一种可变向的气动软体夹持手及其使用方法

1.本发明涉及软体机器人领域，具体涉及一种可变向的气动软体夹持手及其使用方法。


背景技术：

2.随着工业自动化和机械化的不断发展，机械手装置已经被广泛应用于人类的生产生活中，很大程度上解放了劳动力。机械手主要分为刚性机械手和软体机械手两大类。传统的刚性机械手一般结构较复杂，且体积大，适用于工业现场中重复、危险的工作。
3.随着社会的不断进步与发展，人们对机械手的要求也越来越严格。例如，对易碎品的抓取，这种情况下刚性机械手就很难满足人们的需求。因此，软体机械手就被广泛应用于人们的生产生活中。较刚性机械手而言，软体机械手具有更多的灵活性和安全性，能够保证被抓物体的完整，适应于更多的环境条件。
4.目前，现有的软体机械手大多与刚性机械手配合工作，但是刚性机械手结构复杂，控制难度大，灵活度有限，对复杂的作业空间适应能力较差。因此，可以单独工作，适应于多种环境，并能减少对物体的损伤程度的机械手还未被推广使用。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中所存在的不足，本发明提供一种可变向的气动软体夹持手及其使用方法，目的是为了让软体夹持手脱离刚性机械手独立工作，如何使软体机械手适应不同结构的空间实现对物体的灵活抓取，以及如何在抓取物体的过程中减少对物体的损伤程度。
6.本发明主要是通过下述技术方案得以解决的：
7.本发明公开了一种可变向的气动软体夹持手，主要包括软体手爪，软体手爪的上端设有软体手臂，软体手臂通过手爪连接件与软体手爪相接，软体手臂中心为气道，围绕该气道对称设有第一腔室、第二腔室和第三腔室，第一腔室、第二腔室和第三腔室之间互不相通，在第一腔室、第二腔室和第三腔室的顶端分别有一个进气口，第一腔室、第二腔室和第三腔室均为均匀排布的小气囊构成的波纹结构，手爪连接件的中心设有与软体手臂的气道相通的手爪进气口，软体手爪由若干个软体手指构成，每个软体手指是由均匀排布的大气囊构成的波纹结构。
8.优选地，软体手臂和手爪连接件由螺栓固定连接。
9.优选地，第一腔室、第二腔室和第三腔室分别由三个气源单独控制。
10.优选地，软体手爪由一个气源单独控制。
11.优选地，软体手爪由四个软体手指构成，软体手指内部相通。
12.优选地，软体手臂和软体手爪采用柔性材料，通过光固化3d打印技术制造而成。
13.本发明公开了一种可变向的气动软体夹持手的使用方法，包括抓取物体前、抓取物体时和释放物体时三个阶段。抓取物体前，确定待抓物体的方位后通过气道对软体手爪
进气口抽气，软体手指的大气囊发生贴合，使软体手指向外侧弯曲，通过控制软体手臂的第一腔室、第二腔室和第三腔室内部的气压，第一腔室、第二腔室和第三腔室发生方位的转变，使软体手爪转向并靠近待抓物体；
14.抓取物体时，通过气道对软体手爪进气口充气，软体手指的大气囊膨胀并相互挤压，使软体手指向内侧弯曲，完成对物体的抓取。
15.释放物体时，确定待放物体的方位后通过控制软体手臂的第一腔室、第二腔室和第三腔室内部气压，使软体手爪方位发生改变，并靠近待放物体的方位，通过气道对软体手爪进气口抽气，软体手指的大气囊发生贴合，使软体手指向外侧弯曲，完成对物体的释放。
16.优选地，软体手臂的第一腔室受正压时，第一腔室的小气囊发生膨胀并相互挤压，第二腔室和第三腔室的小气囊发生贴合，软体手臂沿第二腔室和第三腔室的正中间一侧向内部弯曲；
17.软体手臂的第一腔室和第二腔室受相同正压时，第一腔室和第二腔室的小气囊发生膨胀并相互挤压，第三腔室的小气囊发生贴合，软体手臂沿第三腔室的正中间一侧向内部弯曲；
18.软体手臂的第一腔室和第二腔室受正压，且第一腔室气压大于第二腔室，第一腔室和第二腔室的小气囊发生膨胀并相互挤压，第二腔室的小气囊发生贴合，软体手臂沿第二腔室和第三腔室之间的方向向内侧弯曲；
19.对软体手臂的第一腔室、第二腔室和第三腔室同时输入相同的正压时，第一腔室、第二腔室和第三腔室的小气囊发生膨胀并相互挤压，软体手臂向前伸展。
20.优选地，第一腔室和第二腔室的气压差值越大，软体手臂越向靠近第二腔室的一侧弯曲。
21.优选地，通过调节第一腔室、第二腔室和第三腔室输入气压的大小控制软体夹持手向各个方向进行扭转。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明提供的一种可变方向的气动软体夹持手，包括软体手臂和软体手爪两部分，软体手臂由第一腔室、第二腔室和第三腔室构成，第一腔室、第二腔室和第三腔室之间互不相通，通过从每一个腔室的进气口对对应腔室的小气囊输入不同的气压来控制腔室的弯曲程度，进而实现可变向的气动软体夹持手向各个方向进行扭转，实现可变向的气动软体夹持手的灵活变向功能。同时，软体手爪由若干个软体手指构成，通过气道对软体手指内均匀排布的大气囊内输入不同的气压来控制软体手指的弯曲与伸展，实现可变向的气动软体夹持手的抓取和释放功能。本发明提供的一种可变方向的气动软体夹持手，通过软体手臂和软体手爪结合使用就可以达到抓取物体和变向的功能，结构简单，能实现对不同方位的物体进行灵活抓取，而且在没有刚性机械手的情况下可以独立工作。
24.进一步地，第一腔室、第二腔室和第三腔室分别由三个气源单独控制，目的就是为了可以单独控制某一个腔室实现软体手臂的变向功能。
25.进一步地，软体手爪由一个气源单独控制，目的就是为了使若干的软体手指可以一起工作，实现对物体的抓取和释放。
26.进一步地，软体手爪由可以由四个软体手指构成，这样设计可以使软体手爪在抓取物体时可以更好的包裹物体，使抓取更牢靠，软体手指内部相通，目的就是为了通过软体
手爪进气口对软体手指内部充气和抽气实现夹持手对物体的抓取和释放。
27.进一步地，软体手臂和软体手爪采用柔性材料，通过光固化3d打印技术制造而成，能在抓取物体的过程中减少对物体的损伤程度。
28.本发明公开的上述的可变方向的气动软体夹持手的使用方法，该方法通过对第一腔室、第二腔室和第三腔室内部的进气口充气和抽气使小气囊形态发生变化，实现软体手臂的抓取和释放，通过控制软体手指内的气压大小来实现软体手爪对物体的抓取与释放，该方法只需要对软体手臂和软体手爪的进气口充气、抽气、加压或者减压就能实现夹持手对物体的抓取和释放。
29.进一步地，通过调节第一腔室、第二腔室和第三腔室输入气压的大小，可以控制软体夹持手向各个方向进行扭转，实现软体夹持手灵活变向的功能。
附图说明
30.图1是本发明的可变向的气动软体夹持手的整体结构示意图；
31.图2是本发明的软体手臂内部腔体结构示意图；
32.图3是本发明的软体手爪内部腔体结构示意图；
33.图4是软体手臂的运动仿真图；
34.图5是软体手臂的运动仿真图；
35.图6是软体手臂的运动仿真图；
36.图7是软体手臂的运动仿真图；
37.图8是可变向的气动软体夹持手使用方法流程图。
38.其中：1
‑
软体手臂；2
‑
螺栓；3
‑
软体手爪；4
‑
第一腔室；5
‑
第二腔室；6
‑
第三腔室；7
‑
软体手爪进气口；8
‑
软体手指；9
‑
进气口；10
‑
气道；11
‑
小气囊；12
‑
大气囊；13
‑
手爪连接件。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
40.参照图1
‑
图3，本发明的一种可变向的气动软体夹持手的整体结构，包括软体手爪3，软体手爪3的上端设有软体手臂1，软体手臂1中心为气道10，围绕该气道10对称设有第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6，第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6之间互不相通，在第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6的顶端分别有一个进气口9，第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6均为由均匀排布的小气囊11构成的波纹结构；软体手爪3通过手爪连接件13与软体手臂1相连，手爪连接件13的中心开设有与软体手臂1的气道10相通的手爪进气口7；软体手爪3由若干个软体手指8构成，每个软体手指8是由均匀排布的大气囊12构成的波纹结构。
41.如图1
‑
2所示，一种可变向的气动软体夹持手的软体手爪3通过手爪连接件13与软体手臂1相连，软体手臂1和手爪连接件13由螺栓2固定连接，软体手爪3由若干个软体手指8构成，软体手臂1和软体手爪3使用柔性材料，通过光固化3d打印技术制造而成。软体手臂1中心为气道10，围绕该气道10对称设有第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6，在第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6的顶端分别有一个进气口9，第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6均为由均匀排布的小气囊11构成的波纹结构，且第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6之间互不相通，通过从每一个腔室的进气口9对对应腔室的小气囊11输入不同的气压来控制第一腔
室4、第二腔室5和第三腔室6的弯曲程度，进而实现可变向的气动软体夹持手向各个方向进行扭转，实现可变向的气动软体夹持手的灵活变向功能，以上三个腔室分别由三个气源单独控制，目的就是为了可以单独控制某一个腔室实现软体手臂1的变向功能。
42.如图3所示，软体手指8是由均匀排布的大气囊12构成的波纹结构，手爪连接件13的中心设有软体手爪进气口7，软体手指8内部相通，软体手爪3由一个气源单独控制，目的就是为了使若干的软体手爪可以一起工作，软体手爪进气口7与软体手臂1的气道10连通。软体手爪3可以由四个软体手指8构成，这样设计可以使软体手爪3在抓取物体时更牢靠，软体手指8内部相通，目的就是为了通过软体手爪进气口7对软体手指8内部充气和抽气实现夹持手对物体的抓取和释放。
43.如图4
‑
图8所示，通过对软体手臂1采用有限元软件进行仿真建模，进一步说明软体手臂1实现变向功能的方法：
44.如图4所示，当软体手臂1的第一腔室4受正压时，第一腔室4的小气囊11膨胀并相互挤压，第二腔室5和第三腔室6的小气囊11会发生贴合，软体手臂1沿第二腔室5和第三腔室6的正中间一侧向内部弯曲。
45.如图5所示，当软体手臂1的第一腔室4和第二腔室5受相同正压时，第一腔室4和第二腔室5的小气囊11膨胀并相互挤压，第三腔室6的小气囊11发生贴合，此时，软体手臂1沿第三腔室6的正中间一侧向内部弯曲。
46.如图6所示，当软体手臂1的第一腔室4和第二腔室5受正压，且第一腔室4的气压大于第二腔室5的气压时，第一腔室4和第二腔室5的小气囊11发生膨胀并相互挤压，第二腔室6的小气囊11会发生贴合，软体手臂1会沿第二腔室5和第三腔室6之间的方向向内侧弯曲，且第一腔室4和第二腔室5的气压差值越大，软体手臂1越向靠近第二腔室5的一侧弯曲。
47.如图7所示，当软体手臂1的第一腔室4，第二腔室5和第三腔室6同时输入相同的正压时，第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6的小气囊11发生膨胀并相互挤压，此时，软体手臂1向前伸展。
48.如图8所示，可变向气动软体夹持手抓取过程分为抓取前、抓取中和释放时三阶段，通过确定物体方位、对软体手臂1的第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6输入不同的气压来控制可变向的气动软体夹持手向各个方向进行扭转，实现可变向的气动软体夹持手的灵活变向功能；通过控制四只软体手指8内的气压，实现可变向的气动软体夹持手的抓取和释放功能。
49.通过对图4
‑
图7的分析，发现可以通过调节软体手臂1的第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6输入的气压大小来控制软体手爪3向各个方向进行扭转，实现灵活变向的功能。可变向的气动软体夹持手一方面可以单独工作而不依赖于刚性机械手，适应于多种工作环境，另一方面还可以实现对不同方位的物体进行灵活抓取，同时在抓取的过程中还能减少对物体的损伤程度。
50.参见图8，本发明的一种可变向气动软体夹持手抓取过程如下：
51.抓取物体前，首先确定待抓物体的方位，其次通过气道10软体手爪进气口7抽气，软体手指8的大气囊12发生贴合，使软体手指8向外侧弯曲；通过控制软体手臂1的第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6内部气压，第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6发生方位的转变，使软体手爪3转向并靠近待抓物体。
52.抓取物体时，通过气道10对软体手爪进气口7充气，软体手指8的大气囊12膨胀并相互挤压，使软体手指8向内侧弯曲，完成对物体的抓取。
53.释放物体时，确定待放物体的方位后，通过控制软体手臂1的第一腔室4、第二腔室5和第三腔室6内部的气压，使软体手爪3方位发生改变，并靠近待放物体的方位，通过气道10对软体手爪进气口7抽气，软体手指8的大气囊12发生贴合，使软体手指8向外侧弯曲，完成对物体的释放。
54.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。