CN105881564A - 腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置 - Google Patents

Abstract

腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、颗粒材料、过滤层、弹性薄膜和流体。通过拉动第一拉膜件和第二拉膜件，弹性薄膜向上方凹陷变形，弹性薄膜包裹物体并自适应贴合物体外形，部分流体在受压迫状态进入通道件的上方，在弹性薄膜和物体之间可能形成密封的负压区域，在流体压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取；颗粒材料在弹性薄膜下方中的密度增加产生的固化效果会带来更大的抓持力。该装置实现了多维自适应抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体；能够实现多个方向对物体的适应，抓取稳定快速，结构简单。

Description

腱绳驱动颗粒阻塞的球形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，特别涉及一种腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术

机器人用手爪(或夹持器)抓物体，因此，手爪是机器人的重要终端。模仿人手研制的机器人手称为称为拟人机器人手或多指机器人手，已经有许多多指机器人手被研制出来，它们分别具有多个手指，各手指有多个旋转关节。其中，最为简单是二指夹持器(也称为工业夹持器)，模仿了带有二指手套的人手抓取(大拇指与四指开合)，或者类似于鸟喙衔取。它们在工业上被广泛采用，可以实现对指定形状、尺寸特殊物体很稳定地抓取，结构非常简单，成本很低，不少残疾人假手也因为二指夹持器的优点而大量采用这种手爪。但是二指夹持器的适应能力不强，不能去自动适应不同形状尺寸的物体。具有自适应特性的抓取装置可以有以下四大类：

(1)多指灵巧手

模仿人手的机器人灵巧手具有9个以上(甚至多达20个左右)自由度、数十个传感器和复杂的控制原理。灵巧手有独立控制的关节，能主动控制各个关节，从而实现灵巧的动作，主动抓取不同形状物体。从上世纪70年代以来，已经有多个国家研制出非常知名的各种灵巧手，例如，Salisbury手、Utah/MIT手、哈工大和德国宇航中心(DLR)的HIT/DLR系列手，北航的BH系列灵巧手，美国宇航局(NASA)的Robonaut R2手，英国Shadow机器人公司的Shadow系列手，东京大学的快速机器人手……。多指灵巧手结构复杂，传感与控制繁琐，成本昂贵，目前暂还未推广使用。

(2)多指欠驱动手

欠驱动手是一种介于工业夹持器和多指多关节主动驱动手之间的机器人手，属于智能机械范畴，利用机械方式达到传感与控制的目的，实现了少量电机驱动多个关节的功能，比较吸引人的是它可以自动适应不同形状、尺寸物体，减少了传感与控制需求。早在上世纪70年代，Hirose等人就设计出了一种自适应欠驱动手，近十年来得到越来越多的关注。已经开发出的欠驱动手有：加拿大Laval大学多连杆型的SARAH欠驱动手、意大利Prensilia公司的腱绳驱动的欠驱动手，哈工大、北航、上交大、华中科大和中科院合肥智能机械研究所等机构都在欠驱动手方面成果斐然。

灵巧手和欠驱动手两类并不互相独立，前者是指具有3个以上手指和9个以上自由度的多指手，后者是指手上的驱动器数目少于关节自由度数目。

但是灵巧手和欠驱动手都属于多指机器人手，手指与物体的接触受限于手指的数量和关节的数量，难以增加接触点，自适应能力还有限，抓取稳定性有待提高。

(3)柔性表面的机器人手

在多指机器人手的指段表面增加柔性或弹性材料，可以获得软指面抓取效果，指面的适应性得到很大提高，有利于抓取。但是由于手指指段的主体元件仍然是刚性的，因此仅可以获得局部自适应提高的效果，难以获得整体自适应效果。

(4)软体机器人手

在特种机器人手方面，相当多的工业手爪利用吸盘、磁铁等方式抓取物体。但是其适应面仍然有限。

美国康奈尔大学申请了一项通用夹持器专利(美国发明专利US20130106127A1)，所介绍的通用夹持器采用含有大量小颗粒的膜皮去适应物体形状，利用空气压缩机抽真空的方式，将膜皮内的空气抽走，留下的大量颗粒发生了颗粒阻塞硬化现象，从而仿佛长出了“手指”一般，可以自适应抓取不同形状、尺寸的物体。该通用夹持器的不足之处在于：采用抽气的方式，需要较大功率的气源，噪音大、能耗高、整个系统体积庞大，要有一段抽气的时间，将几乎所有的气都抽完才算抓取完成，抓取不快速。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果；抓持力大，抓取稳定快速；结构简单、控制容易。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、颗粒材料、过滤层、弹性薄膜和流体；所述通道件与基座固接；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第二拉膜件的上端相连，所述第二拉膜件的下端、弹性薄膜的上端和第一拉膜件的上端固接；所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端固接；所述弹性薄膜为可变形的弹性材料制作的中空密封结构；所述弹性薄膜的一部分位于通道件的下方，所述弹性薄膜的另一部分位于通道件的内部，所述弹性薄膜的一部分与通道件的内壁相接触；所述通道件包括至少1个通道；所述通道为中空的空腔结构，所述通道具有下出口和上出口；当通道的数量大于1时，所有的所述通道中的空腔相互连通，从下向上不同所述通道的空腔的容积依次减小；所述流体密封在弹性薄膜中；所述第一拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述第二拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述过滤层设置在弹性薄膜中，将弹性薄膜的中部空腔分割为上部和下部；所述颗粒材料被放置在弹性薄膜的下部空腔中；所述过滤层设置有小孔，该小孔可以通过流体但是不能通过颗粒材料；所述过滤层具有柔性。

本发明所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为水。

本发明所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端的中心区域相连。

本发明所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述颗粒材料包含由任何类型的金属、绝缘固体或半导体固体构成的小的、单个的固体颗粒或微粒中的任一种，包括一种或多种聚合物颗粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木屑、碎果壳、麦粒、玉米粉、金属颗粒、盐、种子中的任一种或者任意组合。

本发明装置利用驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、颗粒材料、过滤层、弹性薄膜和流体等综合实现了多维自适应抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体，核心原理是：驱动器通过传动机构拉动第一拉膜件和第二拉膜件，弹性薄膜向通道件的上方和内部不断变形，在通道件的配合下，装有流体的弹性薄膜包裹物体并自适应贴合物体外形，部分流体在受压迫状态陆续进入狭窄的通道件中，流体反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间可能形成密封的负压区域，在流体压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取；颗粒材料在弹性薄膜下方中的密度增加产生的固化效果会带来更大的抓持力；该装置能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果；该装置抓取稳定快速，结构简单，控制容易。

附图说明

图1是本发明提供的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置的一种实施例的剖视图。图2是图1所示实施例的立体外观图(未画出连接用的螺钉)。图3是图1所示实施例抓取物体时的剖视图。图4是图3的外观图。图5是图3的立体外观图。

在图1至图5中：

1-基座， 11-基座套筒， 12-电机支承件， 2-驱动器(电机)，

3-传动机构， 31-减速器， 32-联轴器， 33-转轴，

34-绕线筒， 4-通道件， 41-通道， 411-下出口，

412-上出口， 5-第一拉膜件， 6-第二拉膜件， 7-弹性薄膜，

8-流体， 81-颗粒材料， 82-过滤层， 9-物体。

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。

本发明设计的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置的一种实施例，如图1和图2所示，包括基座1、驱动器2、传动机构3、通道件4、第一拉膜件5、第二拉膜件6、颗粒材料81、过滤层82、弹性薄膜7和流体8；所述通道件4与基座1固接；所述驱动器2与基座1固接，所述驱动器2的输出轴与传动机构3的输入端相连，所述传动机构3的输出端与第二拉膜件6的上端相连，所述第二拉膜件6的下端、弹性薄膜7的上端和第一拉膜件5的上端固接；所述第一拉膜件5的下端与弹性薄膜7的下端固接；所述弹性薄膜7为可变形的弹性材料制作的中空密封结构；所述弹性薄膜7的一部分位于通道件4的下方，所述弹性薄膜7的另一部分位于通道件4的内部，所述弹性薄膜7的一部分与通道件4的内壁相接触；所述通道件4包括至少1个通道41；所述通道41为中空的空腔结构，所述通道41具有下出口411和上出口412；当通道41的数量大于1时，所有的所述通道41中的空腔相互连通，从下向上不同所述通道41的空腔的容积依次减小；所述流体8密封在弹性薄膜7中；所述第一拉膜件5采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述第二拉膜件6采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合。本实施例中，所述第一拉膜件5采用腱绳；所述第二拉膜件6采用腱绳；所述过滤层82设置在弹性薄膜7中，将弹性薄膜7的中部空腔分割为上部和下部；所述颗粒材料81被放置在弹性薄膜7的下部空腔中；所述过滤层82设置有小孔，该小孔可以通过流体8但是不能通过颗粒材料81；所述过滤层82具有柔性。

所述基座1包括基座套筒11和电机支承件12，所述基座套筒11与电机支承件12固接，所述驱动器2固定安装在电机支承件12上，所述通道件4的上部与基座套筒11固接。

本实施例中，所述流体8为水。所述第一拉膜件5的下端与弹性薄膜7的下端的中心区域相连。

本发明所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器2采用电机。

所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述颗粒材料包含由任何类型的金属、绝缘固体或半导体固体构成的小的、单个的固体颗粒或微粒中的任一种，包括一种或多种聚合物颗粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木屑、碎果壳、麦粒、玉米粉、金属颗粒、盐、种子中的任一种或者任意组合。本实施例中，所述颗粒材料为泡沫聚苯乙烯颗粒。

本实施例中，所述第一传动机构3包括减速器31、联轴器32、转轴33和绕线筒34；所述驱动器2的输出轴与减速器31的输入轴相连，所述减速器31的输出轴通过联轴器32与转轴33相连，所述转轴33套设在基座1中，所述绕线筒34套固在转轴33上，所述第二拉膜件的上端与绕线筒固接，第二拉膜件缠绕在绕线筒上。

下面结合图3、图4和图5，介绍本发明装置的工作原理如下：

本实施例初始状态如图1所示，弹性薄膜的下部区域与物体相接触，驱动器2转动，通过第一传动机构3拉动第二拉膜件6向上运动，拉动第一拉膜件5向上运动，弹性薄膜7被第一拉膜件5和第二拉膜件6拉动变形，在通道件4的摩擦阻碍下，弹性薄膜7与通道件4相接触的外侧区域保持在通道件4附近，流体8密封在弹性薄膜7内，流体8具有很好的流动性，弹性薄膜7的中心区域向上发生变形，本实施例在机器人臂部的运动下接触物体9，继续通过驱动器2拉动第一拉膜件5和第二拉膜件6，弹性薄膜7下部的变形加大，会在其下部形成一个愈加向内凹陷的结构，此时弹性薄膜7将包裹接触物体9的局部，伸直将物体的局部包裹到弹性薄膜的下部空腔中，部分水在受压迫状态陆续进入狭窄的两级通道，水反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间形成负压区域，在水压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取。该装置对不同形状与尺寸的物体9具有较好的适应性，从而可以实现抓取。

颗粒材料81位于流体8中，刚开始时颗粒材料81处于流态化(可流动的状态)；当第一拉膜件5和第二拉膜件6向上拉动时，流体8向上经过过滤层82流到上面的两级通道中，颗粒材料81在弹性薄膜7的下方空腔中的密度会不断增大，相互发生挤压和摩擦频繁，将出现颗粒阻塞的现象——颗粒材料81的流动性减小，于是这种颗粒材料81之间的挤压和摩擦产生的力会部分地施加到所抓持的物体9上，实现更好地抓持物体9的效果。

本发明装置利用驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、颗粒材料、过滤层、弹性薄膜和流体等综合实现了多维自适应抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体，核心原理是：驱动器通过传动机构拉动第一拉膜件和第二拉膜件，弹性薄膜向通道件的上方和内部不断变形，在通道件的配合下，装有流体的弹性薄膜包裹物体并自适应贴合物体外形，部分流体在受压迫状态陆续进入狭窄的通道件中，流体反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间可能形成密封的负压区域，在流体压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取；颗粒材料在弹性薄膜下方中的密度增加产生的固化效果会带来更大的抓持力；该装置抓取稳定快速，结构简单，控制容易。

Claims (5)

1.一种腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：包括基座、驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、颗粒材料、过滤层、弹性薄膜和流体；所述通道件与基座固接；所述驱动器与基座固接，所述驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与第二拉膜件的上端相连，所述第二拉膜件的下端、弹性薄膜的上端和第一拉膜件的上端固接；所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端固接；所述弹性薄膜为可变形的弹性材料制作的中空密封结构；所述弹性薄膜的一部分位于通道件的下方，所述弹性薄膜的另一部分位于通道件的内部，所述弹性薄膜的一部分与通道件的内壁相接触；所述通道件包括至少1个通道；所述通道为中空的空腔结构，所述通道具有下出口和上出口；当通道的数量大于1时，所有的所述通道中的空腔相互连通，从下向上不同所述通道的空腔的容积依次减小；所述流体密封在弹性薄膜中；所述第一拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述第二拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述过滤层设置在弹性薄膜中，将弹性薄膜的中部空腔分割为上部和下部；所述颗粒材料被放置在弹性薄膜的下部空腔中；所述过滤层设置有小孔，该小孔可以通过流体但是不能通过颗粒材料；所述过滤层具有柔性。

2.如权利要求1所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为水。

3.如权利要求1所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端的中心区域相连。

4.如权利要求1所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

5.如权利要求1所述的腱绳驱动颗粒阻塞的球形自适应机器人手装置，其特征在于：所述颗粒材料包含由任何类型的金属、绝缘固体或半导体固体构成的小的、单个的固体颗粒或微粒中的任一种，包括一种或多种聚合物颗粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木屑、碎果壳、麦粒、玉米粉、金属颗粒、盐、种子中的任一种或者任意组合。