CN110561451B - 一种仿生水母软体机器人夹持装置的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种仿生水母软体机器人夹持装置的制作方法属于机器人技术领域,涉及一种仿生水母环肌、纵肌功能结构的软体机器人夹持装置的制作方法。制作方法采用3D打印模具,用高弹性硅橡胶材料浇筑的方法制得仿生水母联合肌夹爪,它与下密封法兰、上密封法兰、支撑板和机械臂法兰盘连接,装配成仿生水母软体机器人夹持装置。该方法采用高弹性硅橡胶材料浇筑制造软体机器人夹持装置本体结构,确保夹持柔性、安全性,并可自适应不规则结构。采用一种包络式的夹持抓取方式,增大了抓取接触面积。解决了软体夹持装置在果蔬、海产品等不规则目标物稳定可靠抓取难题,消除了爪式夹持装置的不稳定抓取隐患。该装置抓取、夹持稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,涉及一种仿生水母环肌、纵肌功能结构的软体机器人夹持装置的制作方法。
背景技术
随着机器人技术在高端制造业、现代农业、医疗服务业等领域中复杂抓取类任务的深入应用,异型结构、柔性抓取、共融交互等高难度任务需求对机器人抓取装置设计提出了更高挑战。现代农业中,果蔬采摘及分类分拣任务具有目标物体不规则、几何尺寸不一致、抓取位姿随机性、易损伤等特点;海产品养殖业中,海参、扇贝等拾取任务同样具有结构尺寸不一致、目标姿态随机、易损伤、表面光滑等难点。类似抓取任务要求夹持装置具有很好的柔性、适应性,既能稳定可靠抓取,又不允许破坏目标物。因此,有必要研究面向果蔬、海产品等不规则目标物稳定可靠抓取难题的夹持器装置。
传统刚性电动/液动夹爪、负压吸盘等夹持装置虽然具备较高动作精度与夹持力,但是在抓取过程中一般对目标物体结构形状、摆放定位精度等条件具有严格约束,一旦出现抓取偏差会引起目标物体和夹持装置发生刚性碰撞而导致损伤。因此,国内外研究人员将目光转向软体机器人夹持装置上,利用装置自身的柔性和良好环境交互性实现异型结构目标物体的抓取。
2017年哈佛学院K.C.加洛韦等在申请号为201780013959.0的发明专利《软体机器人制动器以及夹持器》中,提出了一种具有复杂内部形状并可应用于研制夹持器的软体致动器。2018年哈尔滨工业大学张新彬等在申请号为201810097076.9的发明专利《一种仿人指充气式软体三指夹持器》中,提出了一种用于软体夹持器、机器人手等领域的具有较好负载能力的气动三指夹持器。然而,软体夹持器大多采用仿手指式,对不规则目标物的抓取,存在着夹持不稳定、不可靠等问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服上述装置的不足,针对果蔬、海产品等不规则目标物稳定可靠抓取难题,发明了一种仿生水母软体机器人夹持装置的制作方法。该方法采用高弹性硅橡胶材料浇筑制造软体机器人夹持装置本体结构,确保夹持柔性、安全性,并可自适应不规则结构。仿生水母的环肌、纵肌肌肉功能,采用一种包络式的夹持结构,可生成有利于结构尺寸不规则目标物体稳定、可靠抓取的向内弯曲和收缩的复合动作。采用四通道高压气体气动驱动模块化夹持装置动作,使夹持装置驱动模块具有单独控制和协同控制能力。采用纤维丝线制作运动约束层,保证夹持装置生成有利于抓取的动作。该装置抓取、夹持稳定可靠。
本发明所采用的技术方案是一种仿生水母软体机器人夹持装置的制作方法,其特征是,制作方法采用3D打印模具,用高弹性硅橡胶材料浇筑的方法制得仿生水母联合肌夹爪,仿生水母联合肌夹爪与下密封法兰、上密封法兰、支撑板和机械臂法兰盘连接,装配成仿生水母软体机器人夹持装置;方法的具体步骤如下:
第一步 制作仿生水母联合肌夹爪
采用3D打印模具,仿生水母联合肌夹爪1整体用高弹性硅橡胶材料浇筑而成,具有四个仿生水母联合肌夹爪,每个仿生水母联合肌夹爪1具有通气孔11,矩形台阶凸缘12,纤维丝线13,硅橡胶主体14,柔性空腔15,底部纱布16,弧形纵肌14a,Ω形环肌14b;底部采用底部纱布16作为限制层,外部采用大角度编织工艺缠绕纤维丝线13;
仿生水母联合肌夹爪1硅橡胶主体14,由弧形纵肌14a和Ω形环肌14b中心交叉组成;弧形纵肌14a为类手指形状,顶面为弧面,侧面及底面为平面,施加气压后产生弯曲变形;Ω形环肌14b顶面和两侧面均为弧面,底面为平面,施加气压后产生收缩变形。弧形纵肌和Ω形环肌变形相互耦合,仿生水母联合肌夹爪1生成向内弯曲和收缩的复合动作。四个仿生水母联合肌夹爪1协同配合,实现对目标物体包络式抓取方式;
第二步 制作下密封法兰、上密封法兰、两个支撑板、机械臂法兰盘
矩形下密封法兰2上加工有下连接外通孔21、下连接内通孔22、矩形台阶凹槽23;上密封法兰3上加工有连接外通孔31、连接内通孔32、矩形中空凸缘33、通气孔34;每个槽型支撑板4上加工有上通孔41和下通孔42;机械臂法兰盘5上有中心通孔和四个通孔;
第三步 装配仿生水母软体机器人夹持装置
先将下密封法兰2和上密封法兰3进行装配,将上密封法兰3的矩形中空凸缘33对准下密封法兰2的矩形台阶凹槽23配合压紧;
再将四个螺栓分别穿过下连接内通孔22、连接内通孔32和支撑板4的下通孔42,将下密封法兰2、上密封法兰3和支撑板4固定连接在一起:再将四个螺栓分别穿过支撑板4的上通孔41、机械臂法兰盘5上的通孔与机械臂法兰盘5相连接固定;
然后连接仿生水母联合肌夹爪1,分别将每个仿生水母联合肌夹爪矩形台阶凸缘12固定至下密封法兰矩形台阶凹槽23中,仿生水母联合肌夹爪通气孔11通过过盈配合与上密封法兰矩形中空凸缘33相连接,从而实现仿生水母联合肌夹爪1与下密封法兰2、上密封法兰3的连接和密封,完成仿生水母软体机器人夹持装置的整体装配;
第四步 对仿生水母软体机器人夹持装置进行气动控制
将四个SP-20快插接头通过螺纹连接到上密封法兰通气孔34,与仿生水母联合肌夹爪通气孔11相通,保证气体能进入柔性空腔15;每个SP-20快插接头单独外接气管,外部连接比例阀和气泵;从而实现四通道高压气体气动驱动模块化夹持装置动作,使仿生水母软体机器人夹持装置具有单独控制和协同控制能力。
本发明的有益效果是采用水母仿生式肌肉结构,设计制造了仿生水母软体机器人夹持装置。该方法采用高弹性硅橡胶材料浇筑制造软体机器人夹持装置本体结构,确保夹持柔性、安全性,并可自适应不规则结构。仿生水母的环肌、纵肌肌肉功能,采用一种包络式的夹持结构抓取方式,增大了抓取接触面积,解决了软体夹持装置在果蔬、海产品等不规则目标物稳定可靠抓取难题,消除了爪式夹持装置的不稳定抓取隐患。采用四通道高压气体气动驱动模块化夹持装置动作,使夹持装置驱动模块具有单独控制和协同控制能力。采用纤维丝线制作运动约束层,保证夹持装置生成有利于抓取的动作。该装置抓取、夹持稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的仿生水母软体机器人夹持装置整体结构示意图。其中,1-仿生水母联合肌夹爪,2-下密封法兰,3-上密封法兰,4-支撑板,5-机械臂法兰盘。
图2为仿生水母软体机器人夹持装置主剖视图,其中,1-仿生水母联合肌夹爪,11-通气孔,12-矩形台阶凸缘,13-纤维丝线,14-硅橡胶主体,15-柔性空腔,16-底部纱布,14a-弧形纵肌,14b-Ω形环肌,2-下密封法兰,3-上密封法兰,34-通气孔,4-支撑板,5-机械臂法兰盘。
图3为下密封法兰结构示意图,其中,2-下密封法兰,21-下连接外通孔,22-下连接内通孔,23-矩形台阶凹槽。
图4为上密封法兰仰视结构示意图,其中,3-上密封法兰,31-连接外通孔,32-连接内通孔,33-矩形中空凸缘,34-通气孔。
图5为支撑板结构示意图,其中,4-支撑板,41-上通孔,42-下通孔。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式。
本发明单个仿生水母联合肌夹爪长14mm,宽100mm,高90mm,重0.4kg。仿生水母软体机器人夹持装置整体长130mm,宽130mm,高161mm,重4.1kg。
制作方法采用3D打印模具,用高弹性硅橡胶材料浇筑的方法制得仿生水母联合肌夹爪,仿生水母联合肌夹爪与下密封法兰、上密封法兰、支撑板和机械臂法兰盘连接,装配成仿生水母软体机器人夹持装置;方法的具体步骤如下:
第一步 制作仿生水母联合肌夹爪
步骤1如图1、图2所示,本发明采用3D打印模具,通过硅胶浇筑的方式制得仿生水母联合肌夹爪1。将HY-630硅橡胶与固化剂混合均匀,放入真空箱消除气泡后,浇筑至模具中。待固化后从模具取出,将其放置至纱布上方,四周浇筑HY-630硅橡胶-固化剂混合溶液,使纱布16固定至底部。待混合溶液固化后剪裁多余纱布及毛刺,最后再采用大角度编织工艺,在外围交叉缠绕纤维绳13,从而制得仿生水母联合肌夹爪1。
每个仿生水母联合肌夹爪1具有通气孔11,矩形台阶凸缘12,纤维丝线13,硅橡胶主体14,柔性空腔15,底部纱布16,弧形纵肌14a,Ω形环肌14b;底部采用底部纱布16作为限制层,外部采用大角度编织工艺缠绕纤维丝线13;
仿生水母联合肌夹爪1硅橡胶主体14,由弧形纵肌14a和Ω形环肌14b中心交叉组成;弧形纵肌14a为类手指形状,顶面为弧面,侧面及底面为平面,施加气压后产生弯曲变形;Ω形环肌14b顶面和两侧面均为弧面,底面为平面,施加气压后产生收缩变形。弧形纵肌和Ω形环肌变形相互耦合,仿生水母联合肌夹爪1生成向内弯曲和收缩的复合动作。四个仿生水母联合肌夹爪1协同配合,实现对目标物体包络式抓取方式;
第二步 制作下密封法兰、上密封法兰、两个支撑板、机械臂法兰盘
如图1、3、4、5所示,矩形下密封法兰2上加工有下连接外通孔21、下连接内通孔22、矩形台阶凹槽23;上密封法兰3上加工有连接外通孔31、连接内通孔32、矩形中空凸缘33、通气孔34;每个槽型支撑板4上加工有上通孔41和下通孔42;机械臂法兰盘5上有中心通孔和四个通孔;
第三步 装配仿生水母软体机器人夹持装置
先将下密封法兰2和上密封法兰3进行装配,将上密封法兰3的矩形中空凸缘33对准下密封法兰2的矩形台阶凹槽23配合压紧;
再将四个螺栓分别穿过下连接内通孔22、连接内通孔32和支撑板4的下通孔42,将下密封法兰2、上密封法兰3和支撑板4固定连接在一起:再将四个螺栓分别穿过支撑板4的上通孔41、机械臂法兰盘5上的通孔与机械臂法兰盘5相连接固定;
然后连接仿生水母联合肌夹爪1,将每个仿生水母联合肌夹爪矩形台阶凸缘12固定至下密封法兰矩形台阶凹槽23中,仿生水母联合肌夹爪通气孔11通过过盈配合与上密封法兰矩形中空凸缘33相连接,从而实现仿生水母联合肌夹爪1与下密封法兰2、上密封法兰3的连接和密封。四个仿生水母联合肌夹爪通过此方法安装至下密封法兰2四周,完成仿生水母软体机器人夹持装置的装配。
第四步 对仿生水母软体机器人夹持装置进行气动控制
将四个SP-20快插接头通过螺纹连接至上密封法兰通气孔34,与仿生水母联合肌夹爪通气孔11相通,保证气体能进入柔性空腔15;每个SP-20快插接头单独外接气管,外部连接比例阀和气泵;从而实现四通道高压气体气动驱动模块化夹持装置动作,使仿生水母软体机器人夹持装置具有单独控制和协同控制能力。
通过气动驱动模块施加气压后,仿生水母联合肌夹爪通过柔性空腔15膨胀发生变形,产生向内弯曲和收缩的动作。其中,外围缠绕纤维绳13用于限制柔性空腔15径向膨胀,增加仿生水母联合肌夹爪的输出力矩。不可伸长底部纱布16用于限制柔性空腔15轴向伸长,使得仿生水母联合肌夹爪1产生向内弯曲动作。独立控制四个仿生水母联合肌夹爪1,协同配合以实现对目标物体的包络式抓取。相比于爪式夹持装置,仿生水母软体机器人夹持装置增大了抓取接触面积,解决了软体夹持装置在果蔬、海产品等不规则目标物稳定可靠抓取难题。
Claims (1)
1.一种仿生水母软体机器人夹持装置的制作方法,其特征是,制作方法采用3D打印模具,用高弹性硅橡胶材料浇筑的方法制得仿生水母联合肌夹爪,仿生水母联合肌夹爪与下密封法兰、上密封法兰、支撑板和机械臂法兰盘相连接,装配成仿生水母软体机器人夹持装置;方法的具体步骤如下:
第一步 制作仿生水母联合肌夹爪
采用3D打印模具,仿生水母联合肌夹爪(1)整体用高弹性硅橡胶材料浇筑而成,具有四个仿生水母联合肌夹爪,每个仿生水母联合肌夹爪(1)具有通气孔(11),矩形台阶凸缘(12),纤维丝线(13),硅橡胶主体(14),柔性空腔(15),底部纱布(16),弧形纵肌(14a),Ω形环肌(14b);底部采用底部纱布(16)作为限制层,外部采用大角度编织工艺缠绕纤维丝线(13);
仿生水母联合肌夹爪(1)的硅橡胶主体(14)由弧形纵肌(14a)和Ω形环肌(14b)中心交叉构成;弧形纵肌(14a)为类手指形状,顶面为弧面,侧面及底面为平面,施加气压后产生弯曲变形;Ω形环肌(14b)顶面和两侧面均为弧面,底面为平面,施加气压后产生收缩变形;弧形纵肌和Ω形环肌变形相互耦合,仿生水母联合肌夹爪(1)生成向内弯曲和收缩的复合动作;四个仿生水母联合肌夹爪(1)协同配合,实现对目标物体包络式抓取方式;
第二步 制作下密封法兰、上密封法兰、两个支撑板、机械臂法兰盘
下密封法兰(2)上加工有下连接外通孔(21)、下连接内通孔(22)、矩形台阶凹槽(23);上密封法兰(3)上加工有连接外通孔(31)、连接内通孔(32)、矩形中空凸缘(33)、通气孔(34);每个槽型支撑板(4)上加工有上通孔(41)和下通孔(42);机械臂法兰盘(5)上有中心通孔和四个通孔;
第三步 装配仿生水母软体机器人夹持装置
先将下密封法兰(2)和上密封法兰(3)进行装配,将上密封法兰(3)的矩形中空凸缘(33)对准下密封法兰(2)的矩形台阶凹槽(23)配合压紧;
再将四个螺栓分别穿过下连接内通孔(22)、连接内通孔(32)和支撑板(4)的下通孔(42),将下密封法兰(2)、上密封法兰(3)和支撑板(4)固定连接在一起:再将四个螺栓分别穿过支撑板(4)的上通孔(41)、机械臂法兰盘(5)上的通孔与机械臂法兰盘(5)相连接固定;
然后连接仿生水母联合肌夹爪(1),分别将每个仿生水母联合肌夹爪矩形台阶凸缘(12)固定到下密封法兰矩形台阶凹槽(23)中,仿生水母联合肌夹爪通气孔(11)通过过盈配合与上密封法兰矩形中空凸缘(33)相连接,从而实现仿生水母联合肌夹爪(1)与下密封法兰(2)、上密封法兰(3)的连接和密封;完成仿生水母软体机器人夹持装置的整体装配;
第四步 对仿生水母软体机器人夹持装置进行气动控制
将四个SP-20快插接头通过螺纹连接至上密封法兰通气孔(34),与仿生水母联合肌夹爪通气孔(11)相通,保证气体能进入柔性空腔(15);每个SP-20快插接头单独外接气管,外部连接比例阀和气泵;从而实现四通道高压气体气动驱动模块化夹持装置动作,使仿生水母软体机器人夹持装置具有单独控制和协同控制能力。
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