CN111168701A - 表面曲率自适应的可控粘附机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面曲率自适应的可控粘附机械手，包括：基座和粘附足单元，粘附足单元设在基座上，粘附足单元包括：粘附单元底座、承载单元、长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构和粘脱附控制机构。粘附单元底座位于基座下方，粘附单元底座相对基座可上下运动，承载单元可枢转地设于粘附单元底座上，承载单元的底部设有粘附单元。长度方向自适应锁定机构可锁定和释放粘附单元底座。角度方向自适应锁定机构可锁定和释放承载单元。剥离单元设于承载单元和粘附单元之间，剥离单元可活动以使粘附单元相对于待抓取件剥离开。根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手，可以对多种物体进行高速、稳定、重复的抓取、操作和转移。

Description

表面曲率自适应的可控粘附机械手

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种表面曲率自适应的可控粘附机械手。

背景技术

相关技术中，对于不同形状物体的可控稳定抓取技术是实现精密制造、机械作业、工业生产、物流分拣等实际应用的重要基础和关键保障。传统的机械手抓取技术主要基于摩擦作用或包覆作用，通过力封闭和形封闭的方式实现对物体的稳定抓取。然而，这两种抓取方式要求待抓取件体尺寸要小于机械手的额定抓取范围，且难以直接抓取具有大曲率半径表面的物体。相较之下，基于界面粘附的机械手不仅能够抓取大面积的平面物体，还能有效应对大曲率半径曲面物体，为多种表面物体的抓取提供了新的解决思路。

随着仿生可逆粘附表面的多样化发展，研究人员提出了各种不同的粘脱附控制技术方案，但是仍然存在结构单一、承载不均、负载较低、释放缓慢等问题，制约了可控粘附抓取技术在实际生产生活中的应用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种表面曲率自适应的可控粘附机械手，可以对多种物体表面进行高速、稳定、重复的抓取、操作和转移。

根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手，包括：基座；粘附足单元，所述粘附足单元设在所述基座上，所述粘附足单元包括一个或者多个，每个所述粘附足单元均包括：粘附单元底座和承载单元，所述粘附单元底座位于所述基座下方，所述粘附单元底座相对所述基座可上下运动，所述承载单元可枢转地设于所述粘附单元底座上，所述承载单元的底部设有粘附单元，所述粘附单元可粘附待抓取件；长度方向自适应锁定机构，长度方向自适应锁定机构与所述基座相连，所述长度方向自适应锁定机构可锁定和释放所述粘附单元底座；角度方向自适应锁定机构，所述角度方向自适应锁定机构与所述粘附单元底座相连，所述角度方向自适应锁定机构可锁定和释放所述承载单元；粘脱附控制机构，所述粘脱附控制机构包括剥离单元，所述剥离单元设于所述承载单元和所述粘附单元之间，所述剥离单元可活动以使所述粘附单元相对于所述待抓取件剥离开。

根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手，通过长度方向自适应锁定机构和角度方向自适应锁定机构的设置，使得粘附足单元可以适应表面轮廓以实现良好接触、锁定粘附状态均匀承载。通过粘脱附控制机构的设置，可以使得剥离粘附表面实现快速释放。由此，表面曲率自适应的可控粘附机械手可以实现对具有多种表面的物体进行高速、稳定、重复的抓取、操作和转移。例如可以适应于单一的平面物体，也可以适用于具有大曲率半径球面或圆柱面的曲面物体，还可以应对多种不同类型、不同面积表面。

在一些实施例中，所述长度方向自适应锁定机构包括：长度方向滑动套筒，所述长度方向滑动套筒穿过所述基座后与所述粘附单元底座相连，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座可上下移动，所述长度方向滑动套筒上设有限位挡圈；长度方向回复弹簧，所述长度方向回复弹簧套设在所述长度方向滑动套筒外部且其两端分别止抵在所述基座后与所述粘附单元底座之间；长度方向弹性抱紧夹具，所述长度方向弹性抱紧夹具可抱紧和可释放所述长度方向滑动套筒，当所述长度方向弹性抱紧夹具抱紧所述长度方向滑动套筒时，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座静止，当所述长度方向弹性抱紧夹具释放所述长度方向滑动套筒时，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座可上下移动。

具体地，所述长度方向自适应锁定机构还包括：长度方向滑动轴承座，所述长度方向滑动轴承座设于所述基座上；长度方向滑动轴承，长度方向滑动轴承设于所述长度方向滑动轴承座内，所述长度方向滑动套筒穿过所述长度方向滑动轴承设置。

在一些可选的实施例中，所述长度方向自适应锁定机构还包括：长度方向驱动板，所述长度方向驱动板相对于所述基座可上下移动，所述长度方向驱动板与所述基座之间设有长度方向驱动板导轨和长度方向驱动板回复弹簧，所述长度方向驱动板导轨一端与所述基座固定，另一端穿设于长度方向驱动板，所述长度方向驱动板回复弹簧套设在所述长度方向驱动板导轨外部，所述长度方向驱动板的底部设有长度方向楔形环，所述长度方向楔形环适于与所述长度方向弹性抱紧夹具配合以使所述长度方向弹性抱紧夹具抱紧所述长度方向滑动套筒；自适应锁定驱动电机；自适应锁定驱动凸轮，所述自适应锁定驱动凸轮与所述自适应锁定驱动电机传动相连，所述自适应锁定驱动凸轮可在所述自适应锁定驱动电机的驱动下转动以驱动所述长度方向驱动板在长度方向上移动。

在一些可选的实施例中，所述粘附单元底座和所述基座中的一个上设有凸台且另一个上设有凹台，所述凸台和所述凹台分别用于定位所述长度方向回复弹簧。

在一些可选的实施例中，所述角度方向自适应锁定机构包括：角度方向转动齿块，所述角度方向转动齿块设于所述承载单元上，且所述角度方向转动齿块形成为半圆形且设有外齿；角度方向驱动轴，所述角度方向驱动轴设于所述长度方向滑动套筒内，所述角度方向驱动轴穿过所述粘附单元底座；角度方向压紧齿块，所述角度方向压紧齿块设有与所述外齿配合的内齿，所述角度方向压紧齿块连接在所述角度方向驱动轴底部；角度方向回复弹簧，所述角度方向回复弹簧套设在所述角度方向驱动轴外部且其两端分别止抵在所述粘附单元底座和所述角度方向压紧齿块之间。

具体地，表面曲率自适应的可控粘附机械手还包括角度方向压紧端盖，所述角度方向压紧端盖连接在所述角度方向驱动轴和所述角度方向压紧齿块之间，所述角度方向回复弹簧的下端与所述角度方向压紧端盖止抵。

在一些可选的实施例中，所述角度方向自适应锁定机构还包括：角度方向转轴，所述角度方向转轴穿设在所述角度方向转动齿块上且其两端配合在所述粘附单元底座上，以使所述承载单元相对于所述粘附单元底座可转动；角度方向驱动线绳，所述角度方向驱动线绳的两端分别与所述角度方向驱动轴和自适应锁定驱动凸轮分别相连。

在一些实施例中，所述粘脱附控制机构包括：脱附驱动电机；脱附驱动舵盘，所述脱附驱动舵盘与所述脱附驱动电机传动相连；脱附驱动线绳，所述脱附驱动线绳的两端分别与所述剥离单元和所述脱附驱动舵盘相连。

在一些实施例中，表面曲率自适应的可控粘附机械手还包括：端盖，所述端盖包括外端盖和与所述外端盖相连的上端盖，所述端盖设于所述基座上且其内部限定出安装腔，所述长度方向自适应锁定机构、所述角度方向自适应锁定机构和所述粘脱附控制机构的至少一部分设于所述安装腔内；所述上端盖上设有法兰盘以与后端机械臂连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手的立体图；

图2为本发明一实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手的立体图(其中，端盖未装配以展示内部配合关系)；

图3为本发明实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手的部分结构剖视图；

图4为本发明实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手的另一部分结构的剖视图；

图5为本发明一实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手作业过程的示意图(其中，图中设有多个箭头以展示机械手的作业顺序，被抓取件表面为台阶面)；

图6为本发明另一实施例中表面曲率自适应的可控粘附机械手作业过程的示意图(其中，图中设有多个箭头以展示机械手的作业顺序，被抓取件表面为曲面)。

附图标记：

表面曲率自适应的可控粘附机械手100、

1	上端盖	19	长度方向滑动轴承
				2	螺钉	20	长度方向滑动套筒
3	外端盖	21	长度方向回复弹簧
				4	基座	22	螺母
5	自适应锁定驱动电机	23	粘附单元底座
				6	自适应锁定驱动凸轮	24	弹性挡圈
7	脱附驱动舵盘	25	角度方向转轴
				8	脱附驱动电机	26	固定挡圈
9	角度方向驱动线绳	27	角度方向驱动轴
				10	角度方向导管座	28	限位挡圈
11	螺钉	29	角度方向回复弹簧
				12	长度方向驱动板	30	角度方向压紧端盖
13	长度方向驱动板导轨	31	角度方向压紧齿块
				14	长度方向驱动板回复弹簧	32	角度方向转动齿块
15	长度方向楔形环	33	承载单元
				16	螺钉	34	脱附驱动线绳
17	长度方向弹性抱紧夹具	35	剥离单元
				18	长度方向滑动轴承座	36	粘附单元

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手100。

根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手100，如图1-图4所示，包括：基座4和粘附足单元。粘附足单元设在基座4上，粘附足单元包括一个或者多个，每个粘附足单元均包括：粘附单元底座23、承载单元33、粘附单元36、长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构和粘脱附控制机构。粘附单元底座23位于基座4下方，粘附单元底座23相对基座4可上下运动运动，承载单元33可枢转地设于粘附单元底座23上，承载单元33的底部设有粘附单元36，粘附单元36可粘附待抓取件。长度方向自适应锁定机构与基座4相连，长度方向自适应锁定机构可锁定和释放粘附单元底座23。角度方向自适应锁定机构与粘附单元底座23相连，角度方向自适应锁定机构可锁定和释放承载单元33。粘脱附控制机构包括剥离单元35，剥离单元35设于承载单元33和粘附单元36之间，剥离单元35可活动以使粘附单元36相对于待抓取件剥离开。

可以理解的是，基座4的设置可以为粘附单元36提供安装位，提高粘附单元36的作业稳定性。在长度方向自适应锁定机构中，长度方向定义为目标表面法向。长度方向自适应锁定机构可以释放粘附单元底座23在长度方向上的运动，从而适应目标表面和粘附足单元表面接触时的法向综合误差，以形成良好的接触状态。长度方向自适应锁定机构也可锁定粘附单元36在长度方向上的位置，从而锁定粘附足单元在长度方向的自由度，以形成均匀的承载状态。在角度方向自适应锁定机构中，角度方向定义为转轴旋转方向。角度方向自适应锁定机构可以通过释放承载单元33，使得粘附足单元适应表面曲率轮廓角度，以形成良好的切向接触状态。角度方向自适应锁定机构也可锁定释放承载单元33，锁定粘附足单元在角度方向的自由度，以维持稳定的粘附状态。

表面曲率自适应的可控粘附机械手100作业过程可以包含五个阶段：初始设置、适应接触、触发锁定、均匀承载和快速释放。

在初始设置时，当表面曲率自适应的可控粘附机械手100远离目标物体时，长度方向自适应锁定机构可锁定粘附单元底座23，角度方向自适应锁定机构也锁定承载单元33。当表面曲率自适应的可控粘附机械手100接近目标表面时，长度方向自适应锁定机构可释放粘附单元底座23，角度方向自适应锁定机构也释放承载单元33。

在适应接触阶段，粘附单元36与目标表面产生接触时，承载单元33适于目标表面做适应性转动。随接触载荷的增大，粘附单元底座23相对基座4向上运动，使得整个粘附足单元在长度方向上运动。

在触发锁定阶段，表面曲率自适应的可控粘附机械手100和目标表面产生良好接触，此时长度方向自适应锁定机构可锁定粘附单元底座23，锁定粘附单元底座23的平动自由度。角度方向自适应锁定机构也锁定承载单元33，锁定承载单元33的转动自由度。

在均匀承载阶段，表面曲率自适应的可控粘附机械手100和目标表面的粘附状态处于锁定状态，此时粘附足单元通过良好的接触状态产生相等的粘附力以对物体重力承载。这里粘附足单元可以为一个，这样结构更加简单。粘附足单元也可以包括多个，多个粘附足单元可以呈各种对称或非对称分布形式。多个粘附足单元的初始变形位置保持一致，将产生相同的拉力以提高各个粘附足单元的承载均匀性，从而有效提升整个机械手100的抓取能力。另外，由于表面曲率自适应的可控粘附机械手100能够对不同曲率半径表面适应性切向接触，因此能够适应平面、球面、圆柱面等多种曲面，扩大了机械手100的抓取范围。

在快速释放阶段，剥离单元35可活动以使粘附单元36相对于待抓取件剥离开。

也就是说，表面曲率自适应的可控粘附机械手100通过适应表面轮廓实现良好接触、锁定粘附状态实现均匀承载、剥离粘附表面实现快速释放，可以将可控粘附技术从单一的平面物体扩展到具有大曲率半径球面或圆柱面的曲面物体，具有同时应对多种不同类型、不同面积表面的能力，从而可以实现对具有多种表面的物体进行高速、稳定、重复的抓取、操作和转移。

根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手100，通过长度方向自适应锁定机构和角度方向自适应锁定机构的设置，使得粘附足单元可以适应表面轮廓以实现良好接触、锁定粘附状态均匀承载。通过粘脱附控制机构的设置，可以使得剥离粘附表面实现快速释放。由此，表面曲率自适应的可控粘附机械手100可以实现对具有多种表面的物体进行高速、稳定、重复的抓取、操作和转移。例如可以适应于单一的平面物体，也可以适用于具有大曲率半径球面或圆柱面的曲面物体，还可以应对多种不同类型、不同面积表面。

在一些实施例中，如图2和图3所示，长度方向自适应锁定机构包括：长度方向滑动套筒20、长度方向回复弹簧21和长度方向弹性抱紧夹具17。长度方向滑动套筒20穿过基座4后与粘附单元底座23相连，长度方向滑动套筒20相对于基座4可上下移动，长度方向滑动套筒20上设有限位挡圈。长度方向回复弹簧21套设在长度方向滑动套筒20外部且其两端分别止抵在基座4后与粘附单元底座23之间。长度方向弹性抱紧夹具17可抱紧和可释放长度方向滑动套筒20，当长度方向弹性抱紧夹具17抱紧长度方向滑动套筒20时，长度方向滑动套筒20相对于基座4静止，当长度方向弹性抱紧夹具17释放长度方向滑动套筒20时，长度方向滑动套筒20相对于基座4可上下移动。可以理解的是，在初始设置阶段，长度方向回复弹簧21可以处于自然伸长状态。当远离目标表面时长度方向弹性抱紧夹具17可抱紧长度方向滑动套筒20，从而锁定粘附单元底座23的平动自由度。当接近目标表面时，长度方向弹性抱紧夹具17可释放长度方向滑动套筒20，使得粘附单元底座23相对于基座4可上下移动。在适应接触阶段，粘附单元36接触目标表面，在接触载荷的作用下，粘附单元底座23、长度方向滑动套筒20相对基座4向上运动，长度方向回复弹簧21受到压缩。在触发锁定阶段，长度方向弹性抱紧夹具17可抱紧长度方向滑动套筒20，从而锁定粘附单元底座23的平动自由度。在均匀承载阶段，保持上述锁定状态以对物体重力承载。在快速释放阶段，剥离单元35活动以使粘附单元36相对于待抓取件剥离开，长度方向回复弹簧21恢复变形，长度方向滑动套筒20相对基座4向下运动直至限位挡圈28止抵在长度方向弹性抱紧夹具17上。这里限位挡圈28可以用来限位、固定长度方向滑动套筒20，提高长度方向滑动套筒20的作业稳定性。另外，长度方向回复弹簧21的结构简单，成本低，且可反复使用，稳定性好，可以提高长度方向滑动套筒20往复运动的可靠性。

具体地，如图3所示，长度方向自适应锁定机构还包括：长度方向滑动轴承座18和长度方向滑动轴承19。长度方向滑动轴承座18设于基座4上；长度方向滑动轴承19设于长度方向滑动轴承座18内，长度方向滑动套筒20穿过长度方向滑动轴承19设置。可以理解的是，长度方向滑动轴承19可以将长度方向滑动套筒20与基座4之间的滑动转变长度方向滑动轴承19的运动，降低摩擦损耗，从而可以提高长度方向滑动套筒20运动的灵敏性。另外，长度方向滑动轴承座18的设置可以对长度方向滑动轴承19起到限位、固定的作用，提高长度方向滑动轴承19的作业稳定性。

在一些可选的实施例中，如图2和图3所示，长度方向自适应锁定机构还包括：长度方向驱动板12、自适应锁定驱动电机5和自适应锁定驱动凸轮6。长度方向驱动板12相对于基座4可上下移动，长度方向驱动板12和基座4之间设有长度方向驱动板导轨13和长度方向驱动板回复弹簧14，长度方向驱动板导轨13一端与所述基座4固定，另一端穿设于长度方向驱动板12，长度方向驱动板回复弹簧14套设在长度方向驱动板导轨13外部。长度方向驱动板12的底部设有长度方向楔形环15，长度方向楔形环15适于与长度方向弹性抱紧夹具17配合以使长度方向弹性抱紧夹具17抱紧长度方向滑动套筒20。自适应锁定驱动凸轮6与自适应锁定驱动电机5传动相连，自适应锁定驱动凸轮6可在自适应锁定驱动电机5的驱动下转动以驱动长度方向驱动板12在长度方向上移动。可以理解的是，自适应锁定驱动电机5可以正向旋转，也可以方向旋转。通过改变自适应锁定驱动电机5的转向可以使得自适应锁定驱动凸轮6远离长度方向驱动板12或者接触长度方向驱动板12。在自适应锁定驱动凸轮6接触长度方向驱动板12时，可以驱动长度方向驱动板12相对基座4向下移动，长度方向驱动板回复弹簧14受到压缩，长度方向楔形环15适于与长度方向弹性抱紧夹具17配合以使长度方向弹性抱紧夹具17抱紧长度方向滑动套筒20，使得长度方向滑动套筒20处于锁定状态。在自适应锁定驱动凸轮6远离长度方向驱动板12时，长度方向驱动板回复弹簧14恢复变形，使得长度方向驱动板12相对基座4向上移动，长度方向弹性抱紧夹具17远离长度方向滑动套筒20，长度方向滑动套筒20相对于基座4可上下移动。这里驱动机构采用电机驱动和弹簧回复装置，具有较快的响应速度和较低的功率损耗，有利于提高实际生产应用的工作效率和使用寿命。

可选的，长度方向弹性抱紧夹具17可以为弹性件。这样结构简单，可以便于长度方向弹性抱紧夹具17的重复性作业。即在自适应锁定驱动凸轮6和长度方向驱动板12接触时，长度方向驱动板12带动长度方向楔形环15与长度方向弹性抱紧夹具17接触并下压一定的距离，长度方向驱动板回复弹簧14受到压缩，长度方向弹性抱紧夹具17在楔形挤压作用下发生径向变形，可以抱紧长度方向滑动套筒20，从而锁定粘附单元底座23的平动自由度。在自适应锁定驱动凸轮6和长度方向驱动板12分离时，长度方向驱动板回复弹簧14恢复变形，长度方向驱动板12带动长度方向楔形环15与长度方向弹性抱紧夹具17分离，长度方向弹性抱紧夹具17恢复原形，与长度方向滑动套筒20处于间隙配合状态，从而使粘附单元底座23能够上下运动。

可选的，如图2和图3所示，长度方向弹性抱紧夹具17、长度方向滑动轴承座18和基座4通过螺钉16相连，这样可以提高长度方向弹性抱紧夹具17、长度方向滑动轴承座18的作业稳定性。当然，在其它的一些实施例中，长度方向弹性抱紧夹具17、长度方向滑动轴承座18和基座4也可以采用其它的连接结构，如卡扣配合结构、销钉等，也能实现上述结构的可靠连接，在此对长度方向弹性抱紧夹具17、长度方向滑动轴承座18和基座4的具体连接方式不作限制。

可选的，长度方向滑动套筒20的下方可以具有外螺纹，通过螺纹连接与粘附单元底座23固定，如图2-图4所示，长度方向滑动套筒20上可以设有螺母22以调节粘附单元底座23的轴向固定位置。

在一些可选的实施例中，粘附单元底座23和基座4中的一个上设有凸台且另一个上设有凹台，凸台和凹台分别用于定位长度方向回复弹簧21。这样可以对长度方向回复弹簧21起到限位的作用，提高长度方向回复弹簧21的作业稳定性。如图2和图3所示，粘附单元底座23上可以设有凸台，基座4上可以设有凹台。当然，在其它的一些实施例中，基座4上设有凸台，粘附单元底座23上设有凹台，均能实现上述功能，在此对凸台和凹台的具体位置不作限制。

在一些可选的实施例中，如图4所示，角度方向自适应锁定机构包括：角度方向转动齿块32、角度方向驱动轴27、角度方向压紧齿块31和角度方向回复弹簧29。角度方向转动齿块32设于承载单元33上，且角度方向转动齿块32形成为半圆形且设有外齿。角度方向驱动轴27设于长度方向滑动套筒20内，角度方向驱动轴27穿过粘附单元底座23。角度方向压紧齿块31设有与外齿配合的内齿，角度方向压紧齿块31连接在角度方向驱动轴27底部。角度方向回复弹簧29套设在角度方向驱动轴27外部且其两端分别止抵在粘附单元底座23和角度方向压紧齿块31之间。可以理解的是，当角度方向回复弹簧29处于压缩状态时，角度方向压紧齿块31远离角度方向转动齿块32，从而可以释放承载单元33，使得承载单元33可以与目标表面适应性接触。当角度方向回复弹簧29恢复变形时，可以使得角度方向驱动轴27带动角度方向压紧齿块31上的外齿与角度方向转动齿块32上的内齿相配合，从而锁定承载单元33的转动自由度。另外，角度方向回复弹簧29的结构简单，成本低，且可反复使用，稳定性好，可以提高角度方向驱动轴27往复运动的可靠性。外齿和内齿的配合设置，有利于增大角度方向压紧齿块31和角度方向转动齿块32接触的摩擦力矩，提高承载单元33锁定的可靠性。

具体地，如图4所示，表面曲率自适应的可控粘附机械手100还包括角度方向压紧端盖30，角度方向压紧端盖30连接在角度方向驱动轴27和角度方向压紧齿块31之间，角度方向回复弹簧29的下端与角度方向压紧端盖30止抵。这样可以提高角度方向压紧齿块31的作业稳定性。如角度方向回复弹簧29恢复变形过程中，会产生一定的冲击力，角度方向压紧端盖30的设置可以起到缓冲作用。

在一些可选的实施例中，如图2-图4所示，角度方向自适应锁定机构还包括：角度方向转轴25和角度方向驱动线绳9。角度方向转轴25穿设在角度方向转动齿块32上且其两端配合在粘附单元底座23上，以使承载单元33相对于粘附单元底座23可转动。角度方向驱动线绳9的两端分别与角度方向驱动轴27和自适应锁定驱动凸轮6分别相连。可以理解的是，自适应锁定驱动凸轮6可正向转动，也可以反向转动。通过改变自适应锁定驱动凸轮6的转向可以使得角度方向驱动线绳9在收紧与放松两个状态下转变。在角度方向驱动线绳9收紧时，可以使得角度方向驱动轴27向上运动，角度方向回复弹簧29压缩，角度方向压紧齿块31远离角度方向转动齿块32，此时角度方向转动齿块32可绕角度方向转轴25转动，从而承载单元33相对于粘附单元底座23可转动。在角度方向驱动线绳9放松时，角度方向回复弹簧29恢复变形，角度方向驱动轴27向下运动，角度方向压紧齿块31上的外齿与角度方向转动齿块32上的内齿相配合，从而锁定承载单元33的转动自由度。另外，长度方向自适应锁定机构和角度方向自适应锁定机构设计紧凑、共享驱动，有利于机械手100设计的轻量化和小型化。并且，机械结构巧妙、控制原理简单、加工简单方便、经济成本较低。

可选的，如图3和图4所示，角度方向驱动轴27上设有固定挡圈26，角度方向驱动线绳9的一端与固定挡圈26连接。可以理解的是，固定挡圈26的设置可以提高角度方向驱动线绳9的连接我内定性。另外，固定挡圈26还可以对角度方向驱动轴27起到限位、固定的作用，提高角度方向驱动轴27的运动稳定性。

可选的，如图2和图3所示，角度方向自适应锁定机构还包括：角度方向导管座10。角度方向导管座10设于长度方向驱动板12上。角度方向导管座10的顶壁上设有穿孔，角度方向驱动线绳9一端与角度方向驱动轴27相连，角度方向驱动线绳9另一端穿过穿孔与自适应锁定驱动凸轮6分别相连。这样角度方向导管座10可以限定出角度方向驱动轴2的运动空间，还可以对角度方向驱动线绳9的运动起到一定的导向作用，提高自适应锁定驱动凸轮6的作业效率。

可选的，角度方向转动齿块32与角度方向转轴25之间可以过渡配合。角度方向转轴25与粘附单元底座23之间可以过盈配合，并可以通过弹性挡圈24固定轴向位置。这样可以提高角度方向转轴25的作业稳定性。

可选的，如图3所示，长度方向驱动板12、角度方向导管座10和长度方向楔形环15可以通过螺钉11固定相连，可以提高长度方向楔形环15的作业稳定性。当然，在其它的一些实施路中，长度方向驱动板12、角度方向导管座10和长度方向楔形环15也可以采用其它的连接结构，如卡扣配合结构、销钉等，也能实现上述结构的可靠连接，在此对长度方向驱动板12、角度方向导管座10和长度方向楔形环15的具体连接方式不作限制。

在一些实施例中，如图2-图4所示，粘脱附控制机构包括：脱附驱动电机8、脱附驱动舵盘7和脱附驱动线绳34。脱附驱动舵盘7与脱附驱动电机8传动相连。脱附驱动线绳34的两端分别与剥离单元35和脱附驱动舵盘7相连。可以理解的是，脱附驱动电机8可以正向转动，也可以反向转动。通过改变自适应锁定驱动凸轮6的转向可以脱附驱动舵盘7收紧或放松脱附驱动线绳34。在脱附驱动线绳34放松时，剥离单元35与粘附单元36稳定接触，可以牢靠地抓取待抓取件。在脱附驱动线绳34收紧时，剥离单元35活动以使粘附单元36相对于待抓取件剥离开，从而快速释放待抓取件。

可选的，脱附驱动线绳34可以带动剥离单元35一端向上运动，此时剥离单元35产生弯曲运动，使得承载单元33压缩而剥离粘附单元36。

可选的，粘附单元36可以通过胶接或键合等方式固定在剥离单元35底部，粘附表面可以为具有粘附力的平整表面或微观结构阵列表面，结构阵列末端有圆盘状薄板、漏斗状薄板或其他增强粘附性能的阵列结构。

在一些实施例中，如图1所示，表面曲率自适应的可控粘附机械手100还包括端盖。端盖包括外端盖3和与外端盖3相连的上端盖1，端盖设于基座4上且其内部限定出安装腔，长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构和粘脱附控制机构的至少一部分设于安装腔内。上端盖1上设有法兰盘以与后端机械臂连接。可以理解的是，表面曲率自适应的可控粘附机械手100可以通过上端盖1的法兰盘与后端机械臂(图未示出)连接，在机械臂的驱动下沿目标表面法线方向靠近待抓取件。另外，端盖的设置也可以提高表面曲率自适应的可控粘附机械手100的内部清洁性，减少灰尘等污染物的进入，从而提高粘附足单元的使用寿命。

可选的，如图1和图2所示，上端盖1和外端盖3可以通过螺钉2固定在基座4上。当然，在其它的一些实施例中，上端盖1与基座4之间、外端盖3与基座4之间也可以采用其它的连接结构，如卡扣结构、销钉等，在此对上端盖1与基座4之间、外端盖3与基座4之间的具体连接方式不作限制。

可选的，表面曲率自适应的可控粘附机械手100还包括控制系统(图未示出)，控制系统具有多个输入输出(IO)口，多个输入输出(IO)口分别与自适应锁定驱动电机5和脱附驱动电机8对应相连。这样控制简单方便，有利于工业生产和流水作业的系统开发集成。

可选的，后端机械臂上设有压力检测装置，控制系统与压力检测装置相连。这样在在机械手100和目标表面产生良好接触时，机械臂末端可以检测接触压力，并控制系统发送指令以控制机械臂的运动。

下面参考图1-图6描述本发明的一个具体实施例中的表面曲率自适应的可控粘附机械手100。

根据本发明实施例的表面曲率自适应的可控粘附机械手100，如图1-图4所示，包括：基座4、多个粘附足单元。多个粘附足单元设在基座4上，每个粘附足单元均包括：粘附单元底座23、承载单元33、长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构和粘脱附控制机构。

其中，承载单元33可枢转地设于粘附单元底座23上，粘附单元底座23位于基座4下方，承载单元33的底部设有粘附单元36，粘附单元36可粘附待抓取件。

长度方向自适应锁定机构包括：长度方向滑动套筒20、长度方向回复弹簧21和长度方向弹性抱紧夹具17、长度方向滑动轴承座18、长度方向滑动轴承19、长度方向驱动板12、自适应锁定驱动电机5和自适应锁定驱动凸轮6。长度方向滑动套筒20穿过基座4后与粘附单元底座23相连，长度方向滑动套筒20上设有限位挡圈。长度方向回复弹簧21套设在长度方向滑动套筒20外部且其两端分别止抵在基座4后与粘附单元底座23之间。长度方向滑动轴承座18设于基座4上，长度方向滑动轴承19设于长度方向滑动轴承座18内，长度方向滑动套筒20穿过长度方向滑动轴承19设置。长度方向驱动板12相对于基座4可上下移动，长度方向驱动板12和基座4之间设有长度方向驱动板导轨13和长度方向驱动板回复弹簧14，长度方向驱动板导轨13一端与基座4固定，另一端穿设于长度方向驱动板12，长度方向驱动板回复弹簧14套设在长度方向驱动板导轨13外部。长度方向驱动板12的底部设有长度方向楔形环15，长度方向楔形环15适于与长度方向弹性抱紧夹具17配合以使长度方向弹性抱紧夹具17抱紧长度方向滑动套筒20。自适应锁定驱动凸轮6与自适应锁定驱动电机5传动相连，自适应锁定驱动凸轮6可在自适应锁定驱动电机5的驱动下转动以驱动长度方向驱动板12上下移动。粘附单元底座23上可以设有凸台，基座4上可以设有凹台，凸台和凹台分别用于定位长度方向回复弹簧21。

角度方向自适应锁定机构包括：角度方向转动齿块32、角度方向驱动轴27、角度方向压紧齿块31、角度方向回复弹簧29和角度方向转轴25和角度方向驱动线绳9。角度方向转动齿块32设于承载单元33上，且角度方向转动齿块32形成为半圆形且设有外齿。角度方向驱动轴27设于长度方向滑动套筒20内，角度方向驱动轴27穿过粘附单元底座23。角度方向压紧齿块31设有与外齿配合的内齿，角度方向压紧齿块31连接在角度方向驱动轴27底部。角度方向回复弹簧29套设在角度方向驱动轴27外部且其两端分别止抵在粘附单元底座23和角度方向压紧齿块31之间。角度方向压紧端盖30连接在角度方向驱动轴27和角度方向压紧齿块31之间，角度方向回复弹簧29的下端与角度方向压紧端盖30止抵。角度方向转轴25穿设在角度方向转动齿块32上且其两端配合在粘附单元底座23上，以使承载单元33相对于粘附单元底座23可转动。角度方向驱动线绳9的两端分别与角度方向驱动轴27和自适应锁定驱动凸轮6分别相连。

粘脱附控制机构包括：脱附驱动电机8、脱附驱动舵盘7、脱附驱动线绳34和剥离单元35。脱附驱动舵盘7与脱附驱动电机8传动相连。脱附驱动线绳34的两端分别与剥离单元35和脱附驱动舵盘7相连。剥离单元35设于承载单元33和粘附单元36之间，剥离单元35可活动以使粘附单元36相对于待抓取件剥离开。

端盖包括外端盖3和与外端盖3相连的上端盖1，端盖设于基座4上且其内部限定出安装腔，长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构和粘脱附控制机构的至少一部分设于安装腔内。上端盖1上设有法兰盘以与后端机械臂连接，后端机械臂上设有压力检测装置。

控制系统具有多个输入输出(IO)口，多个输入输出(IO)口分别与自适应锁定驱动电机5和脱附驱动电机8对应相连。控制系统与压力检测装置相连。

结合图5和图6介绍表面曲率自适应的可控粘附机械手100的工作原理和作业过程，主要可以包含五个阶段：初始设置、适应接触、触发锁定、均匀承载和快速释放。

(1)初始设置：如图5(a)和6图(a)，长度方向回复弹簧21、角度方向回复弹簧29均处于自然伸长状态，由长度方向回复弹簧21、限位挡圈28、角度方向转动齿块32确定长度方向自适应锁定机构、角度方向自适应锁定机构的初始位置。机械手100通过上端盖1的法兰盘与后端机械臂连接，在机械臂的驱动下沿目标表面法线方向靠近物体。在机械手100和目标表面发生接触之前，自适应锁定驱动凸轮6和长度方向驱动板12分离，通过控制系统发送指令，驱动自适应锁定驱动电机5沿反向旋转一定的角度，在长度方向驱动板回复弹簧14的作用下，长度方向驱动板12带动长度方向楔形环15与长度方向弹性抱紧夹具17分离，长度方向弹性抱紧夹具17恢复原形，与长度方向滑动套筒20处于间隙配合状态，从而使粘附单元底座23能够上下运动；自适应锁定驱动凸轮6反向旋转，通过角度方向驱动线绳9带动角度方向驱动轴27向上运动，使得角度方向回复弹簧29压缩，角度方向压紧齿块31和角度方向转动齿块32分离，从而使角度方向转动齿块32能够自由转动。此时，长度方向自适应锁定机构和角度方向自适应锁定机构均处于自适应状态。

(2)适应接触：如图5(b)和6图(b),当机械手100的粘附单元36与目标表面产生接触时，各个角度方向转动齿块32会根据表面的曲率半径而发生适应性转动，从而逐渐形成切向接触；随着接触载荷的增大，长度方向滑动套筒20在长度方向滑动轴承19中向上滑动，使得各个粘附足单元整体向上运动。

(3)触发锁定：如图5(b)和图6(b),在机械手100和目标表面产生良好接触时(机械臂末端反馈的接触压力达到指定值)，通过控制系统发送指令，驱动自适应锁定驱动电机5沿正向旋转一定的角度。自适应锁定驱动凸轮6和长度方向驱动板12接触并下压一定的距离，长度方向驱动板回复弹簧14压缩，长度方向驱动板12带动长度方向楔形环15与长度方向弹性抱紧夹具17接触并下压一定的距离，长度方向弹性抱紧夹具17在楔形挤压作用下发生径向变形，抱紧长度方向滑动套筒20，从而锁定粘附单元底座23的平动自由度；自适应锁定驱动凸轮6正向旋转，角度方向驱动线绳9释放而松弛，角度方向驱动轴27在角度方向回复弹簧29的回复力作用下向下运动，使得角度方向压紧齿块31和角度方向转动齿块32接触并压紧，从而锁定角度方向转动齿块32的转动自由度。此时，长度方向自适应锁定机构和角度方向自适应锁定机构均处于锁定状态。

(4)均匀承载：如图5(c)和图6(c)，当机械手100和目标表面的粘附状态处于锁定状态时，各个粘附足都通过良好的接触状态产生相等的粘附力对物体重力承载。

(5)快速释放：如图5(d)和图6(d)，机械手100完成对目标物体的抓取、操作和转移等任务之后，在后端机械臂的作用下将目标物体放置到指定位置。通过控制系统发出指令，驱动脱附驱动电机8沿正向旋转一定的角度。脱附驱动舵盘7旋转一定的角度，通过脱附驱动线绳34带动剥离单元35右端向上运动，剥离单元35产生弯曲运动使得承载单元33压缩而粘附单元36剥离，最大程度地减小整个粘附单元36的粘附力，从而实现快速脱附释放。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，包括：

基座；

粘附足单元，所述粘附足单元设在所述基座上，所述粘附足单元包括一个或者多个，每个所述粘附足单元均包括：

粘附单元底座和承载单元，所述粘附单元底座位于所述基座下方，所述粘附单元底座相对所述基座可上下运动，所述承载单元可枢转地设于所述粘附单元底座上，

所述承载单元的底部设有粘附单元，所述粘附单元可粘附待抓取件；

长度方向自适应锁定机构，长度方向自适应锁定机构与所述基座相连，所述长度方向自适应锁定机构可锁定和释放所述粘附单元底座；

角度方向自适应锁定机构，所述角度方向自适应锁定机构与所述粘附单元底座相连，所述角度方向自适应锁定机构可锁定和释放所述承载单元；

粘脱附控制机构，所述粘脱附控制机构包括剥离单元，所述剥离单元设于所述承载单元和所述粘附单元之间，所述剥离单元可活动以使所述粘附单元相对于所述待抓取件剥离开。

2.根据权利要求1所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述长度方向自适应锁定机构包括：

长度方向滑动套筒，所述长度方向滑动套筒穿过所述基座后与所述粘附单元底座相连，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座可上下移动，所述长度方向滑动套筒上设有限位挡圈；

长度方向回复弹簧，所述长度方向回复弹簧套设在所述长度方向滑动套筒外部且其两端分别止抵在所述基座后与所述粘附单元底座之间；

长度方向弹性抱紧夹具，所述长度方向弹性抱紧夹具可抱紧和可释放所述长度方向滑动套筒，当所述长度方向弹性抱紧夹具抱紧所述长度方向滑动套筒时，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座静止，当所述长度方向弹性抱紧夹具释放所述长度方向滑动套筒时，所述长度方向滑动套筒相对于所述基座可上下移动。

3.根据权利要求2所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述长度方向自适应锁定机构还包括：

长度方向滑动轴承座，所述长度方向滑动轴承座设于所述基座上；

长度方向滑动轴承，长度方向滑动轴承设于所述长度方向滑动轴承座内，所述长度方向滑动套筒穿过所述长度方向滑动轴承设置。

4.根据权利要求2所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述长度方向自适应锁定机构还包括：

长度方向驱动板，所述长度方向驱动板相对于所述基座可上下移动，所述长度方向驱动板与所述基座之间设有长度方向驱动板导轨和长度方向驱动板回复弹簧，所述长度方向驱动板导轨一端与所述基座固定，另一端穿设于长度方向驱动板，所述长度方向驱动板回复弹簧套设在所述长度方向驱动板导轨外部，所述长度方向驱动板的底部设有长度方向楔形环，所述长度方向楔形环适于与所述长度方向弹性抱紧夹具配合以使所述长度方向弹性抱紧夹具抱紧所述长度方向滑动套筒；

自适应锁定驱动电机；

自适应锁定驱动凸轮，所述自适应锁定驱动凸轮与所述自适应锁定驱动电机传动相连，所述自适应锁定驱动凸轮可在所述自适应锁定驱动电机的驱动下转动以驱动所述长度方向驱动板在长度方向上移动。

5.根据权利要求2所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述粘附单元底座和所述基座中的一个上设有凸台且另一个上设有凹台，所述凸台和所述凹台分别用于定位所述长度方向回复弹簧。

6.根据权利要求4所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述角度方向自适应锁定机构包括：

角度方向转动齿块，所述角度方向转动齿块设于所述承载单元上，且所述角度方向转动齿块形成为半圆形且设有外齿；

角度方向驱动轴，所述角度方向驱动轴设于所述长度方向滑动套筒内，所述角度方向驱动轴穿过所述粘附单元底座；

角度方向压紧齿块，所述角度方向压紧齿块设有与所述外齿配合的内齿，所述角度方向压紧齿块连接在所述角度方向驱动轴底部；

角度方向回复弹簧，所述角度方向回复弹簧套设在所述角度方向驱动轴外部且其两端分别止抵在所述粘附单元底座和所述角度方向压紧齿块之间。

7.根据权利要求6所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，还包括角度方向压紧端盖，所述角度方向压紧端盖连接在所述角度方向驱动轴和所述角度方向压紧齿块之间，所述角度方向回复弹簧的下端与所述角度方向压紧端盖止抵。

8.根据权利要求6所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述角度方向自适应锁定机构还包括：

角度方向转轴，所述角度方向转轴穿设在所述角度方向转动齿块上且其两端配合在所述粘附单元底座上，以使所述承载单元相对于所述粘附单元底座可转动；

角度方向驱动线绳，所述角度方向驱动线绳的两端分别与所述角度方向驱动轴和自适应锁定驱动凸轮分别相连。

9.根据权利要求1所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，所述粘脱附控制机构包括：

脱附驱动电机；

脱附驱动舵盘，所述脱附驱动舵盘与所述脱附驱动电机传动相连；

脱附驱动线绳，所述脱附驱动线绳的两端分别与所述剥离单元和所述脱附驱动舵盘相连。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的表面曲率自适应的可控粘附机械手，其特征在于，还包括：

端盖，所述端盖包括外端盖和与所述外端盖相连的上端盖，所述端盖设于所述基座上且其内部限定出安装腔，所述长度方向自适应锁定机构、所述角度方向自适应锁定机构和所述粘脱附控制机构的至少一部分设于所述安装腔内；

所述上端盖上设有法兰盘以与后端机械臂连接。

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