一种具有压力感知功能的气动软体机械手

1.本发明属于软体机械手领域，具体涉及一种具有压力感知功能的气动软体机械手。


背景技术：

2.近年来，传统的工业机械手相关技术已趋于成熟，其使用场景不再局限于工业环境，目前很多机器人的末端执行器直接使用工业用机械手，但存在体积大、灵活性差、交互能力以及越障能力差等问题。在对外形多变、表面易碎的物体(如水果、蔬采和生物组织等)的分拣中，其抓取效果往往不尽人意，其刚性结构在抓取易碎物品时，往往会造成物体破损，带来不必要的经济损失。
3.随着新型柔性材料的发展，软体机械手的研究逐步兴起，通过效仿动物的生活习性，利用柔性的“手指”解决了非结构化环境适应性差、交互性差等难题，可以有效抓取表面刚度低、易碎的或形状不规则的物体，在未知复杂的抓取任务中占有较大优势。
4.目前，软体机械手的技术还不够成熟，许多问题还未解决，需要进一步探讨和研究，包括柔性材料制备及成型技术、柔性传感器技术、可变刚度设计及智能控制技术等方面，其关键问题主要体现在以下几个方面：
①
软体手指可重复性定位精度差问题。由于柔性材料本身易变形的特性，软体手指容易受环境条件影响而发生被动变形，对其动作的可重复性定位精度造成影响。
②
传统刚性机械手因不具备柔顺性，在抓取易碎易损伤等物品时存在不足，一般柔性机械手虽可以克服刚性机械手的弊端，因其不具备触觉感知功能，仍无法获取抓取过程中接触力的时变信息。
③
软体手指的运动控制问题。软体手指本身具有高自由度，目前大多采用分段思路对其运动学和动力学进行建模分析，但难以得到精确模型。因此，结合材料、驱动、感知、结构的软体机械手将是一个重要的发展趋势。
5.为解决以上问题，需要一种可感知抓取压力的软体手指，该机械手可适用于各种平面、曲面或者其他不规则的三维复杂结构的压力感知和自适应抓取等工作。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有的机械手无法适用于各种平面、曲面或者其他不规则的三维复杂结构的压力感知和自适应抓取等工作的问题，进而提供一种具有压力感知功能的气动软体机械手。
7.本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
8.本发明的具有压力感知功能的气动软体机械手包括至少两个软体手指2、至少两组柔性压力感知单元1和姿态调节机构3；软体手指2和柔性压力感知单元1的数量一致设置，姿态调节机构3的每个手指安装座3-2上安装有一根软体手指2，每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向设置有一组柔性压力感知单元1；
9.每根软体手指2包括多个柔性压力感知元件2-1、多个褶皱结构2-2、限制层2-3、气压空腔2-4、手指基座2-5和连接座2-6；每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向间隔设置有
多个柔性压力感知元件2-1，每根软体手指2的夹持侧设置有褶皱结构2-2，每根软体手指2内为气压空腔2-4，每根软体手指2通过手指基座2-5与连接座2-6连接。
10.进一步地，软体手指2的数量为三根，每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向设置有限制层2-3，限制层2-3可以控制软体手指2的弯曲极限。
11.进一步地，每根软体手指2中含有四个柔性压力感知元件2-1和四个褶皱结构2-2，软体手指2的夹持侧靠近手指基座2-5处为平面结构，褶皱结构2-2与柔性压力感知元件2-1沿软体手指2的长度方向间隔设置。
12.进一步地，所述柔性压力感知元件2-1是以热塑性聚氨酯为基体材料，碳纳米管为导电材料，所述软体手指2通过气压驱动完成弯曲动作，所述软体手指2通过柔性压力感知元件2-1检测并反馈实际抓握过程中的抓取力的信息，并通过控制系统实时发射相对应的控制信号。
13.进一步地，每根软体手指2的指背侧沿其长度方向间隔设置有多个半圆柱段空腔，多个半圆柱段空腔均与气压空腔2-4相互连通，手指基座2-5上设置有进气口，进气口与软体手指2的气压空腔2-4相互连通。
14.进一步地，姿态调节机构3包括丝杆螺母3-1、至少两个手指安装座3-2、至少两个支撑座3-3、螺母座3-4、导柱3-5、导套3-6、基座3-7、步进电机3-8、多个支柱3-9和底板3-10；基座3-7通过多个支柱3-9安装在底板3-10上，步进电机3-8位于底板3-10的上端面上，步进电机的输出轴采用的是螺杆结构，步进电机3-8的输出轴穿过基座3-7依次与螺母座3-4和丝杆螺母3-1连接，螺母座3-4上等角度排列至少两个凸缘结构，每个凸缘结构上开有等长度的长槽，每个手指安装座3-2的一端与相应的凸缘结构的长槽滑动连接，每个手指安装座3-2的另一端与支撑座3-3的一端铰接，支撑座3-3另一端与基座3-7铰接。
15.进一步地，导套3-6设置在基座3-7的上端面上，导柱3-5的下部位于导套3-6内，导柱3-5的上端与螺母座3-4连接。
16.进一步地，手指安装座3-2、凸缘结构和支撑座3-3的数量均为三个，软体手指2和柔性压力感知单元1的数量均为三个。
17.进一步地，三个手指安装座3-2沿基座3-7的周向均布设置，三个支撑座3-3沿基座3-7的周向均布设置。
18.进一步地，支柱3-9的数量为三个，底板3-10为圆盘，支柱3-9沿底板3-10的圆周方向均布设置。
19.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
20.1、本发明通过软体手指与柔性压力感知元件有机结合，实时感知并反馈的抓取力信息，并利用控制阀和姿态调节机构的协同作用，调节软体手指姿态，可实现软体机械手的抓取动作闭环控制，最大程度地减小对目标物的损伤，实现稳定、智能和无损抓取；
21.2、软体手指与柔性压力感知元件所采用的基体材料统一，均以热塑性聚氨酯为主体材料，力学性能各向同性，具有良好的抗干扰性；保证了软体手指弯曲过程中，各部分结构在不同环境下协同运动的可靠性和适应性；
22.3、本发明的软体机械手可根据抓取物的形状和尺寸，调节软体手指基座的间距和倾斜角度，以适应抓取物形状尺寸的差异性；
23.4、本发明的软体手指形状、尺寸和柔性可根据使用要求而改变，并以柔性较好的
热塑性聚氨酯为原材料，具有较好的拉伸性和压缩性，且耐酸碱，故可用于各类酸碱、潮湿等特殊环境，能够在恶劣环境及使用可靠性方面具有较大优势；
24.5、本发明的软体机械手基于3d打印技术和自组装工艺，软体手指和柔性压力感知元件均以热塑性聚氨酯为主体材料，通过选区激光烧结的方式制作而成，可实现软体手指结构一体成型；本发明的软体机械手具有制备流程简单、成型精度高、可快速生产的优点。
附图说明
25.图1是本发明的具有压力感知功能的气动软体机械手的整体结构立体图；
26.图2是本发明具体实施方式一中软体手指2的立体图；
27.图3是发明具体实施方式一中姿态调节机构3的整体结构立体图；
28.图4是发明具体实施方式一中软体手指2主视图(充气前)；
29.图5发明具体实施方式一中软体手指2弯曲状态图(充气后)。
具体实施方式
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。
32.参见图1-5，发明实施例的具有压力感知功能的气动软体机械手包括至少两个软体手指2、至少两组柔性压力感知单元1和姿态调节机构3；软体手指2和柔性压力感知单元1的数量一致设置，姿态调节机构3的每个手指安装座3-2上安装有一根软体手指2，每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向设置有一组柔性压力感知单元1；
33.每根软体手指2包括多个柔性压力感知元件2-1、多个褶皱结构2-2、限制层2-3、气压空腔2-4、手指基座2-5和连接座2-6；每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向间隔设置有多个柔性压力感知元件2-1，每根软体手指2的夹持侧设置有褶皱结构2-2，每根软体手指2内为气压空腔2-4，每根软体手指2通过手指基座2-5与连接座2-6连接。
34.本发明软体手指2为内部设有空腔的基体，在软体手指2的内侧贴附着多个柔性压力感知元件2-1，软体手指2凭借气压驱动完成弯曲动作，并且可以通过柔性压力感知元件2-1检测并反馈实际抓握过程中的抓取力的信息，并通过控制系统实时的发射相对应的控制信号。
35.所述柔性压力感知单元是以热塑性聚氨酯为基体材料，碳纳米管为导电材料，既能够保证感知单元接收信息的迅速性以及精准性，同时还能够保证整体软体机械手在各种环境下的工作稳定。
36.本发明通过精密控制阀调节气压空腔2-4内部压力的大小，并根据柔性压力感知元件2-1反馈的抓取力信息，进而控制抓取过程中软体机械手抓取力的大小，从而保证抓取力能够不超过目标物的机械损伤阈值，达到无损抓取的目的。
37.本发明通过采用视觉识别的技术，识别目标物的种类、形状和尺寸等信息，进而自
主调取不同目标物所对应的损伤阈值，调整软体手指姿态，并设定最大抓取力。
38.参见图4，可选地，软体手指2的数量为三根，每根软体手指2的夹持侧沿其长度方向设置有限制层2-3，限制层2-3可以控制软体手指2的弯曲极限。
39.参见图4和图5，可选地，每根软体手指2中含有四个柔性压力感知元件2-1和四个褶皱结构2-2，软体手指2的夹持侧靠近手指基座2-5处为平面结构，褶皱结构2-2与柔性压力感知元件2-1沿软体手指2的长度方向间隔设置。
40.参见图4和图5，可选地，所述柔性压力感知元件2-1是以热塑性聚氨酯为基体材料，碳纳米管为导电材料，所述软体手指2通过气压驱动完成弯曲动作，所述软体手指2通过柔性压力感知元件2-1检测并反馈实际抓握过程中的抓取力的信息，并通过控制系统实时发射相对应的控制信号。
41.参见图4和图5，可选地，每根软体手指2的指背侧沿其长度方向间隔设置有多个半圆柱段空腔，多个半圆柱段空腔均与气压空腔2-4相互连通，手指基座2-5上设置有进气口，进气口与软体手指2的气压空腔2-4相互连通。
42.软体手指2间隔设置有多个半圆柱段空腔，即外侧弧状结构为变形区，腹部，即夹持侧为不可变形区；腹部是与待抓取物接触的部位，需要使用形变小、质地柔软的材料，采用纱布做为限制层，纱布粘接在软体手指2腹部；所述的柔性压力感知元件2-1与褶皱结构2-2等距相间排列，粘接在软体手指腹部的限制层2-3上；软体手指2的底部与基座2-5相连，基座2-5上的进气口与气管接头相连，通过基座2-5内部的通道与软体手指腔室连通，实现腔室内部气体的传输；软体手指2的基座通过螺钉固定在底部的连接座2-6上，连接座2-6再利用紧固装置安装在姿态调节机构3中的软体手指安装座3-2上。
43.参见图3，可选地，姿态调节机构3包括丝杆螺母3-1、至少两个手指安装座3-2、至少两个支撑座3-3、螺母座3-4、导柱3-5、导套3-6、基座3-7、步进电机3-8、多个支柱3-9和底板3-10；基座3-7通过多个支柱3-9安装在底板3-10上，步进电机3-8位于底板3-10的上端面上，步进电机的输出轴采用的是螺杆结构，步进电机3-8的输出轴穿过基座3-7依次与螺母座3-4和丝杆螺母3-1连接，螺母座3-4上等角度排列至少两个凸缘结构，每个凸缘结构上开有等长度的长槽，每个手指安装座3-2的一端与相应的凸缘结构的长槽滑动连接，每个手指安装座3-2的另一端与支撑座3-3的一端铰接，支撑座3-3另一端与基座3-7铰接。
44.如图3所示，步进电机3-8通过螺钉紧固在基座3-7上，步进电机的电机轴采用的是螺杆结构，与丝杆螺母3-1通过螺纹配合；丝杆螺母3-1通过螺钉紧固在螺母座3-4上；螺母座3-4上等角度排列三个凸缘结构，且侧面开有等长度的长槽，并于软体手指安装座3-2和支撑座3-3通过紧固装置连接，同时支撑座3-3的另一端以铰接的形式固定在基座3-7的凸缘上。
45.本发明的姿态调节机构3能够根据上述所识别的形状、尺寸及压力等信息，调节软体手指的间距和倾斜程度等状态，以此来实现不同形状尺寸、不同形态的目标物体的准确、无损的抓取。
46.参见图3，可选地，导套3-6设置在基座3-7的上端面上，导柱3-5的下部位于导套3-6内，导柱3-5的上端与螺母座3-4连接。
47.在螺母座3-4和基座3-7之间，安装一组导柱3-5和导套3-6，其目的是为了限制螺母座3-4在上下移动时，发生周向旋转，防止姿态调节机构扭曲变形。
48.参见图3，可选地，手指安装座3-2、凸缘结构和支撑座3-3的数量均为三个，软体手指2和柔性压力感知单元1的数量均为三个。
49.参见图3，可选地，三个手指安装座3-2沿基座3-7的周向均布设置，三个支撑座3-3沿基座3-7的周向均布设置。
50.参见图3，可选地，支柱3-9的数量为三个，底板3-10为圆盘，支柱3-9沿底板3-10的圆周方向均布设置。
51.下面结合附图1-5，对本发明的实施例作详细的说明：
52.本实施例是以本发明的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
53.本实施例中，所述软体手指2设有柔性压力感知元件2-1、褶皱结构2-2、限制层2-3，内部还设有气压空腔2-4；软体手指2外侧弧状结构为变形区，腹部为不可变形区；腹部是与待抓取物接触的部位，需要使用形变小、质地柔软的材料，故本实施例中使用纱布做为限制层，纱布粘接在软体手指2腹部；所述的柔性压力感知元件2-1与褶皱结构2-2等距相间排列，粘接在软体手指腹部的限制层2-3上；软体手指2的底部与基座2-5相连，基座2-5上的进气口与气管接头相连，通过基座2-5内部的通道与软体手指腔室连通，实现腔室内部气体的传输；软体手指2的基座通过螺钉固定在底部的连接座2-6上，连接座2-6再利用紧固装置安装在姿态调节机构3中的软体手指安装座3-2上；
54.如图3所示，步进电机3-8通过螺钉紧固在基座3-7上，步进电机的输出轴采用的是螺杆结构，输出轴与丝杆螺母3-1通过螺纹配合；丝杆螺母3-1通过螺钉紧固在螺母座3-4上；螺母座3-4上等角度排列三个凸缘结构，且侧面开有等长度的长槽，并于软体手指安装座3-2和支撑座3-3通过紧固装置连接，同时支撑座3-3的另一端以铰接的形式固定在基座3-7的凸缘上。
55.具体实施时，首先根据待抓取物的种类和形状尺寸，调整软体手指的安装座3-2在支撑座3-4内部的长槽中的位置，进而调节各软体手指间的间距，以适应不同尺寸的目标物；再根据待抓取物的相关特征信息，调用该物体的机械损伤阈值，在控制系统中设定抓取力的范围。
56.抓取物体时，通过精密控制阀控制流入每个软体手指的腔室2-4的气体流量，以此来调节腔室2-4内的气体压力大小；与此同时，通过控制步进电机3-8的旋转方向，利用输出轴的螺杆带动丝杆螺母3-1和螺母座3-4上下往复移动；螺母座3-4上下移动，使软体手指安装座3-2的倾斜程度发生改变，从而调节软体手指底部的倾斜角度，以适应不同曲率或不同抓取高度的物体(如圆球和椭球等)；由于软体手指安装座3-2的倾斜角度可控，抓取圆球或椭球时，软体手指安装座3-2向外倾斜，给圆球或椭球足够的容置空间，从而大大减轻了软体手指2对圆球和椭球抓取力度，并且采用三个手指安装座3-2，即采用三根手指抓取，在抓取过程中，各个柔性压力感知单元将软体手指的抓取力信息实时反馈给控制系统，控制系统再通过精密控制阀和步进电机协同作用，调节各个软体手指的弯曲变形和倾斜程度，使软体机械手调整到合适的姿态，并施加安全、合理的抓取力度，最终实现精确、稳定、无损地抓取。
57.本发明的工作原理：
58.本发明的具有压力感知功能的气动软体机械手将多个软体手指安装在姿态调节
机构上组装成一个软体机械手，在抓取物体之前，根据物体的种类和形状尺寸调节软体手指间的初始间距、倾斜程度，并设定最大抓取力范围；在抓取过程中，各个柔性压力感知单元将软体手指的抓取力信息实时反馈给控制系统，控制系统再通过精密控制阀和步进电机协同作用，调节各个软体手指的弯曲变形和倾斜程度，使软体机械手调整到合适的姿态并保持合理的抓取力度，以实现精确、稳定、无损抓取。
59.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至少一个该特征。
60.虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。