CN107530887B - 机器人抓握器、联动装置及用于机器人抓握的方法 - Google Patents

Abstract

一种顺应性自适应机器人抓握器，包括多杆指形部联动装置，该联动装置包括指尖连杆、至少一个基座连杆、以及经由第一组接头与该基座连杆结合并经由第二组接头与指尖连杆结合的前连杆和后连杆。该基座连杆包括安装结构，从而允许该基座连杆安装在用于旋转致动的安装块上。这些接头之间的线性连接形成了基本上是平行四边形形式的形状，从而在基本上不改变该指尖连杆的取向的情况下在该前连杆和后连杆围绕该基座连杆进行枢转时使跨过该前连杆和后连杆的该线性连接保持基本上彼此平行，直到或除非该多杆指形部联动装置接触外部物体。

Description

机器人抓握器、联动装置及用于机器人抓握的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月5日提交的美国临时专利申请号62/128,775的优先权和权益，该临时专利申请由此通过引用以其全文结合于此。

政府支持

本发明是在由国家科学基金会(National Science Foundation)授予的批准号为IIP-1445364的政府支持下完成的。美国政府在本发明中享有某些权利。

背景技术

机械抓握在许多应用中是有利的，包括机器人学和修复学。在工业和物流机器人学方面，抓握器作为制造和包装过程的一部分来获取和移动物体，诸如装载和卸载机器以及将零件放入托盘和船运集装箱中。在典型的当前实践中，针对被处理的每个特定零件设计抓持器指形部，并且用于执行抓握和放置过程的编程专用于特定任务。这种定制化提高了可靠性，并减少了损坏物体的可能性。为每个任务和项目创建专门的硬件和软件需要熟练工人，从而增加了成本并降低了灵活性。

在家用和辅助机器人功能所在的非结构化环境中，可能需要可靠地和安全地抓握和放置各种各样的物品。当前的抓持器的能力受到限制，双指平口抓持器是最常用的(例如，PR2抓持器)。这些装置不能处理宽泛范围的物体尺寸和形状，并且确保可靠性通常需要在非结构化设置中昂贵且难以实现的大范围的感测和控制。

更精细的多指机器人手(例如，马萨诸塞州牛顿市的Barrett Technology公司的BarrettHand)具有机械灵活性来抓握范围更广泛的物体，但它们趋于昂贵。为了利用这些装置的适应多种多样的项目和设置的潜力，使用感测来检测物体特性，然后利用控制器用于必须编程的许多自由度。已经证明这种方法具有挑战性。

类似地，就可以被容纳的物体的范围而言，使用被动机构和/或顺应性来适应物体几何形状的当前的欠致动手是受限制的。现有的欠致动手还趋于制造昂贵，并且许多方法对于在非结构化环境中可能发生的冲突或者在工业应用中的编程和系统调试期间是不稳固的。

发明内容

本文中描述了一种顺应性自适应机器人抓握器(术语“抓握器”和“抓持器”在本文中可互换地用于指代相同的或相似的装置)以及使用和制作该抓握器的方法，其中设备和方法的各种实施例可以包括以下描述的部分或全部元件、特征和步骤。

一种顺应性自适应机器人抓握器包括多杆指形部联动装置，该联动装置包括：指尖连杆；至少一个基座连杆，该基座连杆位于该联动装置的与该指尖连杆的相反端处，其中，该基座连杆包括安装结构；以及前连杆和后连杆，该前连杆和后连杆在各自的第一组接头处与该指尖连杆结合、并且在各自的第二组接头处与该基座连杆结合，其中，这些接头之间的线性连接形成了基本上是平行四边形形式的形状，允许在该前连杆和后连杆围绕该基座连杆进行枢转时跨过该前连杆和后连杆的这些线性连接保持基本上彼此平行，而基本上不改变该指尖连杆的取向，直到或除非该指形部联动装置与外部物体接触。此外，致动器与该基座连杆联接以使该多杆指形部联动装置围绕该基座连杆旋转。

机器人抓握器可以使用被动力学来实现有效的抓握行为。该指形部结构可以被设计成用作运动联动装置机构，使得这些指形部在不需要精细的感测和控制的情况下适应物体形状和尺寸。指尖顺应性可以被设计成使得指尖连杆在初始接触时沿着物体表面偏转，这样允许成功抓握而不管是否存在定位误差。在指形部靠近物体时，指形部的形状变形，使得牢固地抓住物体而不管是否存在几何形状的较大变化。还可以控制这些指形部的平面外顺应性以允许与物体的有效的和非破坏性的相互作用。

四杆平行(或基本上平行的，例如，其中，每个连杆在1、2、3、4或5度内平行于联动装置的相反侧上的连杆，其中，经由与连杆两端的接头相交的直线来确定每个连杆的角度)联动装置包括被动和主动位移结构，其中，机器人指尖连杆相对于相邻的前连杆和后连杆保持固定的取向角度，直到这些连杆中的至少一者接触外部物体。如果前连杆接触物体，则在该(这些)指形部在物体周围闭合时，该(这些)指尖连杆可以沿着物体被动地枢转。如果该(这些)指尖连杆接触物体，则指尖连杆可以相对于物体保持固定的角度(例如，两个相对地面对的指形部可以接触相反侧的正交物体，并且这些指尖连杆可以保持平行于所接触的物体表面并且彼此平行(其中采用了多个指形部)，同时在这些指尖连杆接触这些表面之后、并且用增加的或连续的力将指形部夹紧到物体上时相对于相邻的前连杆和后连杆进行枢转)。在任一情况下，指尖连杆的取向与任一其他连杆的致动脱离联接。

抓握器的实施例的附加优点是，指形部可以使用广泛采用的聚合物模制技术来廉价地制造，从而降低成本。这种制造方法还提供了坚固的构造。

本文中描述的机器人抓握器的优点可以包括在不修改装置硬件的情况下处理宽泛范围的物体尺寸和形状的能力。机器人抓握器的实施例还可以在不需要精细的感测和控制的情况下处理各种物体，从而降低成本并增加可靠性。机器人抓握器可以廉价制造并且对于计划外的冲击是稳固的，并且在需要维护或更换之前可以具有较长的使用寿命。此外，与其他机器人抓持器/抓握器设计相比，可以以更高的确定性和准确性来执行指尖连杆的位置和取向的控制，这是由于例如本文中描述的抓握器的实施例中的指形部的主动和被动移位的独立性。

附图说明

图1是具有四杆结构的指形部10的示意图，该指形部包括指尖连杆16、前连杆18、后连杆19、基座连杆22以及限定在基座连杆22中的安装孔口24。

图2展示了由弹性体形成的单片式指形部10。

图3是具有两个对置的指形部10的机器人抓握器12的示意图。

图4展示了具有三个延伸的指形部10的抓握器12。

图5展示了如何在指形部10在基座连杆22处主动旋转时使指形部部件的相对定位和取向不移动。

图6展示了如何使从指形部10的指尖连杆16上的接触而来的外力14被动地引起接头26处的枢转并且使前连杆18和后连杆19相对于指尖连杆16和基座连杆22的位置和取向移动。

图7展示了图2的弹性体指形部10，其中外力产生了前连杆18和后连杆19的“剪切”。

图8展示了图2的弹性体指形部10，其中外力沿与图7的方向相反的方向产生了前连杆18和后连杆19的“剪切”；集成在前连杆18和后连杆19的结构中的硬止挡20限制了旋转/剪切的程度。

图9展示了如何使图2的指形部的前连杆18上的向下的力14在基座连杆22逆时针旋转的同时可以使得指尖连杆16相对于前连杆18和后连杆19进行枢转。

图10展示了具有经由孔口24安装到安装块30上并被定位成抓握物体28的指形部10的抓握器12。

图11展示了在指形部10在其基部连杆22处旋转以在指形部10与物体28之间产生接触而使得指尖连杆16以包封抓握的方式包绕物体28之后的图10的抓握器12。

图12展示了具有被定位成抓握物体28的指形部10的抓握器12，其中该物体28被定位在距基座连杆22比图10更远的位置。

图13展示了在指形部10在其基部连杆22处旋转以在指尖连杆16与物体28之间产生接触而使得指尖连杆16以捏紧抓握的方式抓握物体28之后的图12的抓握器12。

图14展示了指形部10，其中，前连杆18和后连杆19是非平行的，示出了旋转中心34。

图15展示了图14的指形部10，展示了指尖连杆16如何用被动接触力14进行枢转。

图16展示了具有平行连杆18和19的指形部10。

图17展示了图16的指形部10，示出了被动接触力14如何导致指尖连杆16的直线(非旋转)偏转。

图18展示了抓握器12，其中，该平行联动装置特征允许指形部10在指形部10被推到物体28上方时轻轻折曲。

图19示出了图18的抓握器12，其中指形部10在抓握器12被强制向下时进一步延伸跨过物体28，并且其中指尖连杆16经由围绕物体28的轮廓的直线偏转而滑动和枢转。

图20和图21展示了由前连杆18和后连杆19的形状提供的硬止挡20，以限制在硬止挡20与其他表面碰撞处的连杆的运动范围，从而防止指形部10的过度伸展并减少在行进限制处的被动顺应性。

图22展示了指形部10，其中连杆的形状与其他实施例中的连杆有所变化，以改变硬止挡20被致动的枢转位置；这个实施例的特征为：较薄的前连杆18和后连杆19以及基座连杆22和指尖连杆16的正交取向(竖直)端面32。

图23和图24展示了图22的指形部10的运动范围，其中向下的和向上的力14作用在指尖连杆16上。

图25至图27展示了指形部接头26如何允许指尖连杆16的平面外顺应性，其中，顺应度是接头26的宽度的函数。

图28至图30展示了具有分别用于安装在互补形状的轴上的矩形、六边形和花键形孔口24的指形部10。

图31展示了具有基座连杆22的指形部10，该基座连杆限定了用于安装在多个轴上的多个孔口24。

图32展示了具有基座连杆22的指形部10，该基座连杆包括用于通过相应孔口38安装在安装块30中的多个凸起的夹具36。

图33至图35展示了具有被安装在安装块30的互补孔口38中的快速改换夹具36的指形部。

图36展示了用于铸造指形部的较硬芯部的第一模具40(在打开位置展开)。

图37展示了第二模具42，该第二模具是展开的，用于铸造软橡胶涂层以在由第一模具40产生的较硬芯部上提供良好的抓持表面；在原位示出了铸造在模具40和42中的指形部10。

图38展示了包括两个基座连杆22的指形部10的替代性实施例，每个基座连杆单独附接至安装块30。

图39展示了指形部10的替代性实施例，其中，后连杆19由金属形成。

图40展示了指形部10的替代性实施例，其中，在后连杆19和指尖连杆16中包括硬插入件44。

图41展示了指形部10的替代性实施例，其中，内嵌式带或其他张紧元件用作前连杆18。

图42展示了指形部10的替代性实施例，其中，可以在压缩下变形的被模制的全柔性连杆用作前连杆18。

图43展示了具有金属后连杆的替代性实施例的指形部10的实施例，该金属后连杆具有嵌入在基座连杆22中的销接头。

图44展示了具有嵌入式(内嵌式)传感器的单片式指形部10，该单片式指形部包括触觉传感器46、磁力计48、有待由磁力计48读取的磁体50、以及选自微电子机械系统(MEMS)加速度计、MEMS陀螺仪和MEMS惯性测量单元的一个或多个附加传感器52；还示出了外部安装的磁力计54。

图45和图46展示了具有用于指尖连杆16的替代形状的指形部10；具体地，图45示出了前掠式指尖连杆16，而图46示出了后掠式指尖连杆16，而没有改变该设计的基本被动行为。

在附图中，贯穿这些不同的视图，类似的参考号指代相同或相似的部分；并且使用撇号来区分共享相同参考号的这些相同或相似物项的多个例子。该附图不一定是按比例绘制的；而是将重点放在展示以下讨论的示例中的具体原理上。

具体实施方式

从以下对本(这些)发明的较宽界限内的多种不同概念和具体实施例的更具体说明中，本发明的各个方面的以上以及其他的特征和优点将变得清楚。上文介绍的且在下文更详细讨论的主题的多个不同方面可以按众多方式中的任一种来实现，因为该主题不局限于任何具体的实现方式。具体实现方式和应用的实例主要是为了展示的目的来提供的。

除非本文另作定义、使用或表征，否则本文所使用的术语(包括技术类和科学类术语)应解释为具有与其在相关领域的背景下可接受的含义相一致的含义、并且不得在理想化的或过度正式的意义上进行解释，除非本文明确地如此定义。例如，如果提及了具体的成分，则该成分可以基本上是纯的但不是完全纯的，因为可能适用了实际而不完美的现实；例如，潜在存在至少痕量杂质(例如，少于1％或2％)可以理解为是在本说明的范围之内；同样，如果提及具体的形状，则该形状旨在包括相对于理想形状的不完美变体，例如由于制造公差。在具体示例中，本文中描述的设备的实施例利用了联动装置中的薄化区段来大致地作为“接头”来执行，这样可能不能满足某些人可能认为是接头的最理想的或最纯粹的例证(因为这些连杆通过折曲跨过非常短的条带(但严格来说，是在单个点处)来进行枢转)；然而，这些类型的结构在本文中被认为是表示“接头”，因为任何得到的差异不会显著地妨碍它们的功能。本文表达的百分比或浓度可以是由按重量计或按体积计来代表的。

虽然本文使用了术语第一、第二、第三等等来描述不同的要素，但这些要素不受这些术语的限制。这些术语只是用来将一个要素与另一个要素进行区分。因此，如下文讨论的第一要素可以被称为第二要素，而并不背离这些示例性实施例的传授内容。

为了描述方便，本文可以使用与空间相关的术语，例如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前方”、“后方”等等来描述一个要素相对于另一个要素的关系，如附图中展示的。应理解的是，这些与空间相关的术语以及所展示的构型旨在除了本文描述的和附图中描绘的取向之外还涵盖设备在使用中或在运行中的不同取向。例如，如果将附图中的设备翻转，则描述为在其他要素或特征“下方”或“之下”的要素将定向成在这些其他要素或特征的“上方”。因此，示例性的术语“上方”可以涵盖上方和下方取向二者。可以按其他方式来定向这种设备(例如，旋转90度或处于其他取向)并且本文使用的与空间相关的描述语句应相应地进行解释。

又另外，在本披露中，当一个要素被称为“在”、“连接到”、“联接到”、或“接触”(等等)另一个要素上时，它可以是直接地在、连接到、联接到、或接触到该另一个要素上，或者可以是存在介入要素的，除非另外指明。

本文使用的术语是出于描述具体实施例的目的的而并不旨在限制示例性的实施例。如本文所使用的，单数形式如“一个”和“一种”旨在也包括复数形式，除非上下文另外指明。此外，术语“包括”、“包括了”、“含有”和“含有了”指明了所叙述的要素或步骤的存在，但不排除存在或添加有一个或多个其他要素或步骤。

此外，本文所指明的这些不同部件可以以组装的或成品的形式提供的；或者这些部件中的一些或全部部件可以被包装在一起并作为套件与用于使顾客进行组装和/或修改来产生成品产品的说明书(例如，书面的、视频的或音频的形式)一起被出售。

本文中描述的机器人抓握器12可以例如用于机器人拾取应用。抓握器12可以放置在机器人臂的端部上，并且指形部10可以被定位在物体28周围并由相机以及在抓握之前和之后引导抓握器的靠近轨迹的控制系统来进行引导。为了可靠和稳固地进行这种操作，抓握器12可以展现以下特征。

首先，抓握器12符合或“适应”有待被拾取的物体28的形状，而不会损坏物体28或撞倒物体28。这种抓握可以通过精巧的触觉或视觉传感器系统来实现，但是这些系统的成本可能会快速变得价格过高。相反，可以使用简单的、便宜的被动机构来管理这种所需的自适应行为。

第二，抓握器12可以相对于与环境中的障碍物(例如，墙壁、手提袋或箱、机器人手臂、操作者等)的无意接触而变得稳固，使得机器人不需要在每次碰撞之后进行修理。

第三，造成以上描述的前两个特征的抓握器12的被动顺应性是可调的，使得由某些接触力14产生沿任何方向的运动量是可控的。具体地讲，有利的是调整指形部10相对于平面内顺应性的平面外顺应性(垂直于与物体28接触的表面的运动)。

第四，通过传统的制作工艺可以廉价地制造抓握器12。

第五，抓握器12可以通过平行于抓握器靠近物体的方向推动指形部10来拾取物体28，而不会使指形部10卷曲或弯曲。图18和图19展示了这种推动运动。

第六，如图10至图13所展示的，抓握器12能够稳固地抓握物体28，从而使其相对于机器人腕部与指尖连杆16或与多个指形部连杆上的触点保持固定。

如在图1中示意性地示出的，在指形部10中发现了此抓握器12的创新特征，该指形部与所抓握的物体28接触，并且因此展现出期望的自适应行为。在具体实施例中，指形部10是廉价铸造弹性体(诸如聚氨酯或硫化橡胶)的单片件，如图2中所示，在近侧中心具有孔15以形成与挠曲或活动铰链接头26的联动装置。在基座连杆22上用至少一个旋转接头26来致动这些指形部10；指形部10可以例如仅在平面中被致动，或者它们可以经由致动的万向接头而在两个方向上被致动。在替代性实施例中，指形部10的一个或多个连杆可以由金属形成，从而提供了增加的硬度以减少屈曲的可能性。

指形部10具有以下两组不同的可能的运动，如图5至图9所展示的：(a)由致动器在基座连杆22引起的主动运动，以及(b)由接触力14在前连杆18、后连杆19或指尖连杆16上引起的被动运动。主动运动致使指形部10作为单个刚性体而旋转和平移，而被动运动产生了内部顺应性变形。如图10至图13所示，这两组运动可以用于抓握物体28。当指形部10主动闭合时，与物体28产生接触，并且指形部10被动地变形。两种运动的组合致使抓握器12符合物体的形状。

本文中公开的指形部10的变形被定位到特定区域，并且实质上变化的橡胶厚度致使该运动更像简单的四杆联动装置。

连杆22、18、19和16是大致平行的(如从对跨过连杆的接头进行连接的线来测得的)，而不是如图14的设计的那样在尖端处汇合，这样致使指形部10中的被动偏转非常不同。如图16和图17的图像所描绘的，本设计的指形部10在不旋转的情况下向后(向背侧)进行平移，而不是在与指尖连杆16产生接触时进行旋转(如图15中所示)。

此设计的一个优点是，指形部10可以在没有卷曲或屈曲的情况下被推到物体28上，如图18和图19所示。

可以通过将指形部10中的孔15的形状设计成包括在指形部10处于其行进限制时汇合的接触表面来实现对指形部10的被动运动的限制。图20和图21示出了具体实施例工作中的硬止挡20。通过改变此孔15的形状，可以调节平面内运动的限制，如图22至图24中所见的，其中前连杆18和后连杆19较薄，并且其中基座连杆22和指尖连杆16具有正交取向(竖直)端面32。

如图25至图27所展示的，此设计的实施例具有的特征为：指尖连杆16的相对较大的平面外顺应性。当指形部10接触物体28或障碍物时，(近似)接头26可以扭转以允许指尖连杆16的偏转。可以通过改变挠曲接头26的几何形状来调节这种偏转。具体地讲，接头宽度与接头长度(沿着指形部10)的比率影响接头26可以扭转多少。整体式/单片式联动装置结构中的接头26可以具有不大于前连杆18和后连杆19的主体的厚度的1/5或不超过1/10的厚度(在主要位移的平面中进行测量)(例如，对于接头26的厚度是约1或2mm，而对于前连杆18和后连杆19的主体厚度是约1cm)，并且由此具有不超过前连杆18和后连杆19的主体的挠曲模量的1/5的挠曲模量。

此外，指尖连杆16的接触表面可以由相比较低摩擦的材料或相比较高摩擦的材料(例如，具有低于或高于指形部10上的其他表面的摩擦分量)形成，取决于使用者是否希望指形部10在物体28上方或之间滑动(低摩擦)或稳固地抓握物体28(高摩擦)。在任一情况下，指尖连杆16可以由使指尖连杆16比前连杆18和后连杆19更硬四倍的材料和/或结构形成。

这种设计的一个优点是在没有任何除操作者的手之外的工具的情况下使抓握器指形部10易于在抓握器12上快速变换。图28至图32示出了可以用来将指形部10附接至抓持器的指形部安装块30的各种配合特征件，包括指形部10面上的夹具36或指形部基座连杆22中的非圆形孔口24(例如，形状为花键、矩形、椭圆形、圆角矩形、六角形孔等)。在图33至图35中示出了指形部10在安装块30上的快拆式安装。

在制造方法中还将会提到的机器人抓握器12的实施例中的另一个特征是使用具有不同材料特性的多种铸造塑料。在所披露的设计中，例如，可以使用更硬的聚氨酯来形成连杆16、18、19、22以及接头26，并且可以使用更柔顺的聚氨酯来用于指尖连杆16上的橡胶抓持垫。

替代性实施方案：

在基座连杆处的组合式平移和旋转致动

在具体实施例中，仅用旋转马达(例如，经由从安装块30延伸的旋转轴)来致动指形部10。然而，还可以使用或替代性地使用气动滑动件或联动装置，从而产生平移和旋转运动的组合。

非平行联动装置行为

具有模块化设计的指形部10可以提供优点；例如，许多不同的四杆联动装置设计可以快速地变换到相同的抓持器上。图14和图15中所示的非平行设计也可以实现为具有活动铰链接头26的单片件。

纤维结构元件

细绳、皮带或布条可以铸造到单片式指形部10中，以形成不需要支撑压缩载荷的连杆。例如，图41示出了前端(掌部)近侧连杆被皮带取代的设计。纤维材料也可以被铸造到橡胶本身中以通过改变纤维方向来改变接头26的硬度或改变接头26的平面外硬度。

由铸造材料制成的薄柔性元件

与先前的特征一样，在典型的使用抓握器12的过程中的未承受拉力的元件可以由较薄的铸造弹性体制成，使得该元件连续变形，如图42中所示。

在压缩中用于连杆的刚性插入件

指形部10的一些元件在典型的使用情况中(用指尖连杆16抓握或跨过指形部10的全长)处于压缩中。如图40中所展示的，通过使用由金属、塑料、印刷电路板或类似材料制成的内嵌式插入件44，可以使任何连杆变硬。

经由销连接至指形部的刚性连杆

作为先前特征的替代方案，可以使用销接头26将由单独的材料制成的连杆钉入该结构中。如图43中所示，可以主要执行将单独的材料钉入该结构中以提高指形部连杆的压缩硬度。

开放式联动装置

如图38中所示，指形部10可以模制成具有两个“支腿”的单件，每个支腿单独地附接至某一刚性安装块30，而不是通过产生闭合孔15来形成该联动装置。

传感器

如图44所示，用于接触、接触压力或变形的传感器46、48或52可以嵌入铸造指形部本体中。例如，触觉传感器46可以铸入橡胶中；并且可以使用磁传感器48和磁体50或加速度计52来测量指形部形状和取向。

修改联动装置形状以调节3D顺应性

可以通过添加用于选择性地加固接头26的插入件或通过改变指形部10中的接头26的宽度来完成对联动装置形状的修改。较宽的接头在三维方面将变得更硬，较窄的接头将会更具顺应性(参见图25至图27)。

修改远端指形部几何形状以改变相对于指尖连杆的被动运动的方向

图20中所示的具体实施例使指尖连杆16的掌表面垂直于被动运动的方向(最初平行于近端连杆)。如图45和图46所示，可以改变这种配置以改变指尖连杆16的方向硬度。

制造方法

一种用于制造指形部10的方法是将指形部10作为单个整体件(而不是可分离的部件)由一种或多种弹性体材料(例如，由一种或多种热塑性弹性体)进行铸造。这种铸造可以在热塑性材料或热固性材料(诸如聚氨酯或硫化橡胶)中进行。图36和图37示出了在具体实施例中用于指形部10的模具，包括用于构成指形部本体的较硬弹性体的第一模具40(图36)以及用于较软的弹性体指尖连杆16的第二模具42(图37)。将该部件铸造在第一模具40中，然后转移到第二模具42以进行包覆成型。这种制造方法可以用于构造具有指形部10的抓握器12，该指形部具有以上所列出的特性，这些特性包括以下：

·内嵌式四杆机构；

·高的平面外顺应性；以及

·致动的基座连杆22和完全内部被动运动。

以下描述的是可以用于生产这些指形部10和抓握器12的几种制造方法。

将触觉和形状/取向传感器铸造到单片式指形部本体中

在抓握器12的各种实施例中，用于感测指形部10的被动变形的磁体50可以嵌入指形部10中。图44示出了这样做的多种方式。例如，MEMS大气压力传感器可以嵌入到用于触觉感测的铸造弹性体部件中。

以多个阶段进行铸造以便结合具有不同特性的弹性体

如之前提及的，具有可以被并入这些指形部10的设计中的许多不同的材料特性，并且可以通过在单个单片式指形部10中使用多种材料来提供这些不同的特性。引入不同材料以便提供不同特性的示例包括以下：

·用较硬的材料铸造成旨在刚性更大的连杆；

·从具有低蠕变或高疲劳寿命的材料来铸造挠曲或活动铰链接头26；

·以耐磨材料铸造指尖垫；

·以高摩擦材料铸造指尖垫；

·以柔软材料铸造指尖垫；以及

·以食品安全材料铸造指尖垫。

将插入件铸造到指形部中以改变接头或连杆的硬度

可以铸造到指形部10中以增加硬度的插入件44的示例包括使用金属、塑料、印刷电路板、纤维、织布条或皮带。

将紧固件铸造到单片式指形部中以用于安装特征件

铸造到单片式指形部10中以用于安装的紧固件包括衬套、轴承、支架或螺纹插入件。

替代性制造技术

在其他实施例中，该联动装置可以通过其他技术来形成，诸如由例如橡胶片来冲压或切割该设备。在又其他实施例中，可以三维(3D)打印该联动装置。

作为可消耗品的制作

由于这些制造技术中的一些制造技术成本较低、并且相应地机器人指形部10的成本较低，在使用后可以在抓握器12中频繁地更换指形部10，具体地是因为指形部10的基座连杆22可以被设计成具有简单的孔口24或用于使指形部10的基座连杆22滑动到抓握器12的致动器(例如，旋转马达轴)之上或之中的其他连接结构。

示例性应用

作为制造和包装工艺的一部分，诸如装载和卸载机器以及将零件放在托盘上以及放在船运集装箱中，或者用于订单履行(例如，从仓库货架拾取物品或包装货物以用于运输)，本文描述的指形部10和抓握器12可以用来获取和移动物体28。在其他实施例中，抓握器12可以用于食物处理，其中，指形部10的外表面由用于医疗应用的可消毒的医用级弹性体材料形成(例如，用于外科应用或用于治疗具有高度传染性疾病的患者)。此外，通过根据上述技术制作的可消毒的指形部10制成的抓握器12可以使用在洁净室环境中(例如，用于在半导体制作工艺中处理半导体晶片)。与例如药物、古龙水或香水、化妆品、法律诉讼方面的证据等的手工的人工处理相比，使用这些抓握器12还可以减少无顺应性或泄漏(例如，减少处理错误，减少不遵守指定的处理规定的可能性和/或盗窃的可能性)。

在描述本发明的实施例时，为清楚起见使用了特定的术语。为了描述的目的，特定的术语旨在至少包括以类似方式起作用而实现类似结果的技术上和功能上的等效物。此外，在本发明的具体实施例包括多个系统要素或方法步骤的一些情形下，这些要素或步骤可以用单一要素或步骤替代；同样地，单一要素或步骤可以用起到相同目的的多个要素或步骤来替代。进一步，在本文针对本发明的实施例指定了多种不同特性的参数或其他值的情况下，这些参数或值可以上下调整1/100、1/50、1/20、1/10、1/5、1/3、1/2、2/3、3/4、4/5、9/10、19/20、49/50、99/100等等(或向上调整1、2、3、4、5、6、8、10、20、50、100倍等等)、或调整其四舍五入近似值，除非另外指明。此外，虽然已参照本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解的是，可以对其在形式和细节上作出多种不同替代和更改而不背离本发明的范围。又另外的其他方面、功能和优点也是在本发明的范围之内的；并且本发明的所有实施例不必实现所有这些优点或者具有上文描述的所有特性。此外，本文结合一个实施例所讨论的步骤、要素和特征可以同样地结合其他实施例来使用。本文全篇引用的参考文献的内容(包括参考文本、杂志文章、专利、专利申请等)都以其全部内容通过援引并入本文；并且来自这些参考文献中的适当的部件、步骤和特征可以包括在或可以不包括在本发明的实施例中。还进一步地，背景部分中明确的部件和步骤是与本披露一体的并且可以结合在本发明的范围内在本披露的其他地方描述的部件和步骤来使用、或代替这些部件和步骤。在以具体顺序叙述了多个级的方法权利要求中(为了方便引用而添加了或未添加顺序性的前序字符)，这些级不得解释为在时间上受限于对其进行叙述的顺序，除非用术语和短语另外指明或暗示出。

Claims (24)

1.一种顺应性自适应机器人抓握器，该抓握器包括：

多杆指形部联动装置，该联动装置包括：

a)指尖连杆；

b)至少一个基座连杆，该至少一个基座连杆位于该联动装置的与该指尖连杆的相反端处，其中，该基座连杆包括安装结构；以及

c)前连杆和后连杆，该前连杆和该后连杆在第一组各自的被动接头处与该指尖连杆结合、并且在第二组各自的被动接头处与该基座连杆结合，其中，这些被动接头之间的线性连接形成了基本上是平行四边形形式的形状，允许在该前连杆和该后连杆围绕该基座连杆进行枢转时跨过该前连杆和该后连杆的该线性连接保持基本上彼此平行，而基本上不改变该指尖连杆的取向，直到或除非该多杆指形部联动装置与外部物体接触，其中该多杆指形部联动装置被配置成使得与该外部物体的接触将导致该指尖连杆相对于该前连杆和该后连杆的取向经由该前连杆和该后连杆的既围绕所述第一组各自的被动接头又围绕所述第二组各自的被动接头的被动枢转而变化；以及

致动器，该致动器与该基座连杆联接以使该多杆指形部联动装置围绕该基座连杆旋转。

2.如权利要求1所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，该多杆指形部联动装置是整体结构，其中，这些接头是通过该多杆指形部联动装置中的更柔性的薄化区段提供的。

3.如权利要求2所述的顺应性自适应机器人抓握器，进一步包括至少一个触觉传感器，该至少一个触觉传感器嵌入这些连杆中的至少一者中并且被配置成检测连杆与外部物体的接触。

4.如权利要求2所述的顺应性自适应机器人抓握器，进一步包括至少一个惯性测量装置，该至少一个惯性测量装置嵌入在这些连杆中的至少一个连杆中并且被配置成检测指形部姿态和振动。

5.如权利要求2所述的顺应性自适应机器人抓握器，进一步包括至少一个磁体和至少一个磁力计，其中，该磁体和磁力计中的至少一者嵌入在这些连杆中的至少一者中。

6.如权利要求2所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，这些连杆中的至少一者包括切口，该切口提供硬止挡，从而限制该前连杆和该后连杆能枢转的程度。

7.如权利要求1所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，该多杆指形部联动装置由至少一种弹性体材料形成。

8.如权利要求7所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，该多杆指形部联动装置包括多种材料，并且其中，该指尖连杆包括摩擦系数比该多杆指形部联动装置的其他表面更低或更高的表面。

9.如权利要求1所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，该抓握器包括多个该多杆指形部联动装置、以及相应的用于每个多杆指形部联动装置的旋转致动器。

10.如权利要求9所述的顺应性自适应机器人抓握器，进一步包括机器人臂，每个旋转致动器安装到该机器人臂上。

11.如权利要求1所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，与该基座连杆相联接的该致动器是与这些连杆中的任何一个相联接的唯一致动器。

12.如权利要求1所述的顺应性自适应机器人抓握器，其中，该前连杆和该后连杆使该指尖连杆与该基座连杆直接结合，而不需要该指定的四个接头以外的附加接头。

13.一种用于顺应性自适应机器人抓握器的多杆指形部联动装置，该联动装置包括：

指尖连杆；

至少一个基座连杆，该至少一个基座连杆位于该联动装置的与该指尖连杆的相反端处，其中，该基座连杆包括安装结构；以及

前连杆和后连杆，该前连杆和该后连杆在第一组各自的被动接头处与该指尖连杆结合、并且在第二组各自的被动接头处与该基座连杆结合，其中，这些被动接头之间的线性连接形成了基本上是平行四边形形式的形状，允许在该前连杆和该后连杆围绕该基座连杆进行枢转时跨过该前连杆和该后连杆的线性连接保持基本上彼此平行，而基本上不改变该指尖连杆的取向，直到或除非该指形部联动装置接触外部物体，其中该多杆指形部联动装置被配置成使得与该外部物体的接触将导致该指尖连杆相对于该前连杆和该后连杆的取向经由该前连杆和该后连杆既围绕所述第一组各自的被动接头又围绕所述第二组各自的被动接头的被动枢转而变化。

14.如权利要求13所述的多杆指形部联动装置，其中，每个连杆的至少一个芯部与其他连杆中的每一者的至少一个芯部结合成由第一铸造弹性体形成的整体结构。

15.如权利要求14所述的多杆指形部联动装置，其中，至少该指尖连杆的该铸造弹性体芯部被涂覆有第二弹性体涂层，其中，该第二弹性体具有比该第一铸造弹性体更高或更低的摩擦系数。

16.一种用于机器人抓握的方法，该方法包括：

向内旋转多个多杆指形部联动装置，其中，每个多杆指形部联动装置包括指尖连杆；在该联动装置的与该指尖连杆的相反端处并且包括安装结构的至少一个基座连杆；以及前连杆和后连杆，该前连杆和该后连杆在第一组各自的被动接头处与该指尖连杆结合、并且在第二组各自的被动接头处与该基座连杆结合，其中，这些接头之间的线性连接形成了基本上采取平行四边形形式的形状，并且其中，在该前连杆和该后连杆由于所述向内旋转而从该基座连杆进行枢转时，跨过该前连杆和该后连杆的线性连接保持基本上彼此平行，而基本上不改变该指尖连杆的取向，直到该多杆指形部联动装置接触外部物体；以及

在这些多杆指形部联动装置之间接触外部物体，在这种情况下，与该外部物体的接触将导致这些指尖连杆相对于该前连杆和该后连杆的取向经由该前连杆和该后连杆既围绕所述第一组各自的被动接头又围绕所述第二组各自的被动接头的被动枢转而变化。

17.如权利要求16所述的方法，其中，通过每个联动装置的该前连杆来接触该外部物体，并且其中，这些指尖连杆在该接触之后相对于该前连杆和该后连杆并且沿着该物体向内进行枢转。

18.如权利要求16所述的方法，其中，通过每个联动装置的指尖连杆来接触该外部物体，并且其中，一旦这些指尖连杆接触该物体，则这些指尖连杆相对于该物体以及相对于彼此的取向保持固定。

19.如权利要求18所述的方法，其中，这些指尖连杆的接触表面在这些指尖连杆接触该物体之后以及在该基座连杆继续枢转时保持彼此平行。

20.如权利要求16所述的方法，其中，这些指尖连杆被动地并且独立于该基座连杆的主动枢转而进行枢转。

21.如权利要求16所述的方法，进一步包括在不使用人手以外的工具的情况下在使用之后更换这些多杆指形部联动装置。

22.如权利要求16所述的方法，进一步包括将这些多杆联动装置朝向该物体伸出，其中，当在这些指尖连杆中的至少一者与该物体之间产生接触时，这些指尖连杆中的该至少一者沿着该物体弹性地偏转到平面外。

23.如权利要求22所述的方法，其中，该指尖连杆的偏转是在这些接头处扭转的结果。

24.如权利要求16所述的方法，其中，这些多杆指形部联动装置的旋转是由与该基座连杆相联接的致动器专门地主动驱动的，而这些指尖连杆独立于由该致动器在该基座连杆处提供的该主动致动而被动地枢转。

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