CN108290299B - 用于机器人系统中铰接臂的翻转末端操纵装置 - Google Patents

用于机器人系统中铰接臂的翻转末端操纵装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于机器人系统中铰接臂的末端操纵装置。该末端操纵装置包括大致呈环状形式的封闭柔性膜，膜内包含流体。

Description

用于机器人系统中铰接臂的翻转末端操纵装置
优先权
本申请要求2015年9月15日提交的美国临时专利申请序列号第62/218,799的优先权，该申请的内容通过参考全部纳入本文。
背景技术
本发明总地涉及机器人系统，尤其涉及这样一种机器人系统，该机器人系统包括铰接臂，该铰接臂带有用于将物件固定至铰接臂的末端操纵装置(effector)，使得它们可由末端操纵装置轻易地释放。
存在通常用于工业自动化和其他应用的许多末端操纵装置(或夹持件)，包括真空夹持件、平行爪夹持件、角度爪夹持件和许多其他夹持件。
真空夹持件通常采用真空源来排空真空杯，真空杯被压到硬质光滑表面上以获得良好密封。抓持诸如袋状产品之类的柔软表面更为困难，但在某些情况中，为了提起塑料袋，袋夹持件可获得塑料袋的良好密封。
平行爪夹持件和角度爪夹持件有时用于工业过程中。除了提起零件和使零件运动之外，这些夹持件也可用于在高(精度)公差机械组装操作中使零件运动至精确的位置。
当涉及铁材料时，通常也使用磁性夹持件。此外，存在适合于特别应用的许多专用夹持件，诸如用来抓持齿轮和轮的内夹头或用来抓持布片的针阵列。
在研究实验室中已开发了一类软夹持件，一个示例是由包括iRobot、康奈尔大学和帝国机器人(Empire Robotics)的联合体开发的“干扰夹持件(Jamming Gripper)”。“干扰夹持件(Jamming Gripper)”包括被封围在软袋中的颗粒材料，软袋适形于物件的形状且接着在空气从袋排出时变硬。
类似的产品是由费斯托公司(Festo Corporation)售卖的Festo柔性形状夹持件(Festo FlexShapeGripper)，其利用柔性膜的翻转来抓持物件。然而，该系统可能不适用于某些应用，诸如抓持各种包装材料。
因此，仍需要一种末端操纵装置，这种末端操纵装置足够通用而能用于各种物件。
发明内容
根据实施例，本发明提供了一种用于机器人系统中的铰接臂的末端操纵装置。该末端操纵装置包括大致呈环状形式的封闭柔性膜，膜内包含流体。
根据另一实施例，本发明提供了一种通过机器人系统的铰接臂接合物件的方法。该方法包括以下步骤：将包含流体且大致呈环状形式的封闭柔性膜靠近待接合的物件定位，以及借助封闭柔性膜接合物件。
根据其他实施例，本发明提供了一种用于机器人系统中的铰接臂的末端操纵装置。该末端操纵装置包括管状环，其中，物件可由管状环的内部抓持。
附图说明
参考附图可进一步理解以下的描述，附图中：
图1示出了包括根据本发明实施例的末端操纵装置的机器人系统的示意图；
图2A和2B示出了相对于物件处于初始位置(图2A)中和处于接合位置(图2B)中的图1所示末端操纵装置的示意图；
图3示出了涉及外套管致动件的根据本发明另一实施例的末端操纵装置的示意图；
图4示出了涉及位于管状环的暴露表面上的夹持元件的根据本发明其他实施例的末端操纵装置的示意图；
图5A和5B示出了相对于物件处于初始位置(图5A)中和处于接合位置(图5B)中的包括真空源的根据本发明其他实施例的末端操纵装置的示意图；以及
图6A和6B示出了相对于物品的袋子物件处于初始位置(图6A)中和处于接合位置(图6B)中的包括真空源的根据本发明其他实施例的末端操纵装置的示意图。
附图所示仅用于说明性目的。
具体实施方式
根据实施例，本发明提供了一种包围的夹持件，该夹持件通过与要抓持的物件接触的顺应性材料结构的压缩和翻转来夹持范围较宽的形状和材料。在特定的实施例中，该系统附加地提供真空源以便为抓持过程准备。在各种实施例中，该系统利用顺应性材料的压缩和翻转来捕获和抓持柔软物件以及范围较宽的硬质物件。
典型的夹持件方案通过在刚性机械连杆之间挤压物件来工作。本发明采用不同的原理，其中，柔性膜随着其被拖入到支承结构的中心而被压缩和翻转。根据实施例，该系统采用流体充填的柔性材料，该柔性材料通常呈环状形式，且在实施例中呈管状环的形式。该装置由连续的材料片料形成，该材料片料呈环状形式且沿延伸通过环的中心的方向延伸。本文中，申请人将此描述为管状环。管状环包含流体，且随着外表面沿第一方向移动，内表面沿相反方向移动。
如图1所示，根据某些实施例，本发明的铰接臂10可包括末端操纵装置12以及铰接部段14、16、18和20，铰接部段20附连至基部22。末端操纵装置12包括从轴环26延伸的管状环24。
如图2A所示，图2A以虚线示出了轴环26内的区域，管状环24的外表面的一部分如所示在28处附连至轴环26的内表面。由于管状环24的内表面自由移动，因而管状环能够(通过滚转)在轴环内上下移动，而附连点28保持固定。为了便于在轴环内的该滚转，线性致动件(诸如致动杆)30定位在管状环24的内表面中。
如图2B中进一步所示的，当杆30沿在A处标示的方向移动时，杆30随而拉动管状环的内表面，这引起管状环的一端沿如在B处标示的方向在其自身上滚转，而管状环的相对端将沿如在C处标示的方向在其自身上滚转。尽管管状环24经历了该翻转过程，但其保持在附连点28处附连至轴环26。通过如上所述控制管状环的运动，可使用末端操纵装置将物件32拖入到管状环中并将其保持在管状环内，直至线性致动件沿与在A处标示的方向相反的方向移动(则物件32被排放)为止。同样如图2B所示，管状环由柔性材料形成，柔性材料可适形于被抓持的物件32的形状。管状环内的流体可为水或可被选择为具有特定的黏度。
图3示出了本发明的另一实施例，该实施例类似于图2A和2B中的实施例，只是轴环26相对于杆30移动。特别地，轴环26附连至线性致动件。当线性致动件沿如在D处所示的方向相对于杆30移动时，轴环26的内表面将引起管状环24滚转(如在B和C处所示)，使得物件32可被抓持在管状环24内。
图4示出了本发明的另一实施例，其中，管状环24包括夹持元件38，夹持元件38设置在管状环24的外表面上。当管状环24将物件32拖入管状环中时，管状环上的夹持元件38便于物件32的捕获和留置。根据各种实施例且参考图4，夹持元件可为突出的区块，这些区块可整齐地或随机地分布在管状环24的外表面上。根据另一实施例，夹持元件38可为小柔性杯(吸杯)，在其他实施例中，夹持元件38可呈楔钉(cleat)的形式。
图5A和5B示出了类似于图2A和2B所示的末端操纵装置，其中，比管状环内的开口更大的物件34仍被管状环24所抓持。这通过拖动管状环远离物件34的光滑表面来实现。此外，在图5A和5B的实施例中，线性致动件可包括穿过其中的孔36，该孔联接至真空源40且还可选地经由开关44联接至正空气源42，以提供物件的排出。真空源40可便于提供管状环内在线性致动件30与被抓持的物件34之间的区域中的真空。当被释放时，可选择性地采用正空气压力来排出物件34。
根据其他实施例，本发明的系统可用于抓持物件，物件是塑料袋中的物品或成套物品。织物和袋子特别难于通过其他方式抓持，但根据本发明的特定实施例中可被抓持。图6A和6B示出了图5A和5B所示的系统，其中，物件50是包含物品52、54和56的袋子，如图6B所示，通过将袋子的一部分拖入管状环中而抓持袋子。该过程通过织物中自然形成的压缩褶皱而变得容易，且可通过使用真空源40来补充，以便于抓持袋子50以及以上论述的任意夹持元件。
特别的且根据这些实施例，存在两个机构来解决袋子的织物不被初始地拖入腔室中的潜在问题。第一，如所述的，可能引入真空，真空附连至致动件连杆的底部，通过将物件织物拖入腔室中而为抓持准备。第二，当环状材料朝向中心被拖动时，在环状材料中形成压缩褶皱，且这可能引起物件织物中的压缩褶皱，从而密切地混合织物，使得摩擦有助于将物件织物拖入腔室中。
本领域技术人员会意识到，可对以上公开的实施例作出多种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于机器人系统中的铰接臂的末端操纵装置，所述末端操纵装置包括：
轴环，所述轴环用于附连至所述机器人系统中的铰接臂；
呈管状环形式的封闭柔性膜，在所述封闭柔性膜内部包含流体，所述管状环具有内表面和外表面，其中所述管状环的外表面的一部分附连至所述轴环的内表面；
线性致动件，所述线性致动件具有附连至所述管状环的内表面的一部分的远端部分，其中所述线性致动件相对于所述轴环的向近侧移动使得所述管状环在其自身上沿向近侧方向滚转到所述轴环中用于抓持物件，并且其中所述线性致动件相对于所述轴环的向远侧移动使得所述管状环在其自身上沿向远侧方向滚转远离所述轴环用于释放所述物件；
真空源，所述真空源联接至通过所述线性致动件所限定的孔，所述真空源用于通过所述线性致动件提供真空至在所述管状环的内表面中所限定的区域，用于在所述管状环的远端部分接合所述物件，以及
正空气压力源，所述正空气压力源联接至通过所述线性致动件所限定的所述孔，所述正空气压力源通过所述线性致动件提供正空气压力，以便当所述物件被释放时，促使所述物件远离所述管状环。
2.根据权利要求1所述的末端操纵装置，其特征在于，所述管状环包含水。
3.根据权利要求1所述的末端操纵装置，其特征在于，还包括开关，其中所述真空源和所述正空气压力源选择性地经由所述开关联接至所述线性致动件。
4.一种通过机器人系统的铰接臂接合物件的方法，包括：
将所述铰接臂的末端操纵装置靠近待接合物件定位，所述末端操纵装置包括轴环、封闭柔性膜和线性致动件，其中所述封闭柔性膜包含流体且呈管状环形式，并且其中所述管状环的外表面的一部分附连至所述轴环的内表面，而且其中所述管状环的内表面的一部分附连至所述线性致动件的远端部分；
使位于所述管状环的远端部分处的物件与由真空源所提供的真空相接合，所述真空源联接至通过所述线性致动件所限定的孔，其中所述真空源通过所述线性致动件的所述孔提供真空至位于所述线性致动件的远端部分与所述物件之间的所述管状环的内表面中所限定的区域；
利用所述管状环的内表面通过使所述线性致动件相对于所述轴环向近侧移动而使所述管状环在其自身上沿向近侧方向滚转到所述轴环中，由此用所述封闭柔性膜抓持真空啮合物件；以及
通过所述线性致动件的所述孔提供正空气压力至位于所述线性致动件的远端部分与所述物件之间的所述管状环的内表面中所限定的区域，以促使所述物件远离所述管状环。
5.一种用于机器人系统中枢转臂的末端操纵装置，所述末端操纵装置包括：
呈管状环形式的封闭柔性膜，其中所述管状环具有内表面和外表面；
轴环，所述轴环具有内表面，其中所述轴环的内表面的一部分附连至所述管状环的外表面的一部分；
线性杆，所述线性杆具有附连至所述管状环的内表面的一部分的远端部分；
真空源，所述真空源联接至通过所述线性杆所限定的孔；以及
正空气压力源，所述正空气压力源联接至通过所述线性杆所限定的所述孔，
其中，在物件的一部分通过由所述真空源通过所述线性杆的所述孔所提供的真空压力被拉入到在所述管状环的内表面中所限定的区域中之后，所述物件由所述管状环的内表面所抓持，
其中，响应于将所述线性杆相对于所述轴环向近侧移动而使所述管状环在其自身上沿向近侧方向滚转到所述轴环中，所述物件由所述管状环的内表面所抓持，并且
其中，所述正空气压力源通过所述线性致动件提供正空气压力，以便当所述物件被释放时，促使所述物件远离所述管状环。
6.根据权利要求5所述的末端操纵装置，其特征在于，所述管状环包括位于所述管状环的外表面上的夹持元件。
7.根据权利要求6所述的末端操纵装置，其特征在于，所述夹持元件包括区块。
8.根据权利要求6所述的末端操纵装置，其特征在于，所述夹持元件包括柔性杯。
9.根据权利要求6所述的末端操纵装置，其特征在于，所述夹持元件包括楔钉。
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