CN111319060B - 一种软体机器人抓持装置及抓持方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软体机器人抓持装置及抓持方法，包括环状气囊、弯曲驱动器和固定装置，固定装置底部的中心位置固接有环状气囊，弯曲驱动器位于环状气囊的两侧且安装在固定装置底部，环状气囊为弹性体材质，且远离固定装置一侧为开口端，环状气囊包括内层、中间层和外层，中间层为腔体结构，且环设在内层和外层之间，在压缩空气作用下内层向内挤压进行夹持，弯曲驱动器内部设有气动网格结构，在压缩空气作用下向环状气囊弯曲，弯曲驱动器末端为仿指尖结构，固定装置上开设有通孔，分别与中间层和气动网格结构连通。通过环状气囊和弯曲驱动器的配合工作，可以实现对柱状物体高效可靠的抓持和夹持，可配合机械臂有效完成拧松、拧紧、拔出、插入等复杂动作。

Description

一种软体机器人抓持装置及抓持方法

技术领域

本发明涉及机器人领域,具体涉及一种软体机器人抓持装置及抓持方法。

背景技术

拭子是采集微生物、脱落细胞或分泌物的医学检查的工具。以咽拭子为例，在医院，医生用咽拭子对人体咽喉处粘液进行取样，经过样品分析以判断病人是否感染病毒。现在很多医院对病人进行口腔液体取样时，常用方法是医护人员用手拿咽拭子在患者口腔内通过旋转、刮擦取样。此种方法对于医护人员存在较大的危险性，因为患者可能感染病毒，医生在未知情的情况下接触患者，并对患者进行采样时，被交叉感染的机率很大。当采样患者较多时，通过人工进行口腔粘液采样，不仅存在危险，而且医护人员需要逐一采样，这样效率低下，浪费人工。因此需要一款智能化，自动化的机器人设备来代替医护人员进行病毒采样。市场上现有的机器人大多为刚性机器人，刚性机器人与人协同工作时存在较大的危险性，如果控制不好，机器人容易撞击到人，对人产生伤害。近年来，软体机器人由于成本低、自由度高、重量轻、体积小等优点而成为机器人领域研究热点。设计一款软体机器人抓手代替人工抓持咽拭子具有重要意义。

现有的机械抓手多为多指结构设计，用夹持的方式实现抓持。这种夹持的抓持方式在操作过程中，很容易出现滑脱，尤其是在夹持力施加的垂直方向上。现有的软体机器人抓手多也为多指结构(CN201910453863.7，CN201910310838.3，CN201911103554.3)，具有仿人手的结构设计。

拭子类的采样器物，长径比大，用途特殊，对机器人抓手的抓持能力提出了较高的要求，首先，需要在较为狭小的空间，实现一个有效的抓持(有效的定义：速度合适、力度合适、不与周围的其它拭子发生碰撞)，然后还要执行例如拔出或拧出拭子管的操作，对抓持力的要求比较高。最后，在拭子执行采样操作的过程中，要求抓手的抓持力分布均匀，使得拭子不会从任何一个方向滑脱。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种软体机器人抓持装置，包括环状气囊、弯曲驱动器和固定装置，所述固定装置底部的中心位置固接有环状气囊，所述弯曲驱动器位于环状气囊的两侧且安装在固定装置底部，所述环状气囊为弹性体材质，且远离固定装置一侧为开口端，环状气囊包括内层、中间层和外层，所述中间层为腔体结构，且环设在内层和外层之间，在压缩空气作用下内层向内挤压进行夹持，所述弯曲驱动器内部设有气动网格结构，在压缩空气作用下向环状气囊弯曲，弯曲驱动器末端为仿指尖结构，所述固定装置上开设有通孔，分别与中间层和气动网格结构连通。

进一步的，所述弯曲驱动器的长度大于环状气囊的长度。

进一步的，所述内层竖直方向上嵌有均匀环设的竖直方向条形纤维布，所述外层嵌有环设的连续纤维布。

进一步的，所述弯曲驱动器靠近环状气囊一侧为中性面层，在气动作用下分别向靠近环状气囊一侧弯曲，进行夹持。

进一步的，所述固定装置底部开设有凹槽一和位于凹槽一两侧的凹槽二，所述凹槽一与环状气囊顶部固接，所述凹槽二分别与弯曲驱动器顶部固接。

进一步的，所述凹槽一和凹槽二内分别开设有通孔，所述通孔分别与环状气囊上开设的气管通道一和弯曲驱动器上开设的气管通道二相通。

进一步的，所述气管通道一位于与凹槽一固定一侧的环状气囊上，且与中间层相通。

进一步的，所述气管通道二位于弯曲驱动器顶部，且与气动网格结构相通。

进一步的，所述弯曲驱动器的数量≥2。

本发明还公开了一种软体机器人抓持装置的抓持方法，

步骤一，将环状气囊靠近待抓持物，使得环状气囊与待抓持物共轴；

步骤二，沿竖直方向向下移动抓持装置，使环状气囊包裹待取物的端部；

步骤三，向环状气囊内充气，使环状气囊的内层向内挤压，锁紧待取物端部；

步骤四，旋转抓持装置，环状气囊带动待取物的端部进行旋转并上移，取出待取物；

步骤五，向弯曲驱动器内充气，使得弯曲驱动器在气压作用下，向环状气囊方向弯曲，进行夹持待取物；

步骤六，将待取物通过移动抓持装置放置指定位置进行相应处理；

步骤七，释放弯曲驱动器和环状气囊的气压。

有益效果：通过实施本发明的技术方案，通过环状气囊和弯曲驱动器的配合工作，可以实现对柱状物体(如拭子端部、瓶盖等)高效可靠的抓持和夹持，可配合机械臂有效完成拧松、拧紧、拔出、插入等复杂动作；本发明抓持装置为软体结构，具有体积小、重量轻、柔性高等优点，避免了刚性机器人与人协同工作时存在较大的危险性；本发明环状气囊和弯曲驱动器对待取物的抓持力分布均匀，使得待取物不会从任何一个方向滑脱。

附图说明

图1为本发明一种软体机器人抓持装置的初始状态的结构示意图；

图2为本发明一种软体机器人抓持装置的工作状态的结构示意图；

图3为本发明一种软体机器人抓持装置的环状气囊的剖视图；

图4为本发明一种软体机器人抓持装置的环状气囊的结构示意图；

图5为本发明一种软体机器人抓持装置的弯曲驱动器的剖视图；

图6为本发明一种软体机器人抓持装置的弯曲驱动器的初始状态的结构示意图；

图7为本发明一种软体机器人抓持装置的弯曲驱动器的工作状态的结构示意图；

图8为本发明一种软体机器人抓持装置的固定装置的结构示意图之一；

图9为本发明一种软体机器人抓持装置的固定装置的结构示意图之二；

图10为本发明一种软体机器人抓持装置的实施例1的结构示意图。

图例：1.环状气囊；11.内层；12.中间层；13.外层；14.条形纤维布；15.连续纤维布；16.气管通道一；17.底部封口；18.顶部封口18；2.弯曲驱动器；21.气动网格结构；22.仿指尖结构；23.气管通道二；24.中性面层；3.固定装置；31.通孔；32.凹槽一；33.凹槽二；34.接口；4.咽拭子。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例1

图1-图10所示，本发明公开了一种软体机器人抓持装置，包括环状气囊1、弯曲驱动器2和固定装置3，固定装置3用于安装环状气囊1与弯曲驱动器2，固定装置3顶部设有与外界连接例如：机械臂的接口34，固定装置3底部的中心位置固接有环状气囊1，环状气囊1用于包络咽拭子4头部，通过充气锁紧咽拭子4头部，进而通过整个抓持装置的旋转和上移将拭子和拭子管分离，弯曲驱动器2为气动网格弯曲驱动器，位于环状气囊1的两侧且安装在固定装置3底部，在压缩空气作用下向环状气囊1弯曲，两个弯曲驱动器2用于捏取咽拭子4的杆体，为咽拭子4操作时提供辅助的稳定力，环状气囊1和弯曲驱动器2为硅橡胶材质，固定装置3为塑料或者树脂材质，因此本发明抓持装置为软体结构，具有体积小、重量轻、柔性高等优点，避免了刚性机器人与人协同工作时存在较大的危险性，环状气囊1远离固定装置3一侧为开口端，为咽拭子4头部提供缓冲力，环状气囊1包括内层11、中间层12和外层13，中间层12为腔体结构，且环设在内层11和外层13之间，在压缩空气作用下内层11向内挤压进行夹持，弯曲驱动器2在远离环状气囊1一侧的内部设有气动网格结构21，弯曲驱动器2末端为仿指尖结构22，固定装置3上开设有通孔31，分别与中间层12和气动网格结构21连通。

弯曲驱动器2的长度大于环状气囊1的长度，使得弯曲驱动器2能够向环状气囊1弯曲，进行夹持咽拭子4。

内层11竖直方向上嵌有均匀环设的条形纤维布14，外层13嵌有环设的连续纤维布15，条形纤维布14的作用是限制环状气囊1的内层11轴向拉伸，并允许环状气囊1的内层11向内挤压，连续纤维布15的作用是限制环状气囊1的外层13的轴向拉伸和径向膨胀。

固定装置3底部开设有凹槽一32和位于凹槽一32两侧的凹槽二33，凹槽一32与环状气囊1顶部固接，凹槽二33分别与弯曲驱动器2顶部固接。

凹槽一32和凹槽二33内分别开设有通孔31，通孔31分别与环状气囊1上开设的气管通道一16和弯曲驱动器2上开设的气管通道二23相通。

气管通道二23位于弯曲驱动器2顶部，且与气动网格结构21相通。

环状气囊1远离固定装置3一侧为圆环形状的底部封口17，与固定装置3固接一侧为实心圆柱形状的顶部封口18，环状气囊1的作用为使咽拭子4通过进入环状气囊1，并为咽拭子4的头部提供缓冲力。

气管通道一16位于与凹槽一32固定一侧的环状气囊1上，且与中间层12相通，用于向腔体结构的中间层12内充气，当向中间层12的腔体内充气时，外层13由于连续纤维布15限制，不发生膨胀，内层11由于条形纤维布14限制，轴向不会拉伸，径向向内挤压，进而锁紧咽拭子4的头部，环状气囊1的主要作用是拭子瓶盖的打开以及拭子的夹持：环状气囊1包络拭子头部，充气后，在气压作用下锁紧拭子头部，然后旋转将其打开，在后续进行采样时夹持拭子。环状气囊1所用弹性体为硅胶材料。

弯曲驱动器2靠近环状气囊1一侧为中性面层24，在气动作用下分别向靠近环状气囊1一侧弯曲，进行夹持，通过气管通道二23向气动网格结构21充气，弯曲驱动器2发生弯曲。弯曲驱动器2的主要作用是对拭子的辅助夹持，增大拭子在取样时的稳定性，当向弯曲驱动器2充气时，弯曲驱动器2在气压作用下向中性面层24一侧弯曲，随着气压增大，弯曲程度增大，两个弯曲驱动器2的仿指尖结构22会发生碰撞，并产生对抗力，在对抗力的作用下，仿指尖结构22捏紧拭子杆，确保了拭子杆在竖直方向上，并进行夹持。

实施例2

本发明还公开了一种软体机器人抓持装置的抓持方法，

步骤一，将环状气囊1靠近待抓持物，使得环状气囊1与待抓持物共轴；

步骤二，沿竖直方向向下移动抓持装置，使环状气囊1包裹待取物的端部；

步骤三，向环状气囊1内充气，使环状气囊1的内层11向内挤压，锁紧待取物端部；

步骤四，旋转抓持装置，环状气囊1带动待取物的端部进行旋转并上移，取出待取物；

步骤五，向弯曲驱动器2内充气，使得弯曲驱动器2在气压作用下，向环状气囊1方向弯曲，进行夹持待取物；

步骤六，将待取物通过移动抓持装置放置指定位置进行相应处理；

步骤七，释放弯曲驱动器2和环状气囊1的气压。

本实施例以咽拭子为例，1)抓持装置在机器臂(一种移动抓持装置的选择)的操作下靠近拭子，使环状气囊1的孔中心，与咽拭子4的中心在同一竖直线上，其中拭子4管固定；2)垂直下移抓持装置，使环状气囊1包络拭子4的头部；3)给环状气囊1充气，使环状气囊1的内层11向内膨胀，锁紧拭子头部；4)旋转抓持装置(利用机械臂的腕关节的运动)，环状气囊1带动拭子头部进行旋转，使拭子与拭子管分离，取出拭子；5)给弯曲驱动器2充气，弯曲驱动器2弯曲，两个仿指尖结构22在气压作用下相互挤压，捏紧咽子杆；6)将拭子送至取样位置，通过机械臂旋转抓持装置，上下移动旋转装置，进行取样；7)将拭子从取样处移开，释放弯曲驱动器2气压，将咽拭子4插入拭子管，释放环状气囊1气压。

通过实施本发明的技术方案，通过环状气囊和弯曲驱动器的配合工作，智能抓持咽拭子，代替了人工抓持咽拭子，降低了医护人员被交叉感染的可能，可以实现对柱状物体(如拭子端部、瓶盖等)高效可靠的抓持和夹持，可配合机械臂有效完成拧松、拧紧、拔出、插入等复杂动作；本发明抓持装置为软体结构，具有体积小、重量轻、柔性高等优点，避免了刚性机器人与人协同工作时存在较大的危险性；本发明环状气囊和弯曲驱动器对待取物的抓持力分布均匀，使得待取物不会从任何一个方向滑脱本发明环状气囊1可以实现拭子的抓持，还可以实现各类拧瓶盖应用，不限于咽拭子，还包含各种拭子和瓶子、盖子等。

本发明中的弯曲驱动器2，不限于气动网格弯曲驱动器，可以是记忆合金、记忆高分子、介电弹性体、绳索驱动的各类弯曲驱动器。

弯曲驱动器2与环状气囊1的制作材料是各种弹性体，包含但不限于硅橡胶、聚氨酯橡胶、天然橡胶。

弯曲驱动器2的数量≥2，可以根据实际应用情况相应增加。

抓持装置的制造方法包含但不限于硅胶浇铸和3D打印。

显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种软体机器人抓持装置，包括弯曲驱动器（2）和固定装置（3），所述弯曲驱动器（2）内部设有气动网格结构（21），在压缩空气作用下向环状气囊（1）弯曲，弯曲驱动器（2）末端为仿指尖结构（22），其特征在于：还包括环状气囊（1），所述固定装置（3）底部的中心位置固接有环状气囊（1），所述环状气囊（1）为弹性体材质，且远离固定装置（3）一侧为开口端，环状气囊（1）包括内层（11）、中间层（12）和外层（13），所述中间层（12）为腔体结构，且环设在内层（11）和外层（13）之间，在压缩空气作用下内层（11）向内挤压进行夹持，所述固定装置（3）上开设有通孔（31），分别与中间层（12）和气动网格结构（21）连通。

2.根据权利要求1所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述弯曲驱动器（2）的长度大于环状气囊（1）的长度。

3.根据权利要求1所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述内层（11）嵌有均匀环设的竖直方向条形纤维布（14），所述外层（13）嵌有环设的连续纤维布（15）。

4.根据权利要求1所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述弯曲驱动器（2）靠近环状气囊（1）一侧为中性面层（24），在气动作用下分别向靠近环状气囊（1）一侧弯曲，进行夹持。

5.根据权利要求1所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述固定装置（3）底部开设有凹槽一（32）和位于凹槽一（32）两侧的凹槽二（33），所述凹槽一（32）与环状气囊（1）顶部固接，所述凹槽二（33）分别与弯曲驱动器（2）顶部固接。

6.根据权利要求5所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述凹槽一（32）和凹槽二（33）内分别开设有通孔（31），所述通孔（31）分别与环状气囊（1）上开设的气管通道一（16）和弯曲驱动器（2）上开设的气管通道二（23）相通。

7.根据权利要求6所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述气管通道一（16）位于与凹槽一（32）固定一侧的环状气囊（1）上，且与中间层（12）相通。

8.根据权利要求6所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述气管通道二（23）位于弯曲驱动器（2）顶部，且与气动网格结构（21）相通。

9.根据权利要求1所述的一种软体机器人抓持装置，其特征在于：所述弯曲驱动器（2）的数量≥2。

10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的一种软体机器人抓持装置的抓持方法，其特征在于：

步骤一，将环状气囊（1）靠近待取物，使得环状气囊（1）与待取物共轴；

步骤二，沿竖直方向向下移动抓持装置，使环状气囊（1）包裹待取物的端部；

步骤三，向环状气囊（1）内充气，使环状气囊（1）的内层（11）向内挤压，锁紧待取物端部；

步骤四，旋转抓持装置，环状气囊（1）带动待取物的端部进行旋转并上移，取出待取物；

步骤五，向弯曲驱动器（2）内充气，使得弯曲驱动器（2）在气压作用下，向环状气囊（1）方向弯曲，进行夹持待取物；

步骤六，将待取物通过移动抓持装置放置指定位置进行相应处理；

步骤七，释放弯曲驱动器（2）和环状气囊（1）的气压。

Images