一种多自由度仿人刚柔混合手及其制造工艺制造技术

一种多自由度仿人刚柔混合手及其制造工艺，属于机器人技术领域。每个所述软体手指均包括掌指关节及指间关节；所述中央气道与中央气腔连通，所述多个掌指关节气腔环绕中央气道设置，且掌指关节气腔外侧缠绕一层纤维限制螺纹管，在中央气道和多个掌指关节气腔末端插入手指底座；所述硬质手掌的主体部内设有通气腔，硬质手掌通过螺钉固定软体手指；每个中央气道、每个掌指关节气腔以及每个中央气腔均通过各自的毛细硅胶软管进气。本发明专利技术主动自由度多，仿人手关节结构，关节角度及运动关系接近人手参数；得益于关节式结构，比连续弯曲型软体手爪具备更大的包络空间，抓握性能更好，柔顺性好，对于柔软、易碎物品及非结构化环境有很好的适应性。

A multi degree of freedom human like rigid flexible hybrid hand and its manufacturing process

【技术实现步骤摘要】
一种多自由度仿人刚柔混合手及其制造工艺
本专利技术属于机器人
，特别是涉及一种多自由度仿人刚柔混合手及其制造工艺。
技术介绍
机器人手作为机器人末端夹持器的一种，应用于对物体进行夹持及操作等任务。为了使其具备类似于人手的夹持及操作性能，许多机械人手爪被设计成仿人构型。他们大多具备多根手指(三指、四指、五指甚至更多手指)[1-3]，不同手指间可协调工作以模仿人手实现精度抓取、侧边抓取、强力抓取等抓取模式，或对工具进行操作[4](如转笔、拧魔方[5]等)。传统的机器人手使用刚性构件及运动副组成运动链，利用电机、人工肌肉等致动器配合连杆、齿轮或腱绳等传动件实现规定的运动。这些刚性机器人手存在一些固有的缺陷：1)为了实现多自由度的协同运动，刚性机械手一般在关节处安装了数量众多的电机。在极其严格的尺寸限制下集成大量主动自由度会对电机减速器的选择提出极为苛刻的要求。欠驱动[6]、耦合机构可以在一定程度上解决这些困难，但其结构仍然复杂或易损2)为了抓握柔性易碎物品或避免冲击破坏，机器人手需要集成更多的缓冲材料、位置及力传感器并实现多自由度的柔顺控制，这对控制算法提出了更高的要求，极大地提高了系统复杂度。软体机器人技术可以很好地解决这些困难，超弹性材料固有的抗冲击、柔顺变形性能使其对复杂非结构化环境及复杂物体表面具有更好的适应性[7]。软体机器人一般结构简单轻便，环境适应性好，成本低廉，具备更好的人机交互及安全性。相较于刚性机器人手而言，软体机器人手更适合对易碎，易变形的物体的抓取[8-9]。软体驱动方式有很多选择，如使用介电弹性体、离子聚合物、形状记忆合金/聚合物、磁流变液等材料的物理量致动效应以及流体压力驱动等[10-11]。其中，气体正压/负压驱动因其便宜、清洁、能量密度高、响应较快等优点，成为最常用的软体驱动方式。现在已有部分软体机器人技术在机器人手方面的应用，但其仍然普遍存在一些缺陷：1)主动自由度较少，与人手相比只能实现有限的抓握模式。2)手指以近似常曲率弯曲，包络空间不足而使灵巧性受限[12]。3)结构不可拆分，不便于维护。4)需要连接大体积且结构复杂的气泵、阀组等附件，增大了系统整体的体积与重量。参考文献[1]刘伊威,金明河,樊绍巍,etal.五指仿人机器人灵巧手DLR/HITHandⅡ[J].机械工程学报,2009,45(11):16-23.[2]孙富春,方斌,李洪波.一种7自由度五指机械手:.[3]BelterJT,SegilJL,DollarAM,etal.Mechanicaldesignandperformancespecificationsofanthropomorphicprosthetichands:Areview[J].TheJournalofRehabilitationResearchandDevelopment,2013,50(5):599.[4]Bridgwater,Ihrke,Diftler,etal.TheRobonaut2hand-designedtodoworkwithtools[C]//2012.[5]https://openai.com/blog/solving-rubiks-cube/[6]刘菲,何广平,陆震.弹性欠驱动四指灵巧手设计与试验％ResearchandDesignofaNovelTendonDrivenUnderactuatedMulti-fingeredHand[J].机械工程学报,2014,050(015):53-59.[7]LaschiC,MazzolaiB,CianchettiM.Softrobotics:Technologiesandsystemspushingtheboundariesofrobotabilities[J].Sci.Robot,2016,1(1):eaah3690.[8]WhitesidesGM.Softrobotics[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2018,57(16):4258-4273.[9]http://www.softrobottech.com/[10]张进华,王韬,洪军,等.软体机械手研究综述[J].机械工程学报,2017,53(13):19-28.[11]ShintakeJun,CacuccioloVito,FloreanoDario,等.SoftRoboticGrippers[J].AdvancedMaterials:1707035-.[12]BobakMosadegh,PanagiotisPolygerinos,ChristophKeplinger,等.SoftRobotics:PneumaticNetworksforSoftRoboticsthatActuateRapidly(Adv.Funct.Mater.15/2014)[J].AdvancedFunctionalMaterials,2014,24(15):2109-2109.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多自由度仿人刚柔混合手及其制造工艺，用于解决上述
技术介绍
中存在的问题。本专利技术所采取的技术方案是：一种多自由度仿人刚柔混合手，包括硬质手掌以及可拆卸安装在硬质手掌上的五根结构相同的软体手指；每个所述软体手指的指间关节均包括中央气腔、贴附在中央气腔底面的应变限制层、由缠绕在中央气腔和应变限制层外侧的不可伸缩丝线而形成纤维限制层，以及覆盖在外表面的软体外壳；每个所述软体手指均包括掌指关节及指间关节；所述掌指关节包括纤维限制螺纹管、中央气道、手指底座及多个掌指关节气腔；所述中央气道与中央气腔连通，所述多个掌指关节气腔环绕中央气道设置，且掌指关节气腔外侧缠绕一层纤维限制螺纹管，在中央气道和多个掌指关节气腔末端插入手指底座；所述硬质手掌的主体部内设有通气腔，硬质手掌通过螺钉固定软体手指；每个中央气道、每个掌指关节气腔以及每个中央气腔均通过各自的毛细硅胶软管进气。多自由度仿人刚柔混合手的制造工艺，包括以下步骤：制作手指：S1.将各气腔的基体材料EcoFlex00-30硅胶的AB组分按照质量分数比例1:1在室温下搅拌混合均匀；S2.基体材料在负0.8个大气压的真空中静置脱泡处理；S3.将基体材料分别倒入掌指关节模具及指间关节中央气腔模具；S4.室温固化4小时之后，开模取出气腔基体；S5.掌指关节的中央气道内插入应变限制管并用硅胶胶水固定，外层缠绕Kevlar纤维；在指间关节的中央气腔下方贴附应变限制层并缠绕Kevlar纤维，依次插入近指节骨骼、中指节骨骼及软指节骨骼并用硅胶胶水固定；S6.将掌指关节和指间关节组装固定后整体放入外壳模具；S7.合模后，将静置脱泡后的硅胶混合液体通过外壳模具前端的浇注口缓慢倒入，至硅胶充满内部空腔后，在排气口处抽气排出气泡，避免气泡产生的固化缺陷；浇注完成后，常温固化4小时；S8.待整体固化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多自由度仿人刚柔混合手，包括硬质手掌(1)以及可拆卸安装在硬质手掌(1)上的五根结构相同的软体手指(2)；每个所述软体手指(2)的指间关节(4)均包括中央气腔(4-4)、贴附在中央气腔(4-4)底面的应变限制层(4-7)、由缠绕在中央气腔(4-4)和应变限制层(4-7)外侧的不可伸缩丝线而形成纤维限制层(4-1)，以及覆盖在外表面的软体外壳(4-6)；/n其特征在于：每个所述软体手指(2)均包括掌指关节(3)及指间关节(4)；所述掌指关节(3)包括纤维限制螺纹管(3-2)、中央气道(3-3)、手指底座(3-4)及多个掌指关节气腔(3-1)；所述中央气道(3-3)与中央气腔(4-4)连通，所述多个掌指关节气腔(3-1)环绕中央气道(3-3)设置，且掌指关节气腔(3-1)外侧缠绕一层纤维限制螺纹管(3-2)，在中央气道(3-3)和多个掌指关节气腔(3-1)末端插入手指底座(3-4)；/n所述硬质手掌(1)的主体部内设有通气腔，硬质手掌(1)通过螺钉固定软体手指(2)；/n每个中央气道(3-3)、每个掌指关节气腔(3-1)以及每个中央气腔(4-4)均通过各自的毛细硅胶软管进气。/n

【技术特征摘要】
1.一种多自由度仿人刚柔混合手，包括硬质手掌(1)以及可拆卸安装在硬质手掌(1)上的五根结构相同的软体手指(2)；每个所述软体手指(2)的指间关节(4)均包括中央气腔(4-4)、贴附在中央气腔(4-4)底面的应变限制层(4-7)、由缠绕在中央气腔(4-4)和应变限制层(4-7)外侧的不可伸缩丝线而形成纤维限制层(4-1)，以及覆盖在外表面的软体外壳(4-6)；
其特征在于：每个所述软体手指(2)均包括掌指关节(3)及指间关节(4)；所述掌指关节(3)包括纤维限制螺纹管(3-2)、中央气道(3-3)、手指底座(3-4)及多个掌指关节气腔(3-1)；所述中央气道(3-3)与中央气腔(4-4)连通，所述多个掌指关节气腔(3-1)环绕中央气道(3-3)设置，且掌指关节气腔(3-1)外侧缠绕一层纤维限制螺纹管(3-2)，在中央气道(3-3)和多个掌指关节气腔(3-1)末端插入手指底座(3-4)；
所述硬质手掌(1)的主体部内设有通气腔，硬质手掌(1)通过螺钉固定软体手指(2)；
每个中央气道(3-3)、每个掌指关节气腔(3-1)以及每个中央气腔(4-4)均通过各自的毛细硅胶软管进气。


2.根据权利要求1所述的一种多自由度仿人刚柔混合手，其特征在于：所述指间关节(4)还包括近指节骨骼(4-2)、中指节骨骼(4-3)及软指节骨骼(4-5)；所述近指节骨骼(4-2)、中指节骨骼(4-3)和软指节骨骼(4-5)依次间隔设置，并套装在纤维限制层(4-1)外侧上。


3.根据权利要求2所述的一种多自由度仿人刚柔混合手，其特征在于：每个所述软指节骨骼(4-5)为两端敞口中部设有隔板的圆筒结构。


4.根据权利要求1或3所述的一种多自由度仿人刚柔混合手，其特征在于：所述硬质手掌(1)的通过前盖板(1-1)和后盖板(1-2)相对设置形成主体部，且前盖板(1-1)和后盖板(1-2)通过螺钉固定，主体部底部设有的安装孔内插入连接件(1-3)，连接件(1-3)设有用于引出多根毛细硅胶软管的中心通孔。


5.据权利要求4所述的一种多自由度仿人刚柔混合手，其特征在于：所述多个中央气道(3-3)、多个掌指关节气腔(3-1)以及多个中央气腔(4-4)的基体由EcoFlex00-30硅胶制成。


6.根据权利要求1所述的一种多自由度仿人刚柔混合手，其特征在于：所述多自由度仿人刚柔混合手采用嵌入式控制系统，相应配套集成软体控制器，该软体控制器集成2x10个高速电磁阀阵列及其功率放大驱动芯片，4x5+1气压传感器阵列以及高流量微型气泵。


7.一种制备权利要求1～6任意一项所述的多自由度仿人刚柔混合手的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
制作手指：S1.将各气腔的基体材料EcoFlex00-30硅胶的AB组分按...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜力，甄睿辰，樊绍巍，程明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23