本發(fā)明屬于智能機器人領(lǐng)域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指。

背景技術(shù)：

機器手作為機器人末端操作的核心元件，從廣義的機器人技術(shù)的發(fā)展開始，就被廣泛的研究。按機器手組成材料方面的特性可將其分為以下幾類：在工業(yè)搬運中已經(jīng)廣泛使用的剛性機械手、仿人式的剛?cè)峄旌蠙C械手及純?nèi)嵝造`巧手。傳統(tǒng)剛性機械手的優(yōu)點為其剛性的結(jié)構(gòu)及其成熟的基礎(chǔ)運動學(xué)、動力學(xué)理論數(shù)學(xué)模型，剛性的結(jié)構(gòu)可承載較大的力，而成熟的理論基礎(chǔ)便于對其運動進(jìn)行控制。剛?cè)峄旌蠙C械手即為兼有剛性結(jié)構(gòu)與柔性結(jié)構(gòu)的機械手，可驅(qū)動剛性結(jié)構(gòu)帶動柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行運動，使整體具有一定的柔順性，同時還具備剛性結(jié)構(gòu)的特點；另外也可驅(qū)動柔性材料來帶動剛性結(jié)構(gòu)，剛性結(jié)構(gòu)在其中起支撐作用，這樣在一定程度上，保持了結(jié)構(gòu)的整體剛性及確定的運動。

純?nèi)嵝造`巧手主要在于其柔性材料的多自由度，具有高度的柔順性及適應(yīng)性，能夠適應(yīng)抓取物的形狀，不會對抓取物造成損傷。純?nèi)嵝造`巧手目前的研究方向主要為流體驅(qū)動及一些新材料驅(qū)動，而氣動作為流體驅(qū)動分支中的一種，由于其重量輕，使其廣泛的應(yīng)用在輕型柔性靈巧手中，能夠制造出重量輕，成本低，高柔順的多自由度靈巧手。

盡管如此，氣動靈巧手仍然存在著一定的問題，其抓取力度不夠，且抓取時對目標(biāo)的適應(yīng)性不強，安全性較低。針對這種情況，研究出彎曲受力自感知柔性手指，其能夠克服氣動靈巧手指中傳感器安裝困難，難以形成閉環(huán)控制的缺點，將力檢測裝置嵌入到手指結(jié)構(gòu)中，可實現(xiàn)手指運動的閉環(huán)控制，提高抓取的安全性和可靠性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點，本發(fā)明提出了一種新型的基于氣動的自感知冗余多自由度柔性靈巧手指，它具有良好的柔順性，控制精度高，能實現(xiàn)多自由度的運動，且易于模塊化，可用于構(gòu)建氣動多指柔性手。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指，包括圓柱形柔性手指基體1和與所述圓柱形柔性手指基體1等圓的圓臺形柔性連接基體2；所述柔性手指基體1沿軸向設(shè)有四個沿圓周均勻分布的氣動空腔3，所述氣動空腔3為圓柱形，在靠近柔性連接基體2的一端呈開口狀，另一端呈封閉狀；在所述柔性手指基體1的軸心裝有彎曲內(nèi)芯4并在端部設(shè)有管接口16；在所述氣動空腔3四周設(shè)有四組沿圓周均勻分布的微敏感通道5；所述微敏感通道5包括一組弧形分布微敏感通道6和一組直線分布微敏感通道7；所述弧形分布微敏感通道6包括數(shù)個軸向弧形分布直通道9和在柔性手指基體1兩端部的數(shù)個弧形分布連接通道10，弧形分布直線通道9與弧形分布連接通道10依次連接，形成一條從第一弧形分布微通道端口8至第二弧形分布微通道端口11貫通的蛇形分布的弧形分布微敏感通道，弧形分布微敏感通道內(nèi)部充入液態(tài)鎵銦錫合金或液態(tài)敏感壓阻元件，并在通道兩端口處各引出一根信號檢測導(dǎo)線；所述直線分布微敏感通道7包括數(shù)個軸向直線分布直線通道13和在柔性手指基體1兩端部的數(shù)個直線分布連接通道14，直線分布直線通道13與直線分布連接通道14依次連接，形成一條從第一直線分布微通道端口12至第二直線分布微通道端口15貫通的蛇形分布的直線分布微敏感通道，直線分布微敏感通道內(nèi)部充入液態(tài)鎵銦錫合金或液態(tài)敏感壓阻元件，并在通道兩端口處各引出一根信號檢測導(dǎo)線；所述柔性靈巧手指1的指跟部設(shè)有的四個膠管接口16，對應(yīng)于4個氣動內(nèi)腔。

所述柔性手指基體1和柔性連接基體2的結(jié)構(gòu)均采用柔性硅橡膠或高彈性材料；所述彎曲內(nèi)芯4采用比柔性手指基體1材料剛度大的硅橡膠或高彈性材料。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的一種氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：

本發(fā)明與當(dāng)前的剛性結(jié)構(gòu)機械手相比，可柔順的抓取不同形狀的物體，并且對物體施力均勻，不易對抓取物造成破壞，可廣泛的應(yīng)用于對易損物的自動化抓取中。此外，通過在柔性手指的四個氣動內(nèi)腔中通入不同壓力的氣體，形成壓力差，使柔性手指可彎曲向任意方向，并通過安裝有柔性彎曲內(nèi)芯來增加手指的彎曲程度，使得該柔性手指能夠獲得更廣泛的自由度與彎曲情況，增加了傳統(tǒng)柔性手指的工作空間。

本發(fā)明將力與位置檢測裝置嵌入到手指結(jié)構(gòu)中，與手指基體成型為一體，保證了手指自感知功能的可靠性，并能夠?qū)崿F(xiàn)手指運動的閉環(huán)控制，提高抓取的精度，保證了抓取的可靠性。

綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，清潔安全，工作空間大、控制精確高等優(yōu)點，能夠保證多自由度柔性機械手指在工作時具有較大的精度，可在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防安全及醫(yī)療康復(fù)等多個領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指的外部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中組成零件2的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1中由零件2向零件1方向的正視圖；

圖4為圖1中組成零件1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指中弧形微敏感通道的局部放大圖；

圖6為本發(fā)明氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指中直線形微敏感通道的局部放大圖。

圖中：1、柔性手指基體；2、柔性連接基體；3、氣動空腔；4、彎曲內(nèi)芯；5、微敏感通道；6、弧形分布微通道；7、直線形分布微通道；8、第一弧形分布微通道端口；9、弧形分布直線通道；10、弧形分布連接通道；11、第二弧形分布微通道端口；12、第一直線分布微通道端口；13、直線分布直線通道；14、直線分布連接通道；15、第二直線分布微通道端口；16、進(jìn)氣管接口。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明加以詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種氣動自感知冗余多自由度柔性靈巧手指，如圖1—4所示，包括圓柱形柔性手指基體1和與所述圓柱形柔性手指基體1等圓的圓臺形柔性連接基體2，所述柔性手指基體1柔性連接基體2的結(jié)構(gòu)均采用柔性硅橡膠或其它符合性能要求的高彈性材料；所述柔性手指基體1通過一體式成型技術(shù)沿軸向成型出四個沿圓周均勻分布的氣動空腔3，所述氣動空腔3為圓柱形，在靠近柔性連接基體2的一端呈開口狀，另一端呈封閉狀；在所述柔性手指基體1的軸心裝有彎曲內(nèi)芯4，采用硬度比柔性手指基體1大2倍的硅橡膠或其它符合性能要求的高彈性材料填充，采用二次澆注工藝，使其完全與柔性手指基體1貼合，并在端部設(shè)有管接口16用于通入氣體；在所述氣動空腔3四周設(shè)有四組沿圓周均勻分布的微敏感通道5，所述微敏感通道5包括一組弧形分布微敏感通道6和一組直線分布微敏感通道7；所述弧形分布微敏感通道6包括數(shù)個軸向弧形分布直通道9和在柔性手指基體1兩端部的數(shù)個弧形分布連接通道10，弧形分布直線通道9與弧形分布連接通道10依次連接，形成一條從第一弧形分布微通道端口8至第二弧形分布微通道端口11貫通的蛇形分布的弧形分布微敏感通道，弧形分布微敏感通道內(nèi)部充入液態(tài)鎵銦錫合金或其它符合性能要求的液態(tài)敏感壓阻元件，并在通道兩端口處各引出一根信號檢測導(dǎo)線；所述直線分布微敏感通道7包括數(shù)個軸向直線分布直線通道13和在柔性手指基體1兩端部的數(shù)個直線分布連接通道14，直線分布直線通道13與直線分布連接通道14依次連接，形成一條從第一直線分布微通道端口12至第二直線分布微通道端口15貫通的蛇形分布的直線分布微敏感通道，直線分布微敏感通道內(nèi)部充入液態(tài)鎵銦錫合金或其它符合性能要求的液態(tài)敏感壓阻元件，并在通道兩端口處各引出一根信號檢測導(dǎo)線；所述弧形分布微敏感通道6和直線分布微敏感通道7在基體1中由抽絲成型工藝制成，直徑為0.01mm，長度隨不同的手指長度而變化，敏感通道連接處為在基體中成型的直槽口狀通道，深度為0.02mm；弧形分布微敏感通道6和直線分布微敏感通道7在充入液態(tài)敏感阻抗元件及在通道端口裝入外接引線后，兩端用柔性膠進(jìn)行密封；其中直線型微敏感通道7用于手指彎曲的檢測，弧形微敏感通道6用于手指觸覺力的檢測，檢測方式采用差分的方式進(jìn)行處理，使檢測的結(jié)果準(zhǔn)確可靠；最后，根據(jù)檢測的柔性靈巧手彎曲及受力的大小來進(jìn)行反饋的精確運動控制；所述柔性靈巧手指的指跟部設(shè)有四個膠管接口，對應(yīng)于相應(yīng)的氣動內(nèi)腔，用柔性專用膠密封。

所述的柔性靈巧手指的工作原理為，通過在柔性手指的四個氣動內(nèi)腔3中通入不同壓力的氣體，形成壓力差，使柔性手指可彎曲向任意方向，并通過安裝有柔性彎曲內(nèi)芯4來增加手指的彎曲程度。由于手指的氣動空腔外側(cè)壁的剛度小于手指彎曲內(nèi)芯4的剛度，故在手指內(nèi)氣腔受力膨脹時，會向剛度大的內(nèi)芯方向彎曲，綜合其它內(nèi)腔的壓力差，手指可進(jìn)行一定角度的彎曲。

當(dāng)柔性靈巧手指彎曲時，設(shè)置在手指四周的微敏感通道5的長度與直徑會發(fā)生變化，導(dǎo)致微敏感通道內(nèi)部的敏感材料的電阻發(fā)生變化，通過根據(jù)四組敏感通道差動的檢測其敏感材料電阻的變化大小，來確定柔性靈巧手指彎曲角度的方向與大小。當(dāng)手指彎曲并觸碰到物體時，物體會對手指中物體所在方向的敏感通道產(chǎn)生壓力，弧形敏感通道的變形更為明顯，在彎曲變形導(dǎo)致電阻變形的基礎(chǔ)上，敏感通道產(chǎn)生壓力的額外電阻變化，為對物體抓取力的信號大小。檢測方式采用差分的方式進(jìn)行處理，使檢測的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確可靠。最后，根據(jù)檢測的柔性靈巧手彎曲及受力的大小來進(jìn)行反饋的精確運動控制。

在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的前提下，采用各種不同形式的實現(xiàn)方法，不經(jīng)創(chuàng)造性地設(shè)計出與本發(fā)明相類似的結(jié)構(gòu)形狀或布局如改變微通道及氣腔的分布，尺寸等，均屬本發(fā)明專利的保護范圍。