[发明专利]波纹型双内腔气驱动柔性微型手指、控制方法及抓取系统

说明书

技术领域

本发明具体公开了一种波纹型双内腔微型气驱动柔顺微型手指及其控制实现方法，并可用来快速组装和构建气动多指微型手抓取系统。

背景技术

多自由度、多功能和智能化的多指灵巧手是机器人领域的研究热点。由气动肌肉驱动构成的多指手具有高柔顺性、高功率/质量比、高功率/体积比、结构简单等优点，在抓取和处理一些嫩脆、软弱易伤或有生命体的对象具有可靠性、自适应和安全性，可克服传统电、液、气缸驱动普遍存在的柔性差、结构复杂、难以控制等缺点，在工农业、医疗康复、服务娱乐等领域中具有广泛的应用。

与使用传统电传动和液压传动的驱动器相比气动驱动器有如下特点：能量存储方便，传动介质空气来源于大气，获取很方便；气压传动具有抗燃、防爆及不污染环境；且具有柔性可控，无回收管路，体积小、成本低、无污染、操作方便、易于保养。因此，气动伺服控制系统已应用于机器人手臂、灵巧手、远程手术主从操作系统等。

将气动肌肉作为机器人驱动器可以实现直接驱动，无需安装减速装置和传动机构，这一优点大大减轻了仿人机械手的重量和成本，具有更好的仿生性和柔顺性，因此气动肌肉被大量运用于机器人臂以及灵巧手的手指关节的驱动。气动人工肌肉由外部提供的压缩空气驱动，可以提供很大的力量，而重量却比较小，气动人工肌肉会在达到推拉极限时自动制动，不会突破预定的范围。

采用气动驱动的机器人多指灵巧手，主要有：1)气缸驱动，比如Utah/MIT手；2)气动人工肌肉驱动，比如Shadow手。气动多指手同样采用柔绳和滑轮远距离传动动力，2个驱动器(气缸或气动人工肌肉)联合驱动1个关节，结构相对简单，柔性较好，但仍存在以下不足：驱动器和灵巧手分离，通过柔绳滑轮驱动各个关节运动，系统存在的摩擦、松弛以及能量耗损的问题无法避免；气动人工肌肉没有统一的数学模型，手指输出力以及关节位置难于控制。同时驱动器数量过大，导致控制系统复杂；大量驱动器放置在前臂使得灵巧手的体积笨重，给实际应用带来困难。

多指手的外形要求小巧，轻便、灵活和安全，通过传统驱动器很难实现微型柔性手的功能。迫切需要开发一种新型气动肌肉控制的柔性手，该柔性手在结构设计方面，做到手指本体与手指驱动装置微型一体化；在抓取运动方面，追求多自由度、高柔性；在功能上，追求灵巧性和智能化，对环境和操作对象的变化具有很强的适应性。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺点，本发明提出了一种新型波纹型气动肌肉驱动构成的可双向弯曲的微型柔性手指，具有良好的被动柔性，易于模块化，可用于构建气动多指微型手。

本发明采用的技术方案如下：

一种波纹型双内腔气驱动柔性微型手指，包括两个对称设置的气动单半波纹型中空橡胶管半手指I、II构成的双内腔微型气驱动柔性微型手指，且两个半手指上均各设有气体进出口I、II；所述的两个半手指顶面外侧为波纹皱褶面，两个半手指底面为水平面，且顶面与底面连成一体构成一个空心的密封腔体；两个气动单半波纹型中空橡胶管半手指I、II底面对齐粘贴在薄片型弯曲倾角传感器上。

波纹皱褶面为横向波纹状,是中空的半环状结构；单波纹型半手指具有多个横向波纹的半圆柱形或近似半圆柱型薄壁折皱壳体，当向内腔体充气或抽气时，内腔多个横向波纹面会受到正气压伸展或负气压收缩。每个半波纹单内腔构型微型气动柔顺手指是一体化半圆柱型或近似半圆柱型中空橡胶管结构，中空部分延伸至半圆柱型的多个横向波纹皱褶，半圆柱型波纹皱褶面的厚度是其对侧底面厚度的两倍左右。

所述的波纹状皱褶面为空心的半圆柱形曲面水平排列组成，且沿着半手指的轴线方向剖开后，其形状为波纹形。

所述的两个单波纹型中空橡胶管半手指水平面相对对齐设置，共同固定于薄片型弯曲倾角传感器上，两个半手指波纹皱褶面朝外。

所述的气体进出口I、II均与同一个换向阀组相连；所述的换向阀组分别连接真空开关、电气比例阀，所述的真空开关连接减压阀I，所述的减压阀I连接真空发生器，所述的真空发生器连接空气压缩机；所述的电气比例阀连接一个减压阀II，所述的减压阀II与空气压缩机相连。

所述的柔性手指的表面覆盖有呈圆周状的弯曲力觉传感器，能同时测量内外弯曲时触碰的物体力信息。

所述的柔性手指的指尖覆盖有呈圆周状的测量指尖部分3维方向的力和3维方向的力矩信息的指尖力传感器。

所述的弯曲力传感器和指尖力传感器与嵌入式控制器接口相连，所述的嵌入式控制器与网络计算机相连。