申请/专利权人：江南大学;南京星辰智能科技有限公司

申请日：2019-05-17

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN110000803B

主分类号：B25J15/00

分类号：B25J15/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.08.06#实质审查的生效;2019.07.12#公开

摘要：本发明涉及一种仿动物舌的软体机器人手，包括供能模块，其上连接有舌状执行机构，其包括黏附层，其内部形成一端开口的半封闭腔体，黏附层通过所述开口与供能模块对接，黏附层另一端呈仿舌尖形结构，黏附层的表面上均布有仿丝状乳头结构；腔体内设有仿舌主体结构，其上沿轴向等间距套设有多个伸缩环，仿舌主体结构通过伸缩环与黏附层的内壁连接；仿舌主体结构内部中间嵌入一根支撑筋，其两侧面上沿长度方向分别粘附有一层结缔组织结构，其外侧面上沿长度方向，粘附有多条平行设置的呈矩形条状的翻转层；仿舌主体结构内部两侧分别嵌有横肌，横肌与仿舌主体结构的内壁之间设有一层弯曲筋。本发明具有黏取功能，适用场合广泛。

主权项：1.一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：包括供能模块（2），其上连接有舌状执行机构；所述舌状执行机构包括外层的黏附层黏附层（1）、仿丝状乳头结构（3）、结缔组织结构（4）、弯曲筋（5）、横肌（6）、翻转层（7）、伸缩环（8）、支撑筋（9）和仿舌主体结构（10）；所述黏附层（1）内部形成一端开口的半封闭腔体，黏附层（1）通过所述开口与供能模块（2）对接，黏附层（1）另一端呈仿舌尖形结构，黏附层（1）的表面上均布有仿丝状乳头结构（3）；所述腔体内设有呈椭圆柱状的仿舌主体结构（10），仿舌主体结构（10）上沿轴向等间距套设有多个伸缩环（8），伸缩环（8）由连续折弯状结构形成闭合环体，仿舌主体结构（10）通过伸缩环（8）与黏附层（1）的内壁连接；仿舌主体结构（10）内部中间位置嵌入一根支撑筋（9），支撑筋（9）位于仿舌主体结构（10）纵截面上，所述支撑筋（9）成矩形板状，支撑筋（9）的两侧面上沿长度方向，分别粘附有一层结缔组织结构（4），结缔组织结构（4）的外侧面上沿长度方向，粘附有多条平行设置的呈矩形条状的翻转层（7）；仿舌主体结构（10）内部两侧分别嵌有横肌（6），且所述横肌（6）沿仿舌主体结构（10）的内壁设置，横肌（6）与仿舌主体结构（10）的内壁之间设有一层弯曲筋（5）；弯曲筋（5）、翻转层（7）、伸缩环（8）分别与供能模块（2）连接，并在供能模块（2）的作用下发生形变，弯曲筋（5）和翻转层（7）发生形变，从而带动舌状执行机构，分别在仿舌主体结构（10）的两个相互垂直的纵截面内进行弯曲，伸缩环（8）在供能模块（2）驱动下，能够扩张或收缩，使舌状执行机构沿径向膨胀或收缩。

全文数据：一种仿动物舌的软体机器人手技术领域本发明涉及机器人手技术领域，尤其是一种仿动物舌的软体机器人手。背景技术传统工业抓取机器人具有超冗余和低刚度特性，柔顺性和灵巧性好，但其缺点在于，通常只能应用于结构化环境，即抓取空间受限，承受外部载荷的能力较差，在产品分拣、传输等方面的工作效率不高，难以广泛应用于工农业生产场合。发明内容本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的仿动物舌的软体机器人手，对舌本体及其表面微结构进行仿生结构设计，从而提高机器人手的抓取及黏取能力。本发明所采用的技术方案如下：一种仿动物舌的软体机器人手，包括供能模块，其上连接有舌状执行机构；所述舌状执行机构的结构为：包括外层的黏附层，所述黏附层内部形成一端开口的半封闭腔体，黏附层通过所述开口与供能模块对接，黏附层另一端呈仿舌尖形结构，黏附层的表面上均布有仿丝状乳头结构；所述腔体内设有呈椭圆柱状的仿舌主体结构，仿舌主体结构上沿轴向等间距套设有多个伸缩环，伸缩环由连续折弯状结构形成闭合环体，仿舌主体结构通过伸缩环与黏附层的内壁连接；仿舌主体结构内部中间位置嵌入一根支撑筋，所述支撑筋成矩形板状，支撑筋的两侧面上沿长度方向，分别粘附有一层结缔组织结构，结缔组织结构的外侧面上沿长度方向，粘附有多条平行设置的呈矩形条状的翻转层；仿舌主体结构内部两侧分别嵌有横肌，且所述横肌沿仿舌主体结构的内壁设置，横肌与仿舌主体结构的内壁之间设有一层弯曲筋。其进一步技术方方案在于：所述横肌在仿舌主体结构的内部沿轴向间隔设有多个，且位于仿舌主体结构内部两侧的横肌对称设置。每个横肌呈内凹弧形的板状结构，弯曲筋与横肌结构相同，其一侧面且紧贴于横肌表面上，另一侧面紧贴于仿舌主体结构的内壁上。支撑筋位于仿舌主体结构纵截面上，与仿舌主体结构横截面上的长轴重合，且支撑筋的长度小于仿舌主体结构的长度；支撑筋两侧面上的结缔组织结构对称设置，且两个结缔组织结构上的翻转层也对称设置。伸缩环、翻转层和弯曲筋均采用形状记忆合金SMA材质，且分别通过导线与位于供能模块中的电源装置电连接。黏附层、仿舌主体结构、支撑筋和横肌均采用有机硅胶材质。结缔组织结构采用聚氯乙烯或聚丙烯材料。仿丝状乳头结构呈阵列状，均匀布置在黏附层表面上，并采用微细纤维材质制成。黏附层的呈仿舌尖形结构具体地为半椭球形结构。本发明的有益效果如下：本发明结构合理，操作方便，通过供能模块提供电能、热能或磁能，通过支撑筋对仿舌主体结构提供柔性支撑力，通过翻转层、弯曲筋嵌入到仿舌主体结构中，并在供能模块作用下，在电场、热场或磁场效应下发生形变，带动仿舌主体结构及黏附层实现不同角度的弯曲，通过伸缩环在同样的场效应作用下发生形变，驱动仿舌主体结构和黏附层沿径向进行伸缩；附着黏取过程中，仿舌主体结构将变形内力传递到黏附层，并造成仿丝状乳头结构与目标物体表面的按压与剪切，进而实现抓取黏取效果。大大提高了抓取稳定性，承受外部载荷的能力强，适用于各种空间场合的物体抓取。附图说明图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的舌状执行机构去掉外层黏附层后的。图3为图2中从仿舌主体结构顶部向其内部看的透视图。图4为本发明的舌状执行机构拆去仿舌主体结构后的结构示意图。图5的本发明仿舌主体结构的示意图。图6为图1中A部放大图。图7为本发明工作状态的示意图。图8为本发明舌状执行机构向与图7中垂直的方向弯曲的状态示意图。其中：1、黏附层；2、供能模块；3、仿丝状乳头结构；4、结缔组织结构；5、弯曲筋；6、横肌；7、翻转层；8、伸缩环；9、支撑筋；10、仿舌主体结构。具体实施方式下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。如图1-图5所示，本实施例的仿动物舌的软体机器人手，包括供能模块2，其上连接有舌状执行机构；舌状执行机构的结构为：包括外层的黏附层1，黏附层1内部形成一端开口的半封闭腔体，黏附层1通过开口与供能模块2对接，黏附层1另一端呈仿舌尖形结构，黏附层1的表面上均布有仿丝状乳头结构3；腔体内设有呈椭圆柱状的仿舌主体结构10，仿舌主体结构10上沿轴向等间距套设有多个伸缩环8，伸缩环8由连续折弯状结构形成闭合环体，仿舌主体结构10通过伸缩环8与黏附层1的内壁连接；仿舌主体结构10内部中间位置嵌入一根支撑筋9，支撑筋9成矩形板状，支撑筋9的两侧面上沿长度方向，分别粘附有一层结缔组织结构4，结缔组织结构4的外侧面上沿长度方向，粘附有多条平行设置的呈矩形条状的翻转层7；仿舌主体结构10内部两侧分别穿嵌有横肌6，且横肌6沿仿舌主体结构10的内壁设置，横肌6与仿舌主体结构10的内壁之间设有一层弯曲筋5。如图1所示，黏附层1的呈仿舌尖形结构具体地为半椭球形结构。如图4所示，为从仿舌主体结构10顶部向下观察本发明的透视图，假设仿舌主体结构10为透明体，即可观察到嵌入其内的部件的结构：横肌6在仿舌主体结构10的内部沿轴向间隔设有多个，且位于仿舌主体结构10内部两侧的横肌6对称设置。每个横肌6呈内凹弧形的板状结构，弯曲筋5与横肌6结构相同，其一侧面且紧贴于横肌6表面上，另一侧面紧贴于仿舌主体结构10的内壁上。支撑筋9位于仿舌主体结构10纵截面上，与仿舌主体结构10横截面上的长轴重合，且支撑筋9的长度小于仿舌主体结构10的长度；支撑筋9两侧面上的结缔组织结构4对称设置，且两个结缔组织结构4上的翻转层7也对称设置。伸缩环8、翻转层7和弯曲筋5均采用形状记忆合金SMA材质，且分别通过导线与位于供能模块2中的电源装置电连接。黏附层1、仿舌主体结构10、支撑筋9和横肌6均采用有机硅胶材质。结缔组织结构4采用聚氯乙烯或聚丙烯材料。如图6所示，仿丝状乳头结构3呈阵列状，均匀布置在黏附层1表面上，并采用微细纤维材质制成。如图7所示，为本发明在翻转层7形变的作用下，弯曲后抓取并黏取目标物体的状态示意图。如图8所示，为本发明在弯曲筋5形变的作用下，弯曲后的状态示意图。本发明在实施过程中，供能模块2为舌状执行机构提供动力如电力、热力或磁力，本实施中，供能模块2为舌状执行机构提供电能，利用电源装置通过导线与翻转层7、伸缩环8以及弯曲筋5进行电连接，翻转层7、伸缩环8以及弯曲筋5采用的形状记忆合金SMA材质，通电后发生弹性形变，其中伸缩环8在供能模块2驱动下，能够扩张或收缩，扩张时，其连续折弯结构之间的角度变大，逐渐张开成圆环状，由于其固定在仿舌主体结构10的外表面和黏附层1内表面之间，因此成圆环状过程中，同时带动仿舌主体结构10、黏附层1变形，其表面积被拉伸后增大，反之，伸缩环8断开与供能模块2之间的电连接后，其恢复原有形状，带动仿舌主体结构10、黏附层1表面积恢复至初始状态，从而使舌状执行机构沿径向膨胀或收缩；同理，翻转层7、弯曲筋5通电后发生弹性形变，从而带动舌状执行机构，分别在仿舌主体结构10的两个相互垂直的纵截面内进行弯曲。仿丝状乳头结构3采用微米级的微细纤维材质，仿造动物舌表面的丝状乳头结构，在抓取目标物体时，舌状执行机构发生弯曲形变，黏附层1贴合目标物体，仿丝状乳头结构3与目标物体表面发生附着效应：与目标物体表面进行按压与剪切进而实现抓取及黏取效果。本发明的黏取机理：首先根据单个仿丝状乳头结构3与目标物体表面的局部作用，建立单个仿丝状乳头结构3几何模型、及其与目标物体表面侧向接触黏附模型。梳理出单个仿丝状乳头结构3几何参数、接触方向等多种对黏附性能有影响的参数，分析这些参数对于单个仿丝状乳头结构3的局部增摩作用。然后考虑仿丝状乳头结构阵列与目标物体表面的整体作用，由于舌表面微结构对不同形貌、粗糙度、湿滑程度的目标物体黏附能力不同，将包含干黏附、湿黏附以及摩擦锁合效应在内的多种界面效应纳入建模因素。再根据超微形态观察获取的动物舌表面凸起及丝状乳头的结构形态、尺寸、分布密度、丝状乳头的倾斜角度等生物学数据进行仿舌表面微观尺度结构设计，并得到跨尺度结构制备工艺的方法。以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

权利要求：1.一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：包括供能模块2，其上连接有舌状执行机构；所述舌状执行机构的结构为：包括外层的黏附层1，所述黏附层1内部形成一端开口的半封闭腔体，黏附层1通过所述开口与供能模块2对接，黏附层1另一端呈仿舌尖形结构，黏附层1的表面上均布有仿丝状乳头结构3；所述腔体内设有呈椭圆柱状的仿舌主体结构10，仿舌主体结构10上沿轴向等间距套设有多个伸缩环8，伸缩环8由连续折弯状结构形成闭合环体，仿舌主体结构10通过伸缩环8与黏附层1的内壁连接；仿舌主体结构10内部中间位置嵌入一根支撑筋9，所述支撑筋9成矩形板状，支撑筋9的两侧面上沿长度方向，分别粘附有一层结缔组织结构4，结缔组织结构4的外侧面上沿长度方向，粘附有多条平行设置的呈矩形条状的翻转层7；仿舌主体结构10内部两侧分别嵌有横肌6，且所述横肌6沿仿舌主体结构10的内壁设置，横肌6与仿舌主体结构10的内壁之间设有一层弯曲筋5。2.如权利要求1所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：所述横肌6在仿舌主体结构10的内部沿轴向间隔设有多个，且位于仿舌主体结构10内部两侧的横肌6对称设置。3.如权利要求2所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：每个横肌6呈内凹弧形的板状结构，弯曲筋5与横肌6结构相同，其一侧面且紧贴于横肌6表面上，另一侧面紧贴于仿舌主体结构10的内壁上。4.如权利要求1所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：支撑筋9位于仿舌主体结构10纵截面上，与仿舌主体结构10横截面上的长轴重合，且支撑筋9的长度小于仿舌主体结构10的长度；支撑筋9两侧面上的结缔组织结构4对称设置，且两个结缔组织结构4上的翻转层7也对称设置。5.如权利要求1-4之一所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：伸缩环8、翻转层7和弯曲筋5均采用形状记忆合金SMA材质，且分别通过导线与位于供能模块2中的电源装置电连接。6.如权利要求5所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：黏附层1、仿舌主体结构10、支撑筋9和横肌6均采用有机硅胶材质。7.如权利要求5所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：结缔组织结构4采用聚氯乙烯或聚丙烯材料。8.如权利要求5所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：仿丝状乳头结构3呈阵列状，均匀布置在黏附层1表面上，并采用微细纤维材质制成。9.如权利要求5所述的一种仿动物舌的软体机器人手，其特征在于：黏附层1的呈仿舌尖形结构具体地为半椭球形结构。

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