一种软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器的制作方法

本实用新型涉及机器人自动化控制技术领域，尤其涉及一种软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器。

背景技术：

在自动化夹持与流水线搬运操作中，机器人需要通过运用夹持器对形状千奇百怪、软硬不一甚至易碎品进行夹持，例如新鲜蔬果与食品的分类包装、灯泡等玻璃易碎品的安装搬运、各种不同工件搬送的自动化流水线、服务机器人与人互动的柔性夹持、儿童玩具等工作。这些均需要夹持器需要具备较强的适应性与安全性才能应付各种不同的作业。

传统的刚体夹持器无法正常完成上述各项不同工作，需要针对性地根据特有任务设计夹持装置与夹持方法。由于传统夹持器本身存在不够灵活、环境适应性较差、体积重量笨重以及噪声大等缺点，因此造成传统刚体夹持器适应能力不强。

随着材料学等交叉学科的发展，软体机器人为解决传统刚体机器人面对的技术问题提供了广阔的空间以及发展思路。其中，因为软体机器人由柔性材料构成，理论上具有无限自由度，能够呈现出任意的连续变形。

近年来，国内外研制了不少用柔性材料制备的软体夹持器。其中北京航空航天大学使用硅胶作为软基体，通过设立多个腔道形成膨胀层，结合气体驱动，从而研制出适应性高的夹持器，但是由于硅胶的弹性模量较低，导致其不能承受大气压与大负载。澳大利亚卧龙岗大学同样研制了三指多腔膨胀层软体夹持器，其在限制层与膨胀层中均用了弹性模量更大的材质，增加了夹持器的负载力，但是其夹持姿态单一，夹持空间小。南京理工大学研制的一款三单元软体径向开合式气动夹持装置，利用两种不同弹性模量的橡胶做膨胀层与限制层，通过气压装置调制张合角度，柔顺夹持物体。以上夹持器驱动原理大同小异，但是均存在只可单向弯曲夹持、夹持空间小、夹持力不足、夹持姿态不可调等问题，对物体适应性有待提高。

因此，研制一种能适应多种形态物体、夹持姿态可变、夹持力大以及制造成本低的软体夹持器时非常有必要的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、控制简单、动作可靠以及适应性强的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器，旨在用于食品、易碎品的夹持与包装、服务机器人末端夹持、工件可变的流水线上工件的搬运以及儿童玩具等领域。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器，该气动软体夹持器主要包括用于夹持工件的纯双向弯曲的指型模块、以及用于固定指型模块的压盖和压座。所述指型模块设为4组，沿圆周方向分别间隔90度设置。所述指型模块的一端从上往下贯穿压座，另一端卡设在压座内，与压座连接。所述压盖安装在压座上，与压座共同固定指型模块。

具体的，所述指型模块采用堆叠层状结构设计，主要包括用于产生弹性形变的膨胀层、用于限制膨胀层形变方向及程度的限制层、以及用于固定膨胀层和限制层的末端部。所述膨胀层和限制层均由弹性材料制成。所述限制层在平面内只能向两个方向发生弹性弯曲，其弹性模量大于膨胀层。所述膨胀层设为上下两层，其内部设有用于充入气体的密闭空腔。上下两层所述膨胀层将限制层夹在中间，并与限制层上下两个面固定连接。所述末端部设置在膨胀层及限制层的末端，并与两者固定连接，其上还设有连通密闭空腔的充气孔。

具体的，所述压座中设有四个用于安装指型模块的多边形固定槽且其采用十字形空间分布。所述多边形固定槽的上部分为八边形凹陷，下部分为圆形通孔。所述指型模块分别安装在压座的四个末端处，从上往下穿过圆形通孔后，指型模块的末端部与多边形固定凹槽配合连接，实现轴向固定。所述多边形固定槽采用八边形结构设计。

具体的，所述压盖上还设有与充气孔连通的通孔，所述通孔连接外部气体驱动装置。

进一步的，为了提高夹持器对物件的夹持效果，本实用新型所述夹持器还包括用于增大摩擦力的指套。所述指套套设在指型模块前端，与指型模块固定连接。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步获得更好的夹持效果，本实用新型所述指套采用橡胶材料制成，其表面设有增大接触面积的摩擦颗粒。

进一步的，为了限制指型模块的径向变形量，夹持器夹紧物件，本实用新型所述夹持器还包括用于约束指型模块的限形网。所述限形网设置在膨胀层外侧，将指型模块包裹。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步限制指型模块的变形方向，使其具备理想的夹持效果，本实用新型所述限制层内部设有弹性模量大于所述膨胀层弹性模量的内部限制层。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步控制指型模块的变形方向并提高执行模块的整体刚度，本实用新型所述内部限制层采用具有各向异性的硬约束金属平面链条。

作为本实用新型的优选方案，为了便于调整指型模块的形变方向，延伸出更多的夹持方案，本实用新型所述八边形固定凹槽和指型模块的末端部均采用八边形结构设计。通过调整指型模块与压座八边形固定凹槽之间的相对位置，从而改变指型模块夹持不同形状物件时的方向，进而可以将夹持器应用于更多不同场合。

作为本实用新型的优选方案，为了改善指型模块的变形量和夹持效果，本实用新型所述膨胀层与所述限制层采用橡胶材质或硅胶材质。

在本实用新型所披露的技术方案中，膨胀层底面和限制层顶面粘接相连，并且膨胀层和限制层可为橡胶材质或硅胶材质，通过粘接方式使得两个膨胀层和限制层在变形时，两者之间充分接触且受力均匀，内部限制层对膨胀层可靠的硬约束，并且在指型模块的末端套有带摩擦颗粒附着的橡胶手套，使得指型模块在对不规则物体夹持时接触区域产生较大摩擦力，使得气动软体夹持器可靠地对物体进行夹持以避免发生摔落。

在本实用新型所披露的技术方案中，指型模块一端的八边形设计与压座的八边形安装槽相配合，限制了其五个自由度，且共有8个安装方向；压盖与压座的螺栓紧固限制了指型模块的一个自由度，故指型模块完全定位。八边形的安装槽使得指型模块可根据夹持物的不同选择适合的安装方向，如这对块状物体，则采用十字对抓型装配，从四个方向对物体进行包裹夹持，如长条棒状物体，则采用平行对抓装配，使得两两弯曲方向相对，即两两平行对长条棒状物体进行对夹。

本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型通过采用两个通过在内部设有密封空间且可膨胀变形的膨胀层底部相连有弹性模量相对较大的限制层，从而使得在两个个膨胀层的端部在膨胀变形时受到限制层的约束而向限制层中心进行靠拢，这样可以实现指型模块两个方向的弯曲。通过4个指型模块的弯曲方向与角度的配合，使得本实用新型技术方案的气动软体夹持器能可靠有效地夹持各种不规则与易碎物体。另外，通过在限制层内部设置弹性量大于膨胀层的内部限制层，并且优选地，该内部限制层为各向异性的硬约束金属平面链条，这样使得限制层在整体结构上实现对膨胀层进行可靠的约束变形，即可在一个平面上进行纯二维运动，膨胀层在膨胀过程中，膨胀层两端朝特定方向进行变形以保证夹持的可靠性。进一步的，因为膨胀层的膨胀变形是沿着各个方向进行膨胀变形，通过在指型模块的外表面包裹限形网形成软约束，这样使得各向同性膨胀变形的膨胀层变为朝着限形网限制方向产生各向异性的变形，本实用新型专利的为限制膨胀层的径向变形，只产生轴向变形；且膨胀层在膨胀变形时，整体受到限形网的包裹限制作用，可避免膨胀层变形过大造成破损。本实用新型还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本实用新型还具有以下优点：

(1)本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器的控制简单：本实用新型的气动软体夹持器中，四个指型模块均只需通过充气孔向其膨胀层充入气体或者释放气体即可完成两个方向的弯曲动作，四个指型模块的相互配合即可完成对物体的夹持动作。

(2)本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器的动作可靠：通过在限制层内部加入各向异性的金属平面链条作为内部限制层，使得限制层的弹性模量增高，以使得限制层对膨胀层产生各向异性的约束，由于链条的平面转动特性，使得指型模块只能在一个平面中弯曲运动，且增加了指型模块的整体刚度；并且四个指型模块外表面均包裹有限形网，这样不但使限制膨胀层产生各向异性变形，使得能量更加利用率提高，而且也可避免膨胀层在膨胀过程中由于变形过大造成破损。本实用新型技术翻案中的指型模块末端均套有带摩擦颗粒附着的指型手套，因此可增大夹持器与被夹持物体之间接触区域的摩擦力，以保证实现可靠的夹持。

(3)本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器的适应性强：本实用新型技术方案的气动软体夹持器通过四个指型模块的配对安装以及通过指型模块的反向弯曲，能柔顺适应多种不规则形状的食品或易碎物体，并较好地贴合物体表面，双向张合角度与夹持姿态可根据物体的形状的改变而调节。四个指型模块的圆周方向均布，能对物体实现有效的包裹以及通过平面链条提高刚度防止由于负载力不足在夹持时发生滑移。

附图说明

图1为本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器的外形结构示意图。

图2为本实用新型所提供的指型模块的零件爆炸图。

图3为本实用新型所提供的压盖的结构示意图。

图4为本实用新型所提供的压座的结构示意图。

图5为本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器夹持块状物体的示意图。

图6为本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器夹持长条棒状物体的示意图。

图7为本实用新型所提供的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器夹持具有大内腔状物体的示意图。

上述附图中的标号说明：

1-压盖，2-压座，3、9、10、11-指型模块，4、8-膨胀层，5-指套，6-限形网，7-限制层，12-内部限制层(金属平面链条)，13-充气孔，14-螺栓孔，15-多边形固定槽(八边形固定槽)，16-块状物，17-长条棒状物，18-大内腔物。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1至图7所示，本实施例公开了一种软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器，该气动软体夹持器主要包括用于夹持工件的纯双向弯曲的指型模块3、9、10、11(后续以标号3代替)、以及用于固定指型模块3的压盖1和压座2。所述指型模块3设为4组，沿圆周方向分别间隔90度设置。所述指型模块3的一端从上往下贯穿压座2，另一端卡设在压座2内，与压座2连接。所述压盖1安装在压座2上，与压座2共同固定指型模块3。

具体的，所述指型模块3采用堆叠层状结构设计，主要包括用于产生弹性形变的膨胀层4、8(后续以标号4代替)、用于限制膨胀层4形变方向及程度的限制层7、以及用于固定膨胀层4和限制层7的末端部。所述膨胀层4和限制层7均由弹性材料制成。所述限制层7在平面内只能向两个方向发生弯曲，其弹性模量大于膨胀层4。所述膨胀层4设为上下两层，其内部设有用于充入气体的密闭空腔。上下两层所述膨胀层4将限制层7夹在中间，并与限制层7上下两个面固定连接。所述末端部设置在膨胀层4及限制层7的末端，并与两者固定连接，其上还设有连通密闭空腔的充气孔13。

具体的，所述压座2中设有四个安装指型模块3的多边形固定槽15且其采用十字形空间分布。所述多边形固定槽15的上部分为八边形凹陷，下部分为圆形通孔。所述指型模块3分别安装在压座2的四个八边形固定槽15，从上往下穿过圆形通孔后，指型模块末端部与八边形固定槽15配合连接，实现固定。所述末端部采用八边形结构设计。

具体的，所述压盖1上还设有与充气孔13连通的通孔，所述通孔连接外部气体驱动装置。

进一步的，为了提高夹持器对物件的夹持效果，本实用新型所述夹持器还包括用于增大摩擦力的指套5。所述指套5套设在指型模块3前端，与指型模块3固定连接。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步获得更好的夹持效果，本实用新型所述指套5采用橡胶材料制成，其表面设有增大接触面积的摩擦颗粒。

进一步的，为了限制指型模块3的变形量及变形方向，夹持器夹紧物件，本实用新型所述夹持器还包括用于约束指型模块3的限形网6。所述限形网6设置在膨胀层4外侧，将指型模块3包裹。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步限制指型模块3的变形方向，使其具备理想的夹持效果，本实用新型所述限制层7内部设有弹性模量大于所述膨胀层4弹性模量的内部限制层12。

作为本实用新型的优选方案，为了进一步控制指型模块3的变形方向并提高执行模块的整体刚度，本实用新型所述内部限制层12采用具有各向异性的硬约束金属平面链条。

作为本实用新型的优选方案，为了便于调整指型模块3的形变方向，延伸出更多的夹持方案，本实用新型所述多边形固定槽凹陷和末端部均采用八边形结构设计。通过调整指型模块3与压座2之间的相对安装位姿，从而改变指型模块3夹持不同形状物件时的姿态，进而可以将夹持器应用于更多不同物体的夹持。

作为本实用新型的优选方案，为了改善指型模块3的变形量和夹持效果，本实用新型所述膨胀层4与所述限制层7采用橡胶材质或硅胶材质。

在本实用新型所披露的技术方案中，膨胀层4底面和限制层7顶面粘接相连，并且膨胀层4和限制层7可为橡胶材质或硅胶材质，通过粘接方式使得两个膨胀层4和限制层7在变形时，两者之间充分接触且受力均匀，限制层7对膨胀层4可靠的硬约束，并且在指型模块3的末端套有带摩擦颗粒附着的橡胶手套，使得指型模块3在对不规则物体夹持时接触区域产生较大摩擦力，使得气动软体夹持器可靠地对物体进行夹持以避免发生摔落。

在本实用新型所披露的技术方案中，指型模块3一端的八边形设计与压座2的八边形安装槽相配合，共有8个安装方向，限制了其五个自由度；压盖1与压座2的螺栓紧固限制了指型模块3的一个自由度，故指型模块3完全定位。八边形的安装槽使得指型模块3可根据夹持物的不同选择适合的安装方向，如这对块状物体，则采用十字对抓型装配，从四个方向对物体进行包裹夹持，如长条棒状物体，则采用平行对抓装配，使得两两弯曲方向相对，即两两平行对长条棒状物体进行对夹。

本实用新型的工作过程和原理是：本实用新型通过采用两个通过在内部设有密封空间且可膨胀变形的膨胀层4底部相连有弹性模量相对较大的限制层7，从而使得在膨胀层4的端部在膨胀变形时受到限制层7的约束而向限制层7中心进行靠拢，这样可以实现指型模块3两个方向的弯曲。通过4个指型模块3的弯曲方向与角度的配合，使得本实用新型技术方案的气动软体夹持器能可靠有效地夹持各种不规则与易碎物体。另外，通过在限制层7内部设置弹性量大于膨胀层4的内部限制层12，并且优选地，该内部限制层12为各向异性的硬约束金属平面链条，这样使得限制层7在整体结构上实现对膨胀层4进行可靠的约束变形，即可在一个平面上进行纯二维运动，膨胀层4在膨胀过程中，膨胀层4两端朝特定方向进行变形以保证夹持的可靠性。进一步的，因为膨胀层4的膨胀变形是沿着各个方向进行膨胀变形，通过在指型模块3的外表面包裹限形网6形成软约束，这样使得各向同性膨胀变形的膨胀层4变为朝着限形网6限制方向产生各向异性的变形，本实用新型专利的为限制膨胀层4的径向变形，只产生轴向变形；且膨胀层4在膨胀变形时，整体受到限形网6的包裹限制作用，可避免膨胀层4变形过大造成破损。本实用新型还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

实施例2：

结合图1至图4所示，本实施例公开了一种软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器。

在本实用新型实施例中，软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器包括软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器包括四个指型模块3、9、10、11以及用于固定指型模块的压盖1与压座2，本实用新型实施例中，指型模块3、9、10、11分别安装于压座2的呈圆周方向90°分布的八边形固定槽15中，固定槽15下底面为直径小于八边形外接圆的圆孔，起到单轴向定位作用，另一轴向定位由压盖1通过螺栓与压座2固接。本实施例中，指型模块3、9、10、11均为上下堆叠的层状结构，其中在结构设置上包括可弹性变形的限制层7,以及内部设有密封空间且可弹性膨胀变形的膨胀层4、8，限制层4、8的底面分别与限制层7的上下两面相连，并且限制层7的弹性模量大于膨胀层4、8的弹性模量，同时膨胀层4、8端部表面还设有充气孔分别与压盖1上的充气孔13与膨胀层4、8内部通连。

本实用新型实施例中，限制层7内部设有弹性模量大于膨胀层4、8弹性模量的内部限制层12，优选地，内部限制层12为各向异性且只可在一个平面上二维运动的金属平面链条，增加整体的刚度与限制膨胀层4、8的各向同性变形。

本实用新型实施例中，指型模块3、9、10、11的外表面包裹有限形网6以及在其末端套有增大摩擦力的带有摩擦颗粒附着的橡胶指套5。

本实用新型实施例中，膨胀层4、8底面与限制层7两面以粘接方式相连，并且膨胀层4、8与限制层7均为橡胶材料，而在本实用新型的其他实施例中，膨胀层4、8与限制层7为硅胶材料。

请参见图5-图7，本实用新型实施例的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器在工作时，首先通过夹持器压盖1上的充气孔13向膨胀层4或8内通入气体，这样使得膨胀层4或8冲入气体后发生弹性膨胀变形，膨胀层4或8变形时，膨胀层4或8表面是整体向外扩张。因为与膨胀层4、8相连的限制层7，其弹性模量大于膨胀层4、8的弹性模量，因此限制层7会随着膨胀层4或8向限制层7中心靠拢，并且膨胀层4或8整体呈近似c字型结构。随着膨胀层4或8的两端逐渐靠拢，最终使得前端四个指型模块与被夹物接触且夹紧。由于指型模块3、9、10、11均采用柔软的橡胶或硅胶材料，故其能够根据被夹物的物理形状形成合适的变形，自动贴和被夹物的轮廓，使其二者接触更加充分，保证了夹持器夹持物体的可靠性。

本实用新型实施中，其中的硬约束金属平面链条12只可在一个平面内进行双向弯曲，当夹持器工作时，由于负载过重、突然的碰撞与软橡胶的可压缩性，导致其在夹持物体时形成侧向滑移，致使被夹物从夹持器脱落；加入平面链条后，其增强各个方向刚度(除链条二维运动方向)，限制弯曲模块其他方向的滑移变形，从一定意义上增加了夹持器的负载力。

请参见图5-图7，本实用新型实施例的软硬混合约束纯二维双向张合的气动软体夹持器可根据被夹持物体的不同通过八边形固定槽改变弯曲模块3、9、10、11的安装方式。图中针对块状物16，可采用图5中的十字形夹持，从四面对物体进行包裹式夹持；而针对长条棒状物17，可采用图6中的对抓形夹持，弯曲模块两两相对，对长条物体进行分开支点夹持；图7中针对具有大内腔物体18，弯曲模块还可以通过给另外一个气腔通气进行向外反向弯曲，形成内钩式夹持；此外，当遇到由于物体体积过大而正向夹持无法完全包裹的情况，弯曲模块可以先进行反向弯曲来扩大夹持空间，再通过正向弯曲来进行有效夹持。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各棒状物之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。