基于折纸结构的柔性抓取器制造技术

本申请提供了基于折纸结构的柔性抓取器。该基于折纸结构的柔性抓取器包括：抓手，抓手包括具有折痕的结构变形单元，结构变形单元阵列排列，抓手能够膨胀成灯笼型和收缩成柱形，抓手的一端被收缩固定，抓手的另一端为抓取端，抓取端能够被控制闭合或打开，以环抱式抓取或释放目标物体；以及气囊，气囊设置在抓手的内部，且气囊设置于抓手的被收缩固定的一端，通过控制气囊对抓手的内表面的挤压状态，使得抓手的抓取端能够闭合或打开。本申请中基于折纸结构的抓手具有较大的变形能力，收缩后体积较小，携带更方便；通过控制气囊挤压抓手的内表面的状态，使抓手可以环抱式抓取或释放目标物品，抓取稳定性高。抓取稳定性高。抓取稳定性高。

【技术实现步骤摘要】
基于折纸结构的柔性抓取器


[0001]本申请属于软体机器人自动化作业
，尤其涉及基于折纸结构的柔性抓取器。

技术介绍

[0002]一直以来，机器人技术是人类工业生产、科研工作和社会生活中重要的组成部分，它极大的改善了我们的工作、生活质量，其中简易有效的机械抓手成为降低机器人成本的关键因素之一。
[0003]传统的机械抓手按工作原理可大致分为爪刺抓取和负压吸附两大类。
[0004]爪刺抓取是模拟人指关节对物体进行夹持操作，需要有多个运动元件一起协作实现抓取行为。为调节夹持力，可进一步在爪刺部分安装力学传感器，电脑芯片接受力学传感器的反馈后控制电机改变施加力矩，从而调整加持力，使得爪刺抓取形式成本高昂，稳定性一般。并且，对于易碎物品的抓取，爪刺抓手容易对物品造成损坏。
[0005]负压吸附则是模拟壁虎等生物的吸盘结构进行吸附操作，需要依靠电机对吸盘抽真空。但是，对于表面不平整、有裂缝、或抓手表面粘附其他小尺寸物体(例如灰尘、沙石等)时，负压吸附类抓手常常因为吸附无效而无法实现可靠抓取。
[0006]现流行的柔性抓取器则主要有气动硅胶驱动和形状记忆合金驱动等两种变形控制方式。
[0007]气动硅胶驱动的柔性抓取器，其内部设计有多组气室或气道，通过对应的气泵充入一定量的高压空气，柔性硅胶手指内外侧膨胀变形量不同，会向膨胀变形量较小的一侧弯曲，从而实现柔性抓取器的抓取和释放。气动硅胶需要通过多组气泵协同控制，受外界因素影响较小，反应速度较快，抓持较稳定，但是由于其材料刚度较低，难以夹持形状不规则、粗糙表面的物体，在抓手处进一步添加功能也比较困难。
[0008]使用形状记忆合金材质关节的柔性抓取器，利用形状记忆合金或聚合物在加热和冷却过程中弹性模量的变化使得其长度改变，从而改变抓取器手指结构的变形。但是，由于这类形状记忆合金的弹性模量在温度前后变化量小，加热和冷却需要时间，使得这类关节刚度变化范围窄，反应速度慢。特别是在外太空这种空气稀薄的环境下，待其自然冷却，所需的时间更多，效率低。
[0009]基于折纸结构的抓取器包括下列现有技术。
[0010]专利技术专利CN113246160A介绍了一种带有折纸结构的磁控柔性抓取器，它利用了折纸结构的可变性改变抓手的内腔形状实现抓取行为，但是由于其外加磁场控制装置的限制，使得原本可以进一步压缩收纳体积的折纸结构只能通过有限的变形实现收纳体积的最小化；并且，所附加的磁场控制装置成本极高，在有外界磁场干扰的环境下依旧具有不确定性；另外，该设计需配置用于冷却磁场控制装置中的螺旋线圈的冷却液，在实际应用中冷却液的泄漏将是该设计的安全隐患之一。
[0011]专利技术专利CN111015706A介绍了一种伸缩件及抓手，抓手由数个伸缩件组成的手指
部件和气源组成，伸缩件所具有的折纸结构管壁可提供一定变形程度的伸缩路径，但未完全利用折纸结构高度折叠特性，其体积不能极大压缩；数个伸缩件和端部密封件的气道连通形成一个整体，可通过对其充放气从而调节手指部件的伸缩比，大面积的气囊破损将使抓手失去功能，替换成本高；充放气区域位于整个具体手指部件的运动角度由调节支座和伸缩杆铰接点转动控制，整体可实现一定的形状变化，实现爪刺抓取，但仍旧无法实现真正的柔性。
[0012]专利技术专利CN112757329B介绍了一种基于折纸原理的气动软体抓取器，叠置设置形成的褶皱结构作为折纸单元设置在气动柔性制动器的内表面，气动柔性制动器内部的中空腔体与外部气源使用导气管连接，通过多个气动柔性制动器和折纸单元产生变形来抓取物体。这里，大面积连通的气道同样存在破损后失去功能，替换成本高的问题，抓取器的体积同样也不能极大收缩。
[0013]专利技术专利CN108724166A介绍了一种可变刚度制动器，采用了可单向收缩的层叠堆积式折纸结构，通过控制折纸结构内部腔道的正、负压，驱动折纸结构的伸展、压缩，当可变制动器包括多组制动气室和对应气动管道时，可操作其处于不同体积膨胀/收缩状态，从而使折纸结构可弯曲，该方法需多组气泵有规律的分别调节对应的制动气室从而实现抓取行为，制作成本高，调节方式复杂，稳定性未知。
[0014]专利技术专利CN110253606B介绍了一种仿折纸结构的软体抓手，通过滑块移动带动滑轨翻转，从而带动抓手本体向内收缩或扩张，实现抓取和松开的动作。这里，抓手本体利用了折纸结构的可变形特性，但体积不能极大收缩。
[0015]专利技术专利CN111203904B介绍一种基于折纸结构的全包围柔性机械爪，三浦折纸呈环状安装在环状气胀管内部，环状气胀管安装在支撑管内部并连通气泵，对环状气胀管充气可连带三浦折纸发生径向收缩，从而夹持物体。这里，折纸结构提供了机械爪一定的可变形特性，整体结构依旧是由支撑管固定，体积庞大，无法收缩。
[0016]专利技术专利CN112720544B介绍了一种基于折纸结构和纤维干扰的大负载网状软体抓取机构，通过抽离管状折纸结构硅胶体内部的空气施加负压，在外界大气压的挤压下，硅胶表面管状折纸结构的折痕收缩使得折纸收紧结构紧贴在被抓取物体表面，实现抓取行为，该方法除了大面积气道的安全隐患/隐形成本外，在例如外太空大气压稀薄、重力和摩擦力剧减的特殊条件下将无法工作。
[0017]专利技术专利CN107443405A介绍了一种气动柔性机器人手爪结构，硅胶材质的手指内部为折纸结构，在充气后手指会发生弯折变形，而手指弯曲方向则通过硅胶结构外表面的形状记忆合金弹簧和加热器控制，记忆合金弹簧在加热状态的长度缩短，待冷却至室温后长度恢复，加热手爪内侧的记忆合金弹簧可使手爪收缩，而加热手爪外侧的记忆合金弹簧可使手爪呈打开状态。该方法除了大面积气道的安全隐患和隐形成本外，记忆合金弹簧的加热和冷却过程极大延缓了手抓结构的抓取和释放速度，无法实现高效抓取，同样，在空气稀薄、对流较差的外太空，该设计将无法正常工作。
[0018]专利技术专利CN114378802A介绍一种高通用性可编辑柔性机械手，由主机架、驱动模块安装架、连杆模块和软机械手组成，其中，软机械手安装的若干形状记忆材料的折纸模块，当折纸模块开合开关被导电加热时软化使得软机械手处于打开状态，待折纸模块开合开关冷却恢复刚度，将自动关闭，使得软机械手处于封闭状态，另一方面，主机架上的直流
电机工作带动滑轮组运动，使得连杆撑开/合拢，进而拉动/放松软机械手进行抓取动作，该方法同样存在折纸模块开合开关加热和冷却时间长的问题，抓取效率低，同时，其内部多种机械结构会降低整体的柔性。

技术实现思路

[0019]本申请提供了基于折纸结构的柔性抓取器。
[0020]该基于折纸结构的柔性抓取器，包括：
[0021]抓手，所述抓手包括具有折痕的结构变形单元，所述结构变形单元阵列排列，所述抓手能够膨胀成灯笼型和收缩成柱形，所述抓手的一端被收缩固定，所述抓手的另一端为抓取端，所述抓取端能够被控制闭合或打开，以环抱式抓取或释放目标物体；以及
[0022]气囊，所述气囊设置在所述抓手的内本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，包括：抓手(1)，所述抓手(1)包括具有折痕的结构变形单元(5)，所述结构变形单元(5)阵列排列，所述抓手(1)能够膨胀成灯笼型和收缩成柱形，所述抓手(1)的一端被收缩固定，所述抓手(1)的另一端为抓取端，所述抓取端能够被控制闭合或打开，以环抱式抓取或释放目标物体；以及气囊(2)，所述气囊(2)设置在所述抓手(1)的内部，且所述气囊(2)设置于所述抓手(1)的被收缩固定的一端，通过控制所述气囊(2)对所述抓手(1)的内表面的挤压状态，使得所述抓手(1)的所述抓取端能够闭合或打开。2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，所述基于折纸结构的柔性抓取器还包括施力基座(4)，所述施力基座(4)包覆在所述抓手(1)的被收缩固定的一端的外侧。3.根据权利要求1所述的基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，所述气囊(2)贴附于所述抓手(1)的内表面。4.根据权利要求1所述的基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，所述气囊(2)的外表面设置有引导收缩用的折痕。5.根据权利要求1所述的基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，所述抓手(1)的所述结构变形单元(5)包括折痕部和折纸面，所述折纸面的材料硬度大于所述折痕部的材料硬度，并且/或者所述折纸面的厚度大于所述折痕部的厚度。6.根据权利要求1所述的基于折纸结构的柔性抓取器，其特征在于，多行所述结构变形单元(5)在所述抓手(1)的轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡帆，周济，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：