手指因为柔性材料本身强度限制，使用寿命和耐压强度受到局限，特别是手指底板需要与抓取物进行摩擦，容易产生磨损，这样手指底板与整个柔性手指的弯曲疲劳强度并不匹配，经常出现手指底板破裂而手指指面未开裂的情况，这样柔性手指的综合使用寿命较短，于是有技术采用手指底板增强板来增强手指底板耐磨强度，但是由于手指底板增强板采用硬质才来，即使采用多个手指底板增强板相互连接，夹持果蔬极易造成果蔬表面破损而且不适用不同表面形状、尺寸的不同果蔬。

综上所述，一种不易造成果蔬表面破损且适用不同表面形状、尺寸果蔬的柔性手指亟待开发。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种快拆型柔性仿生手指，以达到不易造成果蔬表面破损且适用不同形状、尺寸果蔬的目的；

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种快拆型柔性仿生手指，其包括通过自身变形驱动所述柔性仿生手指变形夹持或者释放果蔬的手指指面、设于所述手指直面底部且与手指指面内部空腔构成弯曲变形驱动空腔的手指底板、从手指指面、手指底板的末端向后延伸出一段活动插入机械臂连接气路以对弯曲变形驱动空腔进行充放气的手指根部及滑动连接于所述手指底板底部且与果蔬外表面直接接触的柔弹快拆垫；

其中，所述手指底板纵向两侧分别设一包括横向凸起卡条的快换插槽；所述柔弹快拆垫上表面两侧纵向分别设一横截面为“回”型的快换卡条，两“回”型快换卡条相对两内侧底部开口；所述柔弹快拆垫通过其上的“回”型快换卡条的中空卡腔与横向凸起卡条匹配且纵向滑入或者滑出所述快换插槽以滑动连接于所述手指底板上。

优选的，所述手指根部上设有驱动变形进气口，其与机械臂上的供气管道相连。

优选的，柔弹快拆垫弹性模量大于手指底板弹性模量且手指底板弹性模量大于手指指面弹性模量；所述“回”型快换卡条四周侧壁厚度0.5～1.5mm；两“回”型快换卡条相对两内侧底部开口高度小于等于0.5mm。

优选的，与果蔬外表面接触的柔弹快拆垫表面上根据果蔬外表面曲率变化大小设有数量不等的横向凹槽。

优选的，还包括柔弹快拆垫卡紧机构，其包括开设于手指底板上靠近所述手指根部处的底板弹簧卡槽、固设于底板弹簧卡槽内且自由伸缩进出底板弹簧卡槽的弹簧及与底板弹簧卡槽对应开设于柔弹快拆垫上的快拆垫弹簧卡槽。

优选的，所述手指指面包括至少一个波峰及至少一个波谷，所述波峰、所述波谷依次首尾相连形成波浪形结构，所述波浪形结构与所述手指底板共同围成所述弯曲变形驱动空腔。

优选的，所述波峰、所述波谷的形状为拱门形或者为矩形。

优选的，波峰顶部、波谷底部均内嵌限制其纵向弯曲变形的无弹材料；所述手指底板内嵌有防止其横向膨胀变形的无弹材料。

优选的，所述无弹材料内嵌于波峰顶部、波谷底部时，其无弹力方向与波峰顶部、波谷底部纵向同向设置；所述无弹材料内嵌于手指底板时，其无弹力方向与手指底板横向同向设置。

优选的，所述手指底板、波峰顶部、或波谷底部为多层结构，其上下表面均为柔性材料，中间为所述无弹材料，多层结构四周边缘通过混合硅胶密封；所述无弹材料为单向无弹力结构材料；单向无弹力结构的材料为横向无弹力结构的布；所述柔性材料为硅胶材料。

本案给出的快拆型柔性仿生手指具有以下有益效果：

1)本发明中采用柔弹快拆垫不会使得果蔬表面破损，而且可以防止手指底板磨损过度爆裂，延长了使用寿命；

2)本发明中对于不同表面形状、尺寸的果蔬，只需要更换表面设置不同凹槽的柔弹快拆垫即可，无需像传统一体式柔性手指需要整体更换；其表面设置数量不同的凹槽，果蔬外表上曲率变化较小处横向凹槽数量分布较少，果蔬外表上曲率变化较大处横向凹槽分布较多，不但增加了与果蔬表面的摩擦，而且可使得柔弹快拆垫更贴合果蔬表面；

3)本发明采用柔弹快拆垫设置“回”型快换卡条与手指地板上的快换插槽上的横向凸起卡条匹配纵向滑入或滑出，提高柔弹快拆垫与快换插槽的横向锁紧力度，防止手指纵向弯曲变形时柔弹快拆垫从快换插槽中脱出；限定“回”型快换卡条四周侧壁厚度及两“回”型快换卡条相对两内侧底部开口高度可进一步防止手指纵向弯曲变形时柔弹快拆垫从快换插槽中脱出；

4)本发明手指底板内部嵌有横向无弹性结构材料，用以约束手指横向膨胀，手指充气抓取果蔬时，只发生纵向弯曲运动，不产生横向膨胀，增快手指弯曲及回弹力度及速度而且节约气体驱动力，同时可进一步防止柔弹快拆垫变从快换插槽中脱出；

5)本发明手指指面波峰顶部、波谷底部均内嵌限制其纵向弯曲变形的无弹材料，使得手指充气时气体动力只驱动波峰、波谷各自的两侧立面膨胀弯曲，增快手指弯曲及回弹力度速度而且节约气体驱动力。

附图说明

图1为本发明实施例1所述快拆型柔性仿生手指示意图；

图2为本发明实施例1所述快拆型柔性仿生手指横截面示意图；

图3为本发明实施例1未装配柔弹快拆垫的快拆型柔性仿生手指的示意图；

图4为本发明实施例1柔弹快拆垫示意图；

图5为本发明实施例1底表面有凹槽柔弹快拆垫示意图；

图6为本发明实施例1夹持黄瓜类外表面曲率变化较大的果蔬时柔弹快拆垫示意图；

图7为本发明实施例1夹持苹果类外表面曲率变化较小的果蔬时柔弹快拆垫示意图；

图8为本发明实施例1所述快拆型柔性仿生手指未弯曲变形时的示意图；

图9为本发明实施例1所述快拆型柔性仿生手指弯曲变形时的示意图；

图10为本发明实施例1手指底板、波峰顶部、或波谷底部多层结构示意图；

图11为本发明实施例2未装配柔弹快拆垫的快拆型柔性仿生手指的示意图；

图12为本发明实施例2柔弹快拆垫示意图；

其中：100-手指指面；101-弯曲变形驱动空腔；102-波峰顶部；103-波谷底部；200-手指底板；201-快换插槽；202-横向凸起卡条；203-底板弹簧卡槽；204-弹簧；300-手指根部；301-驱动变形进气口；400-柔弹快拆垫；401-“回”型快换卡条；402-中空卡腔；403-横向凹槽；404-快拆垫弹簧卡槽；500-柔性材料；600-无弹材料。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1～12，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“顶”“底”“纵”、“横”“内”“外”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明提供一种快拆型柔性仿生手指，其包括通过自身变形驱动所述柔性仿生手指变形夹持或者释放果蔬的手指指面100、设于所述手指直面底部且与手指指面内部空腔构成弯曲变形驱动空腔101的手指底板200、从手指指面100、手指底板200的末端向后延伸出一段活动插入机械臂连接气路以对弯曲变形驱动空腔101进行充放气的手指根部300及滑动连接于所述手指底板底部且与果蔬外表面直接接触的柔弹快拆垫400；其中，所述手指底板纵向两侧分别设一包括横向凸起卡条202的快换插槽201；所述柔弹快拆垫400上表面两侧纵向分别设一横截面为“回”型的快换卡条，两”回”型快换卡条401相对两内侧底部开口；所述柔弹快拆垫400通过其上的”回”型快换卡条401的中空卡腔402与横向凸起卡条202匹配且纵向滑入或者滑出所述快换插槽201以滑动连接于所述手指底板上。

所述手指根部300上设有驱动变形进气口301，其与机械臂上的供气管道相连。

柔弹快拆垫弹性模量大于手指底板弹性模量且手指底板弹性模量大于手指指面弹性模量；所述“回”型快换卡条四周侧壁厚度0.5～1.5mm；两”回”型快换卡条401相对两内侧底部开口高度小于等于0.5mm。

与果蔬外表面接触的柔弹快拆垫表面上根据果蔬外表面曲率变化大小设有数量不等的横向凹槽403。

还包括柔弹快拆垫卡紧机构，其包括开设于手指底板200上靠近所述手指根部处的底板弹簧卡槽203、固设于底板弹簧卡槽内且自由伸缩进出底板弹簧卡槽203的弹簧204及与底板弹簧卡槽203对应开设于柔弹快拆垫400上的快拆垫弹簧卡槽404，当柔弹快拆垫400到达合适位置时，弹簧松弛，并卡入快拆垫弹簧卡槽404；当需要将柔弹快拆垫400取出时，从快拆垫弹簧卡槽404压缩弹簧，就能够将需要将柔弹快拆垫400取出。

所述手指指面100包括至少一个波峰及至少一个波谷，所述波峰、所述波谷依次首尾相连形成波浪形结构，所述波浪形结构与所述手指底板200共同围成所述弯曲变形驱动空腔101。

所述波峰、所述波谷的形状为拱门形或者为矩形。

波峰顶部102、波谷底部103均内嵌限制其纵向弯曲变形的无弹材料600；所述手指底板200内嵌有防止其横向膨胀变形的无弹材料600。

所述无弹材料600内嵌于波峰顶部102、波谷底部103时，其无弹力方向与波峰顶部102、波谷底部纵向同向设置；所述无弹材料600内嵌于手指底板200时，其无弹力方向与手指底板横向同向设置。

所述手指底板200、波峰顶部102、或波谷底部103为多层结构，其上下表面均为柔性材料500，中间为所述无弹材料600，多层结构四周边缘通过混合硅胶密封；所述无弹材料600为单向无弹力结构材料；单向无弹力结构的材料为横向无弹力结构的布；所述柔性材料500为硅胶材料。

实施例1：

如图1、3所示，本发明提供一种快拆型柔性仿生手指，其包括通过自身变形驱动所述柔性仿生手指变形夹持或者释放果蔬的手指指面100、设于所述手指直面底部且与手指指面内部空腔构成弯曲变形驱动空腔101的手指底板200、从手指指面100、手指底板200的末端向后延伸出一段活动插入机械臂连接气路以对弯曲变形驱动空腔101进行充放气的手指根部300及滑动连接于所述手指底板底部且与果蔬外表面直接接触的柔弹快拆垫400；如图2、4所示，其中，所述手指底板纵向两侧分别设一包括横向凸起卡条202的快换插槽201；所述柔弹快拆垫上表面两侧纵向分别设一横截面为“回”型的快换卡条，两”回”型快换卡条401相对两内侧底部开口；所述柔弹快拆垫400通过其上的”回”型快换卡条401的中空卡腔402与横向凸起卡条202匹配且纵向滑入或者滑出所述快换插槽201以滑动连接于所述手指底板200上。

所述手指根部300上设有驱动变形进气口301，其与机械臂上的供气管道相连。

柔弹快拆垫弹性模量大于手指底板弹性模量且手指底板弹性模量大于手指指面弹性模量；所述“回”型快换卡条四周侧壁厚度等于1mm；两“回”型快换卡条相对两内侧底部开口高度等于0.5mm。如图5所示，与果蔬外表面接触的柔弹快拆垫表面上根据果蔬外表面曲率变化大小设有数量不等的横向凹槽403；如图6所示，夹持黄瓜类的果蔬时，外表面曲率变化较大，柔弹快拆垫上的横向凹槽403分布密集；如图7所示，夹持苹果类的果蔬，外表面曲率变化较小，柔弹快拆垫上的横向凹槽403分布相对稀松；

如图1、3所示，所述手指指面100包括至少一个波峰及至少一个波谷，所述波峰、所述波谷依次首尾相连形成波浪形结构，所述波浪形结构与所述手指底板200共同围成所述弯曲变形驱动空腔101。所述波峰、所述波谷的形状为为矩形。

如图8、9所示，波峰顶部102、波谷底部103均内嵌限制其纵向弯曲变形的无弹材料600；所述手指底板200内嵌有防止其横向膨胀变形的无弹材料600。所述无弹材料600内嵌于波峰顶部102、波谷底部103时，其无弹力方向与波峰顶部、波谷底部纵向同向设置；所述无弹材料600内嵌于手指底板200时，其无弹力方向与手指底板横向同向设置。如图10所示，所述手指底板200、波峰顶部102、或波谷底部103为多层结构，其上下表面均为柔性材料500，中间为所述无弹材料600，多层结构四周边缘通过混合硅胶密封；所述无弹材料600为单向无弹力结构材料；单向无弹力结构的材料为横向无弹力结构的布；所述柔性材料500为硅胶材料。

实施例2：

在实施例1中的仿生手指上设置柔弹快拆垫卡紧机构，如图11、12所示，包括开设于手指底板200上靠近所述手指根部处的底板弹簧卡槽203、固设于底板弹簧卡槽内且自由伸缩进出底板弹簧卡槽203的弹簧204及与底板弹簧卡槽203对应开设于柔弹快拆垫上的快拆垫弹簧卡槽404。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。