一種氣囊式靈巧手指及靈巧手的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于機械領域，尤其是涉及一種機器人領域中的機械手。
【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的不斷發(fā)展，機器人靈巧手也取得了長足的進步，國內(nèi)外研究學者對機器人的末端執(zhí)行器也進行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果。國外在機器人靈巧手領域的研究開展相對較早，日本、美國、德國的研究學者經(jīng)過不懈的努力，先后研制出多種類型的靈巧手。日本的研究學者Okada.T早在1974年成功研制了 Okada靈巧手，該靈巧手主要通過鋼絲繩進行動力的傳遞，傳感器的主要類型有電機位置傳感器、關節(jié)位置傳感器、電機電流傳感器。美國斯坦福大學于1983年成功研制出Stanford/JPL多指靈巧手，為了控制手指對物體的作用力，研究人員還提出了力控制和剛度控制模型，并且求出了相應的控制算法。英國的Shadow公司于2004年成功研制出基于氣動人工肌肉的Shadow靈巧手，該靈巧手的驅(qū)動源主要是由36根氣動人工肌肉組合而成，采用鋼絲繩將氣動人工肌肉的驅(qū)動力傳遞到各個手指的關節(jié)，手指的內(nèi)側(cè)分布著直徑為3_的觸覺傳感器，其外形和功能都與人手具有極高的相似性。日本東芝公司運用硅橡膠制成的圓柱形軟管研制出了Toshiba靈巧手，由于這個手的主要構(gòu)成材料是橡膠，故具有很好的柔順性和環(huán)境適應性，不會對目標物體造成傷害。
[0003]中國專利第201310221036.8號介紹了一種果實采摘機器人三指靈巧手，其中在各手指指腹均設置有橡膠襯墊，該果實采摘機器人三指靈巧手采用柔性的手指指腹，同時利用壓力傳感器的壓力檢測和控制器實時控制，可以有效避免在采摘時對果實的損傷。雖然采用了橡膠襯墊來避免對果實的損傷，但是這種橡膠墊的柔性是固定的，面對不同種類的水果，其適應性將會變差。
[0004]以上幾種具有典型意義的靈巧手，Okada靈巧手雖然靈敏度較高，但是柔性不足，尤其是對于抓取柔性物體；Stanford/JPL多指靈巧手雖然考慮了手指對物體的作用力，但是控制比較復雜；Shadow靈巧手雖然采用了氣動人工肌肉，但只是將氣動人工肌肉的驅(qū)動力傳遞到各個手指的關節(jié)，并沒有考慮到手指的柔性；Toshiba靈巧手雖然具有很好的柔順性和環(huán)境適應，但是控制系統(tǒng)相當復雜，同時手指的近指關節(jié)、中指關節(jié)、遠指關節(jié)并不分明，對抓取物體靈活程度不高。
[0005]目前所研究的靈巧手主要還是基于工業(yè)用途，隨著機器人技術的不斷發(fā)展，家庭機器人越來越受到廣泛的關注，作為機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)，必須要適合多種場合。
[0006]人手是經(jīng)過幾千年進化才形成了現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，相對于靈巧手而言具有獨特的優(yōu)勢。在對人手抓取物體的過程進行研究發(fā)現(xiàn)，當人手在操作物體時，人對手指和物體之間接觸力的大小并不是很準確，但是人手在接觸物體的時候，由于人手皮膚的柔軟性，在接觸力的作用下，人的皮膚會發(fā)生一定的形變，這樣人手與物體之間的接觸面積就會增加。同時為了能夠穩(wěn)定地抓取物體，人手和物體之間的夾持力將會不斷增大，直到能夠穩(wěn)定地抓取物體為止。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是為解決上述問題而提出的，提供了一種一種氣囊式靈巧手指及靈巧手，減少靈巧手手指上傳感器的使用，提高靈巧手的適應性。
[0008]本發(fā)明提供的一種氣囊式靈巧手指，包括:至少兩個指狀關節(jié)；驅(qū)動電機，設置于相鄰兩個手指關節(jié)的連接處，用于驅(qū)動手指關節(jié)屈曲，其中，手指關節(jié)設置有氣囊，氣囊上設置有用于充氣和放氣的進氣口和出氣口。
[0009]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，還可以具有這樣的特征:其中，指狀關節(jié)的個數(shù)為3即近指關節(jié)、中指關節(jié)、遠指關節(jié)。
[0010]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，還可以具有這樣的特征:其中，氣囊粘附在手指關節(jié)的內(nèi)側(cè)。
[0011]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，還可以具有這樣的特征:其中，氣囊包覆在手指關節(jié)上。
[0012]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，還可以具有這樣的特征:其中，氣囊的材質(zhì)為橡膠，且滿足:氣囊中充入0.1MPa的壓縮氣體時，氣囊相對于未充入壓縮氣體的初始狀態(tài)的變形量不超過10%。
[0013]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，還可以具有這樣的特征:其中，氣囊外壁具條紋，用于增大與物體接觸時的摩擦力。
[0014]本發(fā)明還提供一種靈巧手，包括:手掌；至少一個靈巧手指，和手掌連接；氣體輸送單元，和手指連接；其中，手指為的氣囊式靈巧手指，氣體輸送單元包括氣體輸送導管，分別同進氣口連接，其中輸送導管長度有一定的余量用來方便手指運動，輸送導管同進氣口連通。
[0015]本發(fā)明提供的靈巧手，還可以具有這樣的特征:還包括壓力檢測器，設置于驅(qū)動電機上，用于實時檢測手指接觸目標物體時的壓力。
[0016]本發(fā)明提供的靈巧手，還可以具有這樣的特征:還包括氣壓控制單元，包括設置于出氣口和進氣口上的電磁閥和控制器，控制器用來控制電磁閥的開閉。
[0017]本發(fā)明提供的靈巧手，還可以具有這樣的特征:還包括氣壓實時檢測器，設置于氣囊內(nèi)，用來檢測氣囊內(nèi)的實時壓力并傳送到控制器。
[0018]發(fā)明作用與效果
[0019]本發(fā)明提供的氣囊式靈巧手指，具有至少兩個指狀關節(jié)；驅(qū)動電機，設置于相鄰兩個手指關節(jié)的連接處，用于驅(qū)動手指關節(jié)屈曲，其中，手指關節(jié)設置有氣囊，氣囊上設置有用于充氣和放氣的進氣口和出氣口，其中的獨特氣囊設計，可以提高靈巧手的適應性，減少靈巧手手指上傳感器的使用，其具有:
[0020]適用性廣，可以抓取任意外形輪廓的物體，柔性氣囊自適應目標物體形狀；
[0021]可以抓取一些柔軟以及易變性易碎物體；
[0022]提尚抓取的穩(wěn)定性；
[0023]靈巧手指的布置方式可以根據(jù)不同基座的形狀而定，增加靈巧手指數(shù)目，改變靈巧手的相對位置，實現(xiàn)不同的操作和抓取，解決一般靈巧手對于柔軟易變形物體適應性差的問題。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的氣囊式靈巧手指組成示意圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的氣囊式靈巧手指中氣囊和指狀關節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的靈巧手結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明的靈巧手控制流程圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的氣囊式靈巧手指作具體闡述。
[0029]實施例1
[0030]圖1為本實施例的氣囊式靈巧手指組成示意圖
[0031]本實施例的氣囊式靈巧手指100包括三個指狀關節(jié)10和設置于相鄰兩個手指關節(jié)10的連接處的驅(qū)動電機20以及粘附在手指關節(jié)10內(nèi)側(cè)的氣囊30 ;其中
[0032]三個指狀關節(jié)10包括近指關節(jié)11、中指關節(jié)12、遠指關節(jié)13，其形狀同人的手指關節(jié)相同，相互之間如圖1所示的通過鉸鏈活動連接，連接處的軸同驅(qū)動電機20連接，由驅(qū)動電機20的正反轉(zhuǎn)來驅(qū)動手指關節(jié)的屈曲抓握。
[0033]驅(qū)動電機20，為低速控制電機，可以輸出大扭轉(zhuǎn)，設置于相鄰兩個手指關節(jié)10的連接處，其具有同控制器或控制終端連接的接口，用來根據(jù)外界信號來旋轉(zhuǎn)運動從而驅(qū)使指狀關節(jié)10的屈曲抓握運動和力度。
[0034]氣囊30，這個氣囊的設置是本發(fā)明的關鍵點，本發(fā)明即利用了氣囊的柔性來適應不同輪廓的目標物體，同時利用氣囊的壓力來控制對目標物體的抓握力的大小。氣囊的材質(zhì)為橡膠，通過膠水如7148AB來粘附在對應的近指關節(jié)11、中指關節(jié)12、遠指關節(jié)13的外壁內(nèi)側(cè)，同時氣囊外壁設置有用于增大與物體接觸時的摩擦力條紋，氣囊30內(nèi)側(cè)上設置有用于充氣和放氣的進氣口 31和出氣口 32，其中出氣口 32上設置有電磁閥用于控制放氣來控制調(diào)節(jié)氣壓。其中，作為一種優(yōu)化設計，氣囊30的設計要求為:氣囊10中充入0.1MPa的壓縮氣體時，相對于未充入壓縮氣體的初始狀態(tài)的變形量不超過10%。
[0035]作為另一種優(yōu)化設計，其他設計不變的情況下，還提供另外的一種優(yōu)化設計:氣囊30包覆在手指關節(jié)10上，這樣手指關節(jié)的內(nèi)外側(cè)都有氣囊層(指狀關節(jié)10相當于手指骨，氣囊層即相對于手指骨上的肌肉和皮膚，這樣前后都有肌肉和皮膚)，在屈曲抓握時可以突破人手單向內(nèi)側(cè)抓握的限制，可以內(nèi)側(cè)和外側(cè)(即向手背側(cè))屈曲一定角度而抓握。
[0036]圖2為本實施例的氣囊式靈巧手指中氣囊和指狀關節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
[0037]為了進一步的說明本發(fā)明的技術關鍵氣囊30的結(jié)構(gòu)，這里根據(jù)圖2詳細說明。如圖2所示，氣囊30粘附在指狀關節(jié)10上，氣囊10同