技术领域
[0001] 本
发明涉及一种灵活气动手指及其生产方法。
背景技术
[0002] 软体夹持工具在很多领域中都需要用到，例如食品行业物品分拣、农业果实采收、工业异形
工件夹持和搬运、抢险救灾中的探险与搜救等。为了实现柔性抓取，通常采用仿生手指来实现。为了实现手指在特定方向的弯曲，一般会在单腔体弹性气动手指外侧封装限制
应变层，再在其外侧覆上
纤维包络层以便与气动手指主体形成一体式结构。
[0003] 使用上述结构的不足之处在于：1)限制应变层安装在弯曲
变形方向的内侧，而内侧刚好是夹持面，其柔性比未安装限制应变层的一侧要差，因而一定程度上与柔性夹持的目标相悖；2)只能实现内缩夹持，不能实现主动外翻的动作，不利于实现高效、动态抓取；3)对于表面不平整的柔性物体通常抓取可靠性难以保证；4)限制应变层不能拆卸或更换，仅通过控制气体压
力能实现的弯曲动作十分有限。为解决上述问题如果采用三
自由度肌肉或采用多关节独立通气的方式则控制较为复杂，且成本较高。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种灵活气动手指及其生产方法。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是：一种灵活气动手指，包括手指主体、背面加强筋、侧面加强筋、根部连接头、根部
锁紧装置和末端
应力传感器；所述手指主体内设有长度一致的气动主腔和气动副腔，并且气动主腔靠近手指主体的背面，气动副腔靠近手指主体的夹持面；所述气动主腔的截面面积大于气动副腔的截面面积，并且二者单独通气；所述手指主体的夹持面上设有阵列式分布的绒毛式
吸盘；所述背面加强筋可拆卸地安装在手指主体的背面；所述气动主腔的两侧外壁上对称设置有侧面加强筋；所述根部连接头通过根部锁紧装置锁紧在手指主体的根部；所述末端应力传感器设置在手指主体的指尖部位的绒毛式吸盘的间隙中。
[0006] 所述背面加强筋由弹性材料制成，包括第一背面加强筋、第二背面加强筋和第三背面加强筋；所述第一背面加强筋与第二背面加强筋之间、以及第二背面加强筋与第三背面加强筋之间均设有间隙；所述第二背面加强筋的弹性大于第一背面加强筋和第三背面加强筋的弹性。
[0007] 所述手指主体从指根到指尖依次包括指根、第一关节、指中、第二关节和指尖；所述第一背面加强筋位于指根背面，第二背面加强筋位于指中背面，第三背面加强筋位于指尖背面。
[0008] 所述指根、第一关节、指中和第二关节内的气动主腔的截面形状一致，该截面形状的两端分为长边和短边、两侧均呈弧形；所述截面形状的长边对应气动主腔与气动副腔之间的间隔面，短边对应手指主体的背面；所述指尖内的气动主腔的截面面积逐渐变小。
[0009] 所述气动副腔的截面呈边
角处倒圆角的矩形。
[0010] 所述阵列式分布的绒毛式吸盘设置在手指主体的指中和指尖
位置的夹持面上；所述指中位置对应的绒毛式吸盘的大小以及相互之间的间距大于指尖位置对应的绒毛式吸盘的大小以及相互之间的间距。
[0011] 所述绒毛式吸盘呈长条形，其截面呈喇叭形；所述绒毛式吸盘在手指主体的指中和指尖位置的夹持面上沿轴向及径向布置。
[0012] 所述手指主体的背面设有多个贯穿背面加强筋并与背面加强筋
过盈配合的凸台；所述凸台的高度大于背面加强筋的厚度；所述手指主体的指根和指中部位还设有包覆在第一背面加强筋和第二背面加强筋两侧的外伸凹槽结构。
[0013] 所述手指主体的指尖四角位置各设有一个凸台；所述第三背面加强筋呈等腰梯形，并且截面为面积逐渐变小的矩形结构。
[0014] 所述手指主体的两侧设有包覆在侧面加强筋两侧的凹形
支撑台。
[0015] 所述根部连接头采用凸型结构；所述根部连接头的小端设有两个分别伸入气动主腔和气动副腔内的中空腔体；所述根部连接头的大端的侧面设有两个对称设置的进气口和两个对称设置的环形连接头；所述两个进气口的中心
连接线垂直于两个环形连接头的中心连接线。
[0016] 所述根部锁紧装置包括第一
垫块、第二垫块和卡箍及其锁紧装置；所述第一垫块和第二垫块的厚度与根部连接头的小端的长度一致；所述卡箍及其锁紧装置锁紧在手指主体的指根部位，并与根部连接头的小端位置相对应；所述第一垫块设置在手指主体的背面与卡箍及其锁紧装置之间；所述第二垫块设置在手指主体的夹持面及两侧面与卡箍及其锁紧装置之间。
[0017] 所述末端应力传感器采用条形结构，包括截面为半圆形的
硅胶以及封装在截面为半圆形的硅胶内的敏感材料和柔性
电路。
[0018] 所述末端应力传感器的厚度低于绒毛式吸盘的高度。
[0019] 上述灵活气动手指的生产方法，包括以下步骤：
[0020] ①、采用软体材料3D打印一体成型技术生产出带有气动主腔、气动副腔、凸台、外伸凹槽结构和凹形支撑台的手指主体，并在气动主腔的侧面打印出小型的软体套线管；
[0021] ②、采用浇注或光
固化的方法将敏感材料和柔性电路封装在半圆形的硅胶内得到末端应力传感器，再粘贴到手指主体的夹持面上的相应位置；然后安装
导线，通过气动主腔侧面的小型软体套线管将导线引至气动主腔的根部；
[0022] ③、在一个平面式基体上打印阵列式分布的绒毛式吸盘，再采用硅胶
粘合剂粘贴在手指主体的夹持面上；
[0023] ④、采用弹性较小的材料裁剪出第一背面加强筋和第三背面加强筋，并在与凸台的配合处打孔；然后采用弹性较大的软体材料通过3D打印或者采用
橡胶进行裁剪得到第二背面加强筋，并在与凸台的配合处打孔；然后在手指主体的背面依次安装第一背面加强筋、第二背面加强筋和第三背面加强筋；
[0024] ⑤、采用浇注的方法将金属片封装在硅胶内得到侧面加强筋，再粘贴到手指主体的凹形支撑台内；然后采用机加工的方法得到根部连接头；
[0025] ⑥、采用3D打印得到根部锁紧装置的第一垫块和第二垫块；卡箍及其锁紧装置采用市场上的标准产品；
[0026] ⑦将根部连接头小端的两个中空腔体分别插入气动主腔和气动副腔内，再由一人用一只手固定根部连接头及其与气动主腔的连接处，另一手固定气动主腔的末端，使手指主体保持
水平；然后放好第一垫块和第二垫块，并使第二垫块的底部处于操作平面上；然后套上卡箍及其锁紧装置，并调整第一垫块和第二垫块的位置使配合紧密，然后对卡箍及其锁紧装置进行锁紧固定。
[0027] ⑧、最后将根部连接头连接到机械手上，对两个进气口分别进行通气，对末端应力传感器进行接线及调试即可正常工作。
[0028] 所述步骤④中第一背面加强筋的安装方法具体为：先将一只手的手指或支撑工具深入气动主腔，再用另一只手将第一背面加强筋的根部与手指主体的指根部位的外伸凹槽结构的根部对齐，然后将第一背面加强筋按压入外伸凹槽结构内，并将相应的凸台依次按压至第一背面加强筋的孔内；所述第二背面加强筋的安装方法与第一背面加强筋的安装方法一致；所述第三背面加强筋的安装方法具体为：将第三背面加强筋的指尖部位的凸台依次按压至第三背面加强筋的孔内。
[0029] 采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明柔性夹持稳定、夹持力可调。本发明中的气动手指将夹持一侧通常情况下会采用的限制应变层改为采用软体材料构成的气动副腔结构，实现夹持面抓取时的柔性，并且使夹持
接触力可调。气动副腔的夹持面设置有阵列布置的绒毛式条状吸盘，限制工件的滑落和侧移；绒毛式条状吸盘截面采用喇叭形结构，一方面使夹持时在气动副腔外表面与工件的接触着力点之间形成
真空，增大夹持力，另一方面多条吸盘布置及截面形状的设计使得工件夹持时接触面积增大。因而本发明能在绒毛形吸盘的布置方式、截面形状、条数设置等三方面保证工件夹持的
稳定性，气动手指末端应力传感器的设置则有利于气动主腔和气动副腔压力的精确控制，使夹持稳定性进一步提高。
[0030] (2)本发明可以实现正向和反向夹持，分别适用于柔性物体和表面较平整的刚性物体的夹持。正向夹持即内缩夹持，此时气动副腔夹持面上的阵列形绒毛式条状吸盘能使夹持任务的微观动作十分可靠，这使得本发明正向夹持动作能适用于体积较小的工件；多条绒毛式条状吸盘夹持时的变形可以不一致，手指主体指尖位置对应的绒毛式条状吸盘与手指主体指中位置对应的绒毛式条状吸盘大小甚至形状都可以有所区别，使得本发明正向夹持动作能适用于表面不平整的工件的夹持，以及异形工件的夹持；绒毛式条状吸盘在完成正向夹持动作时会有一定的形变，与夹持面紧邻的气动副腔在夹持时有一定的变形缓冲空间，并且绒毛式条状吸盘和气动副腔均采用软体材料，使得本发明正向夹持动作特别适用于柔性物体的夹持。当需要对表面较平整的工件或
质量相对较小的刚性工件进行频繁的夹持、分拣时，可以采用气动手指背面的第三背面加强筋完成夹持动作(即反向夹持)。此时夹持面形变较小，动作效率提高。
[0031] (3)本发明动作
精度和效率提高。本发明气动主腔用于气动手指的
位姿调节，气动副腔用于夹持接触力(或柔性)的调节，使动作精度提高。三段背面加强筋和侧面加强筋提高气动手指位姿的准确性。三段背面加强筋限制气动手指的轴向和径向变形；气动主腔指根位置对称布置的侧面加强筋限制气动手指的根部的径向变形，能保证气动手指动作的总体方向；第二背面加强筋中部设有多条凹槽，能使关节处的弯曲动作有适宜的变形空间，使气动手指的位姿更加可控。气动副腔阵列形绒毛式条状吸盘及末端应力传感器的设置使接触力控制更加可靠、精度提高。本发明可以实现内缩夹紧、外翻主动松开，一方面提高正向夹持动作的效率；另一方面，使得工业现场动态抓取、或是多工序聚集操作时，增加单个气动手指的功能及适用的工件种类，缩短动作
节拍间的间隔时间、减小相邻工位间的距离，从而使生产效率提高。本发明的气动主腔与气动副腔结构不对称、正向夹持与反向夹持的接触面结构不一致，能够对本发明中气动手指的主要功能和辅助功能加以区分，提高动作的针对性和设备的利用率、降低控制的难度从而提高动作的效率。
[0032] (4)本发明配件可更换、适于范围更广。本发明的气动主腔、气动副腔主要采用3D打印一体成型的方法得到，保证气动手指基本性能的可靠性，而使气动手指的动作精度得到提高或功能有所拓展的配件均可更换，包括阵列形绒毛式条状吸盘、末端应力传感器、第一背面加强筋、第二背面加强筋、第三背面加强筋。可更换的配件结构设计使气动手指的可调试性和可维护性增强，对操作人员专业依赖性有所降低，对控制设备性能要求降低，抗干扰能力增强，设备寿命提高。通过上述附能配件不同结构参数和材料的组合，使气动手指在一定压力范围内能实现更多的位姿形态，适用场合增加。
[0033] (5)本发明制作成本低，容易形成系列化产品。本发明的主要结构和配件均可通过3D打印的方法得到。主体结构采用一体成型，如气动主腔和气动副腔；精度要求较高或结构较复杂的部位采用单独打印、再进行粘贴安装的方法，如阵列形绒毛式条状吸盘；可拆卸更换的配件采用3D打印或利用现有材料进行裁剪加工的方法得到；只有需要对金属构件进行封装的部位才需要用到浇注的方法。因此，上述加工方法能根据结构和材料特点采用最适宜的加工方式，使模具用量减少、加工工序缩短、材料最省，成本降低。可更换的配件结构设计、精细部件单独加工、主要部件3D打印成型的方法使产品的系列
化成为可能，并且有利于对局部结构进行改进，得到具体使用条件下最佳的结构设计。
附图说明
[0034] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体
实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0035] 图1为本发明的灵活气动手指的结构示意图。
[0036] 图2为图1的后视图。
[0037] 图3为本发明的灵活气动手指的爆炸图。
[0038] 附图中的标号为：
[0039] 气动主腔1、凸台1-1、外伸凹槽结构1-2、凹形支撑台1-3、气动副腔2、背面加强筋3、第一背面加强筋3-1、第二背面加强筋3-2、第三背面加强筋3-3、侧面加强筋4、根部连接头5、进气口5-1、环形连接头5-2、根部锁紧装置6、第一垫块6-1、第二垫块6-2、卡箍及其锁紧装置6-3、末端应力传感器7、绒毛式吸盘8。
具体实施方式
[0040] (实施例1)
[0041] 见图1至图3，本实施例的灵活气动手指，包括手指主体、背面加强筋3、侧面加强筋4、根部连接头5、根部锁紧装置6、末端应力传感器7和绒毛式吸盘8。
[0042] 手指主体内设有长度一致的气动主腔1和气动副腔2，并且气动主腔1靠近手指主体的背面，气动副腔2靠近手指主体的夹持面。气动主腔1的截面面积大于气动副腔2的截面面积，并且二者单独通气。绒毛式吸盘8呈长条形，其截面呈喇叭形。绒毛式吸盘8在手指主体的指中和指尖位置的夹持面上沿轴向及径向阵列式布置。指中位置对应的绒毛式吸盘8的大小以及相互之间的间距大于指尖位置对应的绒毛式吸盘8的大小以及相互之间的间距。背面加强筋3可拆卸地安装在手指主体的背面。气动主腔1的两侧外壁上对称设置有侧面加强筋4。根部连接头5通过根部锁紧装置6锁紧在手指主体的根部。
[0043] 背面加强筋3由弹性材料制成，包括第一背面加强筋3-1、第二背面加强筋3-2和第三背面加强筋3-3。第一背面加强筋3-1与第二背面加强筋3-2之间、以及第二背面加强筋3-2与第三背面加强筋3-3之间均设有间隙。第二背面加强筋3-2的弹性大于第一背面加强筋
3-1和第三背面加强筋3-3的弹性。
[0044] 手指主体从指根到指尖依次包括指根、第一关节、指中、第二关节和指尖。第一背面加强筋3-1位于指根背面，第二背面加强筋3-2位于指中背面，第三背面加强筋3-3位于指尖背面。指根、第一关节、指中和第二关节内的气动主腔1的截面形状一致，该截面形状的两端分为长边和短边、两侧均呈弧形。截面形状的长边对应气动主腔1与气动副腔2之间的间隔面，短边对应手指主体的背面。指尖内的气动主腔1的截面面积逐渐变小。气动副腔2的截面呈边角处倒圆角的矩形。
[0045] 手指主体的背面设有多个贯穿背面加强筋3并与背面加强筋3过盈配合的凸台1-1。凸台1-1的高度大于背面加强筋3的厚度。手指主体的指根和指中部位还设有包覆在第一背面加强筋3-1和第二背面加强筋3-2两侧的外伸凹槽结构1-2。手指主体的指尖四角位置各设有一个凸台1-1。第三背面加强筋3-3呈等腰梯形，并且截面为面积逐渐变小的矩形结构。手指主体的两侧设有包覆在侧面加强筋4两侧的凹形支撑台1-3。
[0046] 根部连接头5采用凸型结构。根部连接头5的小端设有两个分别伸入气动主腔1和气动副腔2内的中空腔体。根部连接头5的大端的侧面设有两个对称设置的进气口5-1和两个对称设置的环形连接头5-2。两个进气口5-1的中心连接线垂直于两个环形连接头5-2的中心连接线。
[0047] 根部锁紧装置6包括第一垫块6-1、第二垫块6-2和卡箍及其锁紧装置6-3。第一垫块6-1和第二垫块6-2的厚度与根部连接头5的小端的长度一致。卡箍及其锁紧装置6-3锁紧在手指主体的指根部位，并与根部连接头5的小端位置相对应。第一垫块6-1设置在手指主体的背面与卡箍及其锁紧装置6-3之间。第二垫块6-2设置在手指主体的夹持面及两侧面与卡箍及其锁紧装置6-3之间。
[0048] 末端应力传感器7设置在手指主体的指尖部位的绒毛式吸盘8的间隙中。末端应力传感器7采用条形结构，包括截面为半圆形的硅胶以及封装在截面为半圆形的硅胶内的敏感材料和柔性电路。
[0049] 末端应力传感器7的厚度低于绒毛式吸盘8的高度，当每个末端应力传感器7两侧的绒毛式吸盘8因进行夹持动作而展开时，都会碰到末端应力传感器7，引起电
信号的变化。末端应力传感器7的导线可以固定在气动手指的侧边。
[0050] 通过控制气动主腔1与气动副腔2的压力差可以实现内缩夹紧(正向夹持)和一定程度的外翻松开(或反向夹持)。内缩夹紧(正向夹持)适于夹持柔性物体、异形工件以及体积较小的工件，适用的工件重量范围较大。反向夹持的接触面为第三背面加强筋3-3的外表面，适于夹持表面较平整的工件或质量相对较小的刚性工件。
[0051] 本实施例的灵活气动手指的生产方法，包括以下步骤：
[0052] ①、采用软体材料3D打印一体成型技术生产出带有气动主腔1、气动副腔2、凸台1-1、外伸凹槽结构1-2和凹形支撑台1-3的手指主体(可以采用熔融沉积或光固化的方法)，并在气动主腔1的侧面打印出小型的软体套线管(依据气动手指的总长度可将套线管分为两段或三段，两段之间设有一定间隙，方便导线安装)。
[0053] ②、采用浇注或光固化的方法将敏感材料和柔性电路封装在半圆形的硅胶内得到末端应力传感器7，再粘贴到手指主体的夹持面上的相应位置。然后安装导线，通过气动主腔1侧面的小型软体套线管将导线引至气动主腔1的根部。
[0054] ③、在一个平面式基体上打印阵列式分布的绒毛式吸盘8，再采用硅胶粘合剂粘贴在手指主体的夹持面上。
[0055] ④、采用弹性较小的材料(如纤维布)裁剪出第一背面加强筋3-1和第三背面加强筋3-3，并在与凸台1-1的配合处打孔。然后采用弹性较大的软体材料通过3D打印或者采用橡胶进行裁剪得到第二背面加强筋3-2，并在与凸台1-1的配合处打孔。然后在手指主体的背面依次安装第一背面加强筋3-1、第二背面加强筋3-2和第三背面加强筋3-3。第一背面加强筋3-1的安装方法具体为：先将一只手的手指或支撑工具深入气动主腔1，再用另一只手将第一背面加强筋3-1的根部与手指主体的指根部位的外伸凹槽结构1-2的根部对齐，然后将第一背面加强筋3-1按压入外伸凹槽结构1-2内，并将相应的凸台1-1依次按压至第一背面加强筋3-1的孔内。第二背面加强筋3-2的安装方法与第一背面加强筋3-1的安装方法一致。第三背面加强筋3-3的安装方法具体为：将第三背面加强筋3-3的指尖部位的凸台1-1依次按压至第三背面加强筋3-3的孔内。
[0056] ⑤、采用浇注的方法将金属片封装在硅胶内得到侧面加强筋4，再粘贴到手指主体的凹形支撑台1-3内。然后采用机加工的方法得到根部连接头5。
[0057] ⑥、采用3D打印得到根部锁紧装置6的第一垫块6-1和第二垫块6-2(或者将第一垫块6-1和第二垫块6-2与手指主体采用3D打印成一体)。卡箍及其锁紧装置6-3采用市场上的标准产品。
[0058] ⑦将根部连接头5小端的两个中空腔体分别插入气动主腔1和气动副腔2内，再由一人用一只手固定根部连接头5及其与气动主腔1的连接处，另一手固定气动主腔1的末端，使手指主体保持水平。然后放好第一垫块6-1和第二垫块6-2，并使第二垫块6-2的底部处于操作平面上。然后套上卡箍及其锁紧装置6-3，并调整第一垫块6-1和第二垫块6-2的位置使配合紧密，然后对卡箍及其锁紧装置6-3进行锁紧固定。
[0059] ⑧、最后将根部连接头5连接到机械手上，对两个进气口5-1分别进行通气，对末端应力传感器7进行接线及调试即可正常工作。
[0060] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
