阅读说明：本技术 一种基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手 (Bionic soft heavy-load manipulator based on vacuum driver ) 是由 姚建涛 李海利 赵无眠 张帅 魏纯杰 王亚蒙 许允斗 *** 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手,属于机器人末端执行器。本发明仿生于自然界中具有缠绕行为的动物,如蟒蛇、章鱼等,以真空软体驱动器等效替代缠绕动物身体的收缩行为,从优化软体驱动器结构布局的角度来提高软体机械手的负载能力。本发明的基本构造原理是通过柔性保持架将真空软体驱动器布置成螺旋状,通过真空软体驱动器的收缩作用勒紧物体,达到抓持的目的。(The invention discloses a bionic soft heavy-load manipulator based on a vacuum driver, and belongs to a robot end effector. The invention is bionic on animals with winding behavior in nature, such as python, octopus, etc., and uses the vacuum soft driver to equivalently replace the shrinkage behavior of the winding animal body, thereby improving the load capacity of the soft manipulator from the perspective of optimizing the structural layout of the soft driver. The basic construction principle of the invention is that the vacuum soft driver is arranged into a spiral shape through the flexible retainer, and the object is tightened through the contraction action of the vacuum soft driver, so as to achieve the purpose of grasping.)

一种基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手

技术领域

本发明涉及一种基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手，属于机器人末端执行器。

背景技术

机器人末端夹取装置是机器人结构中相当重要的一环，传统的机器人末端夹取装置一般为刚性结构，但是在某些被夹取物体十分脆弱的情况下，刚性夹取装置易造成被夹取物体的损坏。近年来柔性夹取装置受到人们的关注，以其安全性，灵活性，柔和性等优势，在医疗机器人，文物考古发掘，灾害遇险救援和服务机器人等方面得到了重要应用。从驱动方式上，夹取装置可分为：肌腱驱动，流体驱动与功能材料驱动。肌腱驱动方式执行性好，动作快，定位准，但刚性一般过大；流体驱动方式柔性好，适应性强，重量轻，具有广泛的应用前景；功能材料一般采用记忆合金，高分子聚合材料等，通过给材料通电，升温等方式，直接使材料产生变形，在特殊场合有独特的应用。三种驱动方式之中，目前流体驱动应用最广，但当前流体驱动装置存在一些不足亟待解决：1.正压驱动软体机械手的刚度随内部气压增大而增加，其柔顺性逐渐降低；2.正压型驱动器收缩率普遍较低，如人工肌肉收缩率普遍低于38％；3.负载能力弱，负载能力提升方法主要集中于开发大负载软体驱动器上，但由于软体材料固有特性影响，该项研究进展缓慢，大幅度提升负载能力十分困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手，本发明仿生于自然界中具有缠绕行为的动物，如蟒蛇、章鱼等，以真空软体驱动器等效替代缠绕动物身体的收缩行为，从优化软体驱动器结构布局的角度来提高软体机械手的负载能力。本发明的基本构造原理是通过柔性保持架将真空软体驱动器布置成螺旋状，通过真空软体驱动器的收缩作用勒紧物体，达到抓持的目的。

为了解决上述技术问题，本申请所提供的技术方案为：一种基于真空驱动器的仿生软体大负载机械手，其特征在于，包括连接座，与连接座连接的柔性保持架，位于柔性保持架夹层的螺旋状密封管，所述密封管内封装螺旋状螺旋支撑架，所述密封管两端一起与气源连接；所述密封管直径大于螺旋支撑架。

进一步的技术方案在于，所述的螺旋支撑架为螺旋形弹性结构，可沿轴向方向伸缩。

进一步的技术方案在于，所述的密封管为圆筒形薄膜结构；其密封管直径超出螺旋支撑架外径10％。

进一步的技术方案在于，所述螺旋支撑架的轴心与密封管轴心吻合。

进一步的技术方案在于，所述密封管底部出口通过环形圈穿过与其顶部出口连接并用小卡箍箍紧形成驱动器接口。

进一步的技术方案在于，所述柔性保持架为硅胶材料双层结构；该柔性保持架底层为圆筒筒状结构，上层为倒置漏斗状结构；底层相对圆筒轴线分布有三层U型凸起结构；U型凸起结构外部向外凸起，内部向内凸起，并在内外两层硅胶之间形成三条内槽，供密封管安装；在内槽上，每层布置有六个环形圈用于固定密封管。

进一步的技术方案在于，所述柔性保持架底层顶部设有与其刚性连接的环形凸棱；所述凸棱横断面为梯形。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1.良好的柔性：整个驱动器结构工作状态内部压强低于大气压强，故本驱动器结构无论在正常状态或是工作状态下都具有良好的柔性，不会如正压气动机械手在工作状态表现出极大的刚性。

2.高安全性：整个结构由硅胶，密封管，螺旋支撑架，卡箍，树脂材料接口等组成，只有小部分金属材料且具有少量的弹性势能，对负载的物体与人员都比较安全。

3.高收缩率：由于驱动器内部产生真空时，螺旋支撑架收缩率高，密封管紧紧贴在螺旋支撑架之上，故本发明收缩率高。

4.负载能力大：本发明将缠食原理与负压原理结合起来，负压原理提供动力，缠食原理用于抓持，负载能力大，稳定性好。

5.适用性强：由于本发明柔性好，抓持力大，适用于许多刚性机械手无法胜任的场合，如夹取易碎、小型物体等，此外，由于本发明结构简单，安装方便，故若产生故障时，维修更换方便。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1为总装配左视图；

图2为本图1的A-A剖视图；

图3为总装配立体示意图；

图4为驱动器在抓持主体内部安装立体图；

图中：1、连接座；2、螺钉A；3、螺母A；4、连接盖；5、螺钉B；6、螺母B；7、压片；8、螺旋支撑架；9、柔性保持架；10、大卡箍；11、密封管；12、螺母C；13、螺钉C；14、驱动器接口；15、小卡箍；16、螺钉D；17、螺母D。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在如图1，图2所示的基于负压原理与缠食原理的软体抓持装置的示意图中，所述的驱动器整体为密封管11内含螺旋支撑架8的管状结构，所述的螺旋支撑架8为螺旋形弹性结构，可沿轴向方向伸缩。所述的密封管11为圆筒形薄膜结构。其密封管11直径略大于螺旋支撑架8外径，超出其10％最合适。将螺旋支撑架8安装入密封管11中并居中对称安装，将螺旋支撑架8与密封管11安装之后，将真空软体驱动器从柔性保持架9内层底部通过环形圈穿过，安装在三层内槽之内，将驱动器接口14与其连接并用小卡箍15箍紧。所述的柔性保持架9为硅胶材料双层结构。该柔性保持架9底层为圆筒筒状结构，上层为倒置漏斗状结构。底层相对圆筒轴线分布有三层U型凸起结构，外部向外凸起，内部向内凸起，在内外两层硅胶之间形成三条内槽，供真空驱动器安装。在圆筒形内槽上，每层布置有六个环形圈用于固定负压驱动器使其不至于松脱。由于柔性保持架内部三层内槽由单个负压软体驱动器缠绕，故相邻层之间应设有供驱动器从第一层到第二层，第二层到第三层上升的凸出部分，保持架设有相应的内外两层凸出，留出内部较大空间供驱动器与驱动器接口的安装，避免干涉。柔性保持架底层顶部设有与刚性连接部分相对应结构(带有六个螺纹孔的环形凸棱)。本设计中的驱动器采用两端同时通气的设计，驱动器接口连接处设计为圆柱形，其外径略小于螺旋支撑架8外径，在驱动器接口连接处设有一层凸棱，凸棱横断面为梯形，可以阻止螺旋支撑架8从驱动器接口连接处脱落。所述的驱动器接口14为管状结构，包括三个通道，其中通道一14-1与通道二14-2与驱动器相连，相连后用小卡箍15箍紧通道三14-3与气源相连，从柔性保持架9上所设通孔处引出，与外置气源连接，柔性保持架9与真空软体驱动器部件组便安装完成。安装刚性连接部件组时，提前将连接盖4与连接座1通过螺钉A2与螺母A3安装完成，所述的连接座上设有一组四个法兰螺纹孔，用于与连接盖相连。所述的连接盖设有一组四个法兰螺纹孔和另一组六个法兰螺纹孔，分别可与连接座与柔性保持架相连。之后将连接盖4与连接座1组合安装体整体与压片7安装到柔性保持架之上，将压片7塞入柔性保持架9底层顶部凸棱下部，压片7上孔与柔性保持架9顶部凸棱上孔对齐。连接盖4分布有六个螺纹沉孔，与压片7上螺纹孔对应，即连接盖4与压片7将柔性保持架9凸棱夹在中间并通过螺钉A2螺母A3连接，此外，用大卡箍10将柔性保持架9顶部圆筒与连接座1箍紧，将上述部分安装上之后，柔性机械手装置整体便安装完成。

在图4的柔性保持架内部安装示意图中，将驱动器接口通道一14-1孔与真空驱动器底部端口相连，将驱动器接口通道二14-2与负压驱动器顶部端口相连，将驱动器接口通道三14-3通过柔性保持架上通孔导出，并将驱动器接口14与驱动器以小卡箍15箍紧，图4为内部安装示意图。

机械手抓取物体时，外部气源通过通道三14-3从软体机械手内部驱动器内抽气，使驱动器内部转变为负压状态，驱动器产生径向收缩，勒紧柔性保持架9内壁，使柔性保持架9内腔向内收缩，从而抓取物体。此后通过软体机械手顶部法兰连接装置整体移动软体机械手，从而移动所抓取物体。机械手将物体卸载时，外部气源通过通道三14-3向软体机械手内部驱动器内充气，使驱动器内部转变为正压状态，驱动器产生径向延伸，支撑柔性保持架9向外扩张，从而将被抓取物体卸载。