CN108778640A - 用于杂乱抓持环境、高加速度移动、食品操作以及自动化仓储系统的软机器人抓持器 - Google Patents

用于杂乱抓持环境、高加速度移动、食品操作以及自动化仓储系统的软机器人抓持器 Download PDF

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Abstract

示例性实施例涉及适于在杂乱环境中抓取目标物体(210)的软机器人抓持器系统。一些实施例提供延长杆(208)、铰链(204、208)和/或轨道(604‑1、604‑2)，其允许软机器人致动器(100)朝向或远离机器人基座和/或其它致动器延伸。因此，包括致动器的抓持器可以被重构成允许改善对杂乱环境的接近的尺寸和/或形状。进一步的实施例涉及用于在使用真空、抓持器和/或波纹管装置的高加速度运动期间支撑被抓取物体的软机器人抓持器系统。更进一步的实施例涉及用于操作食品的专用抓持器。

Description

用于杂乱抓持环境、高加速度移动、食品操作以及自动化仓储 系统的软机器人抓持器
相关申请
本申请要求于2016年1月20日提交的题为“用于杂乱抓持环境、高加速度移动、食品操作以及自动化仓储系统的软机器人抓持器”的美国临时专利申请序列号62/280,802的优先权。上述申请的内容被援引纳入本文。
背景技术
机器人抓取器越来越多地用于从仓库中自动检索物品。通常，仓库包括许多货架，每个货架包括存储物品(例如待售物品)的多个料箱或周转箱。当收到物品订单时，从料箱或周转箱中取出多个适当的物品并包装在一起以便装运。
由于周转箱或料箱的尺寸和形状，周转箱或料箱中物品的尺寸、重量和形状，周转箱或料箱中物品的尺寸、重量和形状的可变性，以及由于在仓库或单个周转箱或料箱中相对紧密的存储限制，从多个周转箱或料箱中的一个中检索物品对于传统的机器人系统来说可能是困难的。通常，机器人臂包括庞大的零件或从机器人臂的主体横向延伸的系统，这使得难以在狭窄的空间中引导。
传统机器人系统可能遭受缺陷的另一种情况包括操作相对易碎的食品特别是烘焙食品，例如面团、糕点或面包。这些食品可能包括某些元素如糖霜、碎屑或涂层，如果粗暴处理可能会损坏。一些食品也可能相对光滑或粘稠，使得经由机器人操作器的准确放置变得困难。烘焙食品也可以被放入具有相对低摩擦表面的塑料袋中，这可能使操作最终包装产品变得困难。
本申请解决机器人系统的这些和其它问题。虽然结合拣选和操作食品来描述示例性实施例，但是本领域普通技术人员将认识到本发明不限于此，并且可以用于各种应用中。
附图说明
图1A-图1D描绘了适用于本文描述的示例性实施例的示例性软机器人致动器。
图2A-图2C描绘了机器人系统的示例，该机器人系统包括用于相对于机器人基座定位软机器人抓持器的延伸杆。
图3A-图3D描绘了示例性可调节铰接抓持器。
图4A-图4D描绘了示例性可调节铰接抓持器，其具有通过一组铰链和延长杆连接的致动器转毂。
图5A-图5B描绘了示例性可调节铰接抓持器，其中致动器转毂中的一个连接至旋转致动器。
图6A-图6B描绘了采用基于齿轮的轨道机构的示例性可调节抓持器。
图7A-图7B描绘了采用气动活塞机构的示例性可调节抓持器。
图8A-图8B描绘了具有致动器的示例性抓持器，该致动器用于将易碎的目标物体固定在垫或桨上。
图9A-图9D描绘了采用抽吸装置的示例性抓持器，该抽吸装置用于固定目标物体。
图10A-图10C描绘了示例性的抽吸增强抓持器，其固定围绕目标物体的松散材料，以提高抓持器的软致动器的抓取的可靠性。
图11A-图11C描绘了采用柔顺元件(在这种情况下为波纹管)的示例性抓持器，该柔顺元件用于固定目标物体和/或增加放置精度。
图12描绘了采用柔顺元件(在这种情况下为弹簧)的示例性抓持器，该柔顺元件用于固定目标物体和/或增加放置精度。
图13A-图13C描绘了采用可变形弹性膜的示例性抓持器，该可变形弹性膜用于固定目标物体和/或增加放置精度。
图14A-图14B描绘了采用刚性膜的示例性抓持器。
图15A-图15J描绘了示例性抓持器，其具有附接到该抓持器的致动器的前端的膜，以固定目标物体和/或增加放置精度。
图16描绘了包括示例性致动器的抓持器，该示例性致动器具有抓持手指前端。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地描述本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实施并且不应该被解释为限于这里所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。
现在参考附图，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对其的透彻理解。然而，在没有这些具体细节的情况下可以实践新颖实施例。在其它情况下，众所周知的结构和装置以框图形式示出，以便于其描述。其目的是涵盖与所要求保护的主题一致的所有修改、等同和替代。
在附图和随附描述中，名称“a”和“b”和“c”(以及类似的符号)旨在表示任何正整数的变量。因此，例如如果实施设置a＝5的值，则示为部件122-1到122-a的完整部件组122可以包括部件122-1、122-2、122-3、122-4和122-5。本文中实施例不限于此。
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为橡胶的弹性材料或以构造成在压力下展开、拉伸和/或弯曲的手风琴式结构布置的塑料薄壁或其它适用的相对软的材料形成。例如它们可通过将一片或多片弹性材料成型为期望的形状来制造。软机器人致动器可包括可用例如为空气、水或盐水的流体填充以使该致动器加压、膨胀和/或致动的中空内部。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以上的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使膨胀流体流出致动器，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在被抓持或被推动的物体上施加力。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应性，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，这在从一堆或料箱中取出物体时尤其重要，因为致动器很可能与一堆物体中的不是抓取目标的相邻物体或料箱的边碰撞。此外，因为材料可容易变形，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新型的运动或运动组合(包括弯曲、扭转、拉伸、收缩)。
图1A-图1D示出了示例性软机器人致动器。具体地说，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，其可利用例如为空气、水或盐水的膨胀流体而膨胀。膨胀流体可经由膨胀装置120通过流体连接器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(预定量对应于待由致动器100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，其中所有的流体从致动器100中流出，或处于部分真空的状态，其中部分流体存在于致动器100中，但是处于小于周围环境压力的压力。进一步，致动器100可处于部分膨胀的状态，其中致动器100包含的流体量少于在完全膨胀状态下存在的预定量的膨胀流体，但是比没有膨胀流体(或非常有限量的膨胀流体)更多。
在膨胀状态，致动器100表现出如图1A所示绕着中心轴弯曲的趋势。为便于讨论，本发明定义了几个方向。如图1B所示，轴向穿过致动器100围绕其弯曲的中心轴线。径向沿垂直于轴向的方向在由膨胀的致动器100构成的部分圆的半径方向上延伸。周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的远端前端的内侧向内朝着中心轴线施力，这可被利用以允许致动器100抓取物体(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所使用的材料以及总体结构，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，弹性材料可以从一组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中选择。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(但是各种改型或附加物可被增加到基座以提升致动器的抓持和/或弯曲性能)。基座102可形成抓取目标物体的抓持表面。
致动器100可包括一个以上的手风琴式延伸部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，从而有助于限定致动器100在处于膨胀状态时的形状。手风琴式延伸部104包括一系列的脊106和槽108。可改变手风琴式延伸部104的尺寸与脊106和槽108的布置以得到不同的形状或延伸轮廓。
虽然图1A-图1D中的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呈在未膨胀状态和膨胀状态之间的一个以上的中间尺寸或形状。因此，单独的致动器100通过改变膨胀量在尺寸和形状方面是可缩放的，并且通过用具有不同尺寸、形状或构型的另一个致动器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与切口牵引器的其它部分可拆卸地连接。接口114可由例如为聚乙烯、聚丙烯、聚碳酯、聚醚醚酮、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(“ABS”)或缩醛均聚物的医疗安全材料制成。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、数量或构造的致动器端口，以适应较大或较小的致动器、不同数量的致动器或不同构造的致动器。
用从膨胀装置120穿过例如为软管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而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地连接接口114并且在另一端可拆卸地连接膨胀装置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。
膨胀流体可以例如是空气或盐水。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、液化或压缩二氧化碳、液化或压缩氮气或盐水的储存器，或可以是用于向软管118供应环境空气的通气口。
膨胀装置120还包括用于从流体供应部126穿过软管118将膨胀流体供应到致动器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可以由电力驱动。为供应电力，膨胀装置120可包括例如为电池或电源插座接口的电源130。
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以上的致动按钮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可包括用于向流体递送装置128发送控制信号的控制器136，以使流体递送装置128向致动器100供应膨胀流体或从致动器100中抽出膨胀流体。控制器136可以用在非暂时性计算机可读介质上编码的合适逻辑或指令编程，用于执行本文描述的过程。
安装在延长杆上的抓持器
软机器人抓持器擅长于在杂乱和松散环境中抓取物体，例如从存储箱中的一堆零件中抓取单个零件。另一方面，许多机器人臂庞大且笨重，因此当末端执行器接近零件时，机器人臂会与料箱碰撞。通过延长杆将软机器人夹持器附接到臂上可以减轻这个问题。该杆的轮廓较窄，因此当抓持器接近该箱中的物体时，不太可能与料箱碰撞。
图2A-图2C描绘了采用延长杆208的软机器人系统的示例，该延长杆208允许软机器人抓持器202伸入例如为仓库中的周转箱或料箱的狭窄空间。应注意图2A-图2C中的所有软致动器都是以未致动状态描绘。
图2A描绘了附接有软机器人抓持器202的机器人臂206。抓持器202可包括一个或多个软机器人致动器100(参见图2B)。在所示实施例中，两个这样的致动器通过机器人臂的远端204附接到机器人臂206，其具有适于将抓持器202连接到远端204的安装硬件。机器人臂206可具有一个或多个关节，这些关节可以被操作以将抓持器在三维空间中定位在特定位置和/或取向。
机器人臂206可以在抓持器202可展开到的位置方面受到限制。例如，抓持器202具有宽度w抓持器，表示抓持器延伸的最大距离(例如在垂直于远端204的方向上)。远端也可以具有宽度w臂，表示机器人臂的远端在与抓持器宽度w抓持器相同的方向上的范围。根据w抓持器和/或w臂的值，可能难以或不可能将抓持器202插入具有有限尺寸的开口的容器中。
因此，根据示例性实施例，机器人系统可设置有延长杆208，该延长杆208允许调节从机器人臂的远端204到抓持器202的近端的距离d。延长杆的宽度可以小于抓持器的宽度w抓持器和/或基座的宽度w基座。因此，如图2C所示，当抓持器202插入容器212中时，延长杆的较小宽度允许抓持器202以没有延长杆208时不可能实现的角度重新定向。
更具体地，图2C描绘了延长杆上的软机器人抓持器，其定位成抓取料箱或容器212中的物体210。延长杆208允许软抓持器202伸入狭窄空间，而不会使庞大的机器人臂206与容器212碰撞。
在一些实施例中，延长杆208可以长度固定。换句话说，延长杆可永久固定，以将抓持器202保持在距机器人臂的远端204的距离d处。或者，延长杆可以是可伸缩的/可伸长的。例如延长杆208可以缩回到远端204中或者可以是伸缩杆。延长杆208可以手动、机械、气动或液压调节。
延长杆208可以由适于在距离机器人臂的远端204由延长杆208限定的距离d处支撑抓持器202的任何材料构造。延长杆208可以滑入和滑出远端204中的开口或孔。或者，延长杆208可以安装到远端204的侧面或其它外部部分。机器人系统可以采用一个或多个延长杆208。
在一些情况下，最佳的是可以一定角度接近目标物体210(例如当目标物体210被包围或以其它方式非常接近其它非目标物体时)。在这种情况下，机器人系统可被编程为最初以相对陡的角度接近容器212(例如允许抓持器202插入容器212而不与容器212的侧面和/或容器212中的物体碰撞的角度；这样的角度可以是例如大约90度)。随后(例如在抓持器202完全或部分地布置在容器212内之后)，机器人臂的远端204可以重新定向，以使抓持器202相对于容器212成角度。在重新定向之前、期间或之后，延长杆208可以延伸，以便以这样的方式接近目标物体210，如果抓持器202直接附接到远端204时则可能无法以这样的方式延伸入容器212。例如，可以看出，如果在图2C的实施例中不存在延长杆208，由于抓持器202的宽度和/或机器人臂204的远端的宽度，抓持器将不能直接接近目标物体210；抓持器202和/或机器人臂204的远端将被容器212的上壁阻挡。例如，即使机器人臂的远端能够接近物体，在系统的一部分不碰到箱壁的情况下，机器人臂的远端的宽度可能限制物体可以被抓持的角度。在某些情况下，可能需要从特定侧面或以特定角度抓取目标物体，例如避免与邻近物体碰撞或利用物体上的最佳抓取点。通过重新定向抓持器和/或延伸延长杆208，该问题可以避免。构造成控制机器人臂206的控制器可以用存储在非暂时性计算机可读介质上的适当逻辑编程，用于执行这样的指令。
在一些实施例中，延长杆不一定需要在从基座直接向外的方向上延伸。例如，在一些应用中希望能够抓取位于如料箱的杂乱环境中的不同尺寸的物体。
抓取不同尺寸的物体的一种方法是设计能够重新构造多个软致动器之间的距离的抓持器(具有旋转或线性马达、螺线管、传统硬气动或液压致动器或手动调节件)。在从料箱(或其它杂乱环境)中拾取物体的情况下，还需要抓持器能够减小其横截面，以便最小化末端执行器和料箱之间碰撞的可能性。
例如，图3A-图3D描绘了可调节的铰接式抓持器。抓持器可包括一个或多个致动器100-1、100-2，每个致动器固定到接口或致动器基座302-1、302-2。致动器基座302-1、302-2可以分别包括或附接到第一铰链机构304-1、304-2，该第一铰链机构304-1、304-2可旋转地将基座302-1、302-2连接到第一和第二延长杆306-1、306-2。延长杆306-1、306-2可包括或可附接到第二铰链机构308-1、308-2，该第二铰链机构308-1、308-2将延长杆306-1、306-2可旋转地连接到抓持器转毂310。
铰链机构304-1、304-2、308-1、308-2可以手动、机械、气动或液压调节，以改变多个致动器之间的内部距离(id致动器)。例如，马达或气动或液压旋转致动器可位于铰链内，以便调节相对距离。相同的机构可以用来驱动铰链304-1、304-2、308-1、308-2以调节致动器100-1、100-2所成的角度。将铰链放置在转毂底座310和致动器底座302-1、302-2上允许独立于相对致动器角度地来调节相对致动器距离。
可以选择延长杆306-1、306-2的尺寸和/或铰链304-1、304-2、308-1、308-2的最小和最大旋转量，以便根据要抓取的目标物体的尺寸范围来实现id致动器的一系列值。因此，抓持器可以在收缩状态(图3A)和延伸状态(图3B)之间移动。
因此，可以调节抓持器的尺寸，以便在致动器100-1、100-2被致动时允许抓持不同尺寸的目标物体(图3C)。替代地或另外地，收缩的抓持器可以移动到相对窄的开口中或移动成一定角度以插入容器，然后加宽以便抓取目标物体。例如，这种构造将允许抓持器插入具有相对小的开口例如孔的板或其它障碍物中。在这种情况下，通过使用铰链机构将致动器朝向彼此拉近，致动器之间的距离可以最小化。抓持器接着可以具有足够小的宽度以适配穿过开口。在开口的另一侧，抓持器的致动器可以伸展，以便处于抓取物体的合适位置。
尽管图3A-图3C描绘了每个致动器的单个铰接段(如由铰链304-1、308-1之间的延长杆306-1限定的铰接段)，但可采用在一个致动器中有多个铰接段的方式。例如这可允许更精细地控制致动器位置、角度、距离等。
在图4A-图4D所示的另一个铰接式的实施例中，致动器转毂可通过一组铰链连接在一起。在该例子中，第一致动器100-1固定到第一致动器转毂402-1，第二致动器100-2固定到第二致动器转毂402-2。每个致动器转毂可以附接有一个或多个第一铰链(在这种情况下铰链406-1、406-2、406-3、406-4)，通过一个或多个延长杆408-1、408-2、408-3、408-4，其可以附接到一个或多个第二铰链404-1、404-2。图4A和4B分别从侧面和顶部描绘了这样的实施例，此时抓持器处于收缩状态。图4C和4D分别从侧面和顶部描绘了该实施，此时抓持器处于延伸状态。
如前面例子，铰链可以通过任何合适的机构来控制，并且系统的各种参数(延长杆长度、铰链最小角度、铰链最大角度、致动器转毂尺寸等)可以如此设置，以便为id致动器提供所需范围的值。
在图5A-图5B所示的又一个实施例中，延长杆可以固定到旋转式致动器上，用于改变抓持器系统的各个侧面之间的相对角度。如图5A所示，两个或更多个对置的致动器100-1、100-2、100-3、100-4分别附接到致动器转毂502-1、502-2。转毂502-1、502-2附接有延长杆504-1、504-2，该延长杆504-1、504-2本身固定到旋转致动器506。
旋转式致动器506可以是机械的、气动的、液压的等。延长杆504-1、504-2中的一个或两个可以通过旋转式致动器506操作，以便操作id致动器和相应致动器之间的角度中的任一个或两个。在一些实施例中，延长杆之一504-1可以是静止的或固定的，而另一个延长杆504-2可以通过旋转式致动器506操作，以便移动非固定的致动器100-1、100-2接近固定致动器100-3、100-4，如图5B所示。
在一些实施例中，延长杆可以是轨道或其它类似装置的形式，其能够被一起驱动或分开驱动，以便改变抓持器的多个致动器之间的距离。图6A-图7B描绘了允许改变相邻致动器之间的距离同时限制致动器/转毂系统占据的空间量的各种实施例。当处于闭合形态时，这些实施例的部件(其可包括轨道或其它类似的硬转毂部件)仅从系统延伸到很小程度(如果有的话)，这允许系统保持紧凑。当展开时，多个致动器可以被驱动分开到足够允许抓持器抓取相对较大的目标物体的程度。
图6A-图6B描绘了一个实施例，其中两个或更多个致动器(在这种情况下，是标记为100-1、100-2、100-3、100-4的四个致动器)安装到一个或多个抓持器转毂602-1、602-2。抓持器转毂602-1、602-2各自安装到一个或多个带齿的轨道604-1、604-2，这些轨道在中心位置通过马达606连接。
轨道604-1、604-2可以包括与马达606的相应齿轮配合的带齿的机构。当沿一个方向驱动马达606时，齿轮的运动可以使带齿的轨道分开，推动转毂602-1、602-2彼此远离(图6A)。当沿不同方向驱动马达606时，齿轮的运动可使带齿的轨道604-1、604-2靠近在一起，将转毂602-1、602-2拉在一起(图6B)。
图7A-图7B描绘了气动系统，其与图6A-图6B的基于马达的系统在操作上类似。在该系统中，致动器安装在转毂702-1、702-2上，转毂702-1、702-2连接到轨道704-1、704-2。气动系统比如气动线性致动器706是可操作的以接收例如为空气的气动流体，以便当转毂沿着轨道704-1、704-2被引导时将驱动转毂702-1、702-2分开，或者当转毂沿着轨道704-1、704-2被引导时排出流体以将转毂702-1、702-2驱近在一起(图7B)。气动流体供应管708可将气动流体输送到气动线性致动器706或从气动线性致动器706输出气动流体。应注意，不同的阀系统可用来控制气动系统的运动。
作为气动系统的替代或补充，抓持器可以由液压流体来液压调节。
具有柔性垫或桨的抓持器
接下来，参考图8A-8B描述使用一个或多个软致动器100将目标物体804推靠在相对的柔性和/或脊状垫或桨802上的抓持器或者类似工具，该垫或桨例如为刮刀或被动柔顺垫或桨。
软致动器100对物体804的动作允许物体804牢固地保持在垫或桨802上。这种构造允许通过在非常易碎的物体804下方滑动垫或桨802然后用对置的致动器100固定而将其提升，在抓取该易碎物品的侧面、顶部或底部时不能支撑它们自身重量。此外，当物体的侧面或顶部是粘性的或易碎的时，例如在除了物体的底部之外的所有侧面上有易于破裂的巧克力涂层的情况下，这种构造是有用的。该方法也可用于操作平坦表面(例如桌子)上的薄型物体、狭窄空间中的狭窄物体，或简单地出于成本效益。
桨802和致动器100可以固定到转毂806，转毂806还可以包括用于将膨胀流体供应到致动器或从致动器抽出的接口。转毂806可以被附接到机械臂。转毂806可以具有选定的宽度w转毂，其对应于待抓取的目标物体804的尺寸或形状。例如，根据目标物体的宽度，转毂宽度w转毂可以这样选择，使得桨802和致动器100适当地间隔开，以便在致动器100被致动时用力的预定目标范围内的力来抓取物体。
在操作中，桨802在易碎物品(例如烘焙食品和糕点、农产品、海绵状材料、松散肉制品等)下方滑动，而对置的致动器100是离开和缩回的(例如处于真空状态，参见图8A)。在缩回状态下展开致动器100允许致动器100在桨802在目标物体804下方滑动的同时移开。
致动器100然后可以部分地或完全地膨胀，使致动器100与物体804支撑接触(图8B)。一旦抓持器已经完全支撑物品并且物体804被固定在桨802上，物体804就可以以相对高的速度移动和/或重新定向。
应注意，抓持器可以布置成其它构造。例如，如果烘焙食品涂层有糖霜，则可能不希望从顶部抓取烘焙食品。因此，桨可以在烘焙食品下方滑动，同时一个或多个致动器从侧面抓取烘焙食品。在另一个例子中，桨可以在汉堡包或其它三明治下面滑动以支撑其重量，并且可以从侧面施加一个或多个致动器以防止三明治在加速或减速期间从桨滑落。
此外，作为柔性垫或桨的替代或补充，抓持器可将物体导入至盒子、盘或其它形式的容器。例如，机器人工具可以包括具有一个或多个软机器人致动器的簸箕状机壳，所述软机器人致动器将物体扫入机壳中。
抽吸辅助和/或波纹管辅助的抓持器
图9A-图9D描绘了采用吸盘902的抓持器的例子。
在许多情况下，吸盘抓持器可以擅长从紧密堆积的环境中移出物体。吸盘902可用于提供改进的抓取能力，更好地固定由一个或多个致动器100保持的目标物体。
在一些情况下，当抓持器被机器人重新定向或快速地加速或减速时，吸盘902获得的抓持可能不足以保持物体。在这些情况下，可能有用的是，使用吸盘首先从紧密堆积的环境中移出物体，然后用软致动器100进一步抓持以及抱起物体，当抓持器被重新定向或快速地加速或减速时，软致动器100将固定物体。
吸盘902和致动器100-1、100-2可以被安装到抓持器转毂904。在一些实施例中，吸盘902的远端可以延伸超过致动器100-1、100-2的远端。因此，当抓持器下降到待抓取的目标物体的上方时(图9B)，吸盘902与目标物体首先接触。
可选地，抓持器转毂904能够向吸盘902施加真空以便接合该吸盘902(使吸盘902朝向抓持器转毂904回撤，如图9C所示)。更具体地，只要吸盘902的端部处的开口被(例如抓取目标)阻挡，施加到吸盘902的吸力就具有使盘902的一个或多个手风琴状褶皱折叠的效果。
一旦目标物体被拉离环境中的其它物体，致动器100-1、100-2就可被致动，以便抓取并进一步固定目标物体(图9D)。
在一些实施例中，吸盘902可以附接到可伸缩杆。在这些情况下，吸盘902可以通过杆的动作朝向抓取目标延伸。吸盘902可以与抓取目标密封，此时杆可以朝向抓持器转毂904缩回，从而将抓取目标朝向附接到抓持器转毂904的致动器100-1、100-2拉回。致动器100-1、100-2然后可被致动以便保持和抱起抓取目标。
在一些实施例中，吸盘902在施加真空时基本上不改变长度。在这些情况下，致动器100-1、100-2可以反向卷曲，使得它们不会干扰吸盘接触物体并获得首先抓取的能力。在通过吸盘902已经抓取物体并将其从杂乱的环境中拉离之后，软致动器100-1、100-2中的真空可以用正压代替，以便允许软致动器100-1、100-2对抓取目标施加抓持力。
这样构造的例子在图10A-图10C中示出。除了示出致动器100-1、100-2的反向卷曲之外，该构造还示出了用于准备操作物体的一个或多个吸盘902。例如，吸盘902可用于部分地支撑物体的重量，以有助于用软致动器100-1、100-2抓取物品或(在所示例子中)固定物品周围的松散材料的方式定位物体，通过减少在运动期间(例如，在物品被周围的软致动器抓取之前，通过抽吸拉动包装袋、包裹、布或网)内容物可能在抓取中移位或滑动的可能性来提高用软致动器100-1、100-2抓取的可靠性。
例如，图10A描绘了抓持器，其中吸盘902被激活，同时周围的软致动器100-1、100-2在接近抓取目标物体时缩回。图10B描绘了在吸盘拉动所示的包装袋或包裹材料的状态下的抓持器。可选地，吸盘可以进一步或替代地部分地支撑抓取目标物体的重量。图10C描绘了处于周围的软致动器100-1、100-2被启用并且固定抓取目标对象的状态下的抓持器。现在可以执行对松散的袋装或包裹物品的高速操作，同时降低对包装袋或包裹材料滑动或者所封物品的移动的风险。
可以使用其它系统代替吸盘或者除吸盘之外还使用其它系统。例如，图11A-图11C描绘了具有柔顺元件(在该例子中是附接到柔顺垫1104和抓持器转毂1106的波纹管1102)的软抓持器。
波纹管系统1102可用于允许在释放时由抓持器精确地定位被抓取的物体。这种控制可能有用的一个例子涉及将饼干面团球放在烹饪片上。在这个例子中，饼干面团可能相对粘稠，因此当指释放面团球时，比起其它指来说，该面团球倾向于更多地粘在抓持器的一个指上。在这些情况下，面团球倾向于朝向最大程度地粘附的指被拉动，并因此落在烹饪片上偏离所需放置位置的中心。这在烹饪过程中产生了问题，因为如果饼干面团球在烘焙过程中靠近其相邻的面团球，它将与其相邻的面团球合并形成一个大的畸形饼干。
在一些应用中，放置精度可以通过在环境中使用定位特征来提高，该定位特征在从抓取中释放物体之后定位物体。然而，这对于饼干是不可能的，因为它们需要在平板上烹饪(否则环境的结构将嵌入最终烹饪产品的形状中)。或者，人们可以通过在烤盘上的面团球之间增加更多间距来补偿放置的不准确性。然而，由于效率降低，包括由于每个烹饪片区域的面团球数量较少而使面包店的生产量降低，这可能是不可接受的解决方案。因此，精细放置控制可能在该应用中尤其重要。
图11A描绘了具有柔顺垫1104的波纹管1102。垫1104材料可以基于与之相互作用的物体来选择，或者在一些实施例中垫1104可以有利于手风琴式波纹管1102而被完全取消。在所描绘的实施例中，波纹管1102最初以中性位置和中性长度设置。
在图11B中，抓持器已经抓取了一个物体。最初，转毂1106向下移动，使得波纹管1102借助于在被抓取物体(由垫1104传递)和抓持器转毂1106之间施加的力而被压缩。致动器100-1、100-2然后可以被致动以牢固地抓取该物体。
在图11C中，抓持器通过退动致动器100-1、100-2来释放物体。波纹管1102借助于存储的力向后回推并越过中间位置，从而有助于精确地定位物体。
可以使用许多方法来抓握和定位。例如，可以在不提供补充力的情况下使用波纹管1102(例如不对波纹管1102施加真空或正压)。在这样的实施例中，借助于柔顺结构的恢复力，可以将目标物体放置在目标位置。在另一个实施例中，可以采用真空使波纹管1102将物体保持就位。在这种情况下，真空可以帮助提供对物体的更好抓取。在又一个实施例中，波纹管可与正压力一起使用(例如用于释放物体)。在这种情况下，在释放物体时可以产生额外的力，从而允许更准确地放置物体。更进一步地，柔顺垫1104可以附接到由驱动机构(例如马达、气动系统、液压系统等)驱动的杆。当即将释放抓取目标时，致动器可以缩回(例如通过施加真空或负压)，并且杆可以延伸以将目标物体推离抓持器。杆可以在致动器缩回的同时或者在不久之前延伸。在这种情况下，驱动杆的延伸运动的时机可以相对于致动器的打开运动的时机来调整，以便为给定的应用提供所需的延迟。硬件控制器可以编程有合适的逻辑，用于控制致动器的打开和在适当的时机驱动杆以释放目标物体。
这些技术可以一起采用(例如使用真空来改善抓取并通过增加的正压补充释放力)。
释放时的物体定位也可以通过诸如弹簧1202之类的其它柔顺元件来实现，如图12所示。这些元件的操作原理类似于图11A-图11C中所示的操作原理。
使用柔顺结构的概念，如图11A-图12所示，可通过使用串联或并联的多个柔顺结构或以任何合适的组合来实现，以实现所需的柔量/刚度值。
在一些情况下，软抓持器可能需要抓取尺寸大于致动器长度的物体。对于这样的应用，可以采用可变形膜1302，如图13A-图13C所示。可变形膜1302可以是抓持器转毂1304的一部分，或者可以是位于致动器100-1、100-2的至少一部分与致动器转毂1304之间的单独部件。如果该膜1302是弹性的，它不仅在抓取期间变形以容纳大物体，而且还有助于在释放期间通过其施加回到物体上的恢复力(在释放期间)将物体定位。
此外，在诸如面团球之类的柔顺抓取目标的情况下，由于通过变形膜1302施加到抓取目标的力，膜1302还可以用于成形被抓取的物体。
图13A描绘了具有处于初始长度的膜1302的抓持器。在该中间位置，膜1302可以处于一定的张力下以保持水平并且在其自身重量下不下垂(膜1302可以或可以不根据应用的要求预张紧)。
图13B描绘了夹持物体的抓持器，其中致动器100-1、100-2处于致动状态。膜1302拉伸(借助于物体施加的力)以适应被抓取物体的形状。
在图13C中，抓持器释放物体。膜1302恢复其初始形状。因为膜1302是弹性的，所以它通过推离被抓取物体而恢复其存储的力，从而有助于定位物体。
大物体的抓取也可以通过使用非弹性膜来实现，如图14A-图14B所示。在该实施例中，膜1402可由诸如织物或纺织物的材料制成。除了非弹性的膜1402不能拉伸以容纳物体外，操作原理类似于弹性膜的操作原理。相反，膜1402可翻转到转毂1404的另一侧以为物体提供空间。此外，这种膜1402可以不提供或仅提供很小的力来帮助在释放期间定位物体。
尽管如此，膜仍然可以帮助抓取，因为它可以包裹物体并产生摩擦。如果将物体紧紧压入织物中，它也可以在物体上施加力。
例如，图14A描绘了膜1402处于其自然位置的抓持器(在该实施例中膜1402因自身重量下垂)。致动器100-1、100-2是未致动的。图14B描绘了夹持物体的抓持器。致动器100-1、100-2被致动，而膜1402翻折到转毂1404的相对侧以适应被抓取物体的形状。
图15A-图15C描绘了抓持器，其包括如前述例子中的柔性或可延伸的膜。但是在这些实施例中，膜1502连接两个或更多个软致动器100-1、100-2的接触表面。膜1502可以被构造为辅助释放目标物体，提供抵靠目标物体的可移出/可替换接触表面，和/或更完全地包围目标物体。例如，如果膜1502的尺寸适当(例如)完全包围一定体积，则这种功能可用于抓取松散包装的物品或较小物品的集群。膜1502还可用于成形的柔顺抓取目标，例如面团球。此外，膜1502可以设计成使得在释放周围的致动器时其被拉紧，以可重复和受控的方式有效地弹出所包含的物体。此外，膜1502可用于抓持高度光滑和可变形的物体，例如生鸡腿。
膜1502可以是可拆卸的，以提供可以容易地清洁或更换的接触表面，以防止标记物体并保持食品的卫生接触表面。
图15A描绘了一个例子，其中采用这种膜1502的抓持器在中间状态下展开，准备接近目标抓取物体。图15B描绘了在与内膜1502共用连接的周围致动器100-1、100-2被启用并且使膜1502完全包围目标抓取物体的状态下的相同示例性抓持器。图15C描绘了相同的示例性抓持器实施方式，其中周围的致动器100-1、100-2已经缩回，从而使得膜1502从包围目标抓取物体转变到完全拉紧的状态。这导致对目标抓取物体的向下的力，允许其可靠地从抓取中弹出。
图15D-图15J进一步描绘了示例性实施例。例如，图15D描绘了具有膜1502的四致动器系统(其中两个致动器100-1和100-2在侧视图中可见)。图15D中的致动器被描绘为处于中间未致动位置。图15E描绘了相同的系统，其中致动器处于正膨胀的致动形态，而图15F描绘了当施加真空时(负膨胀)的相同系统。
图15G描绘了抓取目标物体(在该例子中是光滑且不规则形状的目标物体例如鸡块)的四致动器系统。图15H以特写图示出了膜1502，而图15I示出了接近目标物体的系统，并且图15J描绘了与目标物体初始接触并开始抓取目标物体的系统。
具有延伸前端的抓持器
图16描绘了设计有沿着致动器的外部定位的抓持器前端1602形式的抓取表面的致动器100。抓持器前端1602允许抓持器在紧密堆积的环境中操作以拾取物体而不与相邻物体碰撞。
在一些情况下，机器人臂和/或抓持器的宽度可能不一定是在杂乱或受约束的环境中抓取目标物体的限制因素。例如，具有在向内定向的表面上的抓取表面的致动器100本身对于某些应用可能具有太大的横截面。因此，使用前端1602，致动器100的横截面延伸到待抓取物体的横截面之外的程度可以减小或最小化。
前端1602可以是弹性的、完全刚性的(例如由塑料制成)或带柔顺表面的刚性的(例如具有弹性的抓持器前端，在其核心处具有包覆成型的硬塑料部件)。前端1602可以在内部抓持表面上纹理化，以便增加前端1602的区域中的摩擦和/或抓取，该前端1602被构造成抓取目标物体。
抓持器前端1602可以从致动器100的远端延伸，并且可以向致动器的基座102提供抓取表面内部(即朝向手风琴式延伸部104的外前端)。
通过将抓持器前端1602朝向致动器的外表面定位，位于抓取所需的横截面区域之外的致动器横截面的量可被最小化。因此，抓持器和/或致动器可被操作到狭窄空间中或者紧密包装的物体之间，如图16所示的例子。
术语的一般性说明
一些实施例可以使用表达“一个实施例”或“实施例”及其派生词来描述。这些术语意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指的是同一实施例。此外，除非另有说明，否则上述特征被认为可以任何组合一起使用。因此，除非注意到特征彼此不相容，否则可以彼此组合地使用单独讨论的任何特征。
通常参考本文使用的符号和术语，本文的详细描述可以根据在计算机或计算机网络上执行的程序过程来呈现。本领域技术人员使用这些程序描述和表示来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员。
这里的过程通常被认为是导致期望结果的自相容的操作顺序。这些操作是需要物理量的物理操作的操作。通常，尽管不是必须的，这些量采用能够被存储、传输、组合、比较和以其它方式操作的电信号、磁信号或光信号的形式。有时，主要出于通用的原因，将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、术语、数字等是方便的。然而应该注意，所有这些和类似术语都与适当的物理量相关联，并且仅仅是应用于这些量的方便标签。
此外，所执行的操作通常以诸如添加或比较的术语来指代，这些术语通常与人类操作员执行的心理操作相关联。在大多数情况下，在本文描述的任何操作中，人类操作员的这种能力不是必需的，或者是期望的，其形成一个或多个实施例的一部分。相反，操作是机器操作。用于执行各种实施例的操作的有用机器包括通用数字计算机或类似设备。
一些实施例可以使用表达“接合”和“连接”以及它们的派生词来描述。这些术语不一定是彼此的同义词。例如，一些实施例可以使用术语“连接”和/或“接合”来描述，以指示两个或更多个元件彼此直接物理或电接触。然而，术语“接合”还可以表示两个或更多个元件彼此不直接接触，但仍然彼此协作或交互。
各种实施例还涉及用于执行这些操作的装置或系统。该装置可以为所需目的而专门构造，或者它可以包括通用计算机，该通用计算机由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置。这里给出的过程并不固有地与特定计算机或其它装置有关。各种通用机器可以与根据本文的教导编写的程序一起使用，或者可以证明构造更专用的装置以执行所需的方法步骤是方便的。从给出的描述中可以看出各种这些机器所需的结构。
需要强调的是，提供了本公开的摘要以允许读者快速确定技术公开的本质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求书的范围或含义。另外，在前面的具体实施方式中，可以看出，为了简化本公开，各种特征在单个实施例中被组合在一起。该公开方法不应被解释为反映所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。而是，如以下权利要求书所反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求书在此并入具体实施方式中，每个权利要求自身作为单独的实施例。在所附权利要求书中，术语“包括”和“其中”分别用作相应术语“包括”和“其中”的普通英语等同物。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅用作标注，并不旨在对其物体施加数字要求。
以上描述的内容包括所公开的体系结构的示例。当然，不可能描述部件和/或方法的每个可想到的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到许多其它组合和排列是可能的。因此，该新颖的结构旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这些改变、修改和变化。

Claims (18)

1.一种软机器人系统，包括：
臂远端；
抓持器，其包括一个或多个软机器人致动器；和
延长杆，其包括固定到所述抓持器的抓持器端部，所述延长杆被构造成距所述臂远端预定距离或可变距离地定位所述抓持器，所述延长杆的宽度小于所述臂远端的宽度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，基座包括用于容纳所述延长杆的开口以及用于使所述延长杆从所述臂远端延伸出可变距离的延长器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述延长杆从所述臂远端延伸出固定长度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述延长杆通过第一铰链被固定到基座，所述延长杆绕所述铰链是可旋转的以改变所述抓持器和所述臂远端之间的距离。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括位于所述延长杆的抓持器端部处的第二铰链。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述延长杆绕所述铰链的旋转进一步改变第一致动器和相邻致动器之间的距离。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括被构造成承重由所述抓持器抓取的物品的抽吸装置。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括被构造成承重由所述抓持器抓取的物品的膜。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括波纹管，所述波纹管被构造成支持由所述抓持器抓取的物品的取出或释放。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括柔顺垫，所述柔顺垫被构造为与被抓取物体面对面接触，所述柔顺垫被附接到驱动机构，其中控制器控制所述致动器的退动和在预定时机的所述驱动机构的启动，以释放被抓取物体并驱动被抓取物体远离系统。
11.根据权利要求1所述的系统，还包括用于承重被抓物体的重量的垫或桨。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括盒子或容器，所述盒子或容器被构造和定位成接收由所述抓持器扫入所述盒子或容器中的一个或多个物体。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括朝向至少一个致动器的径向外表面设置在至少一个致动器的远端上的一个或多个抓持器前端，使得与没有抓持器前端的软机器人致动器相比，位于抓取用横截面区域之外的致动器横截面的量被减小。
14.一种可调节的抓持器，包括：
支承多个软机器人致动器的两个以上的转毂，所述转毂安装在彼此相向取向的轨道上；和
延长机构，其被构造为驱动所述轨道靠近或分开。
15.根据权利要求14所述的可调节的抓持器，其中，所述延长机构是安装到所述轨道的马达。
16.根据权利要求14所述的可调节的抓持器，其中，所述延长机构是气动活塞或液压活塞。
17.根据权利要求14所述的可调节的抓持器，其中，所述延长机构包括多个铰链。
18.一种方法，包括：
使用设置在多个软机器人致动器之间的抽吸装置抓取目标物体；
使用一个或多个软机器人致动器进一步抓取所述目标物体；和
执行以下至少一项：
使用所述软机器人致动器重新定向所述物体或支持所述物体以实现高加速度，或
使用所述抽吸装置吸紧目标物体周围的包裹物。
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