一種自感知雙腔多自由度氣動柔性仿生手指的制作方法

本發明涉及一種機械手，特別是一種仿生手指。

背景技術：

機械手作為機器人的末端執行部件，從機器人技術廣泛發展開始就成為科研人員的重點研究對象。隨著科技發展和社會進步，工業產品裝卸與裝配、軍事機器人、農業機器人、傷殘人員和服務機器人中需要大量的柔性機械手，來完成類似人手的功能，代替人實現靈巧操作。評價柔性機械手的性能指標主要是柔順性、靈活性和控制性能。從驅動方式上柔性機械手可以分為：電機驅動、氣液驅動和功能材料驅動等，其中電機驅動機械手控制性能較好；氣液驅動柔性機械手柔順性較好，并且由于氣動氣源方便、重量輕，所以氣動在輕型柔性機械手中應用廣泛；功能材料驅動是采用形狀記憶合金、超聲波、高分子聚合物和功能性液體驅動，在要求機械手小巧輕便的場合中有其獨特的優勢。

目前這些類型的柔性機械手很難同時滿足柔順性、靈活性和控制性能的要求，如電機驅動機械手控制性能較好但柔順性差，氣動柔性機械手柔順性較好但抓取精度低，難以實現精確位置控制和力控制，功能材料驅動機械手靈活性較差，抓取能力有限。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供了一種柔順性好、靈活性高、能夠提高精度控制和力控制的自感知雙腔多自由度氣動柔性仿生手指。

本發明包括氣動柔性手指基體、柔性多維形變傳感器、右氣動空腔和左氣動空腔，采用常規方法用柔性硅橡膠在模具中分步澆注一體而成，其中，柔性基體的頂部為多段半圓柱面構成的褶皺結構，氣動柔性手指基體的底面為平面并設有凹槽，柔性三維形變傳感器嵌入在基體底部的凹槽中；氣動柔性手指基體的上面設左右兩個氣動空腔，左、右氣動空腔的一端為封閉端，其另一端右氣動空腔設右進氣管接口，左氣動空腔設左進氣管接口；柔性多維形變傳感器引出兩條接引線接入數據采集系統，所述兩個進氣管接口通過壓力控制系統接空氣壓縮機。

所述頂部褶皺結構的個數和長度、內部雙腔形狀尺寸、柔性多維形變傳感器實現形式且位置大小均根據需要進行調整。

可以將多個柔性手指安裝在一個基座上組裝成一個柔性靈巧機械手，在抓取物體之前根據物體形狀設定每個手指的變形量，各個柔性三維形變傳感器將手指實際變形信息反饋給控制系統，控制系統再通過壓力控制閥調節各個手指的變形，直至柔性機械手運動到合適的姿態以實現精確穩定抓取。

本發明的工作原理如下：當通過壓力控制閥對左氣動空腔通入壓力氣體，右氣動空腔接通大氣壓時，柔性手指向右彎曲；當通過壓力控制閥對右氣動空腔接通壓力氣體，左氣動空腔接通大氣壓時，柔性手指向左彎曲；當兩氣動空腔同時通入相同壓強的壓力氣體時，柔性手指向下彎曲。柔性多維形變傳感器可將柔性手指的形變數據反饋給控制系統，控制系統進而控制壓力控制閥不斷調節通入氣動空腔的氣體壓力，直到手指到達指定的形變為止。

本發明與現有技術相比具有的有益效果如下：

1、形狀、尺寸和柔度可根據使用要求而改變，并由于采用的硅膠材料耐酸堿，故其可用于各類酸堿、潮濕等特殊環境，能夠在惡劣環境中長期穩定的工作；

2、氣動柔性手指內部的雙腔結構使得其不僅能夠上下彎曲，而且能夠左右擺動，增加了手指的自由度，提高了手指的靈活性；該氣動柔性手指構成的柔性機械手安裝方便，柔順靈巧，力學性能和生物肌肉相似，不會對抓取物造成破壞，可廣泛用于對易損物體的自動化抓取；

3、將三維形變傳感器嵌入在內部結構中并一體成型，保證了自感知功能的可靠性，并且通過利用多維形變傳感器的反饋信息，可對柔性機械手的抓取動作實現閉環控制，保證了對物體的精確穩定抓取。

附圖說明

圖1為本發明的主視示意簡圖。

圖2為本發明的內部結構示意圖。

圖中：1-氣動柔性手指基體、2-柔性多維形變傳感器、3-右氣動空腔、4-右進氣管接口、5-左氣動空腔、6-左進氣管接口。

具體實施方式

在圖1所示的自感知雙腔多自由度氣動柔性仿生手指示意圖中，氣動柔性手指基體1外形總長度為80mm，其頂部為多段直徑為20mm的半圓柱面構成的褶皺結構，氣動柔性手指基體的底面為平面并設有凹槽，柔性三維形變傳感器2嵌入在柔性基體底部的凹槽中；氣動柔性手指基體的上面設有右氣動空腔3和左氣動空腔5，左、右氣動空腔的一端為封閉端，其另一端右氣動空腔設右進氣管接口4，左氣動空腔設左進氣管接口6；柔性多維形變傳感器引出兩條接引線接入數據采集系統，所述兩個進氣管接口和通過壓力控制系統接空氣壓縮機。整個仿生手指采用常規方法用柔性硅橡膠在模具中分步澆注一體而成。

如圖2所示，頂部每段半圓柱體內部有兩個隔離開的近似扇形的空腔，每個這樣的空腔再分別與左右兩個對稱長方體空腔連通分別形成對稱左右氣動空腔，可以在壓力氣體通入時使頂部變形大于底部變形，表現為手指向下彎曲變形。

本發明的工作原理如下：當通過壓力控制閥對左氣動空腔通入壓力氣體，右氣動空腔接通大氣壓時，柔性手指向右彎曲；當通過壓力控制閥對右氣動空腔接通壓力氣體，左氣動空腔接通大氣壓時，柔性手指向左彎曲；當兩氣動空腔同時通入相同壓強的壓力氣體時，柔性手指向下彎曲。柔性多維形變傳感器可將柔性手指的形變數據反饋給控制系統，控制系統進而控制壓力控制閥不斷調節通入氣動空腔的氣體壓力，直到手指到達指定的形變為止。

本發明可以通過將多個柔性手指安裝在一個基座上組裝成一個柔性靈巧機械手，在抓取物體之前可根據物體形狀設定每個手指的變形量，各個柔性三維形變傳感器將手指實際變形信息反饋給控制系統，控制系統再通過壓力控制閥調節各個手指的變形，直至柔性機械手運動到合適的姿態以實現精確穩定抓取。

技術特征：

技術總結
一種自感知雙腔多自由度氣動柔性仿生手指，其包括氣動柔性手指基體、柔性多維形變傳感器、右氣動空腔和左氣動空腔，采用常規方法用柔性硅橡膠在模具中分步澆注一體而成，其中，柔性基體的頂部為多段半圓柱面構成的褶皺結構，氣動柔性手指基體的底面為平面并設有凹槽，柔性三維形變傳感器嵌入在基體底部的凹槽中；氣動柔性手指基體的上面設左右兩個氣動空腔，左、右氣動空腔的一端為封閉端，其另一端右氣動空腔設右進氣管接口，左氣動空腔設左進氣管接口；柔性多維形變傳感器接入數據采集系統，兩個進氣管接口通過壓力控制系統接空氣壓縮機。本發明結構簡單，柔順靈巧，控制性能良好，能夠很大程度模仿人手指運動，并實現對物體的精確穩定抓取。

技術研發人員：姚建濤;張弘;陳俊濤;閆永超;勾栓栓;許允斗;趙永生
受保護的技術使用者：燕山大學
技術研發日：2017.07.07
技術公布日：2017.09.29