技术领域
[0001] 本
发明涉及一种充气式软体
机器人手指，具体涉及一种可以通过气压驱动软体仿人指模
块在
工作空间内实现类人指式夹持物品的仿人指软体夹持器。
背景技术
[0002] 近年来，随着新材料与
快速成型技术的发展，在世界范围内掀起了软体机器人的研究热潮。软体机器人涉及
仿生学，机器人学，软材料学以及控制等学科，其灵感来源于模仿自然界的软体动物与结构。软体夹持器，因其能适应各种形状的物体表面，并且进行安全、柔顺的目标抓持与操作任务，是软体机器人目前最热
门的研究方向之一。传统刚性夹持器虽然具有高
刚度、高
精度、速度快、
重复精度好等特性，在工业制造领域、医疗设备领域和航空航天领域有着广泛应用，但是当被操作对象形状各异，或是易碎品时，就要求刚性夹持器具有很高的控制精度，这极大地增加了夹持器成本。软体夹持器形态结构简单，凭借材料柔软易
变形的特性，可以实现安全、柔顺地物品夹取，
能量密度高，抵御外部冲击能
力强，复杂环境适应性强，且设计灵活，易于制造，成本低廉，在一定程度上能够弥补传统刚性夹持器的不足，其优势主要体现在：1.能适应更多大小形状各异物体的夹持；2.与被抓物体的
接触更为安全；3.不需要精确的控制，更为简单。
[0003] 经查阅资料发现，目前市场上主流仍是刚性夹持器，而软体夹持器则比较少见。目前已有的软体夹持器大多采用气压驱动方式，具有相应快、变形
曲率大的优点，但也普遍存在结构简单、负载能力差的缺点。例如：哈佛大学的仿海星
气动夹持器，夹持器呈六指海星状结构，六指气腔连通，展开最大直径为140mm，最大负载能力仅为300g；麻省理工学院研制的气动三指夹持器，采用单腔进行驱动，单指尺寸为110mm*25mm*25mm，只能抓起网球、笔、鸡蛋等轻质物品；浙江工业大学陈教科等人发明了一种微管道夹持手指，手指内间隔分布多组直四棱柱及直三棱柱气室，各气室单独控制，可以调整手指弯曲形状，但制作和控制难度大；南京理工大学郭钟华等人发明了一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，包括软体驱动单元和夹持指，夹持指沿驱动单元圆周均匀分布，采用气囊作为软体驱动单元，气囊膨胀带动杠杆调节夹持指张开
角度，只能应用于夹持苹果等球状轻载物品。尽管上述软体夹持器有着不同优点和应用场合，但均离大范围实际应用还有一定距离，其中重要一点体现在软体夹持器较差的负载能力。
发明内容
[0004] 本发明为解决现有的软体夹持器存在负载能力较低的问题，进而提供一种仿人指充气式软体三指夹持器。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0006] 本发明的仿人指充气式软体三指夹持器包括
底板1、三个模块底座2、三个软体手指模块3和三个弹性绷带4，每个软体手指模块3包括软体手指模块本体、第一气腔5、第二气腔7、第一指间关节气管6、第二指间关节气管8、限制层10和弹性体9；每个软体手指模块3通过一个模块底座2安装在底板1的一端面上，软体手指模块本体内依次设置有第一气腔5和第二气腔7，第一气腔5与第一指间关节气管6的一端连通，第二气腔7与第二指间关节气管8的一端连通，软体手指模块本体的指背上沿其长度方向加工有至少两个指关节间隙凹槽，软体手指模块本体上除指肚一侧包覆有一个弹性绷带4，软体手指模块本体的指肚上设置有弹性体9，软体手指模块本体的指肚与弹性体9之间设置有限制层10，限制层10为易弯曲不能伸长的材料制成。
[0007] 进一步地，弹性绷带4粘接在软体手指模块本体的指背及两侧上。
[0008] 进一步地，指关节间隙凹槽的数量为三个，第一气腔5与第一指节和第二指节对应设置，第二气腔7与第三指节对应设置。
[0009] 进一步地，弹性体9、第一气腔5和第二气腔7均采用
硅橡胶复合材料制成。
[0010] 进一步地，弹性体9的外表面加工有防滑凹槽结构。
[0011] 进一步地，软体手指模块本体的指骨的宽度小于指关节处的宽度。
[0012] 进一步地，模块底座2安装在底板1上的
位置和角度均可以调节。
[0013] 进一步地，第一指间关节气管6和第二指间关节气管8均为硅胶管。
[0014] 进一步地，软体手指模块3的固定端通过两个连接
螺栓与对应的模块底座2连接。
[0015] 本发明与
现有技术相比具有以下有益效果：
[0016] 本发明的仿人指充气式软体三指夹持器采用仿人指构型设计，可以实现类人指弯曲运动及交叉提物运动，既能实现仿人指式柔顺、安全的物品抓取，又能实现仿人指交叉提物的大负载能力；
[0017] 本发明中夹持器采用三根软体仿人指模块，初始位置模拟人手张开姿势，结合自身的软体被动变形能力，实现不同尺寸、不同形状物体的抓取功能；
[0018] 本发明中的夹持指部分采用弹性硅胶材料及增强
纤维等软材料制成，不含任何刚性零部件，可以与被操作对象柔顺安全接触，结构形态简洁，易于加工制造；
[0019] 本发明中单个软体仿人指采用两个气压驱动，掌指关节单独驱动，两个指间关节联动，模仿人手指弯曲动作，能够适应形状、规格各异的物品抓取；
[0020] 本发明采用类人指式构型设计，仿人手指的外形、尺寸、关节比例模仿真人手指。通过采用人手指的关节处较宽、三段指骨处较窄的内凹型结构设计，模仿人双手交叉提重物动作，实现大的提重能力；
[0021] 本发明中的软体仿人指采用弹性布，约束气腔的膨胀体积，提高仿人手指的输出力/力矩；
[0022] 本发明应用范围广泛，可用于
机械臂末端夹持器、软体机械手、康复机械手等技术领域，具有变形能力强、夹持对象友好、抗冲击能力强等特点，本发明单个软体手指长110mm，最宽处为16mm，最高处为20mm，与成年人食指尺寸相近，重量为40g，夹持器整体重约
140g；夹持器可模仿人手功能，执行柔软、易碎、形状复杂的物品操作，例如苹果、香蕉、葡萄、方指巾、卷纸、优盘、帽子等日常物品；模仿人手拎取物体动作能够提起超过8kg重量的负载，负重比超过57，性能大大优于现有软体夹持器。
附图说明
[0023] 图1是本发明的仿人指充气式软体三指夹持器的整体结构立体图；
[0024] 图2是本发明中具体实施方式一中软体手指模块3的立体图(不包括弹性绷带4)；
[0025] 图3是本发明中具体实施方式一中软体手指模块3的主视图；
[0026] 图4是本发明的具体实施方式一中软体手指模块3的主剖视图；
[0027] 图5是图4的I-I的截面图。
具体实施方式
[0028] 具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的仿人指充气式软体三指夹持器包括底板1、三个模块底座2、三个软体手指模块3和三个弹性绷带4，每个软体手指模块3包括软体手指模块本体、第一气腔5、第二气腔7、第一指间关节气管6、第二指间关节气管8、限制层10和弹性体9；每个软体手指模块3通过一个模块底座2安装在底板1的一端面上，软体手指模块本体内依次设置有第一气腔5和第二气腔7，第一气腔5与第一指间关节气管6的一端连通，第二气腔7与第二指间关节气管8的一端连通，软体手指模块本体的指背上沿其长度方向加工有至少两个指关节间隙凹槽，软体手指模块本体上除指肚一侧包覆有一个弹性绷带4，软体手指模块本体的指肚上设置有弹性体9，软体手指模块本体的指肚与弹性体9之间设置有限制层10，限制层10为易弯曲不能伸长的材料制成。
[0029] 本发明单个软体手指长110mm，最宽处为16mm，最高处为20mm，与成年人食指尺寸相近，重量为40g，夹持器整体重约140g；
[0030] 本发明设计一种软体仿人指模块，所述模块模仿成年人食指尺寸、比例及形状，单指实现类人指式弯曲运动，多指配合实现仿人指交叉提物动作。
[0031] 所述软体指模块的设计理念在于模仿人指形状、尺寸和功能，实现类仿人手较灵活的夹持能力及较大的提重能力，限制层10与弹性体9固连在一起，限制层10用于限制软体仿人指的轴向伸长；软体手指模块本体在三个指节位置设计楔形槽结构，依靠气腔膨胀带动其在指节处产生弯曲；软体手指模块本体内部布置有两个圆柱形气腔，分别用于实现掌指关节与指间关节运动；软体手指模块3内侧表面设计小凹槽防滑结构；软体仿人指两侧设计有指关节间隙凹槽，在弯曲过程中能两两模块形成互
锁，增强负载能力；软体手指模块本体两侧及背面粘接弹性布限制气腔膨胀，增强其输出力/力矩；模块底座2用来固定软体手指模块3，软体指在
基座上的位置可以进行调整以适应更多物品的抓取。
[0032] 具体实施方式二：如图1和图3所示，本实施方式弹性绷带4粘接在软体手指模块本体的指背及两侧上。弹性绷带4具有一定的弹性，弹性绷带4伸长一定程度后不再伸长。如此设计，可以限制第一气腔5和第二气腔7的膨胀体积，气腔的体积膨胀到一定程度之后继续充气会增强气腔内压强，从而提高气腔驱动力。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
[0033] 具体实施方式三：如图2和图4所示，本实施方式指关节间隙凹槽的数量为三个，第一气腔5与第一指节和第二指节对应设置，第二气腔7与第三指节对应设置。如此设计，软体手指模块本体采用两个气腔和两个气路进行控制，其中第一气腔5用于实现两指间关节进行联动，第二气腔7用于实现掌指关节单独运动，使软体仿人指易在关节处弯曲，气腔膨胀带动关节弯曲，实现类人手指弯曲动作。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
[0034] 具体实施方式四：如图2和图4所示，本实施方式弹性体9、第一气腔5和第二气腔7均采用硅橡胶复合材料制成。如此设计，弹性体9采用硬度稍大的硅橡胶材料，可以提高光滑类物品的夹持能力；第一气腔5和第二气腔7均采用延展性较好的硅胶材料，可以保证气腔的延展性。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
[0035] 具体实施方式五：如图1、图3和图4所示，本实施方式弹性体9的外表面加工有防滑凹槽结构。如此设计，可以提高软体手指模块3对表面光滑类物品的夹持能力。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。
[0036] 具体实施方式六：如图2所示，本实施方式软体手指模块本体的指骨的宽度小于指关节处的宽度。如此设计，可以模仿人的双手交叉提重物动作，提升软体手指模块本体提重能力。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
[0037] 具体实施方式七：如图1所示，本实施方式模块底座2安装在底板1上的位置和角度均可以调节。如此设计，可以适应不同大小物品夹取。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四或六相同。
[0038] 具体实施方式八：如图4所示，本实施方式第一指间关节气管6和第二指间关节气管8均为硅胶管。如此设计，可以通过第一指间关节气管6和第二指间关节气管8控制气腔的充气量，从而控制手指的弯曲度。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
[0039] 具体实施方式九：如图1和图2所示，本实施方式软体手指模块3的固定端通过两个连接螺栓与对应的模块底座2连接。如此设计，便于拆卸，方便快捷。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、四、六或八相同。
