本發(fā)明涉及了一種柔性儲能抓手，具體涉及一種零功耗保持的柔性儲能抓手。
背景技術：
1、柔性儲能抓手由于采用柔性材料制造，具有良好的順應性和安全的人機交互特性，在服務機器人、醫(yī)療輔助、可穿戴設備等領域具有廣泛的應用前景。
2、然而，現(xiàn)有大多數(shù)柔性儲能抓手依靠氣壓驅(qū)動，在抓取物體后需要持續(xù)充氣以維持閉合狀態(tài)，導致系統(tǒng)存在持續(xù)能耗高、效率低的問題。雖然通過設置單向閥或止回閥可在一定程度上保持內(nèi)部氣壓，但閥門的引入增加了系統(tǒng)質(zhì)量、體積及結(jié)構(gòu)復雜性，從而限制了柔性儲能抓手在如無人機等輕量化、緊湊型平臺上的應用。此外，閥門或氣路中微小的泄漏也會導致內(nèi)部氣壓逐漸降低，進而造成抓取力衰減，最終出現(xiàn)抓取失效。
3、部分研究者提出了基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的柔性儲能抓手方案，試圖在無持續(xù)供能條件下保持抓取狀態(tài)，但此類結(jié)構(gòu)通常依賴于復雜的幾何觸發(fā)機制，其穩(wěn)態(tài)切換條件隨機性大、可控性差，容易導致抓取失敗或誤抓取。此外，現(xiàn)有柔性儲能抓手普遍存在整體體積較大、集成度低的問題，不利于其在移動機器人、小型無人系統(tǒng)等場景中的高效集成與應用。
技術實現(xiàn)思路
1、為了解決背景技術中存在的問題，本發(fā)明所提供一種零功耗保持的柔性儲能抓手。本發(fā)明解決目前柔性儲能抓手能耗高、結(jié)構(gòu)復雜、集成度低及控制不穩(wěn)定等問題，柔性儲能抓手在初始狀態(tài)下為閉合狀態(tài)，而在充氣驅(qū)動時轉(zhuǎn)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)零功耗保持的物體抓取。本發(fā)明不僅大幅度降低了能量消耗，還有效減少了系統(tǒng)體積，具備結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、響應靈敏、控制簡單等優(yōu)點，特別適合用于高集成度機器人系統(tǒng)或需要持續(xù)抓取的場景（例如無人機抓在物體上棲息）。
2、本發(fā)明采用的技術方案是：
3、本發(fā)明的零功耗保持的柔性儲能抓手包括基座、若干柔性儲能手指和若干固定裝置，柔性儲能手指為兩個及以上，各個柔性儲能手指的根端通過各自的一個固定裝置均勻間隔安裝在基座底部下方，各個柔性儲能手指連通外部的供氣裝置；各個柔性儲能手指在無外加能量下通過自身的變形差保持螺旋卷曲狀態(tài)，以實現(xiàn)目標物體的零功耗保持抓取。
4、每個所述的柔性儲能手指包括層疊布置的應變限制層和彈性基體，彈性基體內(nèi)部開設氣腔，彈性基體的手指根部夾持在固定裝置中，手指根部的指端面上開設連通氣腔的進氣口并通過氣管穿設過基座后連通至外部的供氣裝置；應變限制層和彈性基體所在的一側(cè)分別作為柔性儲能手指的指背面和指腹面。
5、所述的彈性基體在預拉伸至原長度的2-3倍的狀態(tài)下與應變限制層粘接并釋放，以通過變形差朝柔性儲能抓手中心螺旋卷曲并保持。
6、所述的彈性基體的氣腔沿彈性基體的長度方向設置并位于靠近指腹面的一側(cè)，以限制彈性基體的螺旋卷曲方向并增強彈性基體在充氣膨脹時的伸長效應。
7、所述的應變限制層沿彈性基體的長度方向粘接在彈性基體的除了手指根部的表面至彈性基體的末端。
8、所述的柔性儲能手指的末端為斜面且在伸直時與應變限制層之間呈銳角。
9、所述的基座包括頂蓋和由若干橫臂構(gòu)成的底板，頂蓋安裝在底板的頂面中心，底板通過頂蓋安裝在固定位置處，頂蓋上分布有與外部設備連接的安裝孔，每個柔性儲能手指的手指根部通過固定裝置安裝在各自的一個橫臂的端部下方，各個柔性儲能手指繞底板中心沿周向均勻間隔布置；每個柔性儲能手指上方的橫臂上開設有通過氣管的過孔。
10、所述的固定裝置包括第一固定支架和第二固定支架，第一固定支架的頂面安裝在橫臂的底面，第二固定支架安裝在第一固定支架的側(cè)面并將柔性儲能手指的手指根部夾持在第一固定支架和第二固定支架之間。
11、所述的第一固定支架和第二固定支架夾持柔性儲能手指的手指根部時與手指根部緊貼的面分別為第一夾緊面和第二夾緊面，第一夾緊面和第二夾緊面的表面為粗糙結(jié)構(gòu)或增大摩擦的表面結(jié)構(gòu)。
12、本發(fā)明的零功耗保持的柔性儲能抓手的抓取方法：
13、所述的柔性儲能抓手在抓取目標物體時，首先將柔性儲能抓手通過基座的頂蓋安裝在外部機械臂或移動機器人上，并將各個氣管與外部的供氣裝置連接，通過控制機械臂或移動機器人使得各個柔性儲能手指移動至待抓取的目標物體的上方，然后控制供氣裝置向各個柔性儲能手指的氣腔充氣，此時彈性基體因氣腔的內(nèi)壓強增大而膨脹伸長，各個柔性儲能手指打開，此時通過緩慢放氣，使得柔性儲能手指將逐漸彎曲并輕柔地抓取目標物體；或者通過快速放氣，使得柔性儲能手指迅速彎曲以抓取目標物體完成抓取后，柔性儲能抓手零功耗保持夾持狀態(tài)；再次向氣腔內(nèi)充氣，柔性儲能抓手打開并釋放目標物體，完成抓取-零功耗保持-釋放的過程。
14、本發(fā)明的有益效果是：
15、1、本發(fā)明的柔性儲能抓手僅在開閉切換過程中需要能量輸入，抓取保持階段無需持續(xù)供能，實現(xiàn)了零功耗保持。該設計顯著降低了系統(tǒng)能量消耗，具有節(jié)能、驅(qū)動靈活、控制簡便的優(yōu)點。
16、2、本發(fā)明的柔性儲能抓手在初始狀態(tài)下呈螺旋彎曲收縮形態(tài)，能夠在未充氣時自然保持閉合，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊、體積小、重量輕，便于與機械臂、無人機或移動機器人系統(tǒng)集成使用。
17、3、本發(fā)明僅需在現(xiàn)有柔性儲能手指的預拉伸面粘貼應變限制膜，即可形成具備零功耗保持功能的柔性儲能抓手。該方法不依賴復雜的結(jié)構(gòu)改造或特殊材料，具有工藝簡便、成本低、易于批量化生產(chǎn)和推廣的優(yōu)點。
18、4、由于應變限制膜的存在，使柔性儲能手指在放氣狀態(tài)下形成可重復的螺旋卷曲形變，從而保證抓取動作的可控性和穩(wěn)定性，避免了傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)觸發(fā)條件隨機、誤抓取等問題。
19、綜上，本發(fā)明的柔性儲能抓手能夠在放氣狀態(tài)下實現(xiàn)零功耗保持抓取，僅在開閉切換時需要能量，既降低了能耗，又提高了抓取系統(tǒng)的集成度與可靠性，具有節(jié)能、驅(qū)動靈活、結(jié)構(gòu)簡單且便于與機械臂或移動機器人集成的優(yōu)點，特別適用于高集成度機器人平臺及需要長時間維持抓取力的應用場景（如無人機掛載、懸停抓取或壁面棲息等）。
1.一種零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：包括基座（10）、若干柔性儲能手指（20）和若干固定裝置，各個柔性儲能手指（20）的根端通過各自的一個固定裝置均勻間隔安裝在基座（10）底部下方，各個柔性儲能手指（20）連通外部的供氣裝置；各個柔性儲能手指（20）在無外加能量下通過自身的變形差保持螺旋卷曲狀態(tài)，以實現(xiàn)目標物體的零功耗保持抓取。
2.根據(jù)權利要求1所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：每個所述的柔性儲能手指（20）包括層疊布置的應變限制層（21）和彈性基體（22），彈性基體（22）內(nèi)部開設氣腔（25），彈性基體（22）的手指根部（24）夾持在固定裝置中，手指根部（24）的指端面（26）上開設連通氣腔（25）的進氣口并通過氣管（23）穿設過基座（10）后連通至外部的供氣裝置；應變限制層（21）和彈性基體（22）所在的一側(cè)分別作為柔性儲能手指（20）的指背面和指腹面。
3.根據(jù)權利要求2所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的彈性基體（22）在預拉伸至原長度的2-3倍的狀態(tài)下與應變限制層（21）粘接并釋放，以通過變形差朝柔性儲能抓手中心螺旋卷曲并保持。
4.根據(jù)權利要求2所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的彈性基體（22）的氣腔（25）沿彈性基體（22）的長度方向設置并位于靠近指腹面的一側(cè)，以限制彈性基體（22）的螺旋卷曲方向并增強彈性基體（22）在充氣膨脹時的伸長效應。
5.根據(jù)權利要求2所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的應變限制層（21）沿彈性基體（22）的長度方向粘接在彈性基體（22）的除了手指根部（24）的表面至彈性基體（22）的末端。
6.根據(jù)權利要求2所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的柔性儲能手指（20）的末端為斜面且在伸直時與應變限制層（21）之間呈銳角。
7.根據(jù)權利要求2所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的基座（10）包括頂蓋（11）和由若干橫臂（13）構(gòu)成的底板，頂蓋（11）安裝在底板的頂面中心，底板通過頂蓋（11）安裝在固定位置處，每個柔性儲能手指（20）的手指根部（24）通過固定裝置安裝在各自的一個橫臂（13）的端部下方，各個柔性儲能手指（20）繞底板中心沿周向均勻間隔布置；每個柔性儲能手指（20）上方的橫臂（13）上開設有通過氣管（23）的過孔（14）。
8.根據(jù)權利要求7所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的固定裝置包括第一固定支架（30）和第二固定支架（40），第一固定支架（30）的頂面安裝在橫臂（13）的底面，第二固定支架（40）安裝在第一固定支架（30）的側(cè)面并將柔性儲能手指（20）的手指根部（24）夾持在第一固定支架（30）和第二固定支架（40）之間。
9.根據(jù)權利要求8所述的零功耗保持的柔性儲能抓手，其特征在于：所述的第一固定支架（30）和第二固定支架（40）夾持柔性儲能手指（20）的手指根部（24）時與手指根部（24）緊貼的面分別為第一夾緊面（35）和第二夾緊面（43），第一夾緊面（35）和第二夾緊面（43）的表面為粗糙結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權利要求1-9任一所述的零功耗保持的柔性儲能抓手的抓取方法，其特征在于：所述的柔性儲能抓手在抓取目標物體時，首先將柔性儲能抓手通過基座（10）的頂蓋（11）安裝在外部機械臂或移動機器人上，并將各個氣管（23）與外部的供氣裝置連接，通過控制機械臂或移動機器人使得各個柔性儲能手指（20）移動至待抓取的目標物體的上方，然后控制供氣裝置向各個柔性儲能手指（20）的氣腔（25）充氣，此時彈性基體（22）因氣腔（25）的內(nèi)壓強增大而膨脹伸長，各個柔性儲能手指（20）打開，此時通過緩慢放氣，使得柔性儲能手指（20）將逐漸彎曲并抓取目標物體；或者通過快速放氣，使得柔性儲能手指（20）迅速彎曲以抓取目標物體完成抓取后，柔性儲能抓手零功耗保持夾持狀態(tài)；再次向氣腔（25）內(nèi)充氣，柔性儲能抓手打開并釋放目標物體，完成抓取-零功耗保持-釋放的過程。