一种水压驱动的柔性机械手爪制造技术

本发明专利技术公开了一种水压驱动的柔性机械手爪，属于水下机械臂的关键零部件，该水液压驱动的柔性机械手爪主要由三个软体驱动器、压盘、压座等零部件组成。其中，软体驱动器由硅氟橡胶外表皮和V型内骨架组成。V型内骨架截面形状为椭圆形，驱动器末端与驱动器接头之间间隔设置有多个凹槽。该柔性机械手爪系统结构简单，以纯水为工作介质，当高压水流入一端封闭的V型内骨架时，由于其截断面为椭圆形，其管内壁各处受力不同，金属管会由弯曲逐渐变直，同时外部的硅氟橡胶外表皮也会随之由笔直变为向内弯曲状，从而实现手爪的抓取动作。本发明专利技术还可根据工作环境的不同进行扩展，得到二指、三指、四指、六指以及多指柔性机械手爪。

A flexible mechanical hand driven by water pressure

The invention discloses a hydraulically driven flexible mechanical gripper, which belongs to the key parts of an underwater manipulator. The water hydraulic driven flexible mechanical gripper is mainly composed of three software drivers, a pressure plate, a pressure seat and other components. The software driver is composed of the outer epidermis of the silicone and the internal skeleton of the V type. The shape of the inner frame of the V type is elliptical, and there are many grooves between the end of the drive and the joint of the drive. The flexible manipulator system has the advantages of simple structure, using pure water as the working medium, when the high pressure water into the closed end of the frame in the V, because the section is oval, the inner wall of each force, will gradually become the metal tube by bending straight silicon fluorine rubber while external skin will be straight for an inward curved shape, so as to realize the manipulatorgrasping movement. The invention can also be extended according to the different working environment, and the two fingers, three fingers, four fingers, six fingers and multi fingered flexible mechanical hands are obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种水压驱动的柔性机械手爪
本专利技术属于流体传动与控制领域，涉及一种以纯水为工作介质的机械手爪，尤其涉及一种水压驱动的三指柔性机械手爪，并且可以根据工作环境扩展成二指、三指、四指以及多指机械手爪。
技术介绍
传统机械手爪的研究以刚性结构为主，在工业、医疗和特种等诸多领域已经有了广泛的积累和应用。但其结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差，在一些特殊的应用中，如复杂易碎物体抓持、人机交互和狭窄空间作业等具有极大的挑战。近期，随着3D打印技术和新型智能材料的发展，对机械手爪系统的研究有了突破性的进展并衍生出一门新的学科——柔性机械手爪。柔性机械手爪本体采用软材料或柔性材料加工而成，可连续变形，从原理上具有无限自由度，自身良好的安全性和柔顺性弥补了刚性机械手的不足。现阶段柔性机械手爪的研究主要是以传统气动驱动为主，以超弹性硅胶材料作为本体材料，结合最新的3D打印技术的研究，这类机器人多事气动驱动，承压小，变形大。但是柔性机械手爪的发展同时也面临着很多困难，由于柔性机械手爪都是气体驱动，系统必须设计成闭式循环结构并配置压力补偿器，随着水深的增加，补偿器需要承受的背压越高，造成系统越发笨重复杂，由于气体驱动的柔性机械手爪承压小，无法在深海工作，所以现阶段急需提出一种以水作为工作介质的柔性机械手爪。水液压驱动的柔性机械手爪以纯水作为工作介质，利用水压泵直接从周边水域吸入水，系统做完功后又直接排回至周边环境，无需考虑封装、压力补偿等问题，系统配置简单，不污染环境，因此适合在水下尤其是大深度海洋环境中应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种水压驱动的柔性机械手爪，避免气压驱动的柔性机械手爪需要压力补偿装置。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水压驱动的柔性机械手爪，该机械手爪由手爪机械构件与液压驱动系统两部分组成。手爪机械构件包括压盘(1)、压座(2)、软体驱动器(3,4,5)和内六角圆柱螺钉(6,7,8)；液压驱动系统包括水压柱塞泵(10)、潜水电机(11)、过滤器(12)、水压溢流阀(13)、压力表(14)、水压高频电磁开关阀(15,16)、压力传感器(18)、程序控制器(19)和工控机(20)。软体驱动器(3,4,5)的末端设有多个软体驱动器末端凹糟(34)，中部设有多个软体驱动器中部凹槽(32)；软体驱动器(3,4,5)上设有软体驱动器顶部凸台(35)。软体驱动器(3,4,5)由V型内骨架(9)和外表皮组成，V型内骨架(9)由外表皮包裹；V型内骨架(9)的顶部设有V型内骨架顶部凸台(36)。软体驱动器中部凹槽(32)和软体驱动器末端凹糟(34)用以增大抓取物体的摩擦力，同时，能够增加软体驱动器(3,4,5)的弯曲程度。高压水从压盘(1)的入口进入内部通道，内部通道为三通式结构，三通式结构分别通向三个软体驱动器，保证高压水能够同时流入三个软体驱动器(3,4,5)的内部，驱动手爪机械构件进行工作。压座(2)上设有三个凹槽，软体驱动器顶部凸台(35)与压座(2)上的凹槽配合并通过内六角圆柱螺钉(6,7,8)将压盘(1)、压座(2)连接；V型内骨架顶部凸台(36)与软体驱动器顶部凸台(35)上的凹槽配合，配合处采用O型圈(31)进行密封。高压水从压盘(1)的内部通道流入软体驱动器(3,4,5)中的V型内骨架(9)后，V型内骨架(9)由弯曲变直，软体驱动器(3,4,5)在水压作用下发生弯曲变形，实现手爪的抓取动作。液压驱动系统中的水压柱塞泵(10)入口处安装有过滤器(12)并由潜水电机(11)驱动，水压柱塞泵(10)的出口处设有水压高频电磁开关阀(15)和水压溢流阀(13)，水压溢流阀(13)的入口处安装有压力表(14)，水压高频电磁开关阀a(15)和水压高频电磁开关阀b(16)的出口分为三路，这三路分别与与柔性机械手爪(17)上的三个软体驱动器(3,4,5)连接，驱动柔性机械手爪(17)进行抓取动作，柔性机械手爪(17)内部安装有压力传感器(18)，压力传感器(18)外部与程序控制器(19)连接，并通过程序控制器(19)将数据传输到工控机(20)上。压盘(1)和压座(2)由耐腐蚀性合金加工制造以适应深海环境。V型内骨架(9)为一端封闭的V型结构，V型内骨架纵向截面(33)形状为椭圆形，采用3J1、3J21、铍青铜等高弹性合金材料制成。外表皮采用硅氟橡胶等材料制成，并用注塑或3D打印的方式成型。机械手爪的数量根据需要扩展成二指、三指、四指甚至多指机械手爪。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果是：(1)该水压驱动的柔性机械手系统结构简单，以纯水为工作介质，整个系统为开式回路，直接从系统工作环境中吸水和排水，工作介质可以直接排放，避免环境污染等问题；(2)该水压驱动的柔性机械手系统解决了传统气压驱动的机械手不能应用于水下的难题，并且可以应用于几千米深海，避免气压驱动的柔性机械手爪需要压力补偿装置，并且具有较大的驱动力及抓取力。附图说明图1a是本专利技术设计的一种水液压驱动的柔性机械手爪的外部结构图；图1b是本专利技术设计的一种水液压驱动的柔性机械手爪的轴向剖面结构图；图2是本专利技术设计的液压驱动系统的原理图；图3a是本专利技术设计的软体手指外部结构图；图3b是本专利技术设计的软体手指另一视角的外部结构图；图3c是本专利技术设计的软体手指轴向剖面结构图；图3d是本专利技术设计的软体手指中高弹性合金管纵向剖面结构图；图中：1-压盘，2-压座，3-软体驱动器a，4-软体驱动器b，5-软体驱动器c，6-M5内六角螺钉a，7-M5内六角螺钉b，8-M5内六角螺钉c，9-高弹性合金管，10-水压柱塞泵，11-潜水电机，12-过滤器，13-水压溢流阀，14-压力表，15-水压高频电磁开关阀，16-水压高频电磁开关阀，17-柔性机械手爪，18-压力传感器，19-程序控制器，20-工控机，31-O型圈，32-软体驱动器中部凹槽，33-V型内骨架纵向截面，34-软体驱动器末端凹糟，35-软体驱动器顶部凸台，36-V型内骨架顶部凸台。具体实施方式本专利技术提供一种水液压驱动的柔性机械手爪，下面将结合附图对具体的实施方式做进一步的说明。如图1a所示，主要包括压盘(1)、压座(2)、软体驱动器(3,4,5)、内六角圆柱螺钉(6,7,8)等几部分，压盘(1)和压座(2)采用耐腐蚀性合金加工制造，可以适应深海环境。压盘(1)入口处设计成法兰式或者管接头式，可以根据不同工作环境进行调整，高压水从水压高频电磁开关阀(15)经过压盘(1)的入口流入内部通道，分别流向三个软体驱动器(3,4,5)，并且三个软体驱动器内部所受的压力及流入的流量都是相同的，可以实现三个手指的同步动作。软体驱动器(3,4,5)由内部为V型内骨架(9)和硅氟橡胶外表皮组成，软体驱动器(3,4,5)上设有软体驱动器顶部凸台(35)分别与压座(2)上的三个凹槽配合，同时，V型内骨架顶部凸台(36)与软体驱动器顶部凸台(35)上的凹槽配合，采用O型圈(31)进行密封。高压水从压盘(1)的内部通道流入软体驱动器(3,4,5)中的V型内骨架(9)以后，V型内骨架由弯曲变直，软体驱动器在水压作用下发生弯曲变形，实现手爪的抓取动作。如图2所示，液压驱动系统中的水压柱塞泵(10)入口处安装过滤器(12)并由潜水电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水压驱动的柔性机械手爪，其特征在于：该机械手爪由手爪机械构件与液压驱动系统两部分组成；手爪机械构件包括压盘(1)、压座(2)、软体驱动器(3,4,5)和内六角圆柱螺钉(6,7,8)；液压驱动系统包括水压柱塞泵(10)、潜水电机(11)、过滤器(12)、水压溢流阀(13)、压力表(14)、水压高频电磁开关阀(15,16)、压力传感器(18)、程序控制器(19)和工控机(20)；软体驱动器(3,4,5)的末端设有多个软体驱动器末端凹糟(34)，中部设有多个软体驱动器中部凹槽(32)；软体驱动器(3,4,5)上设有软体驱动器顶部凸台(35)；软体驱动器(3,4,5)由V型内骨架(9)和外表皮组成，V型内骨架(9)由外表皮包裹；V型内骨架(9)的顶部设有V型内骨架顶部凸台(36)；软体驱动器中部凹槽(32)和软体驱动器末端凹糟(34)用以增大抓取物体的摩擦力，同时，能够增加软体驱动器(3,4,5)的弯曲程度；高压水从压盘(1)的入口进入内部通道，内部通道为三通式结构，三通式结构分别通向三个软体驱动器，保证高压水能够同时流入三个软体驱动器(3,4,5)的内部，驱动手爪机械构件进行工作；压座(2)上设有三个凹槽，软体驱动器顶部凸台(35)与压座(2)上的凹槽配合并通过内六角圆柱螺钉(6,7,8)将压盘(1)、压座(2)连接；V型内骨架顶部凸台(36)与软体驱动器顶部凸台(35)上的凹槽配合，配合处采用O型圈(31)进行密封；高压水从压盘(1)的内部通道流入软体驱动器(3,4,5)中的V型内骨架(9)后，V型内骨架(9)由弯曲变直，软体驱动器(3,4,5)在水压作用下发生弯曲变形，实现手爪的抓取动作；液压驱动系统中的水压柱塞泵(10)入口处安装有过滤器(12)并由潜水电机(11)驱动，水压柱塞泵(10)的出口处设有水压高频电磁开关阀(15)和水压溢流阀(13)，水压溢流阀(13)的入口处安装有压力表(14)，水压高频电磁开关阀a(15)和水压高频电磁开关阀b(16)的出口分为三路，这三路分别与与柔性机械手爪(17)上的三个软体驱动器(3,4,5)连接，驱动柔性机械手爪(17)进行抓取动作，柔性机械手爪(17)内部安装有压力传感器(18)，压力传感器(18)外部与程序控制器(19)连接，并通过程序控制器(19)将数据传输到工控机(20)上。...

【技术特征摘要】
1.一种水压驱动的柔性机械手爪，其特征在于：该机械手爪由手爪机械构件与液压驱动系统两部分组成；手爪机械构件包括压盘(1)、压座(2)、软体驱动器(3,4,5)和内六角圆柱螺钉(6,7,8)；液压驱动系统包括水压柱塞泵(10)、潜水电机(11)、过滤器(12)、水压溢流阀(13)、压力表(14)、水压高频电磁开关阀(15,16)、压力传感器(18)、程序控制器(19)和工控机(20)；软体驱动器(3,4,5)的末端设有多个软体驱动器末端凹糟(34)，中部设有多个软体驱动器中部凹槽(32)；软体驱动器(3,4,5)上设有软体驱动器顶部凸台(35)；软体驱动器(3,4,5)由V型内骨架(9)和外表皮组成，V型内骨架(9)由外表皮包裹；V型内骨架(9)的顶部设有V型内骨架顶部凸台(36)；软体驱动器中部凹槽(32)和软体驱动器末端凹糟(34)用以增大抓取物体的摩擦力，同时，能够增加软体驱动器(3,4,5)的弯曲程度；高压水从压盘(1)的入口进入内部通道，内部通道为三通式结构，三通式结构分别通向三个软体驱动器，保证高压水能够同时流入三个软体驱动器(3,4,5)的内部，驱动手爪机械构件进行工作；压座(2)上设有三个凹槽，软体驱动器顶部凸台(35)与压座(2)上的凹槽配合并通过内六角圆柱螺钉(6,7,8)将压盘(1)、压座(2)连接；V型内骨架顶部凸台(36)与软体驱动器顶部凸台(35)上的凹槽配合，配合处采用O型圈(31)进行密封；高压水从压盘(1)的内部...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂松林，李延良，纪辉，尹方龙，杨宏磊，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11