CN110509267B - 一种基于吞食效应的软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于吞食效应的软体机械手，属于机械手技术领域。一种基于吞食效应的软体机械手，包括用于抓取物体的吞食部分、外壳部分、驱动部分以及控制部分；所述吞食部分包括能够从内部翻折形成长条的柔性气囊和用于将柔性气囊同外壳部分固定的柔性气囊固定件，柔性气囊的长条与外壁之间形成充气空间；所述驱动部分包括用于卷动柔性气囊形成的长条的卷筒以及用于向充气空间内充气的气泵，卷筒由直流电机驱动转动。本发明是通过柔性气囊对物品进行吞食抓取的机械手，柔性气囊在控制下能够来实现对各种复杂物品的稳定抓取，并对被抓持物提供适当的保护，且可实现一次性对多个物品的抓取。

Description

一种基于吞食效应的软体机械手

技术领域

本发明涉及一种基于吞食效应的软体机械手，属于机械手技术领域。

背景技术

机器人末端抓取装置是机器人结构中比较重要的一环。传统刚性结构的机械手在一些特殊工况环境中，如复杂易碎物体的抓持，人机交互等方面具有极大的难度。随着社会的不断发展进步，人们在更多的领域对机械手有了新的要求，比如对食品的分拣，对易碎品的抓取，对海洋软体生物的无损捕捉等。近年来3D打印技术和新型智能材料的应用等日趋成熟，软体抓取装置有了进一步的发展。其应用环境已涉及到医疗、人机交互、救援、服务等方面。相比刚性机械手，软体抓取装置有更强的可适应性，易于抓取易碎品，形状不规则物以及变尺度的物品，开辟了机械手装置的新领域，在驱动方式方面，多为流体驱动。目前已获专利授权的软体抓取装置大多为指形结构，通过充入压缩空气使软体手指弯曲来达到抓取的目的，但其负载能力有限且当机械手受到外界干扰时，不容易实现稳定抓取。在对形状极其不规则的物品的抓取中，由于驱动手指为离散排列，可能会造成抓取失败。而在抓取数量方面，目前的机械手大多仅能实现单个物品的抓取。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于吞食效应的软体机械手，来实现对各种复杂物品的稳定抓取，并对被抓持物提供适当的保护，且可实现一次性对多个物品的抓取。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于吞食效应的软体机械手，包括用于抓取物体的吞食部分、外壳部分、驱动部分以及控制部分；所述吞食部分包括能够从内部翻折形成长条的柔性气囊和用于将柔性气囊同外壳部分固定的柔性气囊固定件，柔性气囊的长条与外壁之间形成充气空间；所述驱动部分包括用于卷动柔性气囊形成的长条的卷筒以及用于向充气空间内充气的气泵，卷筒由直流电机驱动转动；

所述外壳部分包括对接在一起的上壳体和下壳体；所述下壳体底面设置通孔并且将通孔同柔性气囊的开口端连接；下壳体底面在通孔处对应设置卷筒以及驱动卷筒的直流电机；外壳部分设置快速接头并通过气管与气泵连通；外壳部分还设置限压阀；气管上设置单向阀；所述直流电机为直流减速电机；

驱动部分还包括轴承以及主动齿轮和从动齿轮；下壳体底面在通孔两侧设置用于安装轴承的轴承架，卷筒通过轴承与轴承架铰接；直流电机的输出轴安装主动齿轮，卷筒一侧安装与主动齿轮啮合的从动齿轮；

所述卷筒包括依次连接在一起的齿轮侧固定部分、中间部分和非齿轮侧固定部分；中间部分为两个端部设置半圆形法兰的半圆柱体组合而成，柔性气囊形成的长条的端部置于卷筒的中间部分的两个半圆柱体之间；齿轮侧固定部分设置可安装从动齿轮和轴承的轴和法兰，非齿轮侧固定部分设置安装轴承的轴和法兰。

本发明技术方案的进一步改进在于：下壳体底面的通孔下端设置圆环状凸缘，柔性气囊的开口端采用过盈配合套在通孔的外表面上，并使用柔性气囊固定件卡箍固定。

本发明技术方案的进一步改进在于：柔性气囊固定件为使用螺栓紧固的开口卡箍。

本发明技术方案的进一步改进在于：下壳体与上壳体的连接面设有密封槽，所述密封槽内设置密封圈。

本发明技术方案的进一步改进在于：控制部分包括用于控制直流电机正反转的两个继电器以及控制气泵开关的一个继电器。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

1、本发明的机械手具有良好的柔性：此软体机械手的吞食部分主要为柔性气囊，在抓取的过程中，柔性气囊可以很好的贴合目标物，从而使目标物的受力更为均匀。通过调节外壳部分上安装的限压阀能达到调节气囊内部气压的作用，从而在抓取易碎物品或者脆性物品的时候，具有明显的优势。

2、本发明的机械手具有高安全性：整个结构的动力元件都密封在外壳部分中，而吞食部分也是由柔性气囊构成，在人机交互过程中，具有更高的安全性。

3、本发明的机械手具有很强的可适应性：由于柔性气囊具有一定的弹性，且抓取时对目标物的压力取决于柔性气囊内部压力的大小，这就决定了此软体机械手可以抓取任意形状，任意大小(目标物需小于当前气囊径向拉伸后的最大直径)的物品。

4、本发明的机械手具有可在一次吞吐过程中实现对多个物品的抓取：此软体机械手的柔性气囊理论上可以是无限长度(只要卷筒周围的空间足够大，柔性气囊可被卷筒卷起任意长度)，因此在一次的吞吐过程中，可以吞入多个目标物，这是其他软体机械手所难以实现的。

5、本发明的机械手在工作时，由于目标物是完全被包裹在柔性气囊中，因此可对目标物起到保护作用。此外在受到外界干扰的时候，能实现较稳定的抓取。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明下壳体内部示意图；

图3是本发明外壳部分内部的部件装配示意图；

图4是本发明卷筒立体示意图；

图5是本发明柔性气囊示意图；

图6是图5的A-A剖视图；

图7是本发明吞食目标过程中的A-A剖视图；

其中，1、柔性气囊，2、柔性气囊固定件，3、上壳体，4、下壳体，5、微孔，6、继电器，7、法兰盘，8、限压阀，9、快速接头，10、单向阀，11、气泵，12、气管，13、密封圈，14、轴承架，15、凸缘，16、卷筒，17、直流电机，18、齿轮侧固定部分，19、中间部分，20、非齿轮侧固定部分，21、从动齿轮，22、充气空间，23、主动齿轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一种软体机械手，具体的说是一种基于吞食效应的软体机械手，能够作为机器人的末端抓取装置。下面就其结构进行详细说明。

本发明是一种基于吞食效应的软体机械手，该机械手主要包括四个部分，该机械手包括用于抓取物体的吞食部分、外壳部分、驱动部分以及控制部分。驱动部分以及控制部分的零部件设置在外壳部分的内部或者外壁上。吞食部分为机械手实现抓取物品功能的部分。驱动部分以及控制部分配合能够使吞食部分按预定设计进行物品的抓取和释放。

该机械手的吞食部分使用的是柔性气囊1作为抓手，吞食部分主要包括柔性气囊1以及柔性气囊固定件2。如图5、图6、图7所示，柔性气囊1在装配前为圆柱型结构，并且其一端开口，另一端封闭。现称柔性气囊1封闭的一端为底面。柔性气囊1的柔软程度可使其底面经过内部翻折上来形成长条。柔性气囊1从内部形成的长条与外壁之间能够形成充气空间22，工作时，向充气空间22内充入气体，柔性气囊1处于膨胀状态。柔性气囊1需要同外壳部分组装固定，柔性气囊1使用柔性气囊固定件2同外壳部分固定连接。在具体的实施中，柔性气囊固定件2通常为圆形的开口卡箍，通过开口处的螺栓实现吞食部分的柔性气囊1与外壳部分的连接与密封。在图5、图6、图7中，左侧为柔性气囊的开口端，右侧为柔性气囊的封闭端。

该机械手的外壳部分包括对接在一起的上壳体3和下壳体4，在下壳体4的底面设置通孔，并且将通孔同柔性气囊1的开口端连接。通过外壳部分向柔性气囊1内进行充气。为了保证外壳部分的气密性，在下壳体3与上壳体4的连接面设有密封槽，所述密封槽内设置密封圈13，从而可使上壳体3与下壳体4之间无缝连接；通常仅需在下壳体4的端面设置凹槽即可。在具体的实施中，如图1、图2所示，上壳体3和下壳体4可以优先地设置为外形近于八棱柱的形状，并且内部中空。在上壳体3和下壳体4的连接处均匀分布4个螺栓连接孔，用于连接上壳体3和下壳体4。

该机械手外壳部分的下壳体4底面的通孔用于同柔性气囊1对接，该通孔有一定的长度，通孔的下端为薄壁特征，其外轮廓为圆形。在通孔的末端有一圆环状凸缘15，所述凸缘15的直径略大于柔性气囊1未充气时的外壁直径。上述通孔以及凸缘15用于连接柔性气囊1的开口端，连接方式为柔性气囊1的开口端套在通孔的外表面上，其配合为过盈配合；然后再用柔性气囊固定件2即开口卡箍加以固定，保证其气密性并能承受一定压力。

该机械手的述驱动部分指的是驱动吞食部分工作的零部件，主要包括用于向充气空间22内充气的气泵11和用于卷动柔性气囊1形成的长条的卷筒16。气泵11向柔性气囊1内充气能够使柔性气囊具有吞食作用。卷筒16能够通过转动来带动柔性气囊1形成的长条收缩，从而将物品吞食进里部。卷筒16由直流电机17驱动转动，直流电机17通常是使用直流减速电机，能够缓慢的带动卷筒16转动。气泵11设置在外壳部分的外侧面，在外壳部分设置快速接头9并通过气管12与气泵11连通。此外，为了使柔性气囊1内部保持合适的压强，在外壳部分还设置有限压阀8，当柔性气囊1内压强过大时，能够通过限压阀8释放压力。具体如图1所示，图1中快速接头9和限压阀8均设置在下壳体4的外表面。在实施中，还可以在气管12上设置单向阀10，即气泵11的接口通过气管12连接到单向阀10，单向阀10再通过气管12连接到外壳部分的快速接头9。在实施中，上壳体3设置有一微孔5，用于通过直流电机17的导线，该微孔5在穿过导线后进行封堵，保持壳体部分的密封。气泵11通常使用小型气泵。

进一步的，如图3所示，该机械手的驱动部分还包括轴承以及主动齿轮23和从动齿轮21等辅助零件。驱动部分的卷筒16等零部件设置在外壳部分的内部并位于下壳体4的底面上。如图2所示，在下壳体4底面位于通孔两侧设置轴承架14，在轴承架14内安装有轴承。卷筒16的两端通过轴承与轴承架14铰接。同时，在卷筒16的一侧安装从动齿轮，在直流电机17的输出轴安装主动齿轮23，主动齿轮23和从动齿轮21啮合，通过齿轮配合传动，直流电机17能够驱动卷筒16转动。

如图4所示，本发明的卷筒16的结构优先的设置方式为，卷筒16包括依次连接在一起的齿轮侧固定部分18、中间部分19和非齿轮侧固定部分20。其中的，中间部分19为两个端部设置半圆形法兰的半圆柱体组合而成，组装时将柔性气囊1形成的长条的端部置于卷筒16的中间部分19的两个半圆柱体之间，中间部分19能够同柔性气囊1的长条固定并且对长条进行缠绕收放。中间部分19的一侧为齿轮侧固定部分18，在齿轮侧固定部分18设置有可安装从动齿轮21和轴承的轴和法兰；中间部分的另一侧为非齿轮侧固定部分20，在非齿轮侧固定部分20设置安装轴承的轴和法兰。如图4所示，中间部分19同齿轮侧固定部分18和非齿轮侧固定部分20是通过法兰以及螺母螺栓固定连接在一起的。具体的是，在中间部分19两端的法兰上设置4个沉头孔，相对应的在齿轮侧固定部分18的法兰上以及非齿轮侧固定部分的法兰上均设置与沉头孔大小及位置相配合的通孔，通过螺栓和螺母将齿轮侧固定部分18、中间部分19和非齿轮侧固定部分20组装连接在一起。在组装卷筒16时，线将柔性气囊1的底部从内部翻折上来，使翻折上来的部分形成一条带状的长条，将长条置于上述卷筒16中间部分的两个半圆柱体之间，之后再完成卷筒16各个部分的组装，使所述长条能被卷筒16无滑动卷起。卷筒的结构实现了对于柔性气囊1的长条的固定以及卷起和释放，最终使柔性气囊1能够对物品进行吞食抓取和释放。

该机械手上壳体和下壳体外侧面的两边均设置有凹槽，用来安装控制部分和驱动部分的零件，凹槽形状与所需安装的控制部分零件及驱动部分零件的包络面。上壳体和下壳体可以采用3D打印来制作。在上壳体3顶部有法兰盘7，用于连接其他运动机器人的主体部分。

该机械手的控制部分主要包括用于控制直流电机17正反转的两个继电器6以及控制气泵11开关的一个继电器6。

本发明的机械手，在上壳体3和下壳体4的外侧面的两侧设置有凹槽，用来安装控制部分和驱动部分的零件，凹槽形状为所需安装的控制部分零件及驱动部分零件的包络面。如图1所示，气泵11设置在上壳体3外侧面的一侧，三个继电器6设置在上壳体3外侧面的另一侧。

该机械手吞吐目标的过程，如图6和图7所示，先控制其中一个继电器打开气泵11，限压阀8可使柔性气囊内部保持一定的压强，从而起到支撑柔性气囊1的作用，然后控制另外一个继电器打开直流电机17，使直流电机17正转，带动图6中柔性气囊1卷起的部分，当柔性气囊1接触到目标物的时候，依靠柔性气囊1对目标物的摩擦力，使目标物被吞食到柔性气囊1内部。由于柔性气囊1有一定的长度，当吞食完一个目标物之后，还可继续吞食下一个目标物。吞食完成之后，控制第三个继电器使直流电机17反转，由于柔性气囊1内部的压强作用，使目标物脱离柔性气囊1，完成吐的动作。然后控制继电器，关闭直流电机17和气泵11。

本发明通过气泵给吞食部分和外壳部分充入一定压力的气体，使柔性气囊充气后，能与被吞食物品有更好的表面接触，从而增大柔性气囊与被吞食物品之间的摩擦力，依靠直流电机对柔性气囊内表面的拉取，从而带动被吞食物品向柔性气囊内部移动，以此来完成吞食动作，增大了此机械手抓取物品的成功率。当柔性气囊的长度很长时，此吞食机械手可一次性吞食多个目标物。

本发明设置了柔性气囊来作为机械手的抓取部分，同时柔性气囊在驱动部分的卷筒以及气泵的控制作用下，能够对物品进行吞食抓取，不仅实现了一次性抓取多个物品，还能够对抓取物品具有良好的保护性。

本发明设置了吞食部分、外壳部分、驱动部分以及控制部分，四大部分相互配合实现了基于吞食效应的软体机械手的工作。

Claims (5)

1.一种基于吞食效应的软体机械手，其特征在于：包括用于抓取物体的吞食部分、外壳部分、驱动部分以及控制部分；所述吞食部分包括能够从内部翻折形成长条的柔性气囊(1)和用于将柔性气囊(1)同外壳部分固定的柔性气囊固定件(2)，柔性气囊(1)的长条与外壁之间形成充气空间(22)；所述驱动部分包括用于卷动柔性气囊(1)形成的长条的卷筒(16)以及用于向充气空间(22)内充气的气泵(11)，卷筒(16)由直流电机(17)驱动转动；

所述外壳部分包括对接在一起的上壳体(3)和下壳体(4)；所述下壳体(4)底面设置通孔并且将通孔同柔性气囊(1)的开口端连接；下壳体(4)底面在通孔处对应设置卷筒(16)以及驱动卷筒(16)的直流电机(17)；外壳部分设置快速接头(9)并通过气管(12)与气泵(11)连通；外壳部分还设置限压阀(8)；气管(12)上设置单向阀(10)；所述直流电机(17)为直流减速电机；

驱动部分还包括轴承以及主动齿轮(23)和从动齿轮(21)；下壳体(4)底面在通孔两侧设置用于安装轴承的轴承架(14)，卷筒(16)通过轴承与轴承架(14)铰接；直流电机(17)的输出轴安装主动齿轮(23)，卷筒(16)一侧安装与主动齿轮(23)啮合的从动齿轮(21)；

所述卷筒(16)包括依次连接在一起的齿轮侧固定部分(18)、中间部分(19)和非齿轮侧固定部分(20)；中间部分(19)为两个端部设置半圆形法兰的半圆柱体组合而成，柔性气囊(1)形成的长条的端部置于卷筒(16)的中间部分(19)的两个半圆柱体之间；齿轮侧固定部分(18)设置可安装从动齿轮(21)和轴承的轴和法兰，非齿轮侧固定部分(20)设置安装轴承的轴和法兰。

2.根据权利要求1所述的一种基于吞食效应的软体机械手，其特征在于：下壳体(4)底面的通孔下端设置圆环状凸缘(15)，柔性气囊(1)的开口端采用过盈配合套在通孔的外表面上，并使用柔性气囊(1)固定件卡箍固定。

3.根据权利要求1所述的一种基于吞食效应的软体机械手，其特征在于：柔性气囊固定件(2)为使用螺栓紧固的开口卡箍。

4.根据权利要求1所述的一种基于吞食效应的软体机械手，其特征在于：下壳体(3)与上壳体(4)的连接面设有密封槽，所述密封槽内设置密封圈(13)。

5.根据权利要求1所述的一种基于吞食效应的软体机械手，其特征在于：控制部分包括用于控制直流电机(17)正反转的两个继电器(6)以及控制气泵(11)开关的一个继电器(6)。

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