一种气控软体仿生机械手指制造技术

本发明专利技术公开了一种气控软体仿生机械手指，包括手指和基板。手指表面设有若干组呈人字形分布的左气室和右气室，内部设有左气腔、左通道、右气腔、右通道和旁通道，所有左气腔通过左通道相连通，所有右气腔通过右通道相连通，所有左气腔和右气腔通过旁通道相连通。基板设于手指底部，用于密封所有气腔。当外部气体接通软体机械手指时，所有气腔受气压膨胀使所有气室同时产生周向和轴向的张力，最终使基板产生周向和轴向的弹性弯曲变形。本发明专利技术的软体机械手指在周向和轴向可产生无限自由度的弹性变形，通过控制气体大小可实现对不同形状物体的精确抓取，且抓取力强、稳定性高。

【技术实现步骤摘要】
一种气控软体仿生机械手指
本专利技术涉及软体机器人
，具体涉及一种采用压缩气体驱动与控制的软体仿生机械手指。
技术介绍
随着机器人应用需求和领域的不断扩大，康复医疗、复杂地形勘探、智能制造等新兴领域对机器人的柔顺性提出了更高要求，而传统刚性机器人存在驱动惯性大、体型笨重的致命缺陷，难以满足上述领域需求。得益于智能材料与仿生技术的飞速发展，研究人员采用柔性材料，通过模仿生物结构及其运动行为研发了一系列软体机器人，实现了软体机器在受限空间内的翻滚、扭转、爬行等动作。由于软体机器人材质柔软、环境适应性强、人机交互安全，克服了刚性机器人在复杂空间中运动受限的本质缺陷，因此具有巨大研究价值与广泛应用前景，成为近年来的热门研究方向。软体仿生机械手是软体机器人领域的一个重要分支，与传统的刚性机械手执行器相比，软体仿生机械手与人手更为类似，能模仿人手进行近乎无限自由度的弯曲运动。由于软体仿生机械手良好的柔顺性和安全交互性在很多领域具有潜在应用价值，如对外观形状不规则且易碎物体（如各类水果、蔬菜、玻璃容器等）进行夹持与分拣，对神经受损导致肢体僵硬患者进行医疗康复与辅助等。软体仿生机械手的驱动方式与其结构、性能、制作工艺等直接相关，目前主要分为气压驱动、拉线驱动、形状记忆合金驱动和智能材料驱动。其中，气压驱动是软体仿生机械手最常用的驱动方式。气压驱动式软体仿生机械手通过对特定设计的柔性空腔中充入压缩气体使柔性材料产生膨胀变形，进而使机械手产生连续弯曲效果。由于气压驱动式软体仿生机械手具有安全可靠、使用成本低、无额外能量消耗、制造工艺边界等优点，因此成为目前国内外研究最为热门的一种软体操控技术。然而，由于软体仿生机械手设计涉及到机械、物理、化学、生物等多个学科，需要综合各领域的知识来进行其仿生运动研究，因此仍然存在很多关键问题需要进行解决，主要体现在：①机械手采用柔性材料制作，而柔性材料受外力时易产生变形，难以实现机械手的精确定位与操控；②柔性材料的弹性应力较低，难以使机械手产生较大的夹持力，且夹持稳定性较差；③现有柔性材料的种类较多，且不同材料的机械手具有不同的机械特性，难以从理论上对软体机械手的运动进行精确建模与分析，因此在软体机械手的设计方面缺乏行之有效的理论基础。鉴于上述存在问题，有必要开发新型结构的软体仿生机械手，解决现有存在的某些关键问题，进一步提升其操控特性，并拓展其仿生操控应用领域。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种气控软体仿生机械手指。该机械手指采用柔性材料制成，具有无限自由度弹性弯曲夹持能力，夹持精度和稳定性高，能模仿人类手指对物体进行抓取工作。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种气控软体仿生机械手指，包括手指和基板；所述基板设于手指的底部；所述手指表面设有若干组呈人字形分布的左气室和右气室，内部设有左气腔、左通道、右气腔、右通道和旁通道；所有左气腔通过左通道相连通，所有右气腔通过右通道相连通，所有左气腔和右气腔通过旁通道相连通；所述左气腔和右气腔中充入压缩气体使左气室和右气室同时产生周向和轴向张力，使所述基板产生周向和轴向的弹性弯曲变形。优选的，所述手指表面还设有侧向沟槽和中央沟槽，用于分隔左气室和右气室。优选的，所述基板与手指的接触面密封，使左气腔和右气腔的底面形成良好密封优选的，所述基板受压产生的弹性弯曲变形具有无限自由度。优选的，所述左气腔和右气腔的截面为平行四边形结构。优选的，所述左气室和右气室呈人字形的夹角在0~180°之间。优选的，所述手指和基板的材料为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶聚合物弹性材料中的一种。优选的，：所述手指和基板采用3D打印模具和弹性材料进行倒模制得。有益效果：本专利技术提供的气控软体仿生机械手指，相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术提出的气控软体仿生机械手指设置了一系列呈人字形分布的气室，对气室中的气腔充入压缩气体，气室会同时产生周向和轴向膨胀，拉伸并弯曲气室底部的基板，从而使基板产生周向和轴向的弯曲。随着气腔中气压的不断增大，基板可以实现无限自由度的周向和轴向弯曲变形。控制输入气腔中气压的大小，可控制机械手指产生任意的弯曲角度，因此可以通过控制气压来调整机械手的抓握张度和强度。目前已报道的各类软体机械手指的气室均为丰字形分布，只能实现周向的弹性弯曲变形，夹持强度较弱，且夹持稳定性差。相比而言，本专利技术的软体机械手指由于同时具有周向和轴向弹性弯曲能力，大大提升了夹持强度，且夹持物品不易掉落，夹持精度和稳定性都大大提高。附图说明图1是气控软体仿生机械手指的外部结构轴测图；图2是气控软体仿生机械手指的剖面结构示意图；图3是气控软体仿生机械手指的侧向结构示意图；图4是气控软体仿生机械手指在A-A方向的剖面结构示意图；图5是气控软体仿生机械手指在B-B方向的剖面结构示意图；图6是气控软体仿生机械手指的运动仿真图（30kPa）；图7是气控软体仿生机械手指的运动仿真图（40kPa）；图8是气控软体仿生机械手指的运动仿真图（50kPa）；图9是气控软体仿生机械手指的运动仿真图（60kPa）。其中，1为手指，2为基板，3为左气室，4为右气室，5为侧向沟槽，6为中央沟槽，7为左气腔，8为右气腔，9为左通道，10为右通道，11为旁通道。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。一种气控软体仿生机械手指，利用人字形分布的气室受气压作用产生周向和轴向弯曲弹性变形，从而达到提升软体机械手指夹持强度、精度和稳定性的目的。如图1-图5所示，包括手指1和基板2，基板2设于手指1的底部；手指1表面设有若干组呈人字形分布的左气室3和右气室4，内部设有左气腔7、左通道9、右气腔8、右通道10和旁通道11；所有左气腔7通过左通道9相连通，所有右气腔8通过右通道10相连通，所有左气腔7和右气腔8通过旁通道11相连通；手指1表面还设有侧向沟槽5和中央沟槽6，用于分隔左气室3和右气室4。基板2与手指1的接触面密封，使左气腔7和右气腔8的底面形成良好密封。左气腔7和右气腔8的截面为平行四边形结构。本实施例中软体机械手指在未充气状态下的外观设计尺寸为75mm*34mm*20mm，左气室3和右气室4的人字形夹角为120°，侧向沟槽5的宽度为1.73mm，中央沟槽6的宽度为1mm，平行四边形气腔的边长为16.17mm*4.69mm。如图6-图9所示，对软体机械手指采用有限元软件进行仿真建模，研究其在设定气压下的弹性弯曲变形行为。仿真结果显示，对左气腔7和右气腔8设置输入气压30kPa时，手指1中的左气室3和右气室4同时膨胀产生周向和轴向张力，从而使基板2产生周向和轴向的弹性弯曲变形。当气压依次设置为40kPa、50本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气控软体仿生机械手指，其特征在于：包括手指（1）和基板（2）；所述基板（2）设于手指（1）的底部；所述手指（1）表面设有若干组呈人字形分布的左气室（3）和右气室（4），内部设有左气腔（7）、左通道（9）、右气腔（8）、右通道（10）和旁通道（11）；所有左气腔（7）通过左通道（9）相连通，所有右气腔（8）通过右通道（10）相连通，所有左气腔（7）和右气腔（8）通过旁通道（11）相连通；所述左气腔（7）和右气腔（8）中充入压缩气体使左气室（3）和右气室（4）同时产生周向和轴向张力，使所述基板（2）产生周向和轴向的弹性弯曲变形。/n

【技术特征摘要】
1.一种气控软体仿生机械手指，其特征在于：包括手指（1）和基板（2）；所述基板（2）设于手指（1）的底部；所述手指（1）表面设有若干组呈人字形分布的左气室（3）和右气室（4），内部设有左气腔（7）、左通道（9）、右气腔（8）、右通道（10）和旁通道（11）；所有左气腔（7）通过左通道（9）相连通，所有右气腔（8）通过右通道（10）相连通，所有左气腔（7）和右气腔（8）通过旁通道（11）相连通；所述左气腔（7）和右气腔（8）中充入压缩气体使左气室（3）和右气室（4）同时产生周向和轴向张力，使所述基板（2）产生周向和轴向的弹性弯曲变形。


2.根据权利要求1所述的气控软体仿生机械手指，其特征在于：所述手指（2）表面还设有侧向沟槽（5）和中央沟槽（6），用于分隔左气室（3）和右气室（4）。


3.根据权利要求1所述的气控软体仿生机械手指，其特征在于：所述基板（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鑫杰，夏康，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32