一種微管道的軟體夾持手指的制作方法

本發(fā)明涉及軟體夾持手指，尤其是一種微管道的軟體夾持手指。

背景技術(shù)：

工業(yè)領(lǐng)域的機器人大多基于剛性結(jié)構(gòu)，包括金屬骨架、電機、傳統(tǒng)的機械夾持器，和機械關(guān)節(jié)等。可以高效執(zhí)行需要高精度、快速運動、或高強度的任務。然而，這些剛性機器人往往重量大、價格昂貴、控制方式復雜。雖然近年來出現(xiàn)了一些輕量化的機器人夾持器設(shè)計，且能夠進行精細的操作，但是仍然易使被夾件受到?jīng)_擊或擠壓損傷。不論是機械關(guān)節(jié)的研發(fā)，還是傳感器的高效應用，都不能從根本上解決夾持器易造成機械損傷的問題。

常見的機械手夾持器應用十分廣泛，種類繁多，精巧的機構(gòu)設(shè)計能使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重量輕，效率高。一般的工業(yè)產(chǎn)品可以使用該種夾持器進行抓取作業(yè)。而對于極易破碎的產(chǎn)品，或價格昂貴的工藝品，使用普通機械手夾持器不可避免的會對該類物品造成損傷，且對于不同復雜形狀的被夾件，機械手夾持器往往需要對應的特殊設(shè)計。自然界中，象鼻、章魚觸手等通過彎曲，纏繞于物體表面來抓取物體的方式具有高度的靈活性，且盡可能地減少了物理損傷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有機械夾持方式的靈活性較差、存在機械沖擊導致物理損傷的不足，本發(fā)明提供一種靈活性較好、避免物理損傷的微管道的軟體夾持手指。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種微管道的軟體夾持手指，包括用于通過自身形變來適應被夾件形狀及提供夾持力的彈性手指部分和用于控制彈性手指內(nèi)氣室壓強的微流控制部分，所述彈性手指部分包括手指本體和塑形條，所述手指本體為彈性材料制作的本體，所述手指本體呈長方體，所述塑形條縱向布置在所述手指本體的兩側(cè)，每一側(cè)的上下各布置一根塑形條；所述手指本體的中部布置氣室，所述氣室包括直四棱柱氣室和直三菱柱氣室，從橫向截面上看，氣室呈上下對稱設(shè)置，且上層氣室或下層氣室均為直四棱柱氣室和直三菱柱氣室間隔布置；從縱向截面上看，同一排的直四棱柱氣室和直三菱柱氣室前后等間隔設(shè)置；所述微流控制部分包括微管管道和微氣流驅(qū)動器，所述微管管道穿過所述手指本體并與各個直四棱柱氣室和直三菱柱氣室連通。

進一步，所述夾持手指還包括力反饋部分，所述力反饋部分包括觸覺傳感器和控制器，所述觸覺傳感器安裝在所述手指本體的工作接觸面，所述觸覺傳感器與所述控制器連接。

再進一步，所述觸覺傳感器呈陣列式分布在所述工作接觸面上。

更進一步，所述直四棱柱縱向剖面呈等腰梯形，所述直三棱柱的橫向剖面呈等腰三角形。

優(yōu)選的，同一排中，所述直四棱柱氣室比直三菱柱氣室多一個，位于兩側(cè)的直四棱柱氣室靠近所述塑形條。

所述塑形條的橫截面呈圓形。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：基于彈性材料形變原理設(shè)計而成，使用微流氣體驅(qū)動和控制，能夠高度靈活地在空間中運動，并且能夠盡可能地增大與復雜形狀被夾件的接觸面積，同時由于是柔軟的彈性材料，作用于被夾件上的力無剛性沖擊且分布趨于均勻。

所述彈性手指部分包括：主體形變材料及塑形材料的選擇，考慮到在氣室內(nèi)壓強變化的驅(qū)動下，該手指需要產(chǎn)生足夠的形變來保證夾持力，同時避免自身扭結(jié)及過度形變影響初始形狀的恢復。其次，氣室形狀及排布方式的設(shè)計，所述氣室形狀需保證單個氣室在壓強變化下能夠產(chǎn)生需要的形變，考慮到實際作業(yè)中手指不需要如同章魚觸手那么多的自由度，所以依據(jù)夾持力作用方向和適應復雜形狀方向來設(shè)計氣室排布方式，同時考慮不影響塑形。每一個氣室通過對應的微管與氣動驅(qū)動連接，為簡化控制，結(jié)合實際作業(yè)動作的考慮，某些氣室可以使用同一條微管控制，即在這些氣室同步形變時不影響夾持動作。

所述微流控制部分包括：考慮到氣體質(zhì)量輕、反應迅速，采用微氣流介質(zhì)。首先建立單個氣室與手指材料形變的力學關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，建立空間區(qū)域內(nèi)氣室群氣壓變化與手指彎曲程度的物理模型，因每一個氣室對應獨立的微管控制，即可得到微管群與該彈性手指某一區(qū)域形變的關(guān)系。

所述力反饋部分包括：使用觸覺傳感器確認彈性手指在主要接觸面上都達到了夾持力要求。而且，與上述微流控制部分結(jié)合，控制手指向著增大接觸面積的方向發(fā)生形變，達到自適應復雜形狀被夾件表面的目的。所述觸覺傳感器需均布于整個手指設(shè)計的接觸面上，在開始接觸被夾件時，反饋未接觸的區(qū)域，控制器驅(qū)動相應區(qū)域內(nèi)的氣室使得接觸面積增加。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)該夾持手指全部使用柔性材料，對被夾件無任何剛性沖擊；

2)該夾持手指內(nèi)部氣室采用微流控制技術(shù)，每一個氣室都可以獨立控制，且通過氣室內(nèi)氣壓與手指形變關(guān)系的建立，可以精確的控制該手指上任意位置的形變。實現(xiàn)空間中多自由度的運動，能夠隨著復雜形狀被夾件表面形變，增大接觸面積減少應力集中造成的損傷；

3)該夾持器采用觸覺傳感器進行力反饋，不僅保證了夾持的穩(wěn)定性，還在微管道技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過控制器實時分析，實現(xiàn)了對復雜形狀被夾件的自動適應。

附圖說明

圖1是本發(fā)明彈性手指透視圖；

圖2是圖1的一處縱向剖視圖及細節(jié)圖；

圖3是圖1的一處橫向剖視圖；

圖4是梯形氣室和三角形氣室的受力分析圖；

圖5是平面上手指彎曲與兩列氣室壓強大小的關(guān)系示意圖；

圖6是兩種類型氣室驅(qū)動手指上某一區(qū)域進行空間彎曲示意圖；

圖7是觸覺傳感器排布及接觸面劃分區(qū)域示意圖；

圖8是三個彈性手指夾持的控制流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖8，一種微管道的軟體夾持手指，包括用于通過自身形變來適應被夾件形狀及提供夾持力的彈性手指部分和用于控制彈性手指內(nèi)氣室壓強的微流控制部分，所述彈性手指部分包括手指本體和塑形條5，所述手指本體為彈性材料制作的本體，所述手指本體呈長方體，所述塑形條5縱向布置在所述手指本體的兩側(cè)，每一側(cè)的上下各布置一根塑形條5；所述手指本體的中部布置氣室，所述氣室包括直四棱柱氣室2和直三菱柱氣室4，從橫向截面上看，氣室呈上下對稱設(shè)置，且上層氣室或下層氣室均為直四棱柱氣室2和直三菱柱氣室4間隔布置；從縱向截面上看，同一排的直四棱柱氣室2和直三菱柱氣室4前后等間隔設(shè)置；所述微流控制部分包括微管管道4和微氣流驅(qū)動器，所述微管管道4穿過所述手指本體并與各個直四棱柱氣室2和直三菱柱氣室4連通。

進一步，所述夾持手指還包括力反饋部分，所述力反饋部分包括觸覺傳感器2和控制器，所述觸覺傳感器2安裝在所述手指本體的工作接觸面1，所述觸覺傳感器與所述控制器連接。

再進一步，所述觸覺傳感器2呈陣列式分布在所述工作接觸面1上。

更進一步，所述直四棱柱縱向剖面呈等腰梯形，所述直三棱柱的橫向剖面呈等腰三角形。

優(yōu)選的，同一排中，所述直四棱柱氣室比直三菱柱氣室多一個，位于兩側(cè)的直四棱柱氣室靠近所述塑形條。

所述塑形條的橫截面呈圓形。

圖1是本發(fā)明彈性手指透視圖。該手指主體部分為一長方體。如圖所示，該手指由均勻排布的氣室、微管管道，和塑形條三部分組成。該手指由彈性材料，如硅膠，彈性聚酯材料等制造而成，在氣室附近使用彈性較大的材料保證足夠的形變，采用當今微流控技術(shù)普遍使用的直徑為0.5mm的微管道，管道附近使用彈性較小的材料防止管道受壓變形，圖3中塑形條5使用彈性較小的材料防止該手指自身扭結(jié)和保證夾持的穩(wěn)定性。具體制造工藝這里不做介紹。

氣室形狀設(shè)計分為兩種，底面為等腰梯形的直四棱柱，和底面為等腰三角形的直三棱柱，將這兩種形狀的氣室間隔排布。如圖2所示，在該手指的工作接觸面1上，四棱柱氣室2排布如圖，在局部放大圖中可以看到，微管管道3在該手指中部連接每一個氣室。圖3中三棱柱氣室4的設(shè)計是為了在該平面上，該手指能夠隨著復雜形狀被夾件的表面彎曲，增大接觸面積。因被夾件外形可能十分復雜，為更好的適應其表面，需要每個氣室單獨控制。所以在設(shè)計氣室大小及排布密度時需考慮到，氣室太多的情況下需要相應數(shù)量的微管，且控制相對復雜；在不考慮制造難度及控制難度時，設(shè)計氣室越多該手指的靈活性越強，氣室太少的情況下影響其靈活性。根據(jù)實際作業(yè)對象的形狀復雜程度來設(shè)計氣室排布密度。

為了合理設(shè)計氣室尺寸參數(shù)，根據(jù)理論力學原理，建立氣室形狀與內(nèi)部壓力的數(shù)學關(guān)系。假設(shè)忽略彈性材料自身重力引起的形狀變化。如圖4(1)所示，假設(shè)該氣室內(nèi)氣體壓強為p，梯形斜邊長度為l1，上邊長度為l2，其夾角為θ，氣室的深度為h，左邊承受的張力為f1，上邊承受的張力為f2，氣室上面與手指外面的距離為l，如該手指外面為接觸面，有外力fk，否則fk為0。當氣室內(nèi)部氣壓增大時，張力f1和f2增大。據(jù)此得出，氣室上面的力學方程為：

f1sinθ＝phl2+fk.........................................................(1)

氣室左斜面的力學方程為:

phl1＝f2cosθ...........................................................(2)

從上式可看出，若該面為非接觸面，fk為0，氣壓p增大時，f1，f2增大，且對氣室上面的壓力最大，而氣室左側(cè)材料與上面材料厚度l相比較厚，所以彈性形變主要發(fā)生在氣室上面，l2增大。若該面為接觸面，隨著p的減小，θ減小。綜上，即驅(qū)動手指非接觸面伸長，接觸面收縮，使得手指向著接觸方向彎曲。同理可推出圖4(2)中三角形氣室外力和內(nèi)部氣壓對結(jié)構(gòu)形狀的變化情況，得到相同結(jié)論，不同的是，因圖6切面為非提供主要提拉力的平面，且為提高手指內(nèi)部空間利用率，設(shè)計三角形氣室上邊長l4<l2，即同樣p變化下，三角形氣室提供的彎曲能力弱于梯形氣室。

該力學分析為理想情況下的外力和內(nèi)部氣壓對結(jié)構(gòu)形狀的變化情況，為構(gòu)建氣室矩陣模型，還需建立運動學分析。從上面的力學分析可知，為了使該手指能夠彎曲，關(guān)鍵使兩列梯形或三角形上邊長度不同，使得氣室間距不同。對該彈性手指的運動學分析依據(jù)分段常曲率的理論進行建模，假設(shè)彈性手指以常曲率彎曲，如圖5(1)兩列氣室的彎曲平面示意圖所示，圖中以圓形代替梯形或三角形氣室，每兩個氣室之間一小段通過曲率半徑ri及圓心角θi來描述?？梢钥闯觯斢疫厷馐覛鈮罕茸筮叴髸r，氣室間距l(xiāng)2>l1，手指向左側(cè)彎曲，反之同理。而且，氣室單元越多越密集，其能夠做出的形變就越復雜。手指中心弧長li與曲率半徑ri及圓心角θi(弧度制)的關(guān)系式為

li＝ri×θi......................................................(3)

如圖5(2)所示，在開始調(diào)整兩側(cè)微管壓強時，還未產(chǎn)生彎曲，當兩側(cè)因壓強不同產(chǎn)生的切向張力q2遠大于q1時，建立微管橫截面積與產(chǎn)生張力的大小關(guān)系，將其對手指的作用力等效于正向壓力fn'作用于該區(qū)域末端的情況，將彈性體受內(nèi)力彎曲簡化為求解簡直梁彈性曲線問題。

為了合理設(shè)計彈性手指厚度、長度等參數(shù)，根據(jù)理論力學、彈性力學原理，建立單個彈性手指在一個方向上的彎曲角度與其內(nèi)部施加的壓力之間的數(shù)學公式。建立坐標系并寫出彎矩方程

m(x)＝fn′(x-l)..................................................(4)

應用位移邊界條件求積分方常數(shù)

eif″＝-m(x)＝fn′(l-x)

得出

寫出彈性曲線方程

最大撓度及最大轉(zhuǎn)角

這樣就建立了彈性手指在一個平面上的彎曲角度與其施加的壓力之間的關(guān)系。通過上述力學可行性分析，可以得到彈性手指尺寸與彎曲角度之間的關(guān)系，據(jù)此設(shè)計該彈性關(guān)節(jié)厚度、長度等參數(shù)。

如圖6所示，兩種形狀的氣室在相互垂直的平面上的彎曲形成了彈性手指的空間曲面。即該彈性手指在空間中的彎曲角度由兩個平面的彎曲角度決定。由此可得，為形成空間中某一區(qū)域的手指曲面，需要對該區(qū)域內(nèi)的氣室群進行矩陣控制。

為實現(xiàn)彈性手指對被夾件形狀的自適應，需在手指接觸面添加觸覺傳感器來進行自動控制。這里采用電阻式薄膜壓力傳感器均勻排布于手指接觸面，因其尺寸小而薄，且均有柔性、可彎曲等優(yōu)點，適用于該彈性手指而不影響手指形變。根據(jù)傳感器排布將接觸面分為大小相同的區(qū)域，如圖7所示，圖中接觸面1被觸覺傳感器2分為大小相同的方格區(qū)域，每一個區(qū)域按照圖6示意圖單獨控制。

具體實施案例所示，應用三個該彈性手指的夾持裝置夾持一瓷瓶，理想情況下彈性手指隨瓶身形狀彎曲。如整體控制流程圖8所示，在實施例1夾持該瓷瓶時，首先設(shè)定抓取該產(chǎn)品每一個傳感器需達到的壓力范圍，并標記每一個方格區(qū)域包含的氣室對應的微流管，建立這些微流管氣壓變化與該區(qū)域內(nèi)彈性手指空間彎曲的力學關(guān)系；在夾持過程中，以最先有力反饋的傳感器為中心，驅(qū)動該區(qū)域上下區(qū)域也進行彎曲形變，保證豎直方向主要提拉面完全接觸。當開始時有區(qū)域連續(xù)的傳感器反饋接觸的情況下，將這些區(qū)域視為一個圖6區(qū)域驅(qū)動變形，使這些連續(xù)區(qū)域彎曲弧度過渡平緩。以首次接觸區(qū)域的傳感器壓力的變化來判斷上下區(qū)域彎曲方向正確與否，如當首次接觸區(qū)域下方進行對于被夾件向內(nèi)彎曲時，首個傳感器壓力減小，即說明該下方彎曲方向錯誤，立刻互換該區(qū)域兩側(cè)氣室壓力改變彎曲方向；在上下區(qū)域進行調(diào)整的同時，驅(qū)動左右區(qū)域向內(nèi)彎曲，擴大接觸面積；當所有傳感器都接觸被夾件時，微調(diào)每個區(qū)域使其壓力值達到預定范圍，直至夾持成功。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實施例可以實現(xiàn)所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。

以上對本發(fā)明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化以及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。