【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人，具体涉及一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪及其运动学建模分析方法。
技术介绍
1、随着科技的迅速发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用。然而，传统的刚体机器人通常应用于特定的任务和环境，较低的灵活性和柔顺性使其在狭小空间或非结构化环境中，可能存在损坏或卡住的风险，导致任务失败。相比之下，柔性机器人的柔软性与高适应性使其在复杂、狭窄或不规则环境下表现出色。柔性手爪作为柔性机器人技术中的重要分支，具有独特的优势和广泛的研究价值。
2、表1不同驱动方式的柔性手爪优缺点对比
3、
4、综合表1中各种类型的柔性手爪，绳驱动柔性手爪重量轻、负载能力强且具有更高的定位精度，在深腔或非结构化环境中是最好的选择。
5、现阶段的绳驱动柔性手爪主要存在以下问题：
6、1.由于硅胶等柔性材料的特性，绳驱动手爪执行弯曲抓握任务时不牢固，同时柔性手爪多用于抓握易损物体，滑动掉落更易使之损坏；
7、2.当被抓物体体积超过柔性手爪的线长限制时，柔性手爪难以对其进行包络抓握；当被抓物体体积过小时，柔性手爪很难对其施加足够的接触面积和力量，难以实现精准的抓取。
8、3.现有的绳驱动柔性手爪多利用弯曲抓握完成抓取任务，在狭小或深腔环境中时，柔性手指难以弯曲，抓取物体面临困难。
技术实现思路
1、本专利技术针对现阶段绳驱动柔性手爪抓握不牢固、容易滑动，难以抓取偏大或偏小的物体，狭小或深腔环境中难以弯曲抓握等
2、所述柔性手爪包括具有三根手指，更容易适应不规则形状的物体，三根手指结构一致，且等距固定在控制盒的下方；手指均包括手指主体、手指底盘、舵机和舵盘；手指主体固定在手指底盘的下方，舵机和舵盘等距固定在手指底盘上，且舵机与舵盘对应设置；手指主体包括硅胶外壳和四根均匀分布的钓鱼线；硅胶外壳上设置有褶状纹理；硅胶外壳远离手指底盘的端部设置有吸附装置，用于通过吸附的方式实现物体抓取；每根钓鱼线的一端均固定在对应的舵盘上，钓鱼线的另一端固定在硅胶外壳的远端，舵机通过牵拉在硅胶外壳中的钓鱼线，使柔性手指实现偏转和弯曲。
3、所述硅胶外壳为由硅胶灌注而成的中空结构，空腔内设置有弹簧骨架，弹簧骨架用于避免手指主体连续变形时局部弯曲过大。吸附装置具体包括吸盘和吸盘固定件；控制盒内设置有气泵和单片机；气管从弹簧骨架内腔穿过，连接气泵与吸盘；单片机用于驱动气泵。
4、所述手指主体内的钓鱼线为四根，与舵机和舵盘对应连接，所述单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转改变钓鱼线的相对长度，实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制。
5、三根手指的结构设计一致，运动原理相同，以一根柔性手指为例进行运动学建模分析，通过对柔性手指进行正运动学分析和逆运动学分析，控制盒中单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转改变4根钓鱼线的相对长度，进而实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制，提高对柔性手爪抓取动作控制的精准性。
6、该柔性手爪具有三种抓取模式，可以适应多种工作环境，对不同大小、形状的物体进行抓取。
7、抓取模式一：当被抓物体体积大小适中，可以被柔性手爪包络时，单片机驱动舵机转动，带动舵盘旋转进而改变钓鱼线的相对长度，钓鱼线作为肌腱驱动三根柔性手指弯曲，对待抓取物体进行包络，完成抓取任务，同时手指表面的褶状纹理使抓取的稳定性更高。
8、抓取模式二：当物体体积过大超过柔性手爪的线长限制时，依靠手指弯曲包络无法完成抓取任务。此时单片机驱动气泵，利用柔性手爪末端的吸盘配合完成对偏大物体的抓取任务。当物体体积过小，致使手指弯曲包络很难对其施加足够的接触面积和力量，此时单片机驱动气泵，利用柔性手爪的吸盘完成对偏小物体的抓取任务。
9、抓取模式三：当面临狭小或深腔工作环境时，整个柔性手爪不能完全进入工作环境，并且手指的弯曲抓握受到限制。此时进行单指驱动，单根手指进入工作环境后单片机驱动气泵，利用手指末端吸盘的吸附功能完成抓取任务。
10、该柔性手爪可以在多种环境中高效完成对各种类型物体的抓取任务，并且在弯曲抓握时，柔性手指表面的褶状纹理可以增加手指与抓取对象表面之间的接触面积，提高摩擦力，减少被抓取物体滑动的风险，使柔性手爪的抓取更为稳定，同时由于褶状纹理的柔软性和可变性，柔性手爪可以更好地适应不同形状的物体，使得抓取多样化物体更加容易。
11、综上所述，由于采用了本技术方案，本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪和运动学建模分析方法，可以有效解决抓握不牢固、抓取偏大偏小物体存在困难和在狭小或深腔环境中难以抓握等问题，应用范围广，工作效率高，安全性和稳定性好，具有较高的应用价值。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，包括手指一(1)、手指二(2)、手指三(3)和控制盒(4)，三根手指结构一致，且等距固定在控制盒(4)的下方；每根手指均包括手指主体(11)、手指底盘(12)、四个舵机(13)和四个舵盘(14)；手指主体(11)固定在手指底盘(12)的下方，四个舵机(13)和四个舵盘(14)等距固定在手指底盘(12)上，且舵机(13)与舵盘(14)对应设置；手指主体(11)包括硅胶外壳(116)和四根均匀分布的钓鱼线(112)；硅胶外壳(116)上设置有褶状纹理(1161)；硅胶外壳(116)远离手指底盘(12)的端部设置有吸附装置，用于通过吸附的方式实现物体抓取；每根钓鱼线(112)的一端均固定在对应的舵盘(14)上，钓鱼线(112)的另一端固定在硅胶外壳(116)的远端，舵机(13)通过牵拉在硅胶外壳(116)中的钓鱼线(112)，使柔性手指实现偏转和弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述硅胶外壳(116)为中空结构，空腔内设置有弹簧骨架(113)，弹簧骨架(113)用于
3.根据权利要求2所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述吸附装置具体包括吸盘(114)和吸盘固定件(115)；控制盒(4)内设置有气泵(41)和单片机(42)；气管(111)从弹簧骨架(113)内腔穿过，连接气泵(41)与吸盘(114)；单片机(42)用于驱动气泵(41)。
4.根据权利要求3所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述硅胶外壳(116)由硅胶灌注而成；所述单片机(42)驱动舵机(13)转动，带动舵盘(14)旋转改变钓鱼线(112)的相对长度，实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的运动学建模分析方法，其特征在于：将手指主体(11)的形状简化为一个圆柱，设置手指主体(11)连接手指底盘(12)一端的中心点为基点O；以基点O为原点建立XYZ坐标系，对柔性手指进行恒曲率运动学建模，通过正运动学分析和逆运动学分析得到舵盘(14)旋转角度与手指主体(11)的位姿参数之间的映射关系；所述位姿参数包括偏转面与XOZ面的夹角φ；偏转面的恒曲率弯曲半径r；偏转面的圆心角θ。
6.根据权利要求5所述的运动学建模分析方法，其特征在于，所述手指主体(11)中钓鱼线(112)的初始长度设置为L，通过单片机(42)驱动舵机(13)，舵机(13)带动舵盘(14)旋转，手指发生弯曲偏转后，钓鱼线长度的变化量为qi(i＝1,2,3,4)，其中i表示第i根钓鱼线(112)，手指主体(11)中钓鱼线(112)的当前长度为li，手指主体(11)柱芯的横截面半径为R；基于上述运动过程，对柔性手指进行运动学分析，可以得到手指主体(11)的位姿参数φ、r、θ与钓鱼线(112)的变化量qi之间的关系。
7.根据权利要求6所述的运动学建模分析方法，其特征在于，对手指进行正运动学分析，当前钓鱼线(112)的长度为li；
8.根据权利要求7所述的运动学建模分析方法，其特征在于，对柔性手指进行逆运动学分析，将柔性手指的运动分解为两部分：柔性手指首先绕y轴弯曲角度θ，再绕z轴旋转角度φ，可以得到柔性手指基点O到变换后柔性手指末端点p(px,py,pz)的齐次变换矩阵T，
9.一种如权利要求1-4任一项所述的具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的抓取方法，所述柔性手爪根据权利要求5-8任一项所述的运动学建模分析方法驱动舵机(13)转动，其特征在于：所述柔性手爪具有三种抓取模式，以对不同大小、形状的物体进行抓取；
10.根据权利要求9所述的抓取方法，其特征在于，所述抓取模式二还包括当物体体积过小，致使手指弯曲包络很难对其施加足够的接触面积和力量，此时单片机(42)驱动气泵(41)，利用柔性手爪的吸附装置完成对偏小物体的抓取任务。
...【技术特征摘要】
1.一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，包括手指一(1)、手指二(2)、手指三(3)和控制盒(4)，三根手指结构一致，且等距固定在控制盒(4)的下方；每根手指均包括手指主体(11)、手指底盘(12)、四个舵机(13)和四个舵盘(14)；手指主体(11)固定在手指底盘(12)的下方，四个舵机(13)和四个舵盘(14)等距固定在手指底盘(12)上，且舵机(13)与舵盘(14)对应设置；手指主体(11)包括硅胶外壳(116)和四根均匀分布的钓鱼线(112)；硅胶外壳(116)上设置有褶状纹理(1161)；硅胶外壳(116)远离手指底盘(12)的端部设置有吸附装置，用于通过吸附的方式实现物体抓取；每根钓鱼线(112)的一端均固定在对应的舵盘(14)上，钓鱼线(112)的另一端固定在硅胶外壳(116)的远端，舵机(13)通过牵拉在硅胶外壳(116)中的钓鱼线(112)，使柔性手指实现偏转和弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述硅胶外壳(116)为中空结构，空腔内设置有弹簧骨架(113)，弹簧骨架(113)用于避免手指主体(11)连续变形时局部弯曲过大。
3.根据权利要求2所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述吸附装置具体包括吸盘(114)和吸盘固定件(115)；控制盒(4)内设置有气泵(41)和单片机(42)；气管(111)从弹簧骨架(113)内腔穿过，连接气泵(41)与吸盘(114)；单片机(42)用于驱动气泵(41)。
4.根据权利要求3所述的一种具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪，其特征在于，所述硅胶外壳(116)由硅胶灌注而成；所述单片机(42)驱动舵机(13)转动，带动舵盘(14)旋转改变钓鱼线(112)的相对长度，实现对柔性手指偏转方向和弯曲角度的控制。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有末端吸附功能的绳驱动褶状柔性手爪的运动学建模分析方法，其特征在于：将手指主...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭金柱，马瑞乐，于鹏飞，杨耀雨，司纪凯，辛健斌，张方方，刘艳红，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。