一種柔性機(jī)器人充氣手指的制作方法
【專利摘要】一種柔性機(jī)器人充氣手指，包括：充氣手指指尖，該充氣手指指尖位于所述充氣手指的前端，用于接觸要抓取的物體；充氣手指彎曲部，該充氣手指彎曲部位于所述充氣手指的中部并連接所述充氣手指指尖，用于實(shí)現(xiàn)充氣手指的抓取或松開(kāi)；充氣手指連接部，該充氣手指連接部位于所述充氣手指的后端并連接所述充氣手指彎曲部，用于固定充氣手指，作為外部氣體進(jìn)入所述充氣手指的通道，由充氣手指指尖、充氣手指彎曲部及充氣手指連接部構(gòu)成的充氣手指為一體化成型制作。本發(fā)明采用一種材料，一次性加工成型；重量輕，成本低，具有加工成本低，精度高，批量化生產(chǎn)，良好柔軟性，使其具有很好的人機(jī)交互應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】一種柔性機(jī)器人充氣手指
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于柔性機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種柔性機(jī)器人充氣手指。
【【背景技術(shù)】】
[0002]柔性手指是目前國(guó)際上研究的一個(gè)新的方向，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上大多的柔性手指采用硅膠和手板加工的方法實(shí)現(xiàn)了一種柔性手指，柔性手指采用的生產(chǎn)工藝是通過(guò)手板將兩層彈性模量不同的硅膠粘合在一起，其中彈性模量小的一層為彎曲層，當(dāng)往柔性手指內(nèi)部充氣時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)柔性手指的彎曲功能。
[0003]現(xiàn)有的柔性充氣手指須通過(guò)兩種或兩種以上的彈性模量不同的硅膠黏合起來(lái)，導(dǎo)致其加工困難、不易批量生產(chǎn)。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004]本發(fā)明旨在解決上述問(wèn)題而提供一種容易加工、可批量生產(chǎn)的柔性機(jī)器人充氣手指。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種柔性機(jī)器人充氣手指，該柔性機(jī)器人充氣手指包括:充氣手指指尖，該充氣手指指尖位于所述充氣手指的前端，用于接觸要抓取的物體；充氣手指彎曲部，該充氣手指彎曲部位于所述充氣手指的中部并連接所述充氣手指指尖，用于實(shí)現(xiàn)充氣手指的抓取或松開(kāi)；充氣手指連接部，該充氣手指連接部位于所述充氣手指的后端并連接所述充氣手指彎曲部，用于固定充氣手指，作為外部氣體進(jìn)入所述充氣手指的通道，由所述充氣手指指尖、充氣手指彎曲部及充氣手指連接部構(gòu)成的充氣手指為一體化成型制作。
[0006]所述充氣手指連接部包括充氣手指固定部及氣管連接部，所述充氣手指固定部連接所述充氣手指彎曲部，用于固定所述充氣手指，所述氣管連接部與充氣手指固定部相連接，用于連接外部氣管。
[0007]所述充氣手指彎曲部包括充氣手指彎曲限制變形面及該充氣手指彎曲限制變形面相對(duì)應(yīng)的充氣手指彎曲變形面，所述充氣手指彎曲限制變形面與充氣手指彎曲變形面相連接，所述充氣手指彎曲限制變形面為平面，所述充氣手指彎曲變形面的表面為波紋面。
[0008]所述波紋面的波峰與波谷形狀相同。
[0009]所述充氣手指彎曲變形面橫截面呈圓弧形，該圓弧形為劣弧、優(yōu)弧或半圓弧中的一種。
[0010]所述充氣手指指尖為弧面。
[0011]所述充氣手指固定部為半圓柱狀連接管。
[0012]所述氣管連接部為圓柱狀連接管，該連接管外表面設(shè)有卡環(huán)。
[0013]所述充氣手指采用PE或EVA柔軟材料制成。
[0014]本發(fā)明的一種柔性機(jī)器人充氣手指，柔性機(jī)器人充氣手指作為一個(gè)整體，可以一次性加工成型，使得本發(fā)明實(shí)施例的柔性機(jī)器人充氣手指容易加工、可批量生產(chǎn)?！尽緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】】
[0015]圖1是本發(fā)明的立體圖。
[0016]圖2是本發(fā)明的主視圖。
[0017]圖3是本發(fā)明的仰視圖。
[0018]圖4是本發(fā)明的左視圖。
[0019]圖5是本發(fā)明的彎曲部橫截面V-V示意圖。
[0020]圖6是本發(fā)明的初始狀態(tài)示意圖。
[0021]圖7是本發(fā)明的抓取動(dòng)作示意圖。
[0022]圖8是本發(fā)明的松手動(dòng)作示意圖。
[0023]圖9是本發(fā)明的充氣手指彎曲部橫截面第一種形狀示意圖。
[0024]圖10是本發(fā)明的充氣手指彎曲部橫截面第二種形狀示意圖。
[0025]圖11是本發(fā)明的充氣手指彎曲部橫截面第三種形狀示意圖。
[0026]圖12是本發(fā)明的充氣手指彎曲部橫截面第四種形狀示意圖。
[0027]其中，1、柔性充氣手指；11、充氣手指與氣管連接部；12、充氣手指固定部；13、充氣手指彎曲部；14、充氣手指指尖；15、充氣手指彎曲限制變形面；16、充氣手指彎曲變形面；17、充氣手指彎曲限制變形部分虛擬平面。
【【具體實(shí)施方式】】
[0028]下列實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步解釋和說(shuō)明，對(duì)本發(fā)明不構(gòu)成任何限制。
[0029]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明的柔性機(jī)器人充氣手指I包括依次連接形成的充氣手指連接部、充氣手指彎曲部13及充氣手指指尖14，且該充氣手指為一體化成型。其中，該充氣手指連接部位于充氣手指I的后端并連接充氣手指彎曲部13，用于固定充氣手指1，作為外部氣體進(jìn)入充氣手指I的通道；充氣手指彎曲部13位于所述充氣手指I的中部并連接所述充氣手指指尖14，用于實(shí)現(xiàn)充氣手指I的抓取或松開(kāi)；該充氣手指指尖14位于所述充氣手指I的前端，用于接觸要抓取的物體。由充氣手指指尖、充氣手指彎曲部及充氣手指連接部構(gòu)成的充氣手指為一體化成型。充氣手指I的主要參數(shù)L、D1及H3分別表示充氣手指I的總長(zhǎng)度、總寬度及總高度，該尺寸大小根據(jù)實(shí)際場(chǎng)合需要確定。充氣手指彎曲部13、充氣手指指尖14、充氣手指固定部12及氣管連接部11均米用PE (polyethylene聚乙纟布)或EVA(ethylene_vinylacetatecopolymer乙烯-醋酸乙烯共聚物)等柔軟材料。其中，充氣手指連接部包括氣管連接部11和充氣手指固定部12，充氣手指固定部12連接充氣手指彎曲部13，用于固定充氣手指1，氣管連接部11與充氣手指固定部12相連接，用于連接外部氣管。充氣手指固定部12位于充氣手指I的后端，將充氣手指I固定到設(shè)備上，同時(shí)氣手指固定部12為空心管道，作為外部氣體進(jìn)入氣管連接部11后經(jīng)過(guò)氣手指固定部12進(jìn)入充氣手指I。
[0030]如圖2、圖3、圖4所示，氣管連接部11為圓柱狀連接管，用于將充氣手指I連接外部充氣裝置，在氣管連接部11外表面設(shè)有兩道卡環(huán)111，用于與外界充氣裝置固定連接。氣管連接部11主要參數(shù)L2和D3分別表示充氣手指與氣管連接部11，長(zhǎng)度和外徑，該尺寸大小根據(jù)實(shí)際需要連接的大小進(jìn)行確定。
[0031]如圖2、圖3、圖4所示，充氣手指固定部12為半圓柱狀連接管，用于將充氣手指I固定到需要安裝的裝置上，例如將充氣手指I安裝到機(jī)器人的手掌或其他抓取機(jī)構(gòu)上。半圓柱狀連接管一側(cè)為平面，另一側(cè)為圓柱面，保證充氣手指I在裝置卡緊，防止柔性充氣手指I轉(zhuǎn)動(dòng)。充氣手指固定部12主要參數(shù)L3和D2分別表示充氣手指固定部12的長(zhǎng)度和外徑,該尺寸大小根據(jù)實(shí)際安裝空間的大小進(jìn)行確定。
[0032]如圖2、圖3所示，充氣手指指尖14作為充氣手指I的指尖，用于接觸要抓取的物體、保持手指美觀、固定外部傳感器，增加手指的應(yīng)用等或其他需要用到指尖的場(chǎng)合。充氣手指指尖14為弧面，該弧面可以為球面、橢球面、類球面、橢圓拋物面、雙葉雙曲面等二次曲面，在本實(shí)施例中，優(yōu)選為半球面。充氣手指指尖14主要參數(shù)LI和Dl分別表示充氣手指指尖14的長(zhǎng)度和總寬度，主要參數(shù)Dl也是充氣手指I的總寬度，該尺寸與充氣手指彎曲部13的尺度匹配，在本實(shí)施中為半球面，也可以為其它形狀，以達(dá)到手指的美觀需要。
[0033]如圖2、圖3、圖4所示，充氣手指彎曲部13用于實(shí)現(xiàn)手指抓取或松開(kāi)的功能。另夕卜，充氣手指I抓取或松開(kāi)的功能依靠充氣手指彎曲部13的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，是充氣手指I的最關(guān)鍵部分。充氣手指彎曲部13由充氣手指彎曲限制變形面15和充氣手指彎曲變形面16組成。充氣手指彎曲限制變形面15為平面，充氣手指彎曲變形面16表面為波紋面，該波紋面之間距相等，在本發(fā)明實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式中，波紋面的波峰與波谷形狀相同，波紋面的縱截面上該波紋面的波峰與波谷均呈圓弧狀，且波峰與波谷之間通過(guò)一直線段相切過(guò)渡。其中，波峰半徑為R2，波谷半徑為R1，波峰半徑為R2與波谷半徑為Rl可以相等，可以不相等。波紋的整個(gè)長(zhǎng)度為S，波紋狀的波峰半徑為R2，波谷半徑為R1，波長(zhǎng)為L(zhǎng)4，這些參數(shù)根據(jù)實(shí)際需要實(shí)際所需工作空間進(jìn)行確定，并與要充氣手指指尖14總寬度Dl及波紋的整個(gè)長(zhǎng)度為S相匹配。在本發(fā)明實(shí)施例的其他實(shí)施方式中，該波紋面的縱截面也可以為正弦波、半圓波、三角波、矩形波等。
[0034]如圖2、圖3、圖5所示，充氣手指在實(shí)際加工過(guò)程中，W為未波紋處的脫模角度，該脫模角度指的是相切于弧Rl和弧R2的線段與橫截面V-V的夾角，脫模角度有利于柔性充氣手指I脫模，該脫模角度可以為0.5° -4°，例如0.5°、1°、2°、3°、4°等。充氣手指I有兩個(gè)重要參數(shù):H1為波谷最低位置和波峰最高位置在仰視圖的距離差，H2為波谷最低位置和波峰最高位置在主視圖的距離差。在充氣手指I內(nèi)相同空氣壓力下條件下和其它參數(shù)相同的情況下，Hl和H2越大，手指的剛度越小，則手指越容易彎曲，但是充氣手指I在模具中越難成型，甚至無(wú)法成型；H1和H2越小，手指的剛度越大，則手指不容易彎曲，但是充氣手指I在1吳具中各易成型。充氣手指I在能成型的基礎(chǔ)上，在充氣手指I內(nèi)相冋空氣壓力下條件下和其它參數(shù)相同的情況下，H2減小，充氣手指I抓取的負(fù)載越大，H2減大，充氣手指I抓取的負(fù)載越小。所以Hl和H2會(huì)有一個(gè)平衡，來(lái)滿足實(shí)際需要。但由于工藝限制、材料的非線性原因、以及不同壓力場(chǎng)合需求等原因，比較難建立精確的模型。Hl和H2這兩個(gè)參數(shù)可以在上述其它參數(shù)確定后，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)找到一個(gè)最優(yōu)值或滿足實(shí)際需要即可，可以遵循上述原則。
[0035]如圖5所示，為充氣手指I彎曲部分橫截面V-V的示意圖，柔性充氣手指彎曲部分橫截面V-V通過(guò)充氣手指彎曲限制變形部分虛擬平面17垂直的平面通過(guò)波谷中心位置并于來(lái)確定。其實(shí)施例為:當(dāng)參數(shù)Hl和H2通過(guò)試模確定后，在橫截面V-V上建立直角坐標(biāo)系(Υ，0，Ζ)。圓弧C和D可以分別由如下公式⑴和公式⑵來(lái)確定。[°°36] ?2 , ?a _ A/ι\
y +z ~Tw
[0037].2 , (D1 - 2Hj f - (D1 -1H7 f t _ f+[D1-2H2f^\
y Iz 叫:完 J= I 叫-完^2
[0038]其中Re表示圓弧C的半徑，且Re = D/2。當(dāng)Hl和H2確定后，圓弧C和D即可計(jì)算出來(lái)，其用于指導(dǎo)實(shí)際充氣手指I的外形和模具加工。以一個(gè)實(shí)際的充氣手指尺寸S等于 85.63mm、Dl 等于 15.06mm、Rl 等于 10.53mm、R2 等于 0.71mm、L4 等于 2.5mm 的情況下，Hl和H2分別等于1.85mm和0.98mm能較好的實(shí)現(xiàn)期望的目標(biāo)，本數(shù)據(jù)只是一個(gè)實(shí)例，但不局限于此。所發(fā)明的充氣手指1，當(dāng)Hl和H2確定后，圓弧C和D即可通過(guò)公式(I)和(2)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際手指I的外形和模具加工。
[0039]如圖6、圖7、圖8所示，圖6為充氣手指動(dòng)作初始狀態(tài)示意圖、圖7為充氣手指抓取動(dòng)作示意圖和圖8為柔性充氣手指松手動(dòng)作示意圖。充氣手指彎曲部13的手指抓取或松開(kāi)功能的工作原理為:充氣手指彎曲限制變形面15為限制拉伸面，充氣手指彎曲變形面16為變形面。圖6為初始狀態(tài)下，柔性充氣手指I內(nèi)有期望壓力PO，理論上的PO為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，實(shí)際由于加工誤差等原因，PO可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體標(biāo)定，柔性充氣手指I內(nèi)的壓力P等于期望壓力PO，壓力P指的是絕對(duì)壓力，此時(shí)柔性充氣手指I內(nèi)外壓力相對(duì)，充氣手指彎曲限制變形段1-5為一個(gè)平面。在圖7中，當(dāng)充氣手指I內(nèi)的壓力P大于期望壓力PO時(shí)(例如充氣手指I內(nèi)壓縮空氣為正壓時(shí))，充氣手指彎曲限制變形面15和充氣手指彎曲變形面1-6內(nèi)表面的法線方向都受P-PO正向壓力，由于充氣手指彎曲變形面16內(nèi)表面表面為波紋狀(皺褶狀)，充氣手指彎曲限制變形面15表面為平面，前者在受壓力時(shí)變形量較后者大，所以充氣手指彎曲部13向一個(gè)方向彎曲；同理，在圖8中，當(dāng)柔性充氣手指I內(nèi)的壓力P小于期望壓力PO時(shí)(例如充氣手指I內(nèi)壓縮空氣為負(fù)壓時(shí))，充氣手指彎曲部1-3向另外一個(gè)方向彎曲。
[0040]如圖9-圖12所示，圖9為柔性充氣手指彎曲部分橫截面第一種形狀示意圖、圖10為柔性充氣手指彎曲部分橫截面第二種形狀示意圖、圖11為柔性充氣手指彎曲部分橫截面第三種形狀示意圖、圖12為柔性充氣手指彎曲部分橫截面第四種形狀示意圖。在充氣手指I實(shí)際吹模加加工過(guò)程中，為保證充氣手指I容易脫模，充氣手指彎曲限制變形面15留有一定的弧度，在試模過(guò)程中，其大小根據(jù)實(shí)際充氣手指I的整體尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證充氣手指I順利脫模的基礎(chǔ)上，充氣手指彎曲限制變形面15盡量與充氣手指彎曲限制變形部分虛擬平面1-7重合。另外，充氣手指彎曲變形面16的橫截面可以是不同形狀的。如圖9中，充氣手指彎曲變形面16的橫截面為半圓弧，充氣手指I方便生產(chǎn)，變形量好，圖10中充氣手指彎曲變形面16的橫截面為小于半圓的弧(劣弧)，減少充氣手指I面積，降低成本，變形量小。圖11中充氣手指彎曲變形面16的橫截面為大于半圓的弧(優(yōu)弧)，充氣手指I變形量大，圖12中充氣手指彎曲變形面16的橫截面為任意一段弧，例如可以為橢圓弧、拋物線弧、雙曲線弧等，充氣手指I變形量較大。在本實(shí)施例中，充氣手指彎曲變形面16的橫截面為半圓弧，這些充氣手指彎曲變形面16所構(gòu)成的充氣手指I的加工方法和動(dòng)作原理相同。
[0041]本發(fā)明的一種柔性充氣手指，充氣手指作為一個(gè)整體，只采用一種材料，可以一次性加工成型。其為薄壁形式，通過(guò)常用的吹模工藝和吹塑機(jī)加工(也可以通過(guò)鑄模、三維打印等一次性成型工藝加工)，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，并具有加工成本低，精度高，容易批量化的特點(diǎn)。所采用的材料為常用吹塑材料，如PE、EVA等柔軟材料。其厚度可以為0.1-lmm，例如0.lmm、0.2mm、Imm等,優(yōu)選為0.2mm,所以重量非常輕。
[0042]本發(fā)明只通過(guò)機(jī)器人結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)彎曲功能，不依賴材料限制(只要是可以吹塑或類似工藝的材料都可以實(shí)現(xiàn))，不依賴材料的厚度(即不同功能的部分厚度既可以相同、也可以不相同)，加工時(shí)間短，實(shí)際加工過(guò)程顯示，只需要幾秒就可以加工出一個(gè)這樣的手指。重量非常輕(例如只有0.Sg，甚至更輕)，成本極低，非常適合工業(yè)化批量生產(chǎn)，不局限于實(shí)驗(yàn)室的樣品。
[0043]本發(fā)明的柔性充氣手指可以安裝在機(jī)器人的手掌上，用作機(jī)器人的手指。也可以用到其他任何需要抓取物品等用途的設(shè)備上。相對(duì)于現(xiàn)有的硅膠手指，它具有重量極輕、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)由于其具有很好的柔軟特性，這種特性使得其很好的安全的人機(jī)交互應(yīng)用。
[0044]盡管通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了揭示，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，在不偏離本發(fā)明構(gòu)思的條件下，對(duì)以上各構(gòu)件所做的變形、替換等均將落入本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，該充氣手指(1)包括: 充氣手指指尖(14)，該充氣手指指尖(14)位于所述充氣手指(1)的前端，用于接觸要抓取的物體； 充氣手指彎曲部(13)，該充氣手指彎曲部(13)位于所述充氣手指(1)的中部并連接所述充氣手指指尖(14)，用于實(shí)現(xiàn)充氣手指(1)的抓取或松開(kāi)； 充氣手指連接部，該充氣手指連接部位于所述充氣手指(1)的后端并連接所述充氣手指彎曲部(13)，用于固定充氣手指(1)，作為外部氣體進(jìn)入所述充氣手指(1)的通道，所述充氣手指(1)為一體化成型。
2.如權(quán)利要求1所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指連接部包括充氣手指固定部(12)及氣管連接部(11)，所述充氣手指固定部(12)連接所述充氣手指彎曲部(13)，用于固定所述充氣手指(1)，所述氣管連接部(11)與充氣手指固定部(12)相連接，用于連接外部氣管。
3.如權(quán)利要求1或2所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指彎曲部(13)包括充氣手指彎曲限制變形面(15)及該充氣手指彎曲限制變形面(15)相對(duì)應(yīng)的充氣手指彎曲變形面(16)，所述充氣手指彎曲限制變形面(15)與充氣手指彎曲變形面(16)相連接，所述充氣手指彎曲限制變形面(15)為平面，所述充氣手指彎曲變形面(16)的表面為波紋面。
4.如權(quán)利要求3所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述波紋面的波峰與波谷形狀相同。
5.如權(quán)利要求3所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指彎曲變形面(16)的橫截面呈圓弧形，該圓弧形為劣弧、優(yōu)弧或半圓弧中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指指尖(14)為弧面。
7.如權(quán)利要求2所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指固定部(12)為半圓柱狀連接管。
8.如權(quán)利要求2所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述氣管連接部(11)為圓柱狀連接管，該連接管外表面設(shè)有卡環(huán)(111)。
9.如權(quán)利要求1所述柔性機(jī)器人充氣手指，其特征在于，所述充氣手指(1)采用PE或EVA制成。
【文檔編號(hào)】B25J15/12GK104260104SQ201410465035
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】齊榮懷, 林天麟 申請(qǐng)人:深圳市創(chuàng)冠智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司