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申请/专利权人：南京理工大学

摘要：本发明公开了一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部、固定在中央手掌部一周的多个软体触手部；软体触手部包括多个依次相连的关节部；关节部包括弹性伸缩层、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部；支撑骨骼部支撑弹性伸缩层的内部空腔，与弹性伸缩层相连，支撑骨骼部之间铰接；支撑骨骼部中间设有气孔；关节部前端设有指尖骨骼部与支撑骨骼部铰接；关节部后端设有指根骨骼部与支撑骨骼部之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部与支撑骨骼部之间铰接；连接骨骼部和指根骨骼部上均设有气孔；且连接骨骼部和指根骨骼部单独连接有气管；弹性伸缩层内部填充有多圈纤维约束层，约束层对应于气室的外部；本发明提高了抓手刚度和抓持能力。

主权项：1.一种关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，包括中央手掌部（2）、固定在中央手掌部（2）一周的N≥3个软体触手部（3）；所述软体触手部（3）包括M≥3个依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层（4）、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部（15）；所述支撑骨骼部（15）用于支撑弹性伸缩层（4）的内部空腔，将弹性伸缩层（4）内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部（15）与弹性伸缩层（4）相连，支撑骨骼部（15）之间依次铰接；支撑骨骼部（15）中间设有气孔（14），将各个气室相连通；前端的关节部前端设有指尖骨骼部（6），用以封堵软体触手部（3）的前端，且指尖骨骼部（6）与相邻的支撑骨骼部（15）之间铰接；末端的关节部后端设有指根骨骼部（11），用以封堵软体触手部（3）的后端，且指根骨骼部（11）与相邻的支撑骨骼部（15）之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部（12），连接骨骼部（12）与相邻的支撑骨骼部（15）之间铰接；连接骨骼部（12）和指根骨骼部（11）上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部（12）和指根骨骼部（11）分别单独连接有气管（16）独立供气；所述弹性伸缩层（4）内部填充有多圈纤维约束层（7）；所述纤维约束层（7）对应于气室的外部一周。

全文数据：一种关节式内骨骼气动软体手爪技术领域本发明属于软体夹持器领域，特别是一种关节式内骨骼气动软体手爪。背景技术在现代工业自动化夹持与搬运操作系统中，气动夹持器受到越来越多的重视与应用。然而目前的气压夹持装置多针对特定种类和规格的目标物体，对于形状不规则的物体以及不同操作环境一般难以满足需求。为了克服其对夹持物材质、形状的严格限制，气动软体手爪得到了研究与开发。气动软体夹持器使用硅橡胶等超弹性材料，具有高柔顺性，能适应不同形状尺寸的目标物体，响应快捷，轻便且不易损伤被夹持物，同时对操作人员安全友好。国内外研究学者利用其优点研制出多款软体手爪。中国专利201620690558.1发明名称为“一种软体三指机器人”的专利，它是基于软体材料气压驱动控制的结构，通过向手指内部的通道进行充气或吸气，从而实现手指向外弯曲或者向内弯曲的姿态变形来抓持物体，其柔顺性高，然而受限于材料本身性质，其输出力较低，对较重物体无法有效抓持。美国专利US9464642B2,哈佛学者首次提出了一款纯软体仿海星式手爪，它具有六爪结构，应用于生物科学方面，可无损伤地抓取鸡蛋、实验小白鼠等易损伤目标体，柔顺性很好,但其径向膨胀严重，严重降低了输出效率。目前的各类软体手爪主要采用纯软体材料，其柔顺性很大程度依赖于软体材料的硬度。软体材料本身既是动作驱动器又是末端夹持执行器，虽然能较安全灵巧地抓取多尺寸、多形状物体，但由于材料自身的局限性，缺乏足够的刚度夹取质量较大的物体以及形成可靠的约束，因此在材料的选择和新结构的研发上还有待提高。发明内容本发明的目的在于提供一种关节式内骨骼气动软体手爪，以实现对多种尺寸，多种形状目标物体的柔顺抓持，尤其是其刚度与抓持能力得到提高，对较大质量物体可以完成有效抓持。实现本发明目的的技术解决方案为：一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部、固定在中央手掌部一周的NN≥3个软体触手部；所述软体触手部包括M个M≥3依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部；所述支撑骨骼部用于支撑弹性伸缩层的内部空腔，将弹性伸缩层内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部与弹性伸缩层相连，支撑骨骼部之间依次铰接；支撑骨骼部中间设有气孔，将各个气室相连通；前端的关节部前端设有指尖骨骼部，用以封堵软体触手部的前端，且指尖骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；末端的关节部后端设有指根骨骼部，用以封堵软体触手部的后端，且指根骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部，连接骨骼部与相邻的支撑骨骼部之间铰接；连接骨骼部和指根骨骼部上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部和指根骨骼部分别单独连接有气管独立供气；所述弹性伸缩层内部填充有多圈纤维约束层；所述纤维约束层对应于气室的外部一周。本发明与现有技术相比，其显著优点：1本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，在软体触手部嵌入了关节式骨骼结构，包括相互铰接的支撑骨骼关节、连接骨骼部，在保持高柔顺性的同时极大地提高了刚度。2本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，弹性伸缩层承担驱动功能，而抓取过程中产生的力则由铰接式内骨骼传递至中央手掌部，有效地提高了软体手爪的抓持能力。3本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，弹性伸缩层内嵌入了纤维加强层，限制了住了手指的径向变形，保持了手指外形并提高了弯曲效率。4本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，多段关节部独立控制，增加了手指的自由度，使得手指可以完成更多的变形位姿，手爪夹持多样性能力提高。5本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，多段关节部可并行充气，显著提高了手指的响应速度。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明图1为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪整体结构示意图。图2为中央手掌部结构示意图。图3为软体触手部结构示意图。图4为支撑骨骼关节结构示意图。图51-4分别为三节关节部的软体触手部的各关节供气手指变形示意图。图6为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪包络抓持的工作示意图。图7为本发明的关节式内骨骼气动软体手爪指尖抓取的工作示意图。具体实施方式为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。结合图1-图4，本发明的一种关节式内骨骼气动软体手爪，包括中央手掌部2、均匀固定在中央手掌部2一周的NN≥3个软体触手部3；所述软体触手部3包括M个M大于等于3依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层4、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部15；所述支撑骨骼部15用于支撑弹性伸缩层4的内部空腔，将弹性伸缩层4内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部15与弹性伸缩层4相连，支撑骨骼部15之间依次铰接，可实现向外45°、向下180°的旋转范围；支撑骨骼部15中间设有气孔14，将各个气室相连通；位于前端的关节部前端设有指尖骨骼部6，用以封堵软体触手部3的前端，且指尖骨骼部6与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；位于末端的关节部后端设有指根骨骼部11，用以封堵软体触手部3的后端，且指根骨骼部11与相邻的支撑骨骼部15之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部12进行连接，且连接骨骼部12与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；连接骨骼部12和指根骨骼部11上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部12和指根骨骼部11分别单独连接有气管16，可实现各个关节部的独立供气；所述弹性伸缩层4内部填充有多圈纤维约束层7；所述纤维约束层7对应于气室的外部一周，用以限制软体触手部3径向膨胀，以提高软体触手部3的刚度和手指抓持重物的能力。进一步的，所述弹性伸缩层4包括位于上端的半圆形的伸缩层和位于下端的平板形的接触层5，伸缩层和接触层5一起构成类似象鼻结构的弹性伸缩层4；伸缩层上端沿周向设有多个沟槽，以增大弹性伸缩层4向下弯曲的长度，接触层5下端等间隔的设有多个纹路，平板形增加了接触面积，纹路增加了接触摩擦力。进一步的，所述弹性伸缩层4与支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11之间均通过强力软胶粘接；为了增大粘结接触面积，保证粘结强度；所述支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11上端均设有弧形卡槽24，所述伸缩层内等间隔的设有多个凸起，凸起卡入卡槽24内，然后粘结；通过卡槽24和凸起的配合可对支撑骨骼部15相对伸缩层的位置进行定位，同时，增加接触面积，保证连接强度。优选的，所述连接骨骼部12上设有两个卡槽24，进一步增加相邻的弹性伸缩层4之间的连接强度。进一步的，所述相邻的关节部之间还设有支撑环8；所述支撑环8设置在弹性伸缩层4内，且对应于连接骨骼部12位置，用以支撑相邻的弹性伸缩层4，所述支撑环8的长度小于连接骨骼部12的长度长度方向为软体触手部3伸缩方向，通过支撑环8保证了膨胀过程中弹性伸缩层4与连接骨骼部12之间不会脱胶，从而避免了相邻的关节部之间的气室连通而导致独立供气的失效，同时支撑环8的长度小于连接骨骼部12的长度，避免过长的支撑环8对相邻的弹性伸缩层4之间过渡段的弯曲产生影响。进一步的，所述弹性伸缩层4采用硅橡胶制成。首先制备内层，在内层外设置多圈纤维约束层7，然后再制备外层，将整个纤维约束层7包裹在内。优选的，所述选用低硬度、高弹性、高稳定性、低收缩性的室温硫化硅橡胶。进一步的，所述中央手掌部2采用3D打印技术一体成型，可选用PLA或者ABS等树脂材料，具有足够的刚度。所述中央手掌部2升段设有多个螺纹孔1，可用于连接法兰的安装。进一步的，所述中央手掌部2中心成圆柱形，圆柱外部均匀设有多个连接柱21，连接柱21内设有连接孔，所述软体触手部3末端设有连接轴，连接轴设置在连接孔内，通过螺栓固连，通过连接轴可实现软体触手部3相对中央手掌部2的角度位姿。通过设置连接柱21轴向与中央手掌部2圆柱轴向的夹角，即可调整软体触手部3末端相对中央手掌部2的张开角度。所述气管16采用柔性乳胶气管，通过强力软胶与连接骨骼部12和指根骨骼部11上的气孔粘合密封。进一步的，所述骨骼部采用3D打印技术一体成型，可选用PLA或者ABS等树脂材料，具有足够刚度的同时保持轻便性。进一步的，每个气管16各由一个比例压力阀控制输入气压，所述伸缩层内还设有柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值，以精确控制每个软体触手部3的弯曲角度。以三节关节部的软体触手部3为例进行说明：本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，通过气管16对软体触手部3三节指段进行独立控制，每个气管16各由一个比例压力阀控制输入气压，可以获得多种位姿。通入压缩气体时，软体触手部3受气压作用产生拉伸变形，从而带动内骨骼关节向内旋转，获得弯曲角位移。结合图5，图5-1为单独驱动前端指段软体手指的变形示意图。图5-2为单独驱动中间指段软体手指的变形示意图。图5-3为单独驱动末端指段软体手指的变形示意图。图5-4为同时驱动整个软体触手部3的变形示意图。通过对三指段的分别控制，手爪可以获得丰富的位置和姿态，同时三段并行通气设计可以较小地提高响应时间，提高工作效率。本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，可实现多种抓住姿势的抓取工作：包络抓取方式：结合图6，对于大尺寸、大质量的目标物体23，软体手爪优选选用包络抓取方式。根据目标物体23的形状尺寸，依次调节三个指段的输入气压，输入气压与弯曲角度之间的关系可由实验数据测试获得，并可在软体手指内置柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值。当三个手指贴合目标物体完成包络抓取，根据物体质量继续增大输入气压，完成稳定的抓取。纹路式的接触层具有很好的适应性，可以有效地贴合适应物体轮廓，从而提高抓持能力。指尖抓持方式：结合图7，对于小尺寸、小质量目标物体23，软体手爪优先选用指尖抓持方式。根据目标物体23的形状尺寸，调节后两节指段的输入气压以较小手指初始张开角度。当软体手指到达预期位置后，调节前端指段输入气压，使指尖接触物体，继续增大输入气压完成对目标物体的稳定抓取。本发明的关节式内骨骼气动软体手爪，通过气压驱动完成弯曲动作，通过支撑骨骼部15、连接骨骼部12构成的内骨骼限制了软体触手部3的轴向伸长与径向膨胀，承受抓持过程中产生的力并传递到中央手掌部2，极大地提高了抓持力。内骨骼与软体材料构成了内部气腔，当压缩气体通入时，骨骼限制了腔室前后以及底部的变形，位于中间的软体材料则在气压作用下沿轴向拉伸变形，从而带动底部铰接的骨骼关节绕铰链轴旋转，形成弯曲动作。通过控制软体手指的多个指节内腔压力来获得预期的手爪抓持姿态，其软体驱动的柔顺性和内骨骼提供的刚度，可以实现对多种尺寸、多种形状、多种重量目标物体的抓持。

权利要求：1.一种关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，包括中央手掌部2、固定在中央手掌部2一周的NN≥3个软体触手部3；所述软体触手部3包括M个M≥3依次相连的关节部；所述关节部包括弹性伸缩层4、均布在弹性伸缩层内的多个支撑骨骼部15；所述支撑骨骼部15用于支撑弹性伸缩层4的内部空腔，将弹性伸缩层4内部空腔分隔成多个气室；支撑骨骼部15与弹性伸缩层4相连，支撑骨骼部15之间依次铰接；支撑骨骼部15中间设有气孔14，将各个气室相连通；前端的关节部前端设有指尖骨骼部6，用以封堵软体触手部3的前端，且指尖骨骼部6与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；末端的关节部后端设有指根骨骼部11，用以封堵软体触手部3的后端，且指根骨骼部11与相邻的支撑骨骼部15之间铰接；相邻的关节部之间内部设有连接骨骼部12，连接骨骼部12与相邻的支撑骨骼部14之间铰接；连接骨骼部12和指根骨骼部11上均设有气孔，用以连通相应的关节部的气室；且连接骨骼部12和指根骨骼部11分别单独连接有气管16独立供气；所述弹性伸缩层4内部填充有多圈纤维约束层7；所述纤维约束层7对应于气室的外部一周。2.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述弹性伸缩层4包括位于上端的半圆形的伸缩层和位于下端的平板形的接触层5，伸缩层上端沿周向设有多个沟槽；接触层5下端等间隔的设有多个纹路。3.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述弹性伸缩层4与支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11之间均为粘接；所述支撑骨骼部15、指尖骨骼部6、连接骨骼部12、指根骨骼部11上端均设有弧形卡槽24，所述伸缩层内等间隔的设有多个凸起，凸起卡入卡槽24内。4.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，根据权利要求3所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，相邻的关节部之间还设有支撑环8；所述支撑环8设置在弹性伸缩层4内，且对应于连接骨骼部12位置；所述支撑环8的长度小于连接骨骼部12的长度。5.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，弹性伸缩层4采用硅橡胶制成；所述中央手掌部2、骨骼部均采用树脂材料制成。6.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述中央手掌部2中心成圆柱形，圆柱外部均匀设有多个连接柱21，连接柱21内设有连接孔，所述软体触手部3末端设有连接轴，连接轴设置在连接孔内。7.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，每个气管16各由一个比例压力阀控制输入气压，所述伸缩层内还设有柔性弯曲传感器，实时反馈弯曲角度值，以控制每个软体触手部3的弯曲角度。8.根据权利要求1所述的关节式内骨骼气动软体手爪，其特征在于，所述气管16采用柔性乳胶气管。

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