本發(fā)明涉及一種防干擾氣動手指及其制備方法。

背景技術(shù)：

軟體機器人在很多領(lǐng)域中都需要用到，例如工業(yè)領(lǐng)域中易碎物品的抓取、醫(yī)療手術(shù)中與人體組織的接觸、搶險救災中的探險與搜救、農(nóng)業(yè)機器人對果實的抓取與采收等。為了實現(xiàn)柔性抓取，目前采用的材料有形狀記憶性合金(sma)、硅膠或橡膠、編織型彈性纖維，驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、機械柔索驅(qū)動(或纜線驅(qū)動)、肌電控制(emg)、氣動等方式。以仿人形手指的制作為例，主要結(jié)構(gòu)有“金屬指骨+全彈性體材料(硅膠或橡膠)”(如中國專利文獻zl200680048498.2、zl201611177289.x)、“鮑登線+柔性外骨骼”(如中國專利文獻zl201610018740.7)、“氣動+編織型結(jié)構(gòu)”(如中國專利文獻zl201610095373.0)、“氣動+全彈性體材料(硅膠或橡膠)”(如中國專利文獻zl201510377294.4、zl201620683993.1)等方式，根據(jù)使用需要有的結(jié)構(gòu)中會加入限制應變層。

上述結(jié)構(gòu)與人體手指非常近似，但使用中在功能上還存在以下不足：1)采用“金屬指骨+彈性體材料”的方式不能實現(xiàn)不同物品抓取時表面接觸的不同柔性要求；2)采用“氣動+編織型結(jié)構(gòu)或彈性體材料”容易受到外界干擾，當與其他物體發(fā)生碰撞、受到?jīng)_擊時易引起形變、影響動作精度；3)目前大多數(shù)氣動手指都采用單腔體式結(jié)構(gòu)，自由度有限，充放氣需要一定時間，如果要實現(xiàn)多自由度則結(jié)構(gòu)和控制方式過于復雜，實用性和穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種防干擾氣動手指及其制備方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種防干擾氣動手指，包括氣動中骨、末端手指、波浪形緩沖外套、末端聯(lián)接裝置、襯套和指根聯(lián)接件；所述氣動中骨和末端手指均設有兩個內(nèi)腔，氣動中骨內(nèi)的兩個內(nèi)腔分別連通末端手指內(nèi)的兩個內(nèi)腔；所述波浪形緩沖外套套設于氣動中骨外部，并且波浪形緩沖外套的內(nèi)表面與氣動中骨外表面之間設有間隙；所述波浪形緩沖外套的末端通過末端聯(lián)接裝置與氣動中骨的末端可拆卸地密封固定連接；所述襯套可拆卸地密封固定在氣動中骨的近端與波浪形緩沖外套的近端之間，襯套上設有能夠向波浪形緩沖外套的內(nèi)表面與氣動中骨外表面之間的間隙內(nèi)充氣的外充氣口；所述指根聯(lián)接件可拆卸地密封固定在氣動中骨的近端端部，指根聯(lián)接件上設有兩個能夠分別向氣動中骨的兩個內(nèi)腔中充氣的內(nèi)充氣口。所述氣動中骨、末端手指、波浪形緩沖外套均采用彈性材料，且其柔性依次提高。

所述氣動中骨和末端手指為一體式結(jié)構(gòu)。

所述波浪形緩沖外套的波峰部位的內(nèi)側(cè)封裝有鐵絲環(huán)和用于支撐鐵絲環(huán)的軟體鐵絲支撐環(huán)。

所述末端聯(lián)接裝置包括卡簧、密封圈和第一卡箍及其鎖緊裝置；所述卡簧封裝在氣動中骨的末端內(nèi)側(cè)；所述氣動中骨的末端設有環(huán)形凸臺，環(huán)形凸臺上設有環(huán)形燕尾槽；所述密封圈將波浪形緩沖外套的末端收緊在氣動中骨的環(huán)形燕尾槽內(nèi)，并通過第一卡箍及其鎖緊裝置鎖緊。

所述氣動中骨的環(huán)形凸臺與末端手指之間設有限位擋環(huán)。

所述襯套采用帶通孔的臺階式結(jié)構(gòu)；所述襯套的小端深入氣動中骨的近端與波浪形緩沖外套的近端之間，襯套的小端與氣動中骨之間設有間隙，波浪形緩沖外套的近端通過第二卡箍及其鎖緊裝置鎖緊在襯套的小端上；所述襯套的大端與氣動中骨過盈配合；所述外充氣口設置在襯套的大端的側(cè)面，并通過設置在襯套的大端內(nèi)部的“l(fā)”型充氣通道連通襯套的小端的內(nèi)腔。所述外充氣口的進氣管路上設有壓力傳感器和壓力補償控制系統(tǒng)。

所述指根聯(lián)接件包括聯(lián)接座和對稱設置在聯(lián)接座上的兩個截面呈半圓環(huán)形的聯(lián)接頭；所述兩個聯(lián)接頭從氣動中骨的近端端部分別插入氣動中骨的兩個內(nèi)腔中，并通過第三卡箍及其鎖緊裝置鎖緊；所述兩個內(nèi)充氣口分別設置在聯(lián)接座的兩側(cè)，并分別連通兩個聯(lián)接頭的內(nèi)腔；所述聯(lián)接座上還對稱設有兩個聯(lián)接環(huán)。兩個聯(lián)接環(huán)的設置方向與兩個內(nèi)充氣口的設置方向呈90°。兩個內(nèi)充氣口的進氣管路分別采用雙電控電磁閥換向、電比例減壓閥控制壓力。

所述防干擾氣動手指的制備方法，包括以下步驟：

①、先采用3d打印或澆注的方法得到內(nèi)腔為圓柱形的一體式結(jié)構(gòu)的氣動中骨與末端手指；

②、再在氣動中骨的末端內(nèi)側(cè)放入卡簧；

③、用澆注的方法在氣動中骨的內(nèi)腔中對卡簧進行固定封裝，并得到貫通氣動中骨與末端手指內(nèi)側(cè)的兩腔隔板，從而形成兩個內(nèi)腔；

④、采用澆注的方法制作波浪形緩沖外套；

⑤、通過密封圈將波浪形緩沖外套的末端收緊在氣動中骨的環(huán)形燕尾槽內(nèi)，并通過第一卡箍及其鎖緊裝置鎖緊；

⑥、通過第二卡箍及其鎖緊裝置和第三卡箍及其鎖緊裝置分別安裝襯套和指根聯(lián)接件。

所述步驟④中的波浪形緩沖外套的制作方法為：

ⅰ、采用鑄鐵或鋁合金制作出波浪形緩沖外套的內(nèi)輪廓實心模具和外輪廓模具；

ⅱ、采用3d打印或澆注的方法得到多個截面呈半圓形的軟體鐵絲支撐環(huán)；在內(nèi)輪廓實心模具的波峰上依次套上多個軟體鐵絲支撐環(huán)，再在軟體鐵絲支撐環(huán)的外側(cè)套上鐵絲環(huán)，再套上外輪廓模具；

ⅲ、采用軟體材料，在內(nèi)輪廓模具與外輪廓模具之間形成的腔體內(nèi)運用澆注的方法得到封裝有鐵絲環(huán)和軟體鐵絲支撐環(huán)的波浪形緩沖外套。

所述外輪廓模具包括對稱設置的上外輪廓模具和下外輪廓模具。

采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下的有益效果：(1)本發(fā)明具有防干擾、動作精度高、靈活性強、制作成本低的優(yōu)點，可以應用于仿生領(lǐng)域及工業(yè)動態(tài)抓取，前景廣闊。

(2)本發(fā)明動作靈活?？梢詫崿F(xiàn)內(nèi)縮夾持、外翻松開兩個最主要的自由度，并且可以通過調(diào)整波浪形緩沖外套的結(jié)構(gòu)或控制波浪形緩沖外套的內(nèi)表面與氣動中骨外表面之間的間隙中的壓力對氣動手指的動作進行微調(diào)。與一側(cè)采用限制應變層導致只能實現(xiàn)主動彎曲的傳統(tǒng)氣動手指相比，本發(fā)明動作范圍更加靈活。

(3)本發(fā)明連續(xù)抓取時的工作效率較高。一方面兩個內(nèi)充氣口的進氣管路分別采用雙電控電磁閥換向、電比例減壓閥控制壓力，這樣只需要通過調(diào)整氣動中骨兩個內(nèi)腔的壓力差便可實現(xiàn)內(nèi)縮夾持、外翻松開兩個動作，比傳統(tǒng)的通過充放氣來實現(xiàn)夾緊與松開效率要高；另一方面氣動中骨采用兩腔式結(jié)構(gòu)，控制起來比三腔式結(jié)構(gòu)或多自由度結(jié)構(gòu)更簡單，動作效率更高。因而可以應用于工業(yè)現(xiàn)場動態(tài)抓取任務。

(4)本發(fā)明防沖擊防干擾能力強。波浪形緩沖外套結(jié)構(gòu)、外充氣口的進氣管路上設有壓力傳感器和壓力補償控制系統(tǒng)為本裝置的防沖擊防干擾提供三重保障。其中，波浪形緩沖外套的波峰內(nèi)側(cè)封裝的鐵絲環(huán)能提高氣動手指主體最外側(cè)的接觸強度，從而提高其抗沖擊能力；波浪形緩沖外套的內(nèi)表面與氣動中骨外表面之間留有一定的間隙，能為本裝置受到?jīng)_擊時提供壓力緩沖空間；波浪形緩沖外套的波谷和波浪形緩沖外套的柔性材料對碰撞時的應力起到消解作用；波浪形緩沖外套的波浪形結(jié)構(gòu)能避免應力的軸向傳遞和擴散。因而本裝置適用于較為復雜的工作環(huán)境。

(5)本發(fā)明動作精度高。本裝置防沖擊防干擾能力提高的同時，也保證了氣動手指的動作精度。氣動中骨的彈性材料柔性比末端手指的柔性更低，這一方面保證氣動中骨在彎曲過程中形變不至于太大，從而保證氣動手指動作的精度；也能保證末端手指接觸時的靈活性，能夠完成更靈巧的動作；氣動中骨兩個內(nèi)腔壓力單獨控制能確定氣動手指的位姿和輸出力，波浪形緩沖外套的內(nèi)表面與氣動中骨外表面之間設置間隙和壓力調(diào)節(jié)能對氣動手指的位姿和輸出力進行微調(diào)，進一步保證動作精度。因而本裝置適用于高精度作業(yè)。

(6)本發(fā)明夾持工作時為柔性接觸，并且接觸力可控，能適應不同場合的使用需求。本專利的夾持部分為末端手指，采用彈性結(jié)構(gòu)(硅膠或橡膠)、氣壓驅(qū)動，因而夾持接觸面為柔性結(jié)構(gòu)、接觸力可控。末端手指的結(jié)構(gòu)與人體手指相似，因而與現(xiàn)有的部分波浪形氣動手指利用波浪形表面直接夾持相比本專利的接觸面積更大、夾持更穩(wěn)定，且能完成精細動作。本專利主要部件均可拆卸，互換性和通用性好，便于不同應用場合下進行調(diào)試和改進。因而本裝置可以應用于柔性夾持作業(yè)。

(7)本發(fā)明制作成本低、容易形成系列化產(chǎn)品。氣動中骨、末端手指、鐵絲支撐環(huán)等存在曲面或局部結(jié)構(gòu)復雜的元件或者數(shù)量較多的簡單元件采用3d打印制作，3d打印難以解決的結(jié)構(gòu)采用澆注的方法輔助制作，因此綜合了3d打印快速成型技術(shù)和澆注成型的優(yōu)勢，使成本降低；并且便于根據(jù)材料和結(jié)構(gòu)的不同設計系列化的產(chǎn)品，供不同場合使用。并且，氣動中骨采用3d打印的方法更容易實現(xiàn)變截面結(jié)構(gòu)的制作，使氣動手指的位姿和輸出力控制更加精準。因而本裝置實用性強、應用前景廣闊。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的軸向截面示意圖。

圖3為本發(fā)明的末端的放大示意圖。

圖4為本發(fā)明的襯套的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明的指根聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為制作本發(fā)明的波浪形緩沖外套的模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中的標號為：

氣動中骨1、環(huán)形凸臺1-1、限位擋環(huán)1-2、末端手指2、波浪形緩沖外套3、末端聯(lián)接裝置4、卡簧4-1、密封圈4-2、第一卡箍及其鎖緊裝置4-3、襯套5、第二卡箍及其鎖緊裝置5-2、外充氣口5-1、指根聯(lián)接件6、內(nèi)充氣口6-1、聯(lián)接座6-2、的聯(lián)接頭6-3、第三卡箍及其鎖緊裝置6-4、聯(lián)接環(huán)6-5、內(nèi)輪廓實心模具7、外輪廓模具8、上外輪廓模具8-1、下外輪廓模具8-2。

具體實施方式

(實施例1)

見圖1至圖5，本實施例的防干擾氣動手指，包括氣動中骨1、末端手指2、波浪形緩沖外套3、末端聯(lián)接裝置4、襯套5和指根聯(lián)接件6。

氣動中骨1和末端手指2為一體式結(jié)構(gòu)。氣動中骨1根據(jù)需要可以采用變截面結(jié)構(gòu)，截面可以是圓形、矩形或梯形。氣動中骨1和末端手指2均設有兩個內(nèi)腔，氣動中骨1內(nèi)的兩個內(nèi)腔分別連通末端手指2內(nèi)的兩個內(nèi)腔。

波浪形緩沖外套3套設于氣動中骨1外部，并且波浪形緩沖外套3的內(nèi)表面與氣動中骨1外表面之間設有間隙。波浪形緩沖外套3的波峰部位的內(nèi)側(cè)封裝有鐵絲環(huán)3-1和用于支撐鐵絲環(huán)3-1的軟體鐵絲支撐環(huán)3-2。鐵絲環(huán)3-1的硬度不能太硬，以免影響氣動手指的彎曲；也不能太軟，否則起不到防沖擊的作用。軟體鐵絲支撐環(huán)3-2采用軟體結(jié)構(gòu)，對鐵絲環(huán)3-1起到支撐作用，便于將鐵絲環(huán)3-1與波浪形緩沖外套3進行澆注封裝。根據(jù)鐵絲環(huán)3-1的材料、厚度的不同，以及波浪形緩沖外套3的材料、結(jié)構(gòu)和厚度的不同，可以制作多個波浪形緩沖外套3備用件，以適于不同場合的使用需求。波浪形緩沖外套3可以采用不對稱結(jié)構(gòu)，并且可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整波浪形緩沖外套3的不同安裝角度以實現(xiàn)氣動手指不同位姿的彎曲。

波浪形緩沖外套3的末端通過末端聯(lián)接裝置4與氣動中骨1的末端可拆卸地密封固定連接。末端聯(lián)接裝置4包括卡簧4-1、密封圈4-2和第一卡箍及其鎖緊裝置4-3?？ɑ?-1封裝在氣動中骨1的末端內(nèi)側(cè)。氣動中骨1的末端設有環(huán)形凸臺1-1，環(huán)形凸臺1-1上設有環(huán)形燕尾槽。密封圈4-2將波浪形緩沖外套3的末端收緊在氣動中骨1的環(huán)形燕尾槽內(nèi)，并通過第一卡箍及其鎖緊裝置4-3鎖緊。氣動中骨1的環(huán)形凸臺1-1與末端手指2之間設有限位擋環(huán)1-2，防止第一卡箍及其鎖緊裝置4-3在工作時脫落。

襯套5可拆卸地密封固定在氣動中骨1的近端與波浪形緩沖外套3的近端之間，襯套5上設有能夠向波浪形緩沖外套3的內(nèi)表面與氣動中骨1外表面之間的間隙內(nèi)充氣的外充氣口5-1。襯套5采用帶通孔的臺階式結(jié)構(gòu)。襯套5的小端深入氣動中骨1的近端與波浪形緩沖外套3的近端之間，襯套5的小端與氣動中骨1之間設有間隙，波浪形緩沖外套3的近端通過第二卡箍及其鎖緊裝置5-2鎖緊在襯套5的小端上。襯套5的大端與氣動中骨1過盈配合。外充氣口5-1設置在襯套5的大端的側(cè)面，并通過設置在襯套5的大端內(nèi)部的“l(fā)”型充氣通道連通襯套5的小端的內(nèi)腔。

指根聯(lián)接件6可拆卸地密封固定在氣動中骨1的近端端部，指根聯(lián)接件6上設有兩個能夠分別向氣動中骨1的兩個內(nèi)腔中充氣的內(nèi)充氣口6-1。指根聯(lián)接件6包括聯(lián)接座6-2和對稱設置在聯(lián)接座6-2上的兩個截面呈半圓環(huán)形的聯(lián)接頭6-3。兩個聯(lián)接頭6-3從氣動中骨1的近端端部分別插入氣動中骨1的兩個內(nèi)腔中，并通過第三卡箍及其鎖緊裝置6-4鎖緊。兩個內(nèi)充氣口6-1分別設置在聯(lián)接座6-2的兩側(cè)，并分別連通兩個聯(lián)接頭6-3的內(nèi)腔。聯(lián)接座6-2上還對稱設有兩個聯(lián)接環(huán)6-5。

外充氣口5-1和兩個內(nèi)充氣口6-1的壓力均采用電比例減壓閥調(diào)節(jié)，換向采用雙電控二位三通閥控制，整個裝置采用plc(可編程控制器)或單片機進行控制，并設置上位機或顯示屏。連通外充氣口5-1的氣動管路上安裝有壓力傳感器。當氣動手指工作過程中與機械構(gòu)件接觸或受到外部沖擊，引起外腔壓力變化時，相應的壓力傳感器會向控制端發(fā)出警報，當壓力超過閾值時會通過系統(tǒng)決策對外腔的電比例減壓閥發(fā)出指令，從而對外腔的壓力進行補償以保證氣動手指位姿和輸出力的精度；當外部沖擊力過大時，還需要對氣動中骨的兩個內(nèi)腔的壓力進行調(diào)節(jié)。通過結(jié)構(gòu)的巧妙設計與控制方案保證氣動手指的動作精度和穩(wěn)定性。

本實施例的防干擾氣動手指的制備方法，包括以下步驟：

①、先采用3d打印或澆注的方法得到內(nèi)腔為圓柱形的一體式結(jié)構(gòu)的氣動中骨1與末端手指2。

②、再在氣動中骨1的末端內(nèi)側(cè)放入卡簧4-1。

③、用澆注的方法在氣動中骨1的內(nèi)腔中對卡簧4-1進行固定封裝，并得到貫通氣動中骨1與末端手指2內(nèi)側(cè)的兩腔隔板，從而形成兩個內(nèi)腔。

④、采用澆注的方法制作波浪形緩沖外套3，見圖6，波浪形緩沖外套3的制作方法為：

ⅰ、采用鑄鐵或鋁合金制作出波浪形緩沖外套3的內(nèi)輪廓實心模具7和外輪廓模具8。外輪廓模具8包括對稱設置的上外輪廓模具8-1和下外輪廓模具8-2。

ⅱ、采用3d打印或澆注的方法得到多個截面呈半圓形的軟體鐵絲支撐環(huán)3-2。在內(nèi)輪廓實心模具7的波峰上依次套上多個軟體鐵絲支撐環(huán)3-2，再在軟體鐵絲支撐環(huán)3-2的外側(cè)套上鐵絲環(huán)3-1，再套上外輪廓模具8。

ⅲ、采用軟體材料，在內(nèi)輪廓模具7與外輪廓模具8之間形成的腔體內(nèi)運用澆注的方法得到封裝有鐵絲環(huán)3-1和軟體鐵絲支撐環(huán)3-2的波浪形緩沖外套3。

⑤、通過密封圈4-2將波浪形緩沖外套3的末端收緊在氣動中骨1的環(huán)形燕尾槽內(nèi)，并通過第一卡箍及其鎖緊裝置4-3鎖緊。

⑥、通過第二卡箍及其鎖緊裝置5-2和第三卡箍及其鎖緊裝置6-4分別安裝襯套5和指根聯(lián)接件6。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。