CN109168605A - 一种仿人手柔性气动抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿人手柔性抓取装置，包括有：多个软体手指,其呈环绕型分布，所述软体手指为囊型结构,且所述软体手指由主体部分和指尖部分组成；驱动机构，其用于向所述软体手指内部充气以使所述多个软体手指弯曲形成抓握动作；机架,其与所述多个软体手指相连,且所述机架上设有用于固定所述软体手指的接口以及用于放置所述驱动机构的容腔。本发明的抓取装置用于采摘果蔬,在采摘过程中不会损伤果蔬的表面，并适用于采摘不同质量以及不同外形大小的果蔬。

Description

一种仿人手柔性气动抓取装置

技术领域

本发明涉及采摘机械手领域，特别涉及一种仿人手柔性气动抓取装置。

背景技术

目前，广大果农群众们在水果采摘作业中，由于水果的多样性以及水果树高低的不同，果农常会遇到不少困难。对于有果壳、或者果皮较厚且体型较大的水果，果农们通常采用大型机械进行采摘，也有专门针对果农个体采摘的许多设计，但设计的抓取原理大多为用刀破坏水果根再以载物台承接或者直接用刚性抓手接触水果表面强制抓取，这种采摘方式很容易破坏果树结构以及损坏水果表面，作业失败率极高，会给果农带来很大的经济损失。对于表面柔软且易破损、体型小巧的水果，目前还没有很好的解决办法，对此果农们大部分都是采用手工采摘的办法，手工采摘确实保证了水果的完整性及果树的结构完整，但果农的劳动量大、耗时耗力、效率低。

柔性抓取装置因其柔性的抓手，可避免作业过程中破坏被抓取对象，其简单的结构和操作手法可以很好的协助果农的采摘工作，大大减少果农的劳动量，从而提高采摘效率。在设计柔性抓取装置的过程中，考虑可能的应用环境，应使结构紧凑、合理，同时能灵活控制抓取装置的伸缩长度、能实现在抓取过程中灵活不僵化的特点。目前，国内外在柔性抓取装置这一领域已有一些不错的成果，但是还是存在一些问题：比如机械结构运动方式单一。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号CN201820034227.1，该技术公开一种水果采摘装置。该装置主要包含长杆以及手抓组件，手抓部分套有橡胶套。手抓部分抓取水果后将水果转拧下，实现水果采摘。但手抓部分仍属于刚性结构，尺寸和刚度不可改变，因此装置适用的水果采摘种类有限，并且仍存在对水果产生损伤的风险。该装置为纯手动辅助工具，采摘效率低。

中国实用新型专利申请号97210599.9，该技术公开了一种简易液压机械手。该机械手主要包括了手、支杆和输液管组成。手部分进行了仿人手设计，手包括手指和手臂部分，手指为囊式结构，通过输液管向手指内注液体，手指会发生弯曲，达到抓拿物品的目的。该机械抓手主要通过手指部分来进行抓取动作，手指为弹性材质，承载能力弱，当负载较大时，仅通过手指来进行抓取并不能满足使用，并且手指的控制方式为液压控制，会使得整个机械手的重量大大增加，不便使用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种仿人手柔性气动抓取装置，该装置的软体手指为柔性结构，能够保证在采摘过程中不损伤果蔬的表面，且软体手指的主体部分可以主要用来采摘外形以及质量较大的果蔬，指尖部分可以抓取微小物体，主体部分和之间部分相配合使得软体手指可以适用于采摘不同负载以及不同外形大小的物体。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种仿人手柔性气动抓取装置，包括:

多个软体手指,其呈环绕型分布，所述软体手指为囊型结构,且所述软体手指由主体部分和指尖部分组成；

驱动机构，其用于向所述软体手指内部充气以使所述多个软体手指弯曲形成抓握动作；

机架,其与所述多个软体手指相连,且所述机架上设有用于固定所述软体手指的接口以及用于放置所述驱动机构的容腔。

优选地，所述软体手指为硅胶材质。

优选地，所述软体手指的个数为6个。

优选地，所述软体手指的主体部分包括弯曲层和非弯曲层，所述弯曲层和非弯曲层之间构成主体部分的内腔,且所述内腔的外形与主体部分的外形一致。

优选地，所述弯曲层为弧形长条状结构，所述弯曲层的外表面呈波纹状，所述非弯曲层的外表面呈平直状，且所述弯曲层的厚度小于所述非弯曲层的厚度。

优选地，所述非弯曲层内设置有纱网层，所述弯曲层内设置有呈螺旋状缠绕的凯夫拉线层。

优选地，所述主体部分一端设置有与所述内腔相连通的通气口，另一端设置有与所述指尖部分连接的第一连接口。

优选地，所述指尖部分包括手指末端、柔性关节、柔性节肩和第二连接口，多个所述柔性关节和柔性节肩间隔分布在所述手指末端和第二连接口之间，且所述柔性关节和柔性节肩为拱形结构。

优选地，所述驱动机构包括动力模块和控制模块；

所述动力模块包括输气管和微型隔膜泵，所述输气管连通所述微型隔膜泵和所述软体手指的通气口；

所述控制模块包括电磁阀、压力传感器、控制板和继电器，所述控制板分别与压力传感器、控制板和继电器具有信号连接；

其中，所述电磁阀设置在所述输气管的气路上，用于控制输气管气路的通断，所述压力传感器设置在所述软体手指的内腔内，所述控制板根据所述压力传感器输入的信号控制继电器的通断以实现所述电磁阀的开闭，使得所述微型隔膜泵选择性地将气体输入或排出所述软体手指。

优选地，所述机架包括：

接口层，其上端开设有多个第一螺纹孔；

装夹层，其上设置有多个与软体手指的夹具相适应的接口，且所述接口的侧面开设有多个第二螺纹孔；

控制部件层，其为盒状结构，所述控制部件层承接所述接口层和装夹层，所述控制部件层内设有用于放置所述驱动机构的容腔，所述控制部件层的侧面开设有供管线通过的走线口。

本发明的有益效果是：

1)本发明的气动抓取装置利用软体手指来实现抓取果蔬，软体手指为囊型结构，软体手指的弯曲层外表面为波纹状，非弯曲层的外表面为平直状，在改变软体手指的内腔气压时，软体手指可以由弯曲层向非弯曲层一侧弯曲，形成抓取动作，在此过程中软体手指为柔性结构，不会损伤果蔬的表面。

2)本发明的气动抓取装置的软体手指包括有主体部分和指尖部分，主体部分的层厚较大，在弯曲抓取过程中负载能力大，能够适用于抓取大质量外形大的物体，指尖部分体积小，在弯曲时会更加灵活，能够适用于抓取微小物体，主体部分和指尖部分分工合作又相互配合，可以在不同情况下实现对不同物体的抓取，适用范围广。

3)本发明的气动抓取装置的软体手指的控制方式为气压驱动,可以减轻装置整体重量并且传送速度灵敏度高环境适应性好；在软体手指内加入了压力传感器来实现自动化闭环控制,使得水果采摘过程中软体抓手的抓取过程更加准确稳定。

附图说明

图1为其中一个实施例提供的一种仿人手柔性气动抓取装置的结构示意图；

图2为其中一个实施例提供的软体手指的结构示意图；

图3为其中一个实施例提供的软体手指的主体部分的侧面剖视图；

图4为其中一个实施例提供的软体手指的指尖部分的侧面剖视图；

图5为其中一个实施例提供的机架的结构示意图；

图6为其中一个实施例提供的机架的侧视图；

图7为其中一个实施例提供的气动抓取装置的驱动机构的模块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

如图1所示，为其中一个实施例提供的一种仿人手柔性气动抓取装置的结构示意图，该气动抓取装置包括有：多个软体手指2、驱动机构(图1中未示出)和机架1。其中，多个软体手指2呈环绕型分布，在本实施例中，所述软体手指的数量为6个，驱动机构用于向所述软体手指内部充气以使得所述多个软体手指2弯曲形成抓握动作，软体手指2通过夹具固定在机架1上，且机架1内设置有用于放置驱动机构的容腔,机架1可以固定在工作台上。

参照图2，为其中一个实施例提供的软体手指的结构示意图；所述软体手指2为囊型结构，故软体手指2内设置有空腔，且所述空腔具有与所述软体手指相同的外形结构，所述软体手指2为硅胶材料浇筑而成，因此，软体手指2柔软，在采摘过程中不易损伤果蔬表面。软体手指2由主体部分3和指尖部分4组成，主体部分3的结构可以参见图3，图3为为其中一个实施例提供的主体部分的侧面剖视图,从图3中可以看出，主体部分3包括了弯曲层18和非弯曲层8，弯曲层18和非弯曲层8相互连接形成了主体部分的内腔6，弯曲层18为弧形结构，其外表面呈波纹状，而非弯曲层8的外表面呈平直状，且所述弯曲层18的厚度小于非弯曲层8的厚度，在向主体部分3的内腔6内充气时，由于弯曲层18的厚度小于非弯曲层8，使得弯曲层18的膨胀形变程度远大于非弯曲层8，从而手指主体部分3由弯曲层18向非弯曲层8弯曲，形成了抓握动作，并且在弯曲过程中，由于弯曲层18的外表面呈现波纹状，为弯曲动作提供了足够了伸缩量，使得弯曲层18相对于非弯曲层8更易发生弯曲变形。在非弯曲层8的内部设置了一层纱线层7，该纱线层7可以增加主体部分3的承载能力和韧性，并且在弯曲层18内设置有一层呈螺旋状缠绕的凯夫拉线层19，凯夫拉线19强度高，拉伸性能好，相对于完全为硅胶的弹性材质，具有凯夫拉线层19和纱线层7的主体部分具有更高的承载能力和韧性，从而在负载较大的情况下也适用。

指尖部分4与主体部分3相连，指尖部分4的结构可以参见图4，图4为其中一个实施例提供的指尖部分的侧面剖视图，从图4中可以看出，指尖部分4可以由软性塑胶材料经过3D打印而成，指尖部分4包括了手指末端12、柔性关节20、柔性节肩11和第二连接口10，其中，多个柔性关节20和多个柔性节肩11依次间隔分布在手指末端12和第二连接口10之间，所述柔性关节20和柔性节肩11为拱形结构，且柔性关节20和柔性节肩11的拱起方向相反,指尖部分4仍为囊型结构，在指尖部分4内部设有内腔21，在主体部分3与指尖部分4相连接的一端设有第一连接口9，主体部分3的第一连接口9与指尖部分的第二连接口10相互接合，第一连接口和第二连接口之间可以通过卡接或者胶粘等连接方式进行连接,使得指尖部分4与主体部分3相连，且指尖部分4的内腔21与主体部分3的内腔6相连通。在主体部分3的侧端开设有通气口5，在通过通气口5在向指尖部分4的内腔内充气时，指尖部分4的柔性关节一侧更易产生膨胀变形，指尖部分4会向背离柔性关节一侧弯曲，形成抓取动作。指尖部分4由于体积小，弯曲时更加灵活，在抓取微小物体时，效果更加优异。在实际抓取过程中，当遇到负载较大时，主体部分3为主抓取部分，而指尖部分4为辅助抓取部分，当所遇的负载较小时，主体部位3为主弯曲部分，指尖部分4为抓取部分，使得气动抓取装置与人类手指的活动趋势相一致，实现了对不同负载不同外形大小的物体的抓取。

软体手指2固定在机架1上，机架1的具体结构如图5，从图中可以看出，机架1由三部分组成，分别为接口层14、控制部件层15和装夹层17，接口层14为一个适应通用接口的连接件，外形类似于抽屉，在接口层14上端的对角线上开设有多个第一螺纹孔13，机架1可以通过螺栓实现与工作台之间的连接，并且大小设计紧凑，有一定的抗震作用，所述工作台可以为两轴联动工作台，当工作台运行时，带动机架1上的软体手指2进行相应运动，从而进行抓取操作。控制部件层的结构可以参照图5和图6,从图中可以看出控制部件层15为一个半封闭的盒子，用于容纳驱动机构，并且在控制部件层15的侧面开设有走线口18供管线通过，以便于布线。控制部件层15承接接口层14和装夹层17，为整个机架1的主体部分，在本实施例中，装夹层17为一个正六边形，在装夹层17的各个边上分布有接口22，软体手指2通过夹具固定在所述接口22内，在接口22的侧边开设有多个第二螺纹孔16，夹具和接口22可以采用螺栓连接，从而起到定位和夹紧固定作用。

在抓取过程中，软体手指2采用的为气压驱动，软体手指2的驱动机构包括了动力模块和控制模块，参照图7，图7为其中一个实施例提供的气动抓取装置的驱动机构的模块图，其中，动力模块包括了气泵710和输气管760，控制模块包括电磁阀720、压力传感器750、控制板740和继电器730。气泵710可以为微型隔膜泵,微型隔膜泵通过输气管760与执行部分770相连,执行部分770即软体手指2,输气管560与软体手指2的通气口5连通，该通气口5又与软体手指手2内的内腔连通，从而微型隔膜泵可以通过输气管760将气体从软体手指2的内腔内抽出。在输气管760的气路上设置有一电磁阀，在本实施例中，所述电磁阀为三位五通电磁阀720，该三为五通电磁阀720用于控制气路的通断。电磁阀720的开启或关闭由继电器730控制，继电器730与控制板具有信号连接，该控制板同时与压力传感器750具有信号连接，该压力传感器750设置在软体手指2的内腔内，在软体手指2的工作过程中，压力传感器750不断监测内腔内的气压，压力传感器将压力信号传送至控制板，所述控制板可以为单片机开发板、arm开发板，在本实施例中，所述控制板为单片机开发板740，该单片机开发板740读取压力信号，并根据该压力信号向继电器730发送控制信号以控制继电器730的通断，由继电器730的通断再来控制电磁阀720的通断，使得微型隔膜泵710能够选择性地将气体排出或输入软体手指2的内腔内，以此调节内腔内的气压，使内腔的气压维持在一稳定值，整个控制方式为闭环控制，能够保证在采摘作业中软体手指抓取动作稳定准确，并且气压驱动可以减轻整体气动抓取装置的重量，而且传送反应灵敏度高，对工作环境适应性好，能够适用在多尘的果园工作中。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种仿人手柔性气动抓取装置，其特征在于，包括：

多个软体手指,其呈环绕型分布，所述软体手指为囊型结构,且所述软体手指由主体部分和指尖部分组成；

驱动机构，其用于向所述软体手指内部充气以使所述多个软体手指弯曲形成抓握动作；

机架,其与所述多个软体手指相连,且所述机架上设有用于固定所述软体手指的接口以及用于放置所述驱动机构的容腔。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述软体手指为硅胶材质。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述软体手指的个数为6个。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述软体手指的主体部分包括弯曲层和非弯曲层，所述弯曲层和非弯曲层之间构成主体部分的内腔,且所述内腔的外形与主体部分的外形一致。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述弯曲层为弧形长条状结构，所述弯曲层的外表面呈波纹状，所述非弯曲层的外表面呈平直状，且所述弯曲层的厚度小于所述非弯曲层的厚度。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述非弯曲层内设置有纱网层，所述弯曲层内设置有呈螺旋状缠绕的凯夫拉线层。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述主体部分一端设置有与所述内腔相连通的通气口，另一端设置有与所述指尖部分连接的第一连接口。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述指尖部分包括手指末端、柔性关节、柔性节肩和第二连接口，多个所述柔性关节和柔性节肩间隔分布在所述手指末端和第二连接口之间，且所述柔性关节和柔性节肩为拱形结构。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述驱动机构包括动力模块和控制模块；

所述动力模块包括输气管和微型隔膜泵，所述输气管连通所述微型隔膜泵和所述软体手指的通气口；

所述控制模块包括电磁阀、压力传感器、控制板和继电器，所述控制板分别与压力传感器、控制板和继电器具有信号连接；

其中，所述电磁阀设置在所述输气管的气路上，用于控制输气管气路的通断，所述压力传感器设置在所述软体手指的内腔内，所述控制板根据所述压力传感器输入的信号控制继电器的通断以实现所述电磁阀的开闭，使得所述微型隔膜泵选择性地将气体输入或排出所述软体手指。

10.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述机架包括：

接口层，其上端开设有多个第一螺纹孔；

装夹层，其上设置有多个与软体手指的夹具相适应的接口，且所述接口的侧面开设有多个第二螺纹孔；

控制部件层，其为盒状结构，所述控制部件层承接所述接口层和装夹层，所述控制部件层内设有用于放置所述驱动机构的容腔，所述控制部件层的侧面开设有供管线通过的走线口。