CN108290298A - 食品处理抓持器 - Google Patents

Abstract

实施例涉及机器人系统的改进以减少系统上的生物或化学藏污点。例如在实施例中，机器人致动器、转毂或整个机器人系统可以被构造为允许减少或消除沿着关节或紧固件的夹缝、允许用倒圆角的边缘替代硬角部、允许消除某些部件或藏污点、允许重新被构造为更光滑或平坦的形状，和/或允许重新构造表面以进行更简单清洗。

Description

食品处理抓持器

相关申请

本申请要求于2015年6月26日提交的、题为“食品处理抓持器”的美国临时专利申请第62/185,385号的优先权。上述申请的内容被援引纳入本文。

背景技术

机器人系统被用于许多不同的环境中，并且可能被要求执行各种不同的任务。机器人通常使用例如单个执行器、抓持器或末端执行器的机器人操纵器来操纵其周围的物体。

软机器人致动器近来已经被用于传统的硬致动器可能不合适或可能存在缺陷的环境中。例如，在食品处理中，使用软机器人致动器可能是有利的，因为它们提高了适形于被抓持的物品的能力，从而防止了食品被损毁或碰坏。由于类似的原因，软致动器可能在医疗环境中使用。

无论使用硬机器人致动器还是软机器人致动器，处理某些生物或化学材料都可能造成特有的问题。硬和软机器人系统可能包括许多夹缝、表面粗糙度、压痕、紧固件以及其它的生物或化学材料可能积聚并滋生细菌或将潜在有害物质扩散到其它产品的区域。传统上，移除积聚的生物或化学材料可能是困难的，从而产生污染危害。

发明内容

本申请涉及机器人系统的改进，以减少系统上的生物或化学藏污点。实施例涉及机器人致动器、抓持器、用于将致动器或抓持器连接到机器人手臂的转毂、整个机器人系统和其它部件的改进。根据实施例，固定件和安装点可以移动到致动器和转毂上的内部位置，以呈现出光滑平坦表面，没有拐角、夹缝或用于生物或化学材料积聚的其它点。连接点可以被构造为使用具有圆形互锁件的扭转互锁系统，该圆形互锁件比尖角更容易清洗。相邻部件(例如致动器上的手风琴式延伸部)之间的距离可以增加，并且增加弯曲或增加尺寸，以减少藏污点。类似地，可以使用专门构造的覆盖物来呈现出平坦表面，在该平坦表面上生物或化学材料将表现出减少的积聚或可以容易地清洗，在一些实施例中，该覆盖物可以是一次性的。

此外，一些实施例提供了具有改进设计的致动器，用于处理食物、生物材料如组织以及其它易碎的或容易擦伤或变形的材料。

尽管结合软机器人致动器描述了实施例，但是类似的技术可以用于更传统的硬机器人系统。

附图说明

图1A-图1D示出了适用于本文描述的实施例的示例性软机器人致动器。

图2A-图2E示出了根据实施例的用于将致动器附连到转毂的内部附接机构的示例。

图3A-图3E示出了用于将机器人抓持器附连到机器人手臂的转毂和基座组件的示例。

图4A-图4D示出了根据实施例的具有内部装夹机构的转毂的示例。

图5A-图5H示出了根据实施例的扭转锁定膨胀流体供应管线的示例。

图6示出了根据实施例的用于膨胀流体供应管线的磁性附件。

图7A-图7B示出了根据实施例的具有减少的藏污点的致动器的示例。

图8A-图8C示出了根据实施例的用于软致动器的手风琴式盖。

图9示出了根据实施例的包覆成型的软抓持垫的示例。

图10A-图10C示出了根据实施例的可膨胀纹理化表面的示例。

图11A-图11D示出了示例性锥形软致动器。

图12A-图12D示出了示例性球形包络抓持器。

图13A-图13B示出了施加在致动器之间的示例性带。

图14A-图14B示出了示例性的伸展-抓持式致动器。

图15A-图15D示出了根据实施例的带有钩的致动器。

图16A-图16B示出了施加到致动器以改变致动器的开口轮廓的不同真空度的示例。

图17-图17C示出了用于机器人系统的示例性一次性包装。

具体实施方式

实施例涉及被设计或构造成减少系统上的生物或化学藏污点的机器人系统。例如，在实施例中，机器人致动器、转毂或整个机器人系统可以被构造为允许减少或消除沿接头或紧固件附近的夹缝、允许硬角被倒圆边替代、允许消除某些部件或藏污点、允许将形状重构为更平滑或平坦，和/或允许将表面重构成更易于清洗。还公开了用于处理某些类型的生物或化学材料的改进的致动器设计。

实施例可以有利地与软机器人致动器结合使用。软机器人致动器是相对非刚性的致动器，其可以例如通过用流体填充致动器来被致动，所述流体例如为空气或水。软致动器可以被构造成使得通过改变致动器中的流体的压力来改变致动器的形状。因此，致动器可以被制成例如包裹物体。由于软致动器相对非刚性，因此致动器可更好地适形于被抓住的物体的表面，允许致动器更好地握住物体或更轻柔地握住易碎物体。

首先提供软机器人致动器和抓持器的简要概述，随后提供实施例的各个方面的详细描述。除非另有说明，否则可以设想，所描述的每个实施例可以以彼此的任何组合使用。

软机器人抓持器的背景技术

传统的机器人抓持器或致动器可能是价格昂贵的且不能在某些环境操作，其中待处理物体的重量、尺寸和形状的不确定性和多样性已经导致无法采用如过去那样的自动化解决方案。本申请描述了自适应、廉价、重量轻、可定制的并且易于使用的新型软机器人致动器的应用。

软机器人致动器可由例如橡胶的弹性材料或以手风琴结构布置的塑料薄壁或其它适用的相对软的材料形成，该手风琴结构被构造成在压力下展开、拉伸、扭转和/或弯曲。例如，它们可以通过将一片或多片弹性材料成型为期望的形状来产生。软机器人致动器可包括可被例如空气、水或盐水的流体填充的中空内部以对该致动器进行加压、膨胀和/或致动。在致动时，致动器的形状或轮廓会改变。在手风琴式致动器的情况下(下文进行更详细地描述)，致动可以使致动器弯曲或拉直成预定的目标形状。处于完全未致动形状和完全致动形状之间的一个或多个中间目标形状可通过使致动器局部地膨胀来实现。替代地或另外地，可利用真空来致动致动器，以从致动器去除膨胀流体，从而改变致动器弯曲、扭转和/或延伸的程度。

致动也可允许致动器对例如被抓持或被推动的物体施加力。但是，与传统的硬机器人致动器不同，软致动器在被致动时保持自适形性，以使软致动器可以部分地或完全地适形于要被抓持的物体的形状。它们还可以在与物体碰撞时偏转，这在从一堆或箱子中取出物体时尤其重要，因为，致动器很可能与一堆物体中并非作为抓持目标的相邻物体或箱子的边碰撞。此外，因为材料可容易地变形，所以所施加的力的大小可以可控的方式在整个更大表面区域分布。通过这种方式，软机器人致动器可抓持物体而不损坏它们。

此外，软机器人致动器允许难以或不可能用传统硬机器人致动器实现的运动(包括弯曲、扭转、拉伸、收缩)或运动的组合。

图1A-图1D示出了示例性软机器人致动器。更具体地，图1A示出了软机器人致动器的部分侧视图。图1B示出了图1A中的部分俯视图。图1C示出了包括可被使用者操作的泵的软机器人致动器的部分侧视图。图1D示出了图1C所示部分的替代实施例。

致动器可为如图1A所示出的软机器人致动器100，其可利用膨胀流体例如空气、水或盐水而膨胀。膨胀流体可经由膨胀装置120通过流体连接件118来提供。

致动器100可处于未膨胀状态，其中在致动器100内存在基本与周围环境压力相同的有限量的膨胀流体。致动器100也可处于完全膨胀的状态，其中在致动器100内存在预定量的膨胀流体(预定量对应于致动器100待施加的预定的最大力或由膨胀流体施加到致动器100上的预定的最大压力)。致动器100也可处于完全真空的状态，其中所有流体从致动器移除，或处于部分真空的状态，其中一些流体存在于致动器100中，但是处于小于周围环境压力的压力。此外，致动器100可处于部分膨胀的状态，其中致动器100包含少于在完全膨胀状态下存在的预定量的膨胀流体，但是多于没有膨胀或非常有限膨胀下的流体。

在膨胀状态，致动器100表现出如图1A所示绕着中心轴线弯曲的趋势。为便于讨论，本发明定义了几个方向。如图1B所示，轴向方向穿过致动器100绕其弯曲的中心轴线。径向方向在由膨胀的致动器100构成的部分圆的半径方向上沿垂直于轴向的方向延伸。周向方向沿着膨胀的致动器100的外周延伸。

在膨胀状态，致动器100可沿着致动器100的内周边缘在径向上施加力。例如，致动器100的远端末端的内侧向内朝着中心轴线施加力，这可被利用以允许致动器100抓持物体(可能与一个或更多的附加的致动器100相结合)。由于致动器100所使用的材料以及通常的结构，软机器人致动器100可在膨胀时保持相对地适形。

致动器100可由允许相对软或带适形结构的一种或多种弹性材料构成。根据应用，弹性材料可以从食品药品监督管理局(FDA)批准的食品安全的、生物相容的或医疗安全的材料组中选择。弹性材料还可以是用于耐化学性的含氟聚合物弹性体。致动器100可采用符合药品生产质量管理规范(“GMP”)的设备来加工。

致动器100可包括基本平坦的基座102(尽管各种改型或附加物可被增加到基座102以提升致动器的抓持和/或弯曲性能)。基座102可形成抓持目标物的抓持表面。

致动器100可包括一个或多个手风琴式延伸部104。该手风琴式延伸部104允许致动器100在膨胀时弯曲或挠曲，从而有助于在处于膨胀状态时限定致动器100的形状。手风琴式延伸部104包括一系列的脊106和槽108。手风琴式延伸部104的尺寸以及脊106和槽108的布置可改变以得到不同的形状或延伸轮廓。

虽然图1A-图1D中示例致动器在展开时呈“C”形或椭圆形，但是本领域普通技术人员将会认识到本发明不仅限于此。通过改变致动器100主体的形状或手风琴式延伸部104的尺寸、位置或形态，可获得不同的尺寸、形状和形态。而且，改变提供给致动器100的膨胀流体的量允许致动器100在未膨胀状态和膨胀状态之间呈现一个或多个中间尺寸或形状。因此，通过改变膨胀量，单独的致动器100在尺寸和形状方面是可缩放的，并且通过用具有不同尺寸、形状或形态的另一个致动器100来代替一个致动器100，可在尺寸和形状方面进一步缩放致动器。

致动器100从近端112向远端110延伸。近端112与接口114相连。接口114允许致动器100与机器人系统的其它部分可拆卸地连接。接口114可由医疗安全材料例如聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(“ABS”)或缩醛均聚物制成。接口114可与致动器100和软管118中的一个或两个可拆卸地连接。接口114可具有用于与致动器100连接的端口。不同的接口114可具有不同的尺寸、数量或致动器端口的形态，以便适应较大或较小的致动器、不同数量的致动器或不同形态的致动器。

用从膨胀装置120穿过例如软管118的流体连接器被供应的膨胀流体可以使致动器100膨胀。接口114可包括阀116或可被附接至阀116，以允许流体进入致动器100，但防止流体从致动器中流出(除非阀是打开的)。软管118也可或替代地附接至位于膨胀装置120处的膨胀器阀124，以调节在膨胀装置120位置处的膨胀流体的供应。

软管118还可包括致动器连接接口122，其用于在一端可拆卸连接接口114并在另一端可拆卸连接膨胀装置120。通过将致动器连接接口122的两部分分离，不同的膨胀装置120可与不同的接口114和/或致动器100连接。

膨胀流体可以是例如空气或盐水。在空气的情形下，膨胀装置120可包括手动操作的球状体或波纹管以便供应环境空气。在盐水的情形下，膨胀装置120可包括注射器或其它合适的流体递送系统。替代地或另外地，膨胀装置120可包括压缩机或泵，以便供应膨胀流体。

膨胀装置120可包括用于供应膨胀流体的流体供给部126。例如流体供给部126可以是用于储存压缩空气、液化或压缩的二氧化碳、液化或压缩的氮气或盐水的储存器，或可以是用于向软管118供应环境空气的通风口。

膨胀装置120还包括用于通过软管118将膨胀流体从流体供应部126供应到致动器100的流体递送装置128，例如泵或压缩机。流体递送装置128能够向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。流体递送装置128可以通过电力驱动。为供应电力，膨胀装置120可包括电源130，例如电池或电源插座的接口。

电源130也可向控制装置132供电。控制装置132可允许使用者例如通过一个或多个致动按钮134(或替代装置例如开关)来控制致动器的膨胀或收缩。控制装置132可包括控制器136，用于向流体递送装置120发送控制信号，以使流体递送装置128向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。

如本文所使用的，致动器通常是指与致动器100相似的单个部件。当多个致动器一起使用以形成抓持目标的抓持系统时，这种系统通常被称为抓持器(尽管一些抓持器可由一个单独的致动器组成，单独抓持目标)。

转毂和安装点

致动器或抓持器可以(例如)直接地安装到或通过例如转毂的独立的接口安装到机器人手臂。有问题是，各种部件之间的连接可导致材料堆积且难于清洗的夹缝或角区。

需要指出的是，致动器、抓持器和机器人系统可以在在线清洗或离线清洗。在线清洗通常是指在系统的各个部分仍然连接的情况下清洗部分或全部机器人系统，而无需拆卸。例如，在线清洗可涉及在将致动器和抓持器组件保持安装到机器人手臂的同时擦洗该组件。离线清洗通常是指拆卸组件以单独清洗部件和/或接近部件的内部区域。实施例提供了具有更少或更小藏污点的转毂和安装位置(从而聚集更少的细菌、生物或化学材料)。此外，如下所述，实施例更容易在线清洗或可拆卸以用于离线清洗。

图2A-图2E示出了根据实施例的用于将致动器附连到转毂的内部附接机构的示例。图2A示出了用于致动器100的附接点的构造的内部横截面图，该致动器100包括若干藏污点。

致动器100具有由弹性材料制成的壁202，壁202包围被构造成充填膨胀流体的内部空间204。在致动器100的近端处，喇叭形部段206与安装表面208齐平放置，该安装表面208可以是(例如)待安装到机器人手臂上的抓持器的接口。环套210可以卡合在喇叭形部段206周围并且固定到安装表面208上。例如环套210可以使用例如螺钉或螺栓的紧固机构固定到安装表面208。膨胀流体供应路径212延伸穿过安装表面208、环套210并进入空间204以将膨胀流体供应到致动器100。

在这种构造中的多个不同位置处，存在化学或生物材料可能积聚并促进细菌繁殖的藏污点214。例如，在致动器100和环套210之间的接口处存在藏污点214，其中锐利的角区和夹缝允许生物或化学物质堆积。类似地，在环套210与安装表面208相接的环套210的基座处存在有藏污点214。

此外，致动器100被构造成在膨胀、收缩或经受真空时弯曲。当致动器100弯曲(例如，在图2A中弯向左侧或右侧)时，在环套210的内表面与喇叭形部段206的外表面(以及由环套210围绕的致动器100的任何其它部分)之间形成间隙。这个间隙很快就会被生物或化学物质充填，并可产生一些藏污点。而且，当致动器100被附连安装表面208上时，该间隙难以用清洗工具进入，从而使在线清洗变得困难或不可能。

图2B中示出了改进的致动器的构造。在该实施例中，使用固定机构216将致动器100固定到安装表面208。固定机构216包括中心主体218和自中心主体218延伸的一个或多个延伸部220。延伸部220位于在致动器100的壁202中形成的一个或多个突出部222的上方，突出部之间存在间隙以允许紧固机构224(例如螺栓或螺钉)穿过安装表面208被插进固定机构216的主体218中的对应孔。当紧固机构224被收紧时，延伸部220被拉入突出部222并压缩弹性材料，围绕致动器100近端与安装表面208形成流体密封垫圈和周向密封。优选地，延伸部220延伸的尽可能远，以便增大用于形成垫圈的表面积。

固定机构216可以由任何合适的材料制成，例如塑料或金属。

从图2B中可以看出，由于没有环套，藏污点的数量减少了。在一些实施例中，喇叭形部段206的与安装表面208接触的部分以大致90°的角度延伸远离安装表面208。结果，由固定机构216施加的力向下推动喇叭形部段206，其与安装表面208形成相对强的密封并且减小了致动器100和安装表面208之间的间隙面积。因此，减少了系统中的藏污点。

在一些情况下，如果细菌积聚在致动器100和安装表面208之间的接口处，则可以通过移除紧固机构224将致动器100从安装表面208处移除，从而可以清洗致动器100(例如在洗碗机或高压灭菌器中，如果由合适的材料制成)。由于安装表面通常是平坦的，清洗也相对容易。

在一些实施例中，固定机构216可以包括允许膨胀流体穿过固定机构的膨胀流体通道。膨胀流体通道可以与紧固机构224一起穿过中心主体218，或者膨胀流体通道和紧固机构可以设置在紧固机构216的不同部分上，如图2C的构造所示。在该示例中，膨胀流体通道212延伸通过固定机构216的主体218。固定机构216在延伸部220中设置有用于接收紧固机构224的孔。在这个示例中的突出部222包括位于延伸部220下方的下突出部和设置在延伸部220上方的上突出部。

将紧固机构224插入穿过安装表面208并穿过下突出部中的孔。紧固机构224然后延伸穿过延伸部220中的相应的孔。在一些实施例中，紧固机构224终止于延伸部220。在另一些实施例中，紧固机构224穿过延伸部220并延伸到模制到上突出部的硬件中。当紧固机构被收紧时，下突出部(和上突出部，如果紧固机构延伸到其中)与延伸部220拉紧，形成流体密封垫圈。膨胀流体通过膨胀流体供应通道212被供应到空间204。图2D更详细地示出了该实施例的固定机构216。

固定机构216可与致动器100分离，或者可以与致动器100成一体。例如固定机构216可以在制造致动器时制成并且然后模制到致动器100中。

图2E示出了示例性模制的插入件。在这种情况下，延伸部220设置在可选的上突出部和下突出部222之间(如果突出部222不存在，则可以使用例如表面处理将固定机构216固定到致动器的壁204)。固定机构216接收紧固机构224，紧固机构224将固定机构216朝向安装表面208拉动。有利的是，O形环226可以设置在固定机构216的外底部边缘周围。当固定机构216被拉紧紧靠O形环226时，O形环226提供了强大的密封，从而减小了固定机构216和安装表面208之间的间隙。

此外，由于相对较硬的固定机构216(与O形环226相比)的形状，固定机构216为紧固机构224提供了硬止挡。例如，O形环226可以是硅或例如含氟聚合物弹性体的弹性体，而固定机构216可以是食品安全的塑料(例如，PETE、聚甲醛树脂、聚乙烯或聚丙烯)或金属(例如303、304或316等级的不锈钢，或硬阳极氧化铝)。由于固定机构216的相对硬或刚性的性质，，在紧固机构224的收紧期间存在固定机构216不能被进一步拉向安装表面208的时刻。这防止了O形环226变得过度压缩或欠压缩，并允许调节固定机构216(通过改变固定机构216的形状，特别是安置O形环226的间隙的尺寸和构造)，以将预定量的力施于O形环226。

传统上，使用外部螺钉或螺栓将致动器或致动器组件固定到安装表面208。这些外部紧固机构产生了藏污点。图2A-图2E的实施例去除了外部紧固机构并用内部紧固机构代替它们，从而减少或消除了这些藏污点。此外，致动器100与安装表面208之间的接口可以通过使用紧固机构224而保持紧密，从而减小致动器100与安装表面208之间的间隙并且由此减少藏污点。

图3A-图3E进一步示出了用于不使用例如螺栓或螺钉的外部紧固机构而将机器人抓持器附连到机器人手臂的转毂和基座组件的示例。这些组件可以与图2A-图2D的组件结合使用或作为其替代使用。

图3A-图3C示出了转毂/基座组件的“扭转锁定”特性。该组件包括安装在致动器保持器304中的一个或多个致动器100，致动器保持器304可以由例如塑料或金属的任何合适的材料形成。包覆成型的弹性体层302将致动器100保持在致动器保持器304上并且覆盖致动器100的夹缝、角区和其它可充当藏污点的特征。例如，如图3E所示，包覆成型的弹性体层302可覆盖致动器100的近端直到最靠近近端的手风琴式延伸部上的脊。抓持器基座306包括用于将膨胀流体分配到致动器100的膨胀流体腔室310。抓持器基座306可以附连或者可附连到机器人手臂上。

致动器保持器304设置有一个或多个凹槽312，凹槽312构造成与抓持器基座306上的对应的延伸部314配合并互锁。如图3B和图3C所示，包括致动器100、包覆成型的弹性体层302和致动器保持器304的抓持器组件可以放置在抓持器基座306上方并且被扭转以将延伸部314配合到凹槽312中。应该指出的是，互锁机构可以换位(例如，抓持器基座306上的凹槽312和致动器保持器304上的延伸部314)。

使用互锁系统可以实现无螺钉装配，从而移除潜在的藏污点。而且，这样的构造允许容易地从基座306移除致动器保持器304(与致动器100和包覆成型的弹性体层302一起)，使得可以容易地离线清洗基座306(即当基座306已从机器人组件移除时)。

图3D示出了组装好的抓持器系统的特写外部视图。如图3D所示，抓持器基座306与致动器保持器304配合的接口308包括光滑的弯曲表面。因此，抓持器基座306和致动器保持器304在接口308处都不需要尖锐的拐角，这减少了藏污点并允许更简单的清洗。此外，可能与化学或生物材料接触的表面可具有至少为1微英寸、更优选至少16微英寸、并且更优选至少32微英寸的光滑度值。

通常，在整个申请文件中，特别是在内角的情况下，两个表面之间的角度可以是至少135°。通过使这些内角相对敞开，清洗这些内部表面(例如，用刷子或其它工具)更容易。类似地，当使用曲线时，例如在接口308的情况下，根据应用，曲线的半径可以是至少1/32”，或者更优选1/8”，或者更优选是1/4”。

图3E示出了抓持器系统的各个部件的内部视图。膨胀流体腔室310设置在抓持器基座306中以用于将膨胀流体供应到致动器100。膨胀流体供应管线212延伸穿过致动器保持器304、穿过包覆成型的弹性体302并且进入致动器100的空间204。可以提供多个膨胀流体供应管线212(例如，给抓持器组件中的每个致动器100提供一个)。膨胀流体供应管线212可构造成与膨胀流体腔室310上的相应接口配合，或者可简单地延伸到膨胀流体腔室310上的大开口。因为腔室310的大部分开口将被致动器保持器304覆盖，所以膨胀流体仅会逸出的地方将进入膨胀流体供应管线212并进入致动器100。

如图3E所示，膨胀流体腔室310的下壁316具有弯曲的形状和相对较宽的开口。此外，膨胀流体腔室310的内表面相对光滑(例如，具有大于等于32微英寸的光滑度值)。这些特征减少了藏污点，允许清洗液在清洗之后从基座排出，更容易地使例如刷子的清洗工具进入，并且提供更容易的视觉检查，以确保膨胀流体腔室310已被充分地清洗。

图4A-图4D示出了根据实施例的转毂的另一示例。

图4A和图4B示出了具有外部紧固机构224的转毂。如图4A所示，多个致动器100被固定在一起以形成抓持器。致动器100被插入到板402中，并且板402被附连到机器人基座404(例如，机器人手臂或将被固定到机器人手臂的另一结构)。如图4B中的特写所示，板402使用紧固机构224(例如螺钉或螺栓)固定到机器人基座404。突出的紧固机构224为抓持器系统提供了多个藏污点。

相反，图4C示出了具有内部紧固机构的转毂的透视图。从这个例子中可以看出，板402呈现出不带外部螺钉的平坦表面。如图4D的横截面图所示，内部紧固机构224穿过膨胀流体供应路径212，并将板402自底部固定。

使用上述的转毂组件(单独地或以任何组合)，可以减少或消除致动器/致动器保持器与系统的其它部分之间的互连处的藏污点。然而，其它藏污点可能存在于其它地方。例如，膨胀流体可以通过例如气动配合件的膨胀流体供应管线被供应到系统的转毂或其它部分。图5A-图5H示出了根据实施例的用于减少藏污点的扭转-锁定的膨胀流体供应管线的示例。

图5A示出了抓持器的透视图，该抓持器包括连接到致动器保持器502的四个致动器100。致动器保持器502可以安装到机器人手臂。

如图5B的特写所示，致动器保持器502包括用于接收膨胀流体供应管线用的配合件506的端口504。端口504被构造成通过扭转互锁系统与配合件506互连。在该示例中，端口504包括与配合件506上的一个或多个倒角槽510配合的一个或多个指状件508。倒角槽510可以相对较宽或较厚以允许容易清洗(因此与例如螺纹相比更容易接收刷子或其它清洗装置)。指状件508中的内部弯曲部509可以具有弯曲的或泪滴状的横截面轮廓，其曲率半径为至少1/32”、或者更优选地为1/16”、或者更优选地为1/4”，以便抓持倒角槽510，同时也保持相对容易清洗(例如，使得例如刷子的清洗工具更容易接近)。

如图5C所示，配合件506中的一个或多个凹槽512(每个凹槽对应于指状件508)提供允许配合件506被推到指状件508之间的端口504上的间隙。

一旦插入到端口504上，可以扭转配合件506以将配合件506锁定就位，如图5D所示。在实施例中，虽然其它扭转度(例如90°或30°)也是可能的，但是配合件506可以被扭转大约120°以允许相对简单的组装。为了适应这种扭曲量，凹槽510可被成形和构造成允许120°扭转。此外，凹槽510可成形为具有向上的曲线，使得当配合件506被扭转时，配合件506经历朝向转毂502的线性位移，由此将配合件506压靠转毂就位并且形成流体密封。

图5E-图5H更详细地描绘了扭转动作。图5E示出了从前方看的未锁定的配合件506的外部视图，而图5H示出了从侧面看的未锁定的配合件506的内部横截面视图。请注意，在未锁定构造中，配合件506的底部与转毂502之间存在间隙514。

图5G示出了从前方看的已锁定的端口504(在扭转端口504以将其锁定就位之后)的外部视图，而图5H是从侧面看的已锁定的端口504的内部视图。通过比较图5F和图5H，可以看出，扭转端口504导致一定量的线性位移d，其使得端口504的底部与转毂502接触。

替代地或另外地，可以使用磁体来将膨胀流体供应管线固定到转毂。图6示出了根据实施例的膨胀流体供应管线用的磁性附接件。在该示例中，转毂602支撑两个致动器100。转毂602设置有围绕膨胀流体供应路径212的第一环形磁体606。用于向转毂602提供膨胀流体的膨胀流体供应管线610包括结合有第二环形磁体604的配合件608。第一环形磁体606和第二环形磁体604可具有相反的极性，使得当彼此靠近时，第一环形磁体606与第二环形磁体604配合并形成流体密封。因为磁体604、606是环形的，所以膨胀流体流过磁体604、606中的孔并进入转毂602，从转毂602可以将该膨胀流体分配到致动器100。

接下来，讨论用于处理生物或化学材料的致动器设计和应用的改进。

致动器设计和应用

图7A-图7B示出了根据实施例的具有减少的藏污点的致动器的示例。图7A示出了第一致动器700，其中手风琴式延伸部104的相邻的脊106以相对较大的距离r分开，并且槽108相对较深(由距离t表示)。脊106和槽108都具有相对尖锐的弯曲或尖角。特别是在槽108具有难以放置刷子或清洗机构的内角的情况下，这些弯曲和角区产生了多个藏污点702。

图7B示出了改进的致动器704。在该示例中，手风琴式延伸部的相邻的脊106进一步分开(以相对更大的距离r’分开)，而槽108更浅(由距离t’表示，小于t)。脊106和槽108具有更圆的边缘，曲线较平缓。

结果，使致动器704上的边缘光滑，减少了细菌的藏污点。而且，致动器704上的清洗面被扩大，这使得更易于使用刷子、垫、溶液等清洗致动器704以易于从致动器704移除细菌和食物残渣。

为了进一步减少藏污点，手风琴式延伸部104可以被完全覆盖，使得致动器的非抓持侧呈现光滑或平坦的表面。图8A-图8C示出了根据实施例的用于软致动器的手风琴式盖。

图8A示出了具有多个手风琴式延伸部104的致动器100。最近端的手风琴式延伸部包括起始脊802，并且最远端的手风琴式延伸部包括终止脊804。

为了消除或减少手风琴式延伸部104之间或之上的藏污点，手风琴式延伸部104可以用手风琴式盖806覆盖，如图8B所示。手风琴式盖806可以由可高度延伸的弹性体形成，该弹性体被构造成当致动器100充填膨胀流体或经受真空时容易弯曲。因此，手风琴式盖806不妨碍致动器100的膨胀或收缩。

手风琴式盖806可以是可移除的，或者可以与致动器100是一体的。例如，手风琴式盖806可以是完全包围手风琴式延伸部104并填充手风琴式延伸部104之间的区域的弹性体。

如图8C的内部横截面图所示，手风琴式盖806可以从起始脊802延伸到终止脊804。在其它实施例中，手风琴式盖806可以延伸超出起始脊802和/或者终止脊804。替代地或另外地，手风琴式盖806可以覆盖手风琴式延伸部104中的一些，但不是全部。

致动器100的抓持表面也可以被补强。例如，图9示出了根据实施例的包覆成型的软抓持垫902的示例。该软抓持垫902设置在致动器100的抓持表面的至少一部分上。软抓持垫902可以与致动器100一体，或者可以是(例如使用弹性带)附连到致动器100的单独部分，从而允许垫902被移除以进行单独的清洗。

软抓持垫902可以由软弹性材料(例如，比形成致动器100的弹性材料相对更软、易弯曲或易力屈服的弹性体材料)形成，并且可以允许致动器100操纵例如西红柿的易碎物体，而不会弄伤物体的表面。

抓持垫902与致动器100的基座102之间的接口904被弯曲以减少或消除潜在的藏污点。

在另一实施例中，致动器100的抓持表面可以设置有易于清洗的其它类型的纹理。例如，图10A-图10C示出了根据实施例的具有可膨胀纹理表面的致动器的横截面侧视图。

图10A示出了处于未膨胀状态的致动器100。致动器100包括围绕空间204的壁202，膨胀流体可以被供应到空间204中。在致动器的基部102上，壁202的厚度在交替的厚壁部分1002和薄壁部分1004之间变化。薄壁部分1004具有比厚壁部分1002相对小的厚度。

在未膨胀状态下，致动器100的基部102是平坦的。因此，当不膨胀时，致动器在形成抓持表面的基部102上具有较少的藏污点或不具有藏污点，并且可易于清洗。

然而，当膨胀时(如图10B所示)，膨胀流体进入空间204并压靠致动器的外壁202。由于薄壁部分1004的刚性或耐膨胀性不如厚壁部分1002，所以薄壁部分1004可以弯曲，从而形成带有纹理的基部102。因此，致动器100可以更容易地抓持物体。当膨胀流体被移除时，薄壁部分1004返回到它们的平坦构造，并且基部102再次变光滑，以便于清洗。

需要指出，尽管致动器100处于未弯曲的形态中，但图10B示出了具有纹理构造的基部102(暗示在空间204中存在膨胀流体)。在现实情况下，如图1A所示，施加膨胀流体通常会使致动器100弯曲，为了便于理解，该弯曲未在图10B中示出。

代替薄壁部分1004和厚壁部分1002，基部102可以由不同类型的替换材料形成，所述替换材料在膨胀时或多或少抵抗膨胀。当膨胀时，具有较低抗膨胀性材料的基部102的部分将比具有较高抗膨胀性材料的基部102的部分更多地膨胀，从而产生具有纹理的表面。

而且，可以通过施加真空来代替膨胀流体来实现类似的效果。例如，薄壁部分1004可以被构造成默认处于延伸形态。在施加真空时，薄壁部分1004可以向内弯曲，形成平坦的表面。

图10C示出了替代构造，其中可以独立于致动器100的膨胀产生基部的纹理。在该示例中，内壁1006将空间204分隔成两个腔室。第一腔室1008存在于基部102附近的区域中，而第二腔室1010填充致动器100的其余部分。两个腔室1008、1010可以彼此独立地膨胀。当第一腔室1008被填充时，薄壁部分1004向外弯曲，从而在基部102上形成纹理表面。当第二腔室1010被填充时，致动器100根据其膨胀轮廓弯曲以抓持目标。

除了提供减少藏污点的系统之外，当用于生物或化学材料时，使用非常适合于经常处理这些材料的场合的专用致动器也可能是有益的。

例如，图11A-图11D示出了示例性锥形软致动器1100。图11A示出了锥形软致动器1100的透视图，而图11B、图11C和图11D分别示出了侧视图、前视图和仰视图。如这些图所示，致动器1100从近端112到远端110在厚度(t)和宽度(b)两者上渐缩。

需要指出的是，锥形软致动器1100不需要必须在致动器1100上均匀地渐缩或沿着致动器1100渐缩。例如，通过沿致动器的宽度、长度或壁厚采用不同的相对锥度，或通过逐渐减小各个手风琴部的幅度，可以实现不同的效果，导致致动器横向上的稳定性、轴向上指状件的稳定性、致动时的膨胀梯度变化、或者致动时的曲率响应梯度分别发生变化。

锥形软致动器1100在扭转方面是非常稳定的，其具有用于以摩擦为主的抓持的大的表面积，保持用于操作小物品的小而灵巧的指尖，与具有均匀横截面的致动器相比在相同的压力下可传递相对更高的抓持力。这允许锥形致动器1100例如以圆形或矩形图案彼此串联地布置，以精确处理一定范围的物体尺寸和重量。此外，锥形致动器1100特别适合于操纵湿的、滑的、奇怪/不规则形状的和杂乱的食品(例如堆中的食品或形状配合的包装中的食品)。

此外，与非锥形致动器相比，锥形致动器1100可以更好地应对杂乱的环境(例如，大量松散水果或农产品)。

例如，图12A-图12D示出了使用偏斜致动器1200的示例性球形包络抓持器。这些叶形的偏斜致动器1200非常适于完全包封易碎物体。图12A示出了采用四个偏斜致动器1200的抓持器的透视图，而图12B、图12C和图12D分别示出了单个致动器1200的前视图、侧视图和仰视图。

如在图12D(仰视图)中可以看到的，偏斜致动器1200包括用于接收膨胀流体的多个偏斜的内部腔室1202。偏斜的腔室1202具有从相对较窄的区域r₁扩大到相对较宽的区域r₂的泪珠形状或其它偏斜形状。相对较窄的r₁区域可以设置成靠近偏斜致动器1200的中心(例如，内部腔室1202的最靠近中心线A-A的部分，如图12B所示)，而相对较宽的区域r₂可以是远离中心线A-A朝向偏斜致动器1200的外边缘设置。

偏斜致动器1200具有许多特性。

首先，每个偏斜致动器1200在被致动时具有多个自由度。换句话说，偏斜致动器1200围绕其长轴线弯曲(例如沿如图1A和1B所示的圆周方向围绕中心轴线弯曲)并弯曲通过其短轴线(沿图1A和图1B的轴向方向)。

其次，偏斜致动器1200具有相对宽的叶形形状，当与圆形或矩形图案布局中的其它锥形致动器1200搭配时，其倾向于形成完全封闭的球体。

第三，偏斜致动器1200的锥形设计提高了稳定性并增加了抓持力。这些性能使得这种致动器非常适合于操纵例如多种大致圆形的水果和蔬菜。因为偏斜致动器1200包围物体(本文称为提供“笼式”抓持)，所以偏斜致动器1200可允许偏斜致动器1200例如从树(例如苹果)或藤(如西红柿或葡萄)上挑选易碎水果。例如采摘水果这样的任务可能比例如将采摘的水果从一个地方移动到另一个地方需要更强的抓持力。由于需要更强的抓持力，如果抓持力集中在几个位置(例如，在致动器的指尖处)，则水果可能被弄伤或损坏。通过施加笼式抓持，这个力量可能被分摊在一个更大的表面区域，这提高了采摘水果而没有损伤的概率。

物体也可以用其它方法完全包围或包封。例如，图13A-图13B示出了施加在致动器100之间的带1302，以允许致动器100完全包封物体。当致动器100处于打开状态(图13A)时，带1302可以由相对可延伸的弹性材料形成，以允许带展开，同时在致动器100处于关闭状态时保持合理的张力量(图13B)，以便将已抓持的物体保持在带1302内。使用带1302可以增加抓持器和物体之间接触的表面区域。

在一些情况下，待抓持的物体可位于可能难以触及物体的容器例如箱内的深处。图14A-图14B示出了适用于这些和其它应用的示例性伸展和抓持式致动器。

图14A示出了已膨胀的可延伸致动器1400，而图14B示出了未膨胀的可延伸致动器1400。可延伸致动器1400包括划分为两个区段的多个手风琴式延伸部104。完整手风琴式区段1402包括围绕可延伸致动器1400的整个直径延伸的手风琴式延伸部104。部分手风琴式区段1404包括仅围绕可延伸致动器1400的直径的一部分延伸的手风琴式延伸部104。完整手风琴式区段1402可以包括比部分手风琴式区段1404更高的频率或速率的手风琴式延伸部104。

结果，当可延伸致动器1400膨胀时，在相对较低的膨胀压力下，完整手风琴式区段1402开始延伸(在相对小的力的作用下)。这导致可延伸致动器1400线性地延伸，其在远端处具有相对较小的曲率，这允许可延伸致动器1400(例如)到达可能阻挡致动器的转毂组件1406的箱或容器的内部。在相对较高的膨胀压力下，部分手风琴式区段1404表现出增大的曲率，允许延伸的致动器抓持物体。

在其它实施例中，致动器可以使用特殊几何形状以更好地抓持特定的目标。例如，图15A-图15D示出了根据实施例的带有钩的致动器。

如图15A所示，钩式致动器1500在其远端处包括呈钩形的弯曲突起1502。因此，当钩式致动器1500膨胀以抓持物体时(图15B、图15C和图15D，示出不同程度的膨胀压力)，钩式致动器1500的弯曲突起1502延伸到被抓持物体的下方(图15C)，随后将物体向内拉(图15D)。这允许与钩式致动器1500的抓持表面更好的接触，并且提高物体在被移动或操纵时的稳定性。

不管所使用的致动器的类型如何，在一些情况下在抓持目标之前增加致动器之间的开度可能是有益的。例如，抓持大物体时，可能需要较大的打开角度。当抓持小物体时，可能需要较小的打开角度。

为了实现不同程度的打开，可以将真空施加到致动器(例如，代替用膨胀流体填充致动器，致动器中的环境流体可以从致动器移除)。例如，图16A-图16B示出了向致动器100施加的不同的真空度以改变致动器的打开轮廓的示例。图16A示出了通过向致动器100施加相对大的真空度来实现相对较大的打开角度。图16B示出了通过施加相对较小的(或没有)真空度而获得的相对较小的打开角度。

在一些实施例中，机器人系统被构造为向一个或多个致动器100提供精确的预定的真空度。该预定的真空度可以被选定成适应致动器100打算操作的环境和致动器100打算抓持的物体的尺寸或构造。例如，如果施加太小的真空度，致动器100将不能充分打开以抓持目标。另一方面，如果施加过大的真空度，致动器100将比所需要的打开得更宽，这可能导致致动器100与保持目标物的容器和/或目标物附近的其它物体发生碰撞。在混乱的环境中尤其如此。通过提供预定的真空度，致动器100可被足够地打开以允许抓持目标物，同时仍在致动器和相邻的物体或容器之间保留足够的空间。

机器人系统覆盖物

在其它实施例中，通过围绕机器人系统的一部分或全部应用食品安全或医疗安全的包装，可以使系统更易于清洗。例如，图17A-图17C示出了用于机器人系统1700的示例性一次性包装。

如图17A所示，机器人系统1700包括机器人手臂1702，转毂1704安装在该机器人手臂1702上。致动器100连接到转毂1704。围绕机器人系统1700提供尺寸和形状对应于机器人系统1700的一次性包装1706。

当致动器100处于未膨胀状态(图17B)，，一次性包装1706的尺寸和形状被设定为相对宽松，并且当致动器100处于膨胀状态时(图17C)，一次性包装1706的尺寸和形状被设定为相对更紧密(没有一次性包装1706破裂的风险)。例如，可以选择袋的尺寸和形状，以便当致动器100未膨胀时提供预定量的松弛。当致动器100膨胀时，松弛减小并且致动器100可以抓持目标物。替代地或另外地，一次性包装1706可以由弹性材料形成，以允许一次性包装1706补偿致动器100的膨胀。

需要指出的是，包装1706不一定是一次性的。在一些实施例中，包装1706可以能够移除以进行清洗，并且可以在清洗后重新使用。

使用上述实施例，单独地或彼此组合地，可以更易于由机器人系统处理生物和化学材料。所描述的实施例除了其他的优点意外，还减少了生物/化学/细菌藏污点，允许容易清洗，并提高了抓持器的抓持和触及范围。

Claims (25)

1.一种机器人系统，其包括：

软致动器，其包括被构造成接收膨胀流体的弹性囊；

固定机构，其包括主体和一个或多个延伸部，所述一个或多个延伸部被构造成容纳在所述弹性囊的一个或多个对应的凹部中，并且在施加紧固力时被夹紧在所述凹部内，以将所述膨胀流体密封在所述软致动器中。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述固定机构还包括用于将膨胀流体供应到所述软致动器的膨胀流体供应通道。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述一个或多个延伸部包括用于接收一个或多个紧固件的紧固通道。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括基座，所述基座具有用于抓持膨胀流体供应管线的一个或多个倒圆的指状件。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中，所述膨胀流体供应管线包括一个或多个用于与所述基座的相应的倒圆的指状件互锁的倒角槽。

6.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括用于保持多个软致动器的转毂，所述转毂使用内部紧固机构保持就位并呈现出光滑的外表面。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中，所述内部紧固机构通过膨胀流体供应管线附接到所述转毂。

8.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述软致动器还包括至少覆盖所述软致动器的抓持表面的近端的包覆成型的软抓持垫。

9.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述软致动器包括设置在所述软致动器的远端处的模制钩。

10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述软致动器包括多个手风琴式延伸部并且还包括可延伸的手风琴式延伸盖，所述可延伸的手风琴式延伸盖被构造为包围所述手风琴式延伸部并随所述软致动器弯曲，所述可延伸的手风琴式盖呈现出光滑的外表面。

11.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，所述软致动器包括多个手风琴式延伸部，所述软致动器包括：完整手风琴式区段，其中的所述手风琴式延伸部围绕所述软致动器的直径延伸；和部分手风琴式区段，其中的手风琴式延伸部仅部分地围绕软致动器的直径延伸。

12.根据权利要求11所述的机器人系统，其中，所述完整手风琴式区段比所述部分手风琴式区段更频繁地包括手风琴式延伸部。

13.根据权利要求1所述的机器人系统，还包括与软致动器连接的机器人手臂、以及尺寸和形状被设计成围绕所述机器人手臂和所述软致动器的一次性包装。

14.一种机器人系统，其包括：

软致动器，其包括被构造成接收膨胀流体的弹性囊；

转毂，其用于安装所述软致动器并将所述膨胀流体供应到所述软致动器；和

互锁基座，其被构造成经由扭转互锁与所述转毂配合，所述互锁基座包括用于将膨胀流体供应到所述转毂的流体路径。

15.根据权利要求14所述的机器人系统，其中，所述转毂包括包覆成型的弹性体层，该弹性体层将所述软致动器连接到所述转毂并覆盖所述软致动器的一个或多个角区。

16.根据权利要求14所述的机器人系统，其中，所述转毂和所述互锁基座之间的一个或多个接合点具有弯曲形状。

17.一种机器人系统，其包括：

软致动器，其包括被构造成接收膨胀流体的弹性囊；

转毂，其用于安装所述软致动器并包括用于接收膨胀流体的输入端口，所述转毂包括围绕所述输入端口的环形磁体，所述环形磁体被构造成吸合在膨胀流体供应管线上的对应的环形磁体。

18.一种软致动器，其包括从近端延伸到远端的弹性主体，所述弹性主体：

围绕被构造成接收膨胀流体的空间，

包括多个手风琴式延伸部，

从所述近端到所述远端在宽度方向和厚度方向上渐缩。

19.根据权利要求18所述的软致动器，其中，所述软致动器包括在所述软致动器的基部上的抓持表面，所述抓持表面被构造成当所述致动器处于膨胀状态时延伸以在所述基部上产生纹理化表面并被构造成当所述致动器处于未膨胀状态时收缩以产生光滑表面。

20.根据权利要求19所述的软致动器，其中，所述抓持表面由内部通道形成，所述内部通道被构造成独立于所述软致动器的余部接收膨胀流体。

21.根据权利要求19所述的软致动器，还包括用于向所述软致动器施加预定真空度的控制装置，所述预定真空度对应于以下中的至少一个：待抓持目标物的构造或所述目标物所出环境。

22.一种软致动器，包括从近端延伸到远端的椭圆形弹性主体，所述弹性主体：

围绕多个泪滴形空间，所述泪滴形空间被构造成接收膨胀流体，

包括多个手风琴式延伸部，并且

被构造成在膨胀时沿长轴和短轴弯曲以形成杯形，所述长轴沿所述软致动器的周向延伸，所述短轴沿所述软致动器的轴向延伸。

23.根据权利要求22所述的软致动器，其中，所述弹性主体在厚度方向上从所述近端到所述远端渐缩。

24.根据权利要求22所述的软致动器，还包括在厚度方向上延伸穿过所述致动器的中央开口。

25.一种机器人抓持器，包括多个根据权利要求22所述的软机器人致动器，多个所述软机器人致动器呈圆形或矩形排列形式布置并被构造成在膨胀时完全包围目标物，所述软机器人致动器具有预定宽度，所述预定宽度被选择成当该软机器人致动器被填充膨胀流体时形成包络球。