一种柔性机器人充气手指的制作方法
【专利摘要】一种柔性机器人充气手指，包括：充气手指指尖，该充气手指指尖位于所述充气手指的前端，用于接触要抓取的物体；充气手指弯曲部，该充气手指弯曲部位于所述充气手指的中部并连接所述充气手指指尖，用于实现充气手指的抓取或松开；充气手指连接部，该充气手指连接部位于所述充气手指的后端并连接所述充气手指弯曲部，用于固定充气手指，作为外部气体进入所述充气手指的通道，由充气手指指尖、充气手指弯曲部及充气手指连接部构成的充气手指为一体化成型制作。本发明采用一种材料，一次性加工成型；重量轻，成本低，具有加工成本低，精度高，批量化生产，良好柔软性，使其具有很好的人机交互应用。
【专利说明】一种柔性机器人充气手指
【【技术领域】】
[0001]本发明属于柔性机器人【技术领域】，特别是涉及一种柔性机器人充气手指。
【【背景技术】】
[0002]柔性手指是目前国际上研究的一个新的方向，国内外市场上大多的柔性手指采用硅胶和手板加工的方法实现了一种柔性手指，柔性手指采用的生产工艺是通过手板将两层弹性模量不同的硅胶粘合在一起，其中弹性模量小的一层为弯曲层，当往柔性手指内部充气时，可以实现柔性手指的弯曲功能。
[0003]现有的柔性充气手指须通过两种或两种以上的弹性模量不同的硅胶黏合起来，导致其加工困难、不易批量生产。
【
【发明内容】
】
[0004]本发明旨在解决上述问题而提供一种容易加工、可批量生产的柔性机器人充气手指。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种柔性机器人充气手指，该柔性机器人充气手指包括:充气手指指尖，该充气手指指尖位于所述充气手指的前端，用于接触要抓取的物体；充气手指弯曲部，该充气手指弯曲部位于所述充气手指的中部并连接所述充气手指指尖，用于实现充气手指的抓取或松开；充气手指连接部，该充气手指连接部位于所述充气手指的后端并连接所述充气手指弯曲部，用于固定充气手指，作为外部气体进入所述充气手指的通道，由所述充气手指指尖、充气手指弯曲部及充气手指连接部构成的充气手指为一体化成型制作。
[0006]所述充气手指连接部包括充气手指固定部及气管连接部，所述充气手指固定部连接所述充气手指弯曲部，用于固定所述充气手指，所述气管连接部与充气手指固定部相连接，用于连接外部气管。
[0007]所述充气手指弯曲部包括充气手指弯曲限制变形面及该充气手指弯曲限制变形面相对应的充气手指弯曲变形面，所述充气手指弯曲限制变形面与充气手指弯曲变形面相连接，所述充气手指弯曲限制变形面为平面，所述充气手指弯曲变形面的表面为波纹面。
[0008]所述波纹面的波峰与波谷形状相同。
[0009]所述充气手指弯曲变形面横截面呈圆弧形，该圆弧形为劣弧、优弧或半圆弧中的一种。
[0010]所述充气手指指尖为弧面。
[0011]所述充气手指固定部为半圆柱状连接管。
[0012]所述气管连接部为圆柱状连接管，该连接管外表面设有卡环。
[0013]所述充气手指采用PE或EVA柔软材料制成。
[0014]本发明的一种柔性机器人充气手指，柔性机器人充气手指作为一个整体，可以一次性加工成型，使得本发明实施例的柔性机器人充气手指容易加工、可批量生产。【【专利附图】
【附图说明】】
[0015]图1是本发明的立体图。
[0016]图2是本发明的主视图。
[0017]图3是本发明的仰视图。
[0018]图4是本发明的左视图。
[0019]图5是本发明的弯曲部横截面V-V示意图。
[0020]图6是本发明的初始状态示意图。
[0021]图7是本发明的抓取动作示意图。
[0022]图8是本发明的松手动作示意图。
[0023]图9是本发明的充气手指弯曲部横截面第一种形状示意图。
[0024]图10是本发明的充气手指弯曲部横截面第二种形状示意图。
[0025]图11是本发明的充气手指弯曲部横截面第三种形状示意图。
[0026]图12是本发明的充气手指弯曲部横截面第四种形状示意图。
[0027]其中，1、柔性充气手指；11、充气手指与气管连接部；12、充气手指固定部；13、充气手指弯曲部；14、充气手指指尖；15、充气手指弯曲限制变形面；16、充气手指弯曲变形面；17、充气手指弯曲限制变形部分虚拟平面。
【【具体实施方式】】
[0028]下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。
[0029]如图1、图2、图3所示，本发明的柔性机器人充气手指I包括依次连接形成的充气手指连接部、充气手指弯曲部13及充气手指指尖14，且该充气手指为一体化成型。其中，该充气手指连接部位于充气手指I的后端并连接充气手指弯曲部13，用于固定充气手指1，作为外部气体进入充气手指I的通道；充气手指弯曲部13位于所述充气手指I的中部并连接所述充气手指指尖14，用于实现充气手指I的抓取或松开；该充气手指指尖14位于所述充气手指I的前端，用于接触要抓取的物体。由充气手指指尖、充气手指弯曲部及充气手指连接部构成的充气手指为一体化成型。充气手指I的主要参数L、D1及H3分别表示充气手指I的总长度、总宽度及总高度，该尺寸大小根据实际场合需要确定。充气手指弯曲部13、充气手指指尖14、充气手指固定部12及气管连接部11均米用PE (polyethylene聚乙纟布)或EVA(ethylene_vinylacetatecopolymer乙烯-醋酸乙烯共聚物)等柔软材料。其中，充气手指连接部包括气管连接部11和充气手指固定部12，充气手指固定部12连接充气手指弯曲部13，用于固定充气手指1，气管连接部11与充气手指固定部12相连接，用于连接外部气管。充气手指固定部12位于充气手指I的后端，将充气手指I固定到设备上，同时气手指固定部12为空心管道，作为外部气体进入气管连接部11后经过气手指固定部12进入充气手指I。
[0030]如图2、图3、图4所示，气管连接部11为圆柱状连接管，用于将充气手指I连接外部充气装置，在气管连接部11外表面设有两道卡环111，用于与外界充气装置固定连接。气管连接部11主要参数L2和D3分别表示充气手指与气管连接部11，长度和外径，该尺寸大小根据实际需要连接的大小进行确定。
[0031]如图2、图3、图4所示，充气手指固定部12为半圆柱状连接管，用于将充气手指I固定到需要安装的装置上，例如将充气手指I安装到机器人的手掌或其他抓取机构上。半圆柱状连接管一侧为平面，另一侧为圆柱面，保证充气手指I在装置卡紧，防止柔性充气手指I转动。充气手指固定部12主要参数L3和D2分别表示充气手指固定部12的长度和外径,该尺寸大小根据实际安装空间的大小进行确定。
[0032]如图2、图3所示，充气手指指尖14作为充气手指I的指尖，用于接触要抓取的物体、保持手指美观、固定外部传感器，增加手指的应用等或其他需要用到指尖的场合。充气手指指尖14为弧面，该弧面可以为球面、椭球面、类球面、椭圆抛物面、双叶双曲面等二次曲面，在本实施例中，优选为半球面。充气手指指尖14主要参数LI和Dl分别表示充气手指指尖14的长度和总宽度，主要参数Dl也是充气手指I的总宽度，该尺寸与充气手指弯曲部13的尺度匹配，在本实施中为半球面，也可以为其它形状，以达到手指的美观需要。
[0033]如图2、图3、图4所示，充气手指弯曲部13用于实现手指抓取或松开的功能。另夕卜，充气手指I抓取或松开的功能依靠充气手指弯曲部13的结构来实现，是充气手指I的最关键部分。充气手指弯曲部13由充气手指弯曲限制变形面15和充气手指弯曲变形面16组成。充气手指弯曲限制变形面15为平面，充气手指弯曲变形面16表面为波纹面，该波纹面之间距相等，在本发明实施例的优选实施方式中，波纹面的波峰与波谷形状相同，波纹面的纵截面上该波纹面的波峰与波谷均呈圆弧状，且波峰与波谷之间通过一直线段相切过渡。其中，波峰半径为R2，波谷半径为R1，波峰半径为R2与波谷半径为Rl可以相等，可以不相等。波纹的整个长度为S，波纹状的波峰半径为R2，波谷半径为R1，波长为L4，这些参数根据实际需要实际所需工作空间进行确定，并与要充气手指指尖14总宽度Dl及波纹的整个长度为S相匹配。在本发明实施例的其他实施方式中，该波纹面的纵截面也可以为正弦波、半圆波、三角波、矩形波等。
[0034]如图2、图3、图5所示，充气手指在实际加工过程中，W为未波纹处的脱模角度，该脱模角度指的是相切于弧Rl和弧R2的线段与横截面V-V的夹角，脱模角度有利于柔性充气手指I脱模，该脱模角度可以为0.5° -4°，例如0.5°、1°、2°、3°、4°等。充气手指I有两个重要参数:H1为波谷最低位置和波峰最高位置在仰视图的距离差，H2为波谷最低位置和波峰最高位置在主视图的距离差。在充气手指I内相同空气压力下条件下和其它参数相同的情况下，Hl和H2越大，手指的刚度越小，则手指越容易弯曲，但是充气手指I在模具中越难成型，甚至无法成型；H1和H2越小，手指的刚度越大，则手指不容易弯曲，但是充气手指I在1吴具中各易成型。充气手指I在能成型的基础上，在充气手指I内相冋空气压力下条件下和其它参数相同的情况下，H2减小，充气手指I抓取的负载越大，H2减大，充气手指I抓取的负载越小。所以Hl和H2会有一个平衡，来满足实际需要。但由于工艺限制、材料的非线性原因、以及不同压力场合需求等原因，比较难建立精确的模型。Hl和H2这两个参数可以在上述其它参数确定后，通过多组实验找到一个最优值或满足实际需要即可，可以遵循上述原则。
[0035]如图5所示，为充气手指I弯曲部分横截面V-V的示意图，柔性充气手指弯曲部分横截面V-V通过充气手指弯曲限制变形部分虚拟平面17垂直的平面通过波谷中心位置并于来确定。其实施例为:当参数Hl和H2通过试模确定后，在横截面V-V上建立直角坐标系(Υ，0，Ζ)。圆弧C和D可以分别由如下公式⑴和公式⑵来确定。[°°36] ?2 , ?a _ A/ι\
y +z ~Tw
[0037].2 , (D1 - 2Hj f - (D1 -1H7 f t _ f+[D1-2H2f^\
y Iz 叫:完 J= I 叫-完^2
[0038]其中Re表示圆弧C的半径，且Re = D/2。当Hl和H2确定后，圆弧C和D即可计算出来，其用于指导实际充气手指I的外形和模具加工。以一个实际的充气手指尺寸S等于 85.63mm、Dl 等于 15.06mm、Rl 等于 10.53mm、R2 等于 0.71mm、L4 等于 2.5mm 的情况下，Hl和H2分别等于1.85mm和0.98mm能较好的实现期望的目标，本数据只是一个实例，但不局限于此。所发明的充气手指1，当Hl和H2确定后，圆弧C和D即可通过公式(I)和(2)来指导实际手指I的外形和模具加工。
[0039]如图6、图7、图8所示，图6为充气手指动作初始状态示意图、图7为充气手指抓取动作示意图和图8为柔性充气手指松手动作示意图。充气手指弯曲部13的手指抓取或松开功能的工作原理为:充气手指弯曲限制变形面15为限制拉伸面，充气手指弯曲变形面16为变形面。图6为初始状态下，柔性充气手指I内有期望压力PO，理论上的PO为一个标准大气压，实际由于加工误差等原因，PO可以通过实验进行具体标定，柔性充气手指I内的压力P等于期望压力PO，压力P指的是绝对压力，此时柔性充气手指I内外压力相对，充气手指弯曲限制变形段1-5为一个平面。在图7中，当充气手指I内的压力P大于期望压力PO时(例如充气手指I内压缩空气为正压时)，充气手指弯曲限制变形面15和充气手指弯曲变形面1-6内表面的法线方向都受P-PO正向压力，由于充气手指弯曲变形面16内表面表面为波纹状(皱褶状)，充气手指弯曲限制变形面15表面为平面，前者在受压力时变形量较后者大，所以充气手指弯曲部13向一个方向弯曲；同理，在图8中，当柔性充气手指I内的压力P小于期望压力PO时(例如充气手指I内压缩空气为负压时)，充气手指弯曲部1-3向另外一个方向弯曲。
[0040]如图9-图12所示，图9为柔性充气手指弯曲部分横截面第一种形状示意图、图10为柔性充气手指弯曲部分横截面第二种形状示意图、图11为柔性充气手指弯曲部分横截面第三种形状示意图、图12为柔性充气手指弯曲部分横截面第四种形状示意图。在充气手指I实际吹模加加工过程中，为保证充气手指I容易脱模，充气手指弯曲限制变形面15留有一定的弧度，在试模过程中，其大小根据实际充气手指I的整体尺寸进行调节，在保证充气手指I顺利脱模的基础上，充气手指弯曲限制变形面15尽量与充气手指弯曲限制变形部分虚拟平面1-7重合。另外，充气手指弯曲变形面16的横截面可以是不同形状的。如图9中，充气手指弯曲变形面16的横截面为半圆弧，充气手指I方便生产，变形量好，图10中充气手指弯曲变形面16的横截面为小于半圆的弧(劣弧)，减少充气手指I面积，降低成本，变形量小。图11中充气手指弯曲变形面16的横截面为大于半圆的弧(优弧)，充气手指I变形量大，图12中充气手指弯曲变形面16的横截面为任意一段弧，例如可以为椭圆弧、抛物线弧、双曲线弧等，充气手指I变形量较大。在本实施例中，充气手指弯曲变形面16的横截面为半圆弧，这些充气手指弯曲变形面16所构成的充气手指I的加工方法和动作原理相同。
[0041]本发明的一种柔性充气手指，充气手指作为一个整体，只采用一种材料，可以一次性加工成型。其为薄壁形式，通过常用的吹模工艺和吹塑机加工(也可以通过铸模、三维打印等一次性成型工艺加工)，容易实现产品化，并具有加工成本低，精度高，容易批量化的特点。所采用的材料为常用吹塑材料，如PE、EVA等柔软材料。其厚度可以为0.1-lmm，例如0.lmm、0.2mm、Imm等,优选为0.2mm,所以重量非常轻。
[0042]本发明只通过机器人结构就可以实现弯曲功能，不依赖材料限制(只要是可以吹塑或类似工艺的材料都可以实现)，不依赖材料的厚度(即不同功能的部分厚度既可以相同、也可以不相同)，加工时间短，实际加工过程显示，只需要几秒就可以加工出一个这样的手指。重量非常轻(例如只有0.Sg，甚至更轻)，成本极低，非常适合工业化批量生产，不局限于实验室的样品。
[0043]本发明的柔性充气手指可以安装在机器人的手掌上，用作机器人的手指。也可以用到其他任何需要抓取物品等用途的设备上。相对于现有的硅胶手指，它具有重量极轻、成本低等特点，同时由于其具有很好的柔软特性，这种特性使得其很好的安全的人机交互应用。
[0044]尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种柔性机器人充气手指，其特征在于，该充气手指(1)包括: 充气手指指尖(14)，该充气手指指尖(14)位于所述充气手指(1)的前端，用于接触要抓取的物体； 充气手指弯曲部(13)，该充气手指弯曲部(13)位于所述充气手指(1)的中部并连接所述充气手指指尖(14)，用于实现充气手指(1)的抓取或松开； 充气手指连接部，该充气手指连接部位于所述充气手指(1)的后端并连接所述充气手指弯曲部(13)，用于固定充气手指(1)，作为外部气体进入所述充气手指(1)的通道，所述充气手指(1)为一体化成型。
2.如权利要求1所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指连接部包括充气手指固定部(12)及气管连接部(11)，所述充气手指固定部(12)连接所述充气手指弯曲部(13)，用于固定所述充气手指(1)，所述气管连接部(11)与充气手指固定部(12)相连接，用于连接外部气管。
3.如权利要求1或2所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指弯曲部(13)包括充气手指弯曲限制变形面(15)及该充气手指弯曲限制变形面(15)相对应的充气手指弯曲变形面(16)，所述充气手指弯曲限制变形面(15)与充气手指弯曲变形面(16)相连接，所述充气手指弯曲限制变形面(15)为平面，所述充气手指弯曲变形面(16)的表面为波纹面。
4.如权利要求3所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述波纹面的波峰与波谷形状相同。
5.如权利要求3所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指弯曲变形面(16)的横截面呈圆弧形，该圆弧形为劣弧、优弧或半圆弧中的一种。
6.如权利要求1所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指指尖(14)为弧面。
7.如权利要求2所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指固定部(12)为半圆柱状连接管。
8.如权利要求2所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述气管连接部(11)为圆柱状连接管，该连接管外表面设有卡环(111)。
9.如权利要求1所述柔性机器人充气手指，其特征在于，所述充气手指(1)采用PE或EVA制成。
【文档编号】B25J15/12GK104260104SQ201410465035
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】齐荣怀, 林天麟 申请人:深圳市创冠智能网络技术有限公司