CN108453778A - 一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，包括至少两根手指、基体、电机和气泵；手指包括弹性板，弹性板上装有至少5个硬质指骨，硬质指骨上覆盖有一层硅胶膜，吸盘连接件穿过弹性板、硬质指骨和硅胶膜与吸盘连接，吸盘通过导管与气泵连接，手指通过钢丝与基体和电机连接；基体上设有手指支架、钢丝走线滑轮、电机和滚轮，钢丝搭载在钢丝走线滑轮上并与滚轮连接，两根手指结构相同、对称安装在手指支架上。结合软硬手爪二者优点，通过结构上同时采用“软体材料”和“硬质材料”的方式，一定程度上提高了手爪抓取负载的能力，能应用于多种环境下的物体抓取等。包括但不限于家用服务领域，物流、垃圾分拣领域等。

Description

一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪

技术领域

本发明涉及一种机器人手爪，尤其涉及一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪。

背景技术

现有的传统机器人手爪多使用硬质金属材料作为支撑结构，使用电机或者液压驱动，这一类手爪比较稳定，易于操作；另外则是采用硅胶等超弹性体软体材料作为支撑结构，使用气压驱动，这一类手爪灵活性高，比较安全。现在各种手爪都已经运用在工业机器人、分拣机器人、家庭服务机器人等机器人上面执行抓取物体或其他操作。

在日常生活中，人机进行互动的需求越来越大，特别是家用机器人上，而传统的硬质手爪在动态的环境中容易损坏自身，损坏物体，甚至对人体造成伤害。在家庭环境中，传统手爪若要实现精确抓取多种物体，需要一系列电机、传感器协同工作，手爪自由度提高的同时会导致大规模的运算量、昂贵的成本。而软手爪又不能提供足够大的负载。在安全性，低成本，足够负载的要求下，欠驱动软硬结合手爪应运而生。

合理的手爪结构及抓取物体的方法，是实现抓取的必要条件。现有的欠驱动软硬结合手爪通常依赖于通过接触被抓物体的表面产生的摩擦力来抓取物体，但是由于材料的局限性，它们并不能提供较大的摩擦力，导致负载不能很大，同时抓取的物体也不够稳定。此外，手爪也不能抓取大体积或特殊的物品，比如大体积的水桶和纸张。

由于，硬质材料制作的机器人手爪一般不能抓取柔性物体，而且人机安全交互能力差；而软体材料制作的机器人手爪一般功能单一，抓取力小，因此，两者均不能满足家庭服务机器人能够抓取各种日常生活物体的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，包括多根手指、基体、电机和气泵；

所述手指包括弹性板，所述弹性板上装有至少5个硬质指骨，所述硬质指骨上覆盖有一层硅胶膜，吸盘连接件穿过所述弹性板、硬质指骨和硅胶膜与吸盘连接，所述吸盘通过导管与所述气泵连接，所述手指通过钢丝与所述基体和电机连接，所述钢丝置于所述硬质指骨与硅胶膜之间；

所述基体包括基座，所述基座上设有手指支架、钢丝走线滑轮和滚轮，所述电机固定在基座上，所述滚轮固定在电机的输出轴上，所述钢丝搭载在所述钢丝走线滑轮上并与所述滚轮连接。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，结合软硬手爪二者优点，通过结构上同时采用“软体材料”和“硬质材料”的方式，一定程度上提高了手爪抓取负载的能力。由“软体材料”与“硬质材料”结合制成。该发明的手爪适用于机器人与人类互动时进行的物体抓取。真空吸盘和机械结构使手爪能够同时抓取大尺寸和小尺寸的物体，在稳定抓取基础之上，扩大抓取物体的尺寸范围，降低了抓取物体时对形状的建模要求。能应用于多种环境下的物体抓取等。包括但不限于家用服务领域，物流、垃圾分拣领域等。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪的立体结构示意图；

图3为本发明实施例中吸盘连接件的结构示意图；

图4为本发明实施例中抓取模式的示意图。

图中：

1—基座，2—手指支架，3—吸盘连接件，4—弹性板，5—硬质指骨，6—硅胶膜，7—吸盘，8—钢丝，9—钢丝走线滑轮，10—电机，11—滚轮。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其较佳的具体实施方式是：

包括多根手指、基体、电机和气泵；

所述手指包括弹性板，所述弹性板上装有至少5个硬质指骨，所述硬质指骨上覆盖有一层硅胶膜，吸盘连接件穿过所述弹性板、硬质指骨和硅胶膜与吸盘连接，所述吸盘通过导管与所述气泵连接，所述手指通过钢丝与所述基体和电机连接，所述钢丝置于所述硬质指骨与硅胶膜之间；

所述基体包括基座，所述基座上设有手指支架、钢丝走线滑轮和滚轮，所述电机固定在基座上，所述滚轮固定在电机的输出轴上，所述钢丝搭载在所述钢丝走线滑轮上并与所述滚轮连接。

所述手指支架与基座通过螺栓固定，所述钢丝走线滑轮与基座通过沉头螺丝固定。

优选包括两根手指，两根手指结构相同、对称安装在所述手指支架上。

所述弹性板为PVC材质，所述硅胶膜由3D打印模具制成。

该具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪包括以下四种动作模式：

捏取模式、包裹模式、非包裹模式、半包裹模式。

所述捏取模式用于抓取小体积的物体，指根部分的关节发生大幅度弯曲，只有指尖部分能够接触到物体；

所述包裹模式用于抓取体积大小和手爪近似的物体，手指各个关节发生弯曲，手爪由此将物体包裹起来；

所述非包裹模式用于抓取表面平整的物体，手爪关节不发生弯曲去抓住物体，而是通过吸盘吸力吸住物体；

所述半包裹模式分为大物体的半包裹和小物体的半包裹两种，分别用于抓取体积较大的物体与体积较小的物体：

抓取大物体时，手指指尖抵住物体，该部分发生弯曲，而手指指根部分不发生弯曲，此时接触面的长度小于物体周长的一半；

抓取小物体时，手指指根优先于指尖运动，只有指根发生弯曲，而指尖几乎不发生弯曲，此时接触面的长度同样小于物体周长的一半。

本发明的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，结合软硬手爪二者优点，通过结构上同时采用“软体材料”和“硬质材料”的方式，一定程度上提高了手爪抓取负载的能力。由“软体材料”与“硬质材料”结合制成。该发明的手爪在保留接触物体产生摩擦力的基础之上，利用真空吸盘的结构，额外提供了反向吸力，大幅提高了抓取的负载以及抓取的稳定性，也增大了抓取物体的尺寸、形状范围。适用于机器人与人类互动时进行的物体抓取。真空吸盘和机械结构使手爪能够同时抓取大尺寸和小尺寸的物体，在稳定抓取基础之上，扩大抓取物体的尺寸范围，降低了抓取物体时对形状的建模要求。能应用于多种环境下的物体抓取等。包括但不限于家用服务领域，物流、垃圾分拣领域等。

本发明实现了软体手爪稳定抓取各种尺寸的物体，技术上解决了如下几个问题：

1.抓取的稳定性：由于传统手爪只有单一摩擦力限制物体运动，导致其抓取物体时轻微的扰动便有可能滑落。本发明手爪提供的吸力增大了接触面的摩擦力，实现更稳定抓取物体的功能。

2.手爪的负载：由于软材料的限制，传统手爪不能提供很大的负载，而本发明能够利用吸力，抓住更重的物体，实现较大负载。

3.抓取物体的尺寸：由于传统手爪整体设计较小，手爪的极限距离较小，因此只能抓取体积较小的物体，而本发明方法中的半包裹抓取模式能够抓取直径大于手爪总长度的物体，同时也能够抓取小尺寸的物体，有效扩大了可抓取物体的尺寸范围，进一步扩大了抓取物体的尺寸范围。

4.抓取物体的具体特征：传统手爪需要精确针对不同特定形状的物体实现抓取，只能抓取特定范围，简单形状的物体。但在日常生活中，存在着大量不规则形状的物体，例如：碗，勺子等，又如在建筑领域，由于建筑垃圾体积大小各不相同，几何形状不规则，难以用传统手爪统一抓取、搬运、清理；而本手爪降低了对被抓物体形状的建模要求，能够实现抓取不同形状的物体。

本发明能够在家庭(复杂)环境中抓取各式各样物体的手爪。从而扩大抓取物体的尺寸范围。此外，手爪还要拥有较高的灵巧性和自适应性：手爪既要在防止日常应用中伤害人类、损坏物体，也需要降低对抓取物体的具体特征要求，例如形状，位置等。与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明手爪采用软-硬结合、电-气互补的设计原理，并突破了刚性手爪和柔性手爪的局限性，显著提高了手爪与被操作物体表面之间的贴合度，有效降低了物体形状分析的精度要求，极大改善了手爪与操作环境之间的可接触性。与现有各种刚性、柔性、软体手爪相比，具有更强的适应性，可操作更多具有不同形状、大小和表面特性的物体。

本发明的关键点：

提出的欠驱动真空吸盘手爪，其“气动提供的负压强吸力”是其中的关键和创新点，其基础功能是闭合手爪，利用摩擦力实现抓取物体的功能。在此基础上，能够提高抓取的负载与稳定性，同时扩大了抓取范围。若仅仅依靠摩擦力来抓取物体，无法进一步实现上述优化。

因此，本发明的关键部分首先在于：本发明由软材料与硬材料结合制成，相较于传统软手爪，硬质材料的结合提高了手爪的负载能力；而相较于传统硬质手爪，本发明能够满足抓取复杂物体的要求，降低了对物体形状的建模要求。此外，相较于硬质手爪，本发明更为安全，更适用于需要和人进行接触互动的环境；

其次是：手爪将电动与气动相结合。通过电控制手爪闭合产生的正压力与真空吸盘提供的反向吸力。结合吸盘吸力、柔性手爪进行的进一步的集成与修改，使其能够通过真空吸盘的吸力，顺利完成稳定抓取物体等核心功能，提高了手爪的负载与抓取稳定性；此外，利用反向吸力，手爪能够抓取传统两指手爪难以抓取的处于“非力封闭”的物体，从而大大的提高了抓取物体的尺寸范围。

最后是：不同指节的弯曲程度还可通过控制不同指节PVC板的厚度来进行调节。与之对应的手爪特性是：厚度小的地方优先厚度大的地方弯曲。通过控制不同指节的厚度比例，可以使指根优先于指尖弯曲。降低了对物体形状的建模要求，大大提高了抓取物体的形状范围。

与传统手爪相比，本发明提出的欠驱动真空吸盘手爪，在性能上，具有稳定性好，负载大，抓取物体的尺寸范围大的优点。由于手爪具有电气结合的特性，电动控制手爪闭合抓取物体的同时，真空吸盘提供的反向吸力将物体表面稳固吸附在真空吸盘上，而传统手爪则是仅利用正压力产生的摩擦力来实现夹持物体。在应用上：本手爪能够在复杂环境中抓取不同尺寸，形状的物体，适用于家用服务，物流分拣等需要手爪在复杂环境中工作的领域；此外，本手爪结构简单，成本较低，因此能被广大消费者所接受。

具体实施例：

参照图1、图2、图3，本实施例包括两根手指、基体、电机10和气泵；手指利用螺栓连接在基体的手指支架2上，电机10通过电机座固定在基体上，气泵通过导管与吸盘7连接。

手指包括PVC材质的弹性板4、硬质指骨5、硅胶膜6、吸盘7、吸盘连接件3、导管、钢丝8，两只手指关于中线对称，原理一致；PVC材质的弹性板4上装有至少5个硬质指骨5；硬质指骨5上覆盖有一层由3D打印模具制成的硅胶膜6；吸盘7连接件穿过弹性板4、硬质指骨5与硅胶膜6具，与吸盘7连接；导管将吸盘7与气泵连接，通过气泵的开闭控制吸盘7的吸力；钢丝8置于硬质指骨5与硅胶膜6之间，连接基体与电机10，驱动手指。

基体包括手指支架2、基座1、三个钢丝走线滑轮9以及滚轮11。手指支架2、基座1通过螺栓固定；钢丝走线滑轮9通过沉头螺丝固定在基座；滚轮11与电机10连接，固定在基座上；手指中的钢丝8，搭载在钢丝走线滑轮9上，最后通过基座上的滚轮11；驱动手爪时，电机10带动滚轮11旋转，钢丝8缩短，手指被拉伸从而发生形变。

在抓取物体时，吸盘7能够提供反向吸力，将物体牢固的吸附住，抵消手爪提供的，使物体背离手爪的抓取力。

参照图4，抓取具体物体的四种情况。

“捏取模式一”：该模式用于抓取小体积的物体。此时，指根部分的关节发生大幅度弯曲，只有指尖部分能够接触到物体，因此称之为捏取模式；

“包裹模式二”：该模式用于抓取体积大小和手爪近似的物体。由于手爪的自适应性，各个关节发生弯曲，手爪由此将物体“包裹”起来，因此称之为包裹模式；

“非包裹模式三”：该模式用于抓取表面平整的物体，例如纸，手机。此时手爪关节不发生弯曲去抓住物体，而是通过吸盘吸力吸住物体；

“半包裹模式四”：该模式又可分为两种：大物体的半包裹与小物体的半包裹，它们分别用于抓取体积较大的物体与体积较小的物体。抓取大物体时：由于指尖抵住物体，该部分发生弯曲，而指根部分不发生弯曲。此时接触面的长度小于物体周长的一半。而抓取小物体时：由于指根优先于指尖运动，只有指根发生弯曲，而指尖几乎不发生弯曲，此时接触面的长度同样小于物体周长的一半。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于，包括多根手指、基体、电机(10)和气泵；

所述手指包括弹性板(4)，所述弹性板(4)上装有至少5个硬质指骨(5)，所述硬质指骨(5)上覆盖有一层硅胶膜(6)，吸盘连接件(3)穿过所述弹性板(4)、硬质指骨(5)和硅胶膜(6)与吸盘(7)连接，所述吸盘(7)通过导管与所述气泵连接，所述手指通过钢丝(8)与所述基体和电机(10)连接，所述钢丝(8)置于所述硬质指骨(5)与硅胶膜(6)之间；

所述基体包括基座(1)，所述基座(1)上设有手指支架(2)、钢丝走线滑轮(9)和滚轮(11)，所述电机(10)固定在基座(1)上，所述滚轮(11)固定在电机(10)的输出轴上，所述钢丝(8)搭载在所述钢丝走线滑轮(9)上并与所述滚轮(11)连接。

2.根据权利要求1所述的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于，所述手指支架(2)与基座(1)通过螺栓固定，所述钢丝走线滑轮(9)与基座(1)通过沉头螺丝固定。

3.根据权利要求2所述的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于，包括两根手指，两根手指结构相同、对称安装在所述手指支架(2)上。

4.根据权利要求1所述的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于，所述弹性板(4)为PVC材质，所述硅胶膜(6)由3D打印模具制成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于，该具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪包括以下四种动作模式：

捏取模式、包裹模式、非包裹模式、半包裹模式。

6.根据权利要求5所述的具有多种抓取模式的欠驱动真空吸盘手爪，其特征在于：

所述捏取模式用于抓取小体积的物体，指根部分的关节发生大幅度弯曲，只有指尖部分能够接触到物体；

所述包裹模式用于抓取体积大小和手爪近似的物体，手指各个关节发生弯曲，手爪由此将物体包裹起来；

所述非包裹模式用于抓取表面平整的物体，手爪关节不发生弯曲去抓住物体，而是通过吸盘吸力吸住物体；

所述半包裹模式分为大物体的半包裹和小物体的半包裹两种，分别用于抓取体积较大的物体与体积较小的物体：

抓取大物体时，手指指尖抵住物体，该部分发生弯曲，而手指指根部分不发生弯曲，此时接触面的长度小于物体周长的一半；

抓取小物体时，手指指根优先于指尖运动，只有指根发生弯曲，而指尖几乎不发生弯曲，此时接触面的长度同样小于物体周长的一半。