[發明專利]波紋型雙內腔氣驅動柔性微型手指、控制方法及抓取系統

有效

• 申請號: 201410245219.8
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104015197A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: 王學林;畢淑慧;趙永國;肖永飛;范新建;陳偉
• 申請（專利權）人: 山東省科學院自動化研究所
• 主分類號: B25J15/10
• 分類號: B25J15/10;B25J13/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

技術領域

本發明具體公開了一種波紋型雙內腔微型氣驅動柔順微型手指及其控制實現方法，并可用來快速組裝和構建氣動多指微型手抓取系統。

背景技術

多自由度、多功能和智能化的多指靈巧手是機器人領域的研究熱點。由氣動肌肉驅動構成的多指手具有高柔順性、高功率/質量比、高功率/體積比、結構簡單等優點，在抓取和處理一些嫩脆、軟弱易傷或有生命體的對象具有可靠性、自適應和安全性，可克服傳統電、液、氣缸驅動普遍存在的柔性差、結構復雜、難以控制等缺點，在工農業、醫療康復、服務娛樂等領域中具有廣泛的應用。

與使用傳統電傳動和液壓傳動的驅動器相比氣動驅動器有如下特點：能量存儲方便，傳動介質空氣來源于大氣，獲取很方便；氣壓傳動具有抗燃、防爆及不污染環境；且具有柔性可控，無回收管路，體積小、成本低、無污染、操作方便、易于保養。因此，氣動伺服控制系統已應用于機器人手臂、靈巧手、遠程手術主從操作系統等。

將氣動肌肉作為機器人驅動器可以實現直接驅動，無需安裝減速裝置和傳動機構，這一優點大大減輕了仿人機械手的重量和成本，具有更好的仿生性和柔順性，因此氣動肌肉被大量運用于機器人臂以及靈巧手的手指關節的驅動。氣動人工肌肉由外部提供的壓縮空氣驅動，可以提供很大的力量，而重量卻比較小，氣動人工肌肉會在達到推拉極限時自動制動，不會突破預定的范圍。

采用氣動驅動的機器人多指靈巧手，主要有：1)氣缸驅動，比如Utah/MIT手；2)氣動人工肌肉驅動，比如Shadow手。氣動多指手同樣采用柔繩和滑輪遠距離傳動動力，2個驅動器(氣缸或氣動人工肌肉)聯合驅動1個關節，結構相對簡單，柔性較好，但仍存在以下不足：驅動器和靈巧手分離，通過柔繩滑輪驅動各個關節運動，系統存在的摩擦、松弛以及能量耗損的問題無法避免；氣動人工肌肉沒有統一的數學模型，手指輸出力以及關節位置難于控制。同時驅動器數量過大，導致控制系統復雜；大量驅動器放置在前臂使得靈巧手的體積笨重，給實際應用帶來困難。

多指手的外形要求小巧，輕便、靈活和安全，通過傳統驅動器很難實現微型柔性手的功能。迫切需要開發一種新型氣動肌肉控制的柔性手，該柔性手在結構設計方面，做到手指本體與手指驅動裝置微型一體化；在抓取運動方面，追求多自由度、高柔性；在功能上，追求靈巧性和智能化，對環境和操作對象的變化具有很強的適應性。

發明內容

為了解決現有技術存在的缺點，本發明提出了一種新型波紋型氣動肌肉驅動構成的可雙向彎曲的微型柔性手指，具有良好的被動柔性，易于模塊化，可用于構建氣動多指微型手。

本發明采用的技術方案如下：

一種波紋型雙內腔氣驅動柔性微型手指，包括兩個對稱設置的氣動單半波紋型中空橡膠管半手指I、II構成的雙內腔微型氣驅動柔性微型手指，且兩個半手指上均各設有氣體進出口I、II；所述的兩個半手指頂面外側為波紋皺褶面，兩個半手指底面為水平面，且頂面與底面連成一體構成一個空心的密封腔體；兩個氣動單半波紋型中空橡膠管半手指I、II底面對齊粘貼在薄片型彎曲傾角傳感器上。

波紋皺褶面為橫向波紋狀,是中空的半環狀結構；單波紋型半手指具有多個橫向波紋的半圓柱形或近似半圓柱型薄壁折皺殼體，當向內腔體充氣或抽氣時，內腔多個橫向波紋面會受到正氣壓伸展或負氣壓收縮。每個半波紋單內腔構型微型氣動柔順手指是一體化半圓柱型或近似半圓柱型中空橡膠管結構，中空部分延伸至半圓柱型的多個橫向波紋皺褶，半圓柱型波紋皺褶面的厚度是其對側底面厚度的兩倍左右。

所述的波紋狀皺褶面為空心的半圓柱形曲面水平排列組成，且沿著半手指的軸線方向剖開后，其形狀為波紋形。

所述的兩個單波紋型中空橡膠管半手指水平面相對對齊設置，共同固定于薄片型彎曲傾角傳感器上，兩個半手指波紋皺褶面朝外。

所述的氣體進出口I、II均與同一個換向閥組相連；所述的換向閥組分別連接真空開關、電氣比例閥，所述的真空開關連接減壓閥I，所述的減壓閥I連接真空發生器，所述的真空發生器連接空氣壓縮機；所述的電氣比例閥連接一個減壓閥II，所述的減壓閥II與空氣壓縮機相連。

所述的柔性手指的表面覆蓋有呈圓周狀的彎曲力覺傳感器，能同時測量內外彎曲時觸碰的物體力信息。

所述的柔性手指的指尖覆蓋有呈圓周狀的測量指尖部分3維方向的力和3維方向的力矩信息的指尖力傳感器。

所述的彎曲力傳感器和指尖力傳感器與嵌入式控制器接口相連，所述的嵌入式控制器與網絡計算機相連。