一種軟體仿人手指及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種仿人手指結(jié)構(gòu)，更特別地說，是指一種具有結(jié)構(gòu)預(yù)編程的軟體仿 人手指。
【背景技術(shù)】
[0002] 仿人手指作為人類肢體活動(dòng)的有效拓展，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題之一。相 對(duì)于簡(jiǎn)單普遍的末端執(zhí)行器，仿人手指高度近似于真人手指外形尺寸，并能夠完成靈活、精 準(zhǔn)的動(dòng)作。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，仿人手指已是集成機(jī)電、傳感、材料、智能及驅(qū)動(dòng)等多學(xué)科的 系統(tǒng)。目前，傳統(tǒng)仿人手指一般通過復(fù)雜的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和精巧的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)類似于人 手的靈巧動(dòng)作。然而，這種仿生手指的設(shè)計(jì)難度大、研發(fā)周期長(zhǎng)、制造成本昂貴，需要復(fù)雜的 傳感控制和精密的零部件來保證動(dòng)作運(yùn)行的可靠性和安全性。同時(shí)，傳統(tǒng)仿人手指多由基 于硬質(zhì)材料(金屬、塑料等）的剛性運(yùn)動(dòng)副連接構(gòu)成，與真實(shí)人手質(zhì)感的差異限制了其與外 界環(huán)境的交互體驗(yàn)。
[0003] 在自然界中，很多生物體卻能夠以簡(jiǎn)單的柔性軟體結(jié)構(gòu)完成復(fù)雜高效的動(dòng)作，如 章魚觸手、蠕蟲等。生物體結(jié)構(gòu)隨中樞神經(jīng)系統(tǒng)共同進(jìn)化，形成了完備的一體化神經(jīng)-機(jī)械 控制系統(tǒng)。其中軟體組織結(jié)構(gòu)對(duì)于生物體來說至關(guān)重要，有利于適應(yīng)不斷地復(fù)雜環(huán)境:生物 體與環(huán)境交互接觸過程中，軟體結(jié)構(gòu)組織與環(huán)境對(duì)象接觸面積大使其與環(huán)境貼合更緊密。 同時(shí)，軟體組織的大型變、能量吸收特性降低了外力的作用效果。生物體所受環(huán)境對(duì)象的反 作用力能夠很大范圍地分布于軟體組織結(jié)構(gòu)的表面，這樣能夠減小力沖擊和提高安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種軟體仿人手指，該手指與傳統(tǒng)剛性仿人手指存在本質(zhì)的區(qū)別。 軟體仿人手指全部采用柔性材料制得層結(jié)構(gòu)(所述的層結(jié)構(gòu)既是從內(nèi)至外是空心基體層、 纖維包絡(luò)層和皮膚外層，而軟體仿人手指的底面板從內(nèi)至外是空心基體層、應(yīng)變限制底層、 纖維包絡(luò)層和皮膚外層），而非傳統(tǒng)的硬質(zhì)塑料或者金屬。本發(fā)明軟體仿人手指應(yīng)用空心基 體(3)中心部位的封閉空腔（即氣囊3A)能夠通過對(duì)纖維包絡(luò)層(4)和應(yīng)變限制底層(30)的 布局和材料設(shè)定來實(shí)現(xiàn)不同曲率和曲線的彎曲動(dòng)作，即以結(jié)構(gòu)"預(yù)編程"的方式實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū) 動(dòng)柔性運(yùn)動(dòng)，從而降低了軟體仿人手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。同時(shí)，軟體仿人手指采用被動(dòng)式的控制 策略，在成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度等方面，相對(duì)于采用主動(dòng)控制方式的傳統(tǒng)仿生手指具有顯 著的優(yōu)勢(shì)。由于柔性的材質(zhì)基體對(duì)壓力產(chǎn)生很小的阻抗，軟體仿人手指能夠吸收外界沖擊 力，并且能夠更好地適應(yīng)交互對(duì)象的形狀尺寸。同時(shí)，柔性軟體材料的應(yīng)用，能夠使仿人手 指更加接近真實(shí)手指的外形與質(zhì)感。軟體仿人手指的制造快速和成本低廉使其也適合于高 危行業(yè)的操作場(chǎng)合以及未來仿生機(jī)器人的訂制化。同時(shí)，軟體仿生手指的高度擬人特性以 及與生倶來的安全性，能夠大大提升了其與外界環(huán)境對(duì)象(如人、動(dòng)物、易碎物等）的交互能 力。
[0005] 在本發(fā)明中，當(dāng)壓入氣體或液體時(shí)，空心基體(3)中心部位的封閉空腔（即氣囊3A) 就像氣球一般盡可能沿軸線方向和徑線方向膨脹。當(dāng)在封閉空腔沿軸向加上膨脹系數(shù)小的 纖維包絡(luò)層(4)時(shí)，封閉空腔的徑向形變被限制，而只能沿軸線方向膨脹，不再是毫無目的 的延伸，而是等同于封閉空腔的伸縮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在封閉空腔一側(cè)附加上一層膨脹系數(shù)小的應(yīng) 變限制底層(30)時(shí)，封閉空腔的相應(yīng)一側(cè)的軸線方向的膨脹形變被限制。這樣一來，封閉空 腔在內(nèi)部壓力升高時(shí)，軸線兩側(cè)的膨脹形變程度存在差異，就會(huì)使軟體仿生手指整體產(chǎn)生 彎曲運(yùn)動(dòng)。
[0006] 本發(fā)明的一種軟體仿人手指，其特征在于：所述軟體仿人手指包括有空心基體 (3)、應(yīng)變限制層(30)、纖維包絡(luò)層(4)、皮膚外層（1)和氣流導(dǎo)管(2)。所述軟體仿人手指的 一端為手指末端(5A)，另一端為手指指根(5B)。氣流導(dǎo)管(2)安裝在手指指根(5B)上?？招?基體(3)的底面板上粘接應(yīng)變限制層(30)后纏繞順逆時(shí)針的繞線形成纖維包絡(luò)層(4)。基體 (3)與皮膚外層（1)之間是纖維包絡(luò)層(4)。所述纖維包絡(luò)層(4)是由順時(shí)針繞線(4A)和逆時(shí) 針繞線(4B)對(duì)稱纏繞在基體(3)上構(gòu)成的。順時(shí)針繞線(4A)與逆時(shí)針繞線(4B)之間纏繞在 基體(3)的手指背面板(3B)上的交合點(diǎn)，稱為上交點(diǎn)（4C);順時(shí)針繞線（4A)與逆時(shí)針繞線 (4B)之間纏繞在基體(3)的手指底面板(3D)上的交合點(diǎn)，稱為下交點(diǎn)(4D)。順時(shí)針繞線(4A) 與逆時(shí)針繞線(4B)之間的纏繞夾角記為a，g卩α = 5~15度，相鄰兩個(gè)順時(shí)針繞線(4A)之間的 間隔記為d，即d = 5~20mm。
[0007] 本發(fā)明軟體仿生手指的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0008] ①本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿生手指采用氣體或液體為壓力介質(zhì)充入空心基體(3)中心 部位的氣囊(3A)中，通過應(yīng)變限制底層(30)和柔性抗拉材料制得的纖維包絡(luò)層(4)來限制 手指的彎曲運(yùn)動(dòng)。軟體仿生手指的動(dòng)作機(jī)理是將由聚合彈性材料組成的高彈連續(xù)封閉空腔 收束限制在一定的形狀，構(gòu)成超冗余結(jié)構(gòu)空間，獲取無限度自由度和連續(xù)變形能力。
[0009] ②本發(fā)明軟體仿生手指設(shè)計(jì)的封閉空腔（即氣囊(3A))能夠通過對(duì)纖維包絡(luò)層和 應(yīng)變限制底層的布局和材料設(shè)定來實(shí)現(xiàn)不同曲率和曲線的彎曲動(dòng)作，稱為結(jié)構(gòu)"預(yù)編程"方 式。本發(fā)明運(yùn)用結(jié)構(gòu)"預(yù)編程"實(shí)現(xiàn)了欠驅(qū)動(dòng)柔性運(yùn)動(dòng)，從而降低了軟體仿人手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜 度。同時(shí)，軟體仿人手指采用被動(dòng)式的控制策略，在成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度等方面，相對(duì)于 采用主動(dòng)控制方式的傳統(tǒng)仿生手指具有顯著的優(yōu)勢(shì)。
[0010]③采用3D打印技術(shù)制作空心基體，以及采用注塑成型工藝制作皮膚外層，使得到 的本發(fā)明軟體仿生手指由于柔性的材質(zhì)基體對(duì)壓力產(chǎn)生很小的阻抗，軟體仿人手指能夠吸 收外界沖擊力，并且能夠更好地適應(yīng)交互對(duì)象的形狀尺寸。同時(shí)，柔性軟體材料的應(yīng)用，能 夠使仿人手指更加接近真實(shí)手指的外形與質(zhì)感。
[0011]④本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的材料楊氏模型為250kPa，單個(gè)軟體手指最大彎曲 位移可達(dá)I OOmm，輸出力可達(dá)4N，接近人體皮膚的硬度。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的外部結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖IA是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的外部實(shí)體圖。
[0014]圖IB是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的A-A剖面圖。
[0015] 圖IC是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的分解圖。
[0016] 圖ID是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的纖維包絡(luò)層的繞線示意圖。
[0017] 圖2A是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的基體與纖維包絡(luò)層結(jié)合的正視圖。
[0018] 圖2B是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的基體與纖維包絡(luò)層結(jié)合的后視圖。
[0019] 圖2C是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的基體與纖維包絡(luò)層結(jié)合的俯視圖。
[0020]圖2D是本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的基體與纖維包絡(luò)層結(jié)合的仰視圖。
[0021]圖3是制作本發(fā)明設(shè)計(jì)的軟體仿人手指的模具結(jié)構(gòu)圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0024]參見圖3所示，采用多步模塑成型工藝制作一種具有結(jié)構(gòu)預(yù)編程的軟體仿人手指， 包括有下列步驟：
[0025] 步驟一，制作空心基體；
[0026]采用3D打印快速成型得到空心基體3;
[0027] 在本發(fā)明中，空心基體3所選材料為smooth-on公司生產(chǎn)的高性能的鉬固化有機(jī)娃 橡膠，型號(hào)為Dragon skin20或者Dragon skinlO,有著良好的強(qiáng)度和彈性，可以拉伸至原大 小的數(shù)倍而不被撕裂，并會(huì)反彈回拉伸前的形態(tài)而不變形。
[0028] 在本發(fā)明中，空心基體3的厚度記為h3,即h3 = l.5~5mm。
[0029]步驟二，制作上模具6A;
[0030]采用3D打印快速成型得到上模具6A;
[0031]在本發(fā)明中，上模具所選材料為PLA(聚乳酸)材料，滿足快速成型要求。
[0032]步驟三，制作下模具6B;
[0033]采用3D打印快速成型得到下模具6B;
[0034] 在本發(fā)明中，下模具所選材料為PLA(聚乳酸)材料，滿足快速成型要求。
[0035] 步驟四，左旋右旋對(duì)稱纏繞制作纖維包絡(luò)層；
[0036]在步驟一制得的空心基體3的底面板上粘接應(yīng)變限制層30,然后采用順時(shí)針和逆 時(shí)針對(duì)稱纏繞柔性抗拉的凱夫拉線，得到纖維包絡(luò)在空心基體3和應(yīng)變限制層30上，稱為預(yù) 成型體。凱夫拉線纏繞形成的纖維包絡(luò)構(gòu)成了纖維包絡(luò)層4。
[0037] 參見圖2D所示，順時(shí)針繞線4A與逆時(shí)針繞線4B之間的纏繞夾角記為a (g卩α = 5~15 度），相鄰兩個(gè)順時(shí)針繞線4Α之間的間隔記為d(即d = 5~20mm)，或者是相鄰兩個(gè)逆時(shí)針繞 線4B之間的間隔記為d(即d = 5~20mm)。順時(shí)針繞線4A與逆時(shí)針繞線4B選用直徑為0.5~ 1.5mm的柔性抗拉的凱夫拉線。
[0038]步驟五，注塑成型制得軟體仿人手指；
[0039]將步驟四制得的預(yù)成型體安裝在步驟二和步驟三制得的上下模具中，經(jīng)注料件6C 的注料孔6C1將鉑固化有機(jī)硅橡膠注入;經(jīng)常溫固化后去模，得到軟體仿人手指。
[0040] 參見圖1、圖1A、圖1B、圖IC所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種具有結(jié)構(gòu)預(yù)編程的軟體仿人手 指，所述軟體仿人手指包括有空心基體3、應(yīng)變限制層30、纖維包絡(luò)層4、皮膚外層1和氣流導(dǎo) 管2。
[0041] 所述軟體仿人手指的一端為手指末端5A，另一端為手指指根5B。氣流導(dǎo)管2安裝在 所述手指指根5B上。
[0042]空心基體3的底面板上粘接應(yīng)變限制層30后纏繞順逆時(shí)針的繞線形成纖維包絡(luò)層 4。使得空心基體3、應(yīng)變限制層30與皮膚外層1之間是纖維包絡(luò)層4。
[0043] 參見圖IA所示，為了詳細(xì)說明本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種具有結(jié)構(gòu)預(yù)編程的軟體仿人手 指，其形貌是以人的右手的食指外形進(jìn)行特定說明，根據(jù)不同的需要，能夠依據(jù)本發(fā)明的方 法制作得到其余的手指形貌。軟體仿人手指的長(zhǎng)度記為b(即b =