CN105583831A - 流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、多个滑动推杆、膜皮、流体、多个活塞和多个簧件。本发明装置用于机器人抓取物体，实现了离散空间自适应抓取功能：利用多个滑动推杆获得对物体大小和形状的自适应效果；利用流体排出、膜皮和推杆的弯曲弹性实现多个推杆向中心聚拢的弯曲变形，达到对物体的多向抓持效果；结构简单、能耗低、抓持快速、可靠性好、使用寿命长；借助大气压协助抓取，抓持稳定性高。

Description

流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置

技术领域

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术

机器人手在机器人领域中有广泛的用途，用于将机器人与物体临时的连接和固定起来，并能够在适当的时候进行释放，前者实现了抓取物体，后者实现了放开物体。一般的机器人手为了降低成本被制作成具有两个相对运动的部分，以便于最简单的实现抓取和释放功能。也有许多模仿人手的结构，设计为具有更多的手指和手指上具有若干关节，但是那样会带来机械系统、传感系统、控制系统和控制算法的复杂度和高昂的成本。部分机器人手具有适应性，即在抓取前并未知晓要抓取的物体是何种形状与大小，在抓取中也未对抓取的物体进行传感检测，但是却可以自适应地抓取，这种对于物体形状、大小的自动适应性能使得机器人手在实现更为广泛抓取不同物体的同时并不增加传感与控制需求。

PeterB.Scott在文献(PeterB.Scott,“The’Omnigripper’:aformofrobotuniversalgripper”,Robotica,vol.3:pp153-158,1985)中介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用夹持器Omnigripper。该夹持器具有两组杆簇集合，每组杆簇集合有多个相互平行的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组杆簇靠拢或离开，实现对物体的抓持。举例来说，当机器人的末端靠向放置在某个支持面(如桌面)上的物体时，物体挤压长杆使其向基座内滑动，由于长杆数量较多，且长杆较细(直径较小)，不同的长杆接触到不同的物体表面点，各长杆向手掌内的滑动距离不同，这种距离与物体的局部形状有关；之后，一左一右的两组杆簇集合再合拢夹持住物体，利用长杆从侧面夹持住物体，达到抓取目的。

该装置的不足之处在于：

(1)无法做到多向抓持。该装置对目标物体施加抓取力时，该抓取力只能沿着两组杆簇集合合拢的方向，相当于二指夹持器，产生的仅仅是一维夹持模式，夹持效果差。

(2)对于特定方向放置的长条状物体抓持失效。当目标物体与该方向平行且目标物体在该方向上长于该装置，则目标物体不会因两组伸缩杆合拢而受到抓持力，如抓取一个长条状的物体。

(3)结构复杂、能耗大。该装置有2组杆簇集合，需要2个相互运动的可运动支承件(或运动基座)、一套直线导轨、2个滑块、驱动器、传动机构等，结构较为复杂，且要让一个具有许多长杆的笨重杆簇集合运动是比较耗能的。

(4)长期使用的可靠性差。所有长杆及滑槽均暴露在工作环境中，在充满粉尘、飞絮的工厂车间环境中，长杆之间易夹入小的异物，滑槽中会因为积满尘絮纤维而无法滑动，各种影响和减小使用寿命的因素很多，在多粉尘的食品、纺织、矿业开采等工厂车间中，尘土吸附集聚在长杆及滑槽中，大大影响长杆在基座中滑动效果，甚至产生故障。

(5)抓持稳定性有待提高。该装置对目标物体的抓持力仅由两组杆簇集合合拢而产生，仅能采用抓持力的力封闭抓取物体，而缺少较好的包络式形封闭抓取效果，因为，力封闭抓取物体未必一定会产生形封闭抓取，但是形封闭抓取一定包括了力封闭抓取，因此抓取稳定性已达到形封闭为最好。

EricBrown等人在文献(EricBrown,NicholasRodenberga,JohnAmendb,AnnanMozeikac,ErikSteltzc,MitchellR.Zakind,HodLipsonb,HeinrichM.Jaegera.Universalroboticgripperbasedonthejammingofgranularmaterial.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica(PNAS),vol.107,no.44:18809–18814,doi:10.1073/pnas.1003250107,Sept.17,2010)中介绍了一种基于颗粒阻塞固化原理的通用机器人手。该机器人手包括可变形的膜皮、一个端口、滤网、放置在膜皮内流体(如气体)和大量颗粒材料(如咖啡颗粒)和流体源(例如泵或可排空容器)。

该装置的工作原理为：膜皮中的颗粒可在膜皮内自由运动，当机器人的末端靠向放置在某个支持面的物体时，物体可以挤压膜皮，使膜皮内的颗粒受到挤压而运动，不同颗粒在膜皮内的运动程度不同，这种运动程度与物体的形状有关，达到自适应物体形状的效果。之后，膜皮内的流体被吸走，颗粒由于滤网的存在留在膜皮内，颗粒由于相互挤压摩擦产生阻塞固化效果，利用固化的颗粒群体隔着膜皮对物体产生接触点，造成多指多点接触抓取的效果，此外局部可能产生密封的低压区域以获得大气压力辅助抓取效果。

该装置的不足之处在于：

(1)该装置采用大量的颗粒材料，颗粒材料的磨损会较大地减弱该装置的使用寿命；

(2)该装置在抓取不同的物体时需要调节装置内颗粒的多少以更好地抓取不同的物体，极大地减小了其通用性；

(3)该装置需要将膜皮内的流体几乎全部抽吸走，能耗大，抓取耗时长，流体源(如泵)成本高，可排空容器体积大或可排空容器的压力大。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置。该装置用于抓取物体，对物体大小和形状具有自适应性；达到对物体的多向抓持效果：能够在多个方向对物体提供抓持力，对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；结构简单、能耗低、抓持快速、抓取物体耗时短；适合在比较恶劣(如存在较多粉尘、飞絮)的工作环境中使用，长期使用的可靠性好，使用寿命长、抓持稳定性高。

本发明采用如下技术方案：

本发明设计的一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，包括基座和K个滑动推杆；每个所述滑动推杆的一端滑动镶嵌在基座中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆的中心线相互平行；本发明提供的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：该流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置还包括膜皮、流体、流体驱动源、K个活塞和K个簧件；所述基座包括K个通孔和至少一个端口；所述流体驱动源与端口相连；至少2个所述滑动推杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个活塞密封地滑动镶嵌在第i个通孔中，所述通孔的顶部与外界大气相通；所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个滑动推杆，或者所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个活塞；所述第i个滑动推杆与第i个活塞固接，所有所述滑动推杆的一端均从基座的同一侧伸出；所述膜皮可变形，所述膜皮具有开口，所述膜皮包裹所有滑动推杆伸出基座的部分，所述膜皮的开口密封固接在基座上；所述膜皮、基座与所有活塞构成一个对流体密封的腔室，流体密封在所述腔室中；所述端口为流体进入腔室的入口或离开腔室的出口；其中，K为大于1的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：还包括两个端口，其中一个端口为第一端口，另一个端口为第二端口。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体驱动源采用泵，所述泵与端口相连。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述泵为可逆作用泵。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮由柔性可排空的材料制成。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮由乙烯基、弹性材料、涂层布、聚酯薄膜和金属箔中的任意一种制成。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体驱动源采用流体容器，所述流体容器与端口连通。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为气体。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述气体为空气、氮气和惰性气体的任意一种。

本发明所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述滑动推杆包括至少一个不可弯曲、不可压缩的刚性杆和至少一个可弯曲、可压缩的弹性件；所述刚性杆和弹性件串联在一起。

本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：

本发明装置采用多个滑动推杆、可变形的膜皮与流体等综合实现离散空间自适应抓取功能，利用多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置，利用流体排出时大气压的帮助，膜皮收缩，使多个滑动推杆向装置的中心弯曲变形，达到对物体的多向抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；该装置仅需要一套杆簇，因此结构简单；仅需从膜皮中排出少量流体，就可以轻松让滑动推杆向中心弯曲变形和聚拢多个推杆从而达到抓持物体的目的，因此能耗低、抓持快速、耗时短；该装置中，所有的滑动推杆、活塞及通孔较好地封闭在了装置内部，因此该装置适合在比较恶劣(如存在较多粉尘、飞絮)的工作环境中使用，长期使用的可靠性好，使用寿命长；由于实现了多向抓取，能够在多个方向对目标物体提供抓持力，而且某些情况下还能够依靠滑动推杆挤压的膜皮与目标物体接触点之间产生局部低压区域，进一步依靠大气压辅助抓取，因此抓持稳定性高。

附图说明

图1是本发明提供的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置的一种实施例的剖视图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的一种三维外观图。

图4是图1所示实施例的另一种三维外观图。

图5是图1所示实施例除去柔性膜皮和夹紧圈的三维示意图。

图6是图1所示实施例除去柔性膜皮和夹紧圈的仰视图。

图7、图8和图9是图1所示实施例抓取长条状目标物体的过程示意图。

图10、图11和图12是图1所示实施例抓取球状目标物体的过程示意图。

图13和图14是图1所示实施例抓取球状物体的原理示意图。

图15是图1所示实施例抓取球状目标物体时，隐藏目标物体、柔性膜皮和夹紧圈三维示意图。

图16是图1所示实施例抓取球状目标物体时，隐藏目标物体、柔性膜皮、夹紧圈、下基座和一部分滑动推杆的正视图。

图17是图1所示实施例抓取长条状目标物体时，隐藏目标物体、柔性膜皮和夹紧圈的三维示意图。

图18是图1所示实施例抓取长条状目标物体时，隐藏目标物体、柔性膜皮、夹紧圈和下基座的正视图。

图19是图1所示实施例抓取长条状目标物体的三维示意图。

图20是图1所示实施例抓取球状目标物体的三维示意图。

图21是本发明的又一种实施例的滑动推杆的示意图。

在图1至图21中：

1-基座，11-上基座，12-下基座，111-第一端口，112-第二端口，

121-通孔，122-端口，21-簧件，22-活塞，23-滑动推杆，

231-刚性杆，232-弹性件，3-柔性膜皮，4-夹紧圈，5-支承面，

61-球形目标物体，62-长条状目标物体7-流体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。

本发明设计的一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，包括基座和K个滑动推杆；每个所述滑动推杆的一端滑动镶嵌在基座中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆的中心线相互平行；本发明提供的一种流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：该流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置还包括膜皮、流体、流体驱动源、K个活塞和K个簧件；所述基座包括K个通孔和至少一个端口；所述流体驱动源与端口相连；至少2个所述滑动推杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个活塞密封地滑动镶嵌在第i个通孔中，所述通孔的顶部与外界大气相通；所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个滑动推杆，或者所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个活塞；所述第i个滑动推杆与第i个活塞固接，所有所述滑动推杆的一端均从基座的同一侧伸出；所述膜皮可变形，所述膜皮具有开口，所述膜皮包裹所有滑动推杆伸出基座的部分，所述膜皮的开口密封固接在基座上；所述膜皮、基座与所有活塞构成一个对流体密封的腔室，流体密封在所述腔室中；所述端口为流体进入腔室的入口或离开腔室的出口；其中，K为大于1的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

取K＝36，则本发明所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示。该实施例包括基座1、膜皮3、流体7、36个活塞22、36个簧件21和36个滑动推杆23；每个所述滑动推杆23的一端滑动镶嵌在基座中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆23的中心线相互平行；所述基座1包括36个通孔121和至少一个端口122；全部所述滑动推杆23受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个活塞22密封地滑动镶嵌在第i个通孔121中，所述通孔121的顶部与外界大气相通；所述第i个簧件21的两端分别连接基座1与第i个活塞21；所述第i个滑动推杆23与第i个活塞22固接，所有所述滑动推杆23的一端均从基座1的同一侧伸出；所述膜皮3可变形，所述膜皮3具有开口，所述膜皮3包裹所有滑动推杆23伸出基座1的部分，所述膜皮3的开口密封固接在基座1上；所述膜皮3、基座1与所有活塞22构成一个对流体密封的腔室，流体密封在所述腔室中；所述端口122为流体进入腔室的入口或离开腔室的出口；其中，i＝1,2,…,36；i为自然数。

本实施例还包括两个端口，其中一个为第一端口111，另一个为第二端口112。

本实施例中，所述流体驱动源采用泵，所述泵与第一端口111相连接。本实施例中，所述泵为可逆作用泵。另一种实施例中，所述流体驱动源可以采用流体容器，所述流体容器与端口连通。

本实施例中，所述膜皮3由柔性可排空的材料制成。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮3由乙烯基、弹性材料、涂层布、聚酯薄膜和金属箔中的任意一种制成。本实施例中，所述膜皮3由弹性材料制成，所述膜皮采用橡胶材料。

本实施例中，所述流体为气体。

本发明所述的流体柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述气体为空气、氮气和惰性气体的任意一种。本实施例中，所述流体采用空气。

本实施例中，所述簧件21均为压簧；所述基座分为上基座11和下基座12，上基座11和下基座12均有36个通孔和至少一个端口；所述上基座11的第i个通孔与所述下基座12的第i个通孔同轴，所述上基座11的端口与所述下基座12的端口同轴，所述上基座11固定在下基座12上；所述第i个压簧的一端固定在上基座11的第i个通孔上，另一端与第i个活塞21的一端相连，每个所述滑动推杆23与活塞的另一端相连，所述活塞滑动镶嵌在下基座的通孔中；其中，i＝1,2,…,36；i为自然数。

本实施例还包括夹紧圈4，所述夹紧圈将膜皮3的开口以密封的关系固定在下基座12上。

本实施例中，所述基座1上的36个通孔121呈圆周阵列地包围端口122。

另一种实施例中，所述滑动推杆23，如图21所示，包括至少一个不可弯曲、不可压缩的刚性杆231和至少一个可弯曲、可压缩的弹性件232；所述刚性杆231和弹性件232串联在一起。所述弹性件可以是弹簧。

尽管较软的膜皮起到了软指面抓持的效果，不过，另一种实施例中，所述滑动推杆23的末端可以采用弹性材料，这样有利于实现更好的软指面抓取效果，推杆末端与膜皮的局部接触点扩展为接触区域，接触范围更大，抓取效果更好。

下面结合附图介绍图1所示实施例的工作原理。

本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图4所示，此时第一端口111和第二端口112均关闭，第i个滑动推杆23在第i个簧件21的作用下，第i个滑动推杆的大部分伸出基座并处在活塞22、基座1与膜皮3构成的腔室内，其中，i＝1,2,…,36，i为自然数。

在该实施例对目标物体实施抓取时，第二端口112打开，保持与第二端口112相连通的流体源的压力为大气压，或者将第二端口112与大气连通(本实施例中流体为气体)。由于在膜皮内的流体的压力与大气压相同，膜皮上处于平衡状态，此时滑动推杆可以自由滑动在通孔中。该装置在机械臂的带动下靠近放在支承面上的物体并对物体产生挤压。若装置内的滑动推杆23下方对应的膜皮3的区域碰触到了物体，则该滑动推杆23会在目标物体的反作用力下相对于抓持装置向上滑动；而若滑动推杆23下方对应的膜皮3的区域未碰触到目标物体，该滑动推杆23不会相对于抓持装置运动；由于不同的滑动推杆23在目标物体的挤压反作用力下产生了不同的滑动距离，故膜皮3自适应地包裹住目标物体，如图13所示。

之后，第二端口112关闭，第一端口111打开，在气泵的作用下基座1、活塞22与柔性膜皮3所构成的腔室内的部分或全部空气排出，导致该腔室内的压强小于外界大气压强，膜皮3受外界大气压强的挤压而收缩；由于活塞22在通孔中的一侧与外界大气相通(通孔的顶部与大气相连通)，故在膜皮收缩过程中，滑动推杆不会向上滑动；而由于滑动推杆23具有可弯曲的弹性，故滑动推杆23会受到膜皮3的挤压而向该装置中部有一定程度的聚拢弯曲变形，进而在目标物体的侧面对目标物体产生了挤压力——即抓持力，如图14、图15、图16、图17和图18所示。

在该实施例对目标物体产生了侧面挤压力后，该抓持装置在机械臂的运动下实现了对目标物体的抓取；并且当滑动推杆相对于目标物体足够密集时，在抓取某些目标物体时目标物体与该目标物体接触的膜皮3间会形成一个密闭空腔，该空腔内气体压强小于大气压强，此时大气压强还会辅助抓取物体。

在释放物体时，第一端口111关闭，第二端口112打开，基座1、活塞22与柔性膜皮3组成的腔室内重新充满气体，该腔室内压强与外界压强相同，因而膜皮3回复到了初始状态；此时移开机器人手装置，第i个滑动推杆23在第i个簧件21的作用下也回复到伸出基座最长的初始状态，并且滑动推杆不再受到膜皮挤压，因此滑动推杆恢复伸直的初始状态，进而对目标物体的抓取力消失，实现了对目标物体的释放。其中，i＝1,2,…,36；i为自然数。

本发明装置采用多个滑动推杆、可变形的膜皮与流体等综合实现离散空间自适应抓取功能，利用多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置，利用流体排出时大气压的帮助，膜皮收缩，使多个滑动推杆向装置的中心弯曲变形，达到对物体的多向抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；该装置仅需要一套杆簇，因此结构简单；仅需从膜皮中排出少量流体，就可以轻松让滑动推杆向中心弯曲变形和聚拢多个推杆从而达到抓持物体的目的，因此能耗低、抓持快速、耗时短；该装置中，所有的滑动推杆、活塞及通孔较好地封闭在了装置内部，因此该装置适合在比较恶劣(如存在较多粉尘、飞絮)的工作环境中使用，长期使用的可靠性好，使用寿命长；由于实现了多向抓取，能够在多个方向对目标物体提供抓持力，而且某些情况下还能够依靠滑动推杆挤压的膜皮与目标物体接触点之间产生局部低压区域，靠大气压协助抓取，因此抓持稳定性高。

Claims (10)

1.一种流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，包括基座(1)和K个滑动推杆(23)；每个所述滑动推杆(23)的一端滑动镶嵌在基座(1)中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆(23)的中心线相互平行；其特征在于：该流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置还包括膜皮(3)、流体(7)、流体驱动源、K个活塞(22)和K个簧件(21)；所述基座(1)包括K个通孔(121)和至少一个端口(122)；所述流体驱动源与端口相连；至少2个所述滑动推杆(23)受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个活塞(22)密封地滑动镶嵌在第i个通孔(121)中，所述通孔(121)的顶部与外界大气相通；所述第i个簧件(21)的两端分别连接基座(1)与第i个滑动推杆(23)，或者所述第i个簧件(21)的两端分别连接基座与第i个活塞(21)；所述第i个滑动推杆(23)与第i个活塞(22)固接，所有所述滑动推杆(23)的一端均从基座(1)的同一侧伸出；所述膜皮(3)可变形，所述膜皮(3)具有开口，所述膜皮(3)包裹所有滑动推杆(23)伸出基座(1)的部分，所述膜皮(3)的开口密封固接在基座(1)上；所述膜皮(3)、基座(1)与所有活塞(22)构成一个对流体(7)密封的腔室，流体(7)密封在所述腔室中；所述端口(122)为流体(7)进入腔室的入口或离开腔室的出口；其中，K为大于1的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。

2.如权利要求1所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：还包括两个端口，其中一个端口为第一端口(111)，另一个端口为第二端口(112)。

3.如权利要求1或2所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体驱动源采用泵，所述泵与端口相连。

4.如权利要求3所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述泵为可逆作用泵。

5.如权利要求1所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮(3)由柔性可排空的材料制成。

6.如权利要求5所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述膜皮(3)由乙烯基、弹性材料、涂层布、聚酯薄膜和金属箔中的任意一种制成。

7.如权利要求1所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体驱动源采用流体容器，所述流体容器与端口连通。

8.如权利要求1所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体(7)为气体。

9.如权利要求8所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述气体(7)为空气、氮气和惰性气体的任意一种。

10.如权利要求1所述的流体驱动柔性杆簇自适应机器人手装置，其特征在于：所述滑动推杆包括至少一个不可弯曲、不可压缩的刚性杆和至少一个可弯曲、可压缩的弹性件；所述刚性杆和弹性件串联在一起。