CN111390876A - 智能软体机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能软体机械手，包括具有作业区和容置区的支架，以及分别位于所述作业区内的柔性夹持球和柔性手臂，以及固定于所述容置区内的压力组件和控制组件。所述柔性手臂连接于所述支架和所述柔性夹持球之间，所述控制组件通过所述压力组件控制所述柔性手臂的弯曲以及所述柔性夹持球的负压，以使得所述柔性手臂将所述柔性夹持球贴附于被夹持物外表面并随其外表面变形，通过产生负压吸附所述被夹持物完成抓取动作。本申请智能软体机械手能够基于当前环境调整其弯曲方式，达到夹持物体的功能，具备智能化的环境适应能力。同时因为其柔性结构还具备更高的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能机器人领域，具体涉及一种多自由度的智能软体机械手。
背景技术
现有的机器人或机械臂结构大多基于刚体材料制造而成，通过改变机器人或机械臂中各刚体之间的相对位置来实现运动。刚体材料具有硬度大、质量高等特点，同时具有较高的制造成本，且环境适应能力较低。因为存在不可避免的人机碰撞产生安全隐患，刚体机器人或机械臂在人机交互的过程中存在一定的安全性缺陷。
软体机器人是一类新型的人造系统，其构成材料与自然界物种的杨氏模量相当，具有无限自由度、操作灵巧以及安全性能高等特点，在医疗保健、物品抓持、野外侦查等诸多领域有着广阔的应用前景。同时软体机器人在人机交互过程中相对安全，可避免对用户和环境造成损害。
发明内容
本发明提出一种多自由度的智能软体机械手，具体包括如下技术方案：
一种智能软体机械手，包括：
支架，包括作业区和容置区；
柔性夹持球，活动设置于所述作业区，所述柔性夹持球可贴附于被夹持物体外表面并随其外表面变形，通过负压对所述被夹持物体形成吸附；
柔性手臂，沿自身长度方向连接于所述支架和所述柔性夹持球之间，所述柔性手臂至少包括三条平行设置的柔性管道，每条所述柔性管道基于内部压力不同可以沿所述柔性手臂的长度方向伸缩，并使得所述柔性手臂产生弯曲变形以改变所述柔性夹持球在所述作业区内的位置；
压力组件，固定于所述容置区内，包括真空泵和压力泵，所述真空泵通过吸附通路连通于所述柔性夹持球，所述压力泵通过压力通路连通于每条所述柔性管道；
控制组件，也固定于所述容置区内，用于控制每条所述柔性管道的压力以及所述柔性夹持球的负压。
其中，所述柔性管道包括沿所述柔性手臂的长度方向设置的橡胶内腔和套设于所述橡胶内腔外的尼龙网套，所述尼龙网套用于限制所述橡胶内腔在压力作用下的径向膨胀，以使得所述橡胶内腔沿所述柔性手臂的长度方向伸缩。
其中，所述柔性管道还包括堵头和气动接头，所述堵头和所述气动接头分列所述橡胶内腔的两端，且所述气动接头用于实现所述压力通路与所述橡胶内腔的连通。
其中，所述柔性手臂沿自身长度方向设置有固定连接的第一弯曲段和第二弯曲段，所述第一弯曲段至少包括三条平行设置的所述柔性管道，且所述第二弯曲段也至少包括三条平行设置的所述柔性管道，所述第一弯曲段和所述第二弯曲段配合弯曲以改变所述柔性夹持球在所述作业区内的位置。
其中，所述第一弯曲段中任意一条所述柔性管道在垂直于所述柔性手臂长度方向的截面上的投影，与所述第二弯曲段中任意一条所述柔性管道在所述截面上的投影不重合。
其中，所述柔性夹持球包括刚性连接部、弹性膜以及颗粒物，所述弹性膜与所述刚性连接部固定连接，所述颗粒物填充于所述弹性膜与所述刚性连接部合围形成的球状空间内，所述刚性连接部还连通于所述吸附通路。
其中，所述柔性手臂相对于所述支架滑动连接，所述控制组件还用于控制所述柔性手臂相对于所述支架的滑动位移。
其中，所述智能软体机械手包括至少两个所述柔性夹持球，对应所述柔性手臂的数量也为至少两个，每个所述柔性手臂用于连接一个所述柔性夹持球。
其中，所述控制组件包括继电器和单片机，所述压力组件还包括多个电磁阀，所述电磁阀连通于所述真空泵与所述吸附通路之间，以及连通于所述压力泵与每个所述压力通路之间，所述单片机通过所述继电器与所述电磁阀电连接，所述单片机通过控制所述电磁阀来调节所述柔性夹持球的负压，以及所述柔性手臂的弯曲。
其中，每条所述柔性管道内还设有压力传感器，所述压力组件还包括连通于所述压力泵与每个所述压力通路之间的比例阀，每个所述压力传感器均与所述单片机电性连接，所述单片机基于每个所述压力传感器感应到的压力来控制其对应压力通路连通的所述比例阀，以实现其对应所述柔性管道的弯曲。
本发明智能软体机械手通过所述支架的作业区和容置区，将所述柔性夹持球和所述柔性手臂，以及所述压力组件和所述控制组件分隔开。通过所述压力组件与所述柔性夹持球和所述柔性手臂的连接，使得所述控制组件能够控制所述柔性手臂的弯曲以及所述柔性夹持球的负压。因为所述柔性手臂至少包括三条平行设置的柔性管道，使得多条所述柔性管道的压力配合能够实现所述柔性手臂不同的弯曲形状，进而将所述柔性夹持球固定于不同的位置，以夹持物体。本申请智能软体机械手具备了基于当前环境调整其弯曲方式，达到夹持物体的能力，提升了自身智能适应环境的能力。同时因为本申请智能软体机械手的柔性结构，还提高了人机交互过程中的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的智能软体机械手的示意图；
图2是本申请实施例提供的柔性手臂弯曲后的示意图；
图3是本申请实施例提供的柔性夹持球夹持物体的示意图；
图4是本申请实施例提供的柔性手臂的截面示意图；
图5是本申请另一实施例提供的柔性手臂的截面投影示意图；
图6是本申请另一实施例提供的智能软体机械手的局部示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附加图式的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指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。
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，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；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。需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
请参看图1中本实施例提供的智能软体机械手100的示意图，包括支架10、柔性夹持球20、柔性手臂30、压力组件40以及控制组件50。支架10为刚性支架，可以由铝合金制作。铝合金具有质轻、强度好、防腐性能高等优点，图1的支架10共由20根铝合金型材构建，其中横梁16根，竖梁4根，相互之间均采用螺丝固定。图1构建的支架10包括有作业区11和容置区12。在其余实施例中，根据智能软体机械手100的长度、高度等工作条件需求，还能调整支架10的高度和宽度，并对应调整作业区11和容置区12的框架尺寸。或者，通过在支架的每条横梁处设置滑动凹槽(图中未示)和滑块(图中未示)，还可以调节支架10内作业区11和容置区12的体积。
柔性夹持球20和柔性手臂30均设置于支架10的作业区11内。其中柔性手臂30沿自身长度方向的一端连接于支架10，另一端连接于柔性夹持球20。当柔性手臂30处于非工作状态时，柔性手臂30垂吊于作业区11内，柔性夹持球20位于柔性手臂30的末端。柔性手臂30至少包括三条平行设置的柔性管道31。三条柔性管道31沿柔性手臂30的长度方向平行设置。每条柔性管道31均能够基于内部压力的变化而改变自身的长度，即每条柔性管道31均能够沿柔性手臂30的长度方向伸缩。如图2所示，当一条所述柔性管道31发生长度伸缩之后，因为其余柔性管道31的牵扯作用，使得柔性手臂30能在作业区11内发生弯曲变化。此时连接于柔性手臂30远离支架10的另一端的柔性夹持球20也随柔性手臂30的弯曲变化而改变其在作业区11内的位置。
可以理解的，当本申请智能软体机械手100需要夹取作业区11内的物体200时，可以通过控制多条平行的柔性管道31的压力，使得每条柔性管道31发生不同程度的伸缩，进而达到控制柔性手臂30的长度以及弯曲方向的效果。柔性手臂30驱动柔性夹持球20朝向被夹持的物体200运动之后，可以贴附于被夹持物体200的外表面，并因为柔性夹持球20的柔性特质而随物体200的外表面发生变形。进一步，通过对柔性夹持球20抽真空，能够使得贴附于被夹持物体200外表面的柔性夹持球20产生负压，柔性夹持球20对被夹持物体200形成吸附，并达到本申请智能软体机械手100对物体200实现夹持的效果。当然，如图3所示，在一些场景下，柔性夹持球20还因为随物体200的外表面发生变形，而贴附于物体200向下倾斜的外表面，进而在负压作用下形状固定后，可以对物体200形成拉力，同样可以对物体200形成固持并移动。
柔性手臂30和柔性夹持球20的压力以及抽真空负压动作，都需要通过压力组件40来实现。压力组件40固定设置于容置区12内，压力组件40包括真空泵41和压力泵42，还包括连通于真空泵41和柔性夹持球20之间的吸附通路43，以及连通于压力泵42与每条柔性管道31之间的压力通路44。同时，智能软体机械手100还包括有同样固定于容置区12内的控制组件50，控制组件50用于控制每条柔性管道31的压力，以及控制柔性夹持球20产生负压。可以理解的，控制组件50通过控制真空泵41，利用吸附通路43对柔性夹持球20抽真空，可以在柔性夹持球20接触被夹持物体200后形成负压；控制组件50通过控制压力泵42，利用各路压力通路44单独控制各条柔性管道31的压力，可以控制柔性手臂30的弯曲形状，从而控制柔性夹持球20的位置。
可以理解的，压力组件40中的真空泵41多采用气泵来实现，而压力泵42可以采用气泵，也可以采用液泵。即柔性管道31中的压力调节，可以采用气动调节的方式，也可以采用液压调节的方式。液压调节的柔性管道31中压力媒介还可以采用水或者液压油，都可以实现上述的方案。另一方面，当真空泵41和压力泵42均采用压缩气体作为压力媒介时，还可以将真空泵41和压力泵42一体化设置，进而缩小本申请智能软体机械手100的体积。
本申请智能软体机械手100在控制组件50和压力组件40的配合下，可以使得柔性手臂30在任意自由度下发生弯曲变形，进而改变柔性夹持球20在作业区11内的位置，使其贴附于被夹持物体200的表面。然后，通过控制组件50和压力组件40的进一步配合，使得柔性夹持球20将被夹持物体200夹持并将其移动至预设位置，实现软体机械手100的转运功能。因为柔性手臂30的多自由度可控，通过对多条柔性管道31不同压力组合的配置，可以控制柔性夹持球20位置的同时，还控制柔性手臂30的弯曲形状，使得柔性手臂30能适应作业区11内的各自障碍物或预设路径，提升了本申请智能软体机械手100的环境适应能力。同时，因为活动的柔性管道31和柔性夹持球20均为柔性材料，在人机交互过程中即使智能软体机械手100与人或周围物体发生接触，也不会造成较大伤害，因此本申请智能软体机械手100还具备了更高的安全性。
请参见图4，柔性管道31包括沿柔性手臂30的长度方向设置的橡胶内腔311和尼龙网套312。其中尼龙网套312套设于橡胶内腔311之外。尼龙网套312因其网格的设置而具备沿柔性手臂30的长度方向延伸的能力，且尼龙网套312的网格设置使其不具备沿柔性手臂30的径向膨胀的能力。因此，尼龙网套312能够限制橡胶内腔311在压力作用下的径向膨胀，以保证橡胶内腔311沿柔性手臂30的长度方向伸缩。
一种实施例，柔性管道31还包括堵头313和气动接头314，即柔性管道31的压力媒介采用压缩空气。堵头313和气动接头314分列橡胶内腔311的两端，其中堵头313与橡胶内腔311的一端密封连接，气动接头314与橡胶内腔311远离堵头313的一端密封连接。因为气动接头314可以开闭气路，因此气动接头314可用于实现压力通路44与橡胶内腔311的连通。可以理解的，因为压力通路44还连通有压力泵42，因此压力泵42可以通过压力通路44和气动接头314朝向橡胶内腔311内充气，进而改变橡胶内腔311的内部压力，达到控制柔性管道31伸缩的效果。
请看回图1，柔性手臂30沿自身长度方向被分为两段，即第一弯曲段301和第二弯曲段302。第一弯曲段301和第二弯曲段302固定连接，其中第一弯曲段301由至少三条平行的柔性管道31组成，第二弯曲段302也由至少三条平行的柔性管道31组成。在图1示意中，柔性手臂30总共由六条柔性管道31组成，且六条柔性管道31中各有三条柔性管道31相互平行。可以理解的，此时压力通路44也设置为六路，每路压力通路44连通于压力泵42与一条柔性管道31之间。第一弯曲段301和第二弯曲段302配合弯曲以改变柔性夹持球20在作业区11内的位置。
将柔性手臂30沿长度方向分为第一弯曲段301和第二弯曲段302，可以缩短每条柔性管道31的长度，在通过压力控制柔性管道31伸缩时，因为柔性管道31的长度更短，其伸缩量得以减小，且对单个柔性管道31的控制精度更高。第一弯曲段301和第二弯曲段302之间固定连接之后，通过第一弯曲段301和第二弯曲段302之间不同的弯曲形状配合，还可以使得柔性手臂30在弯曲形状上实现更多的变化，提升本申请智能软体机械手100的弯曲变形能力。
一种实施例请参见图5，在垂直于柔性手臂30的长度方向截面303上，第一弯曲段301中任意一条柔性管道31在该截面303上具有第一投影3011，第二弯曲段302中任意一条柔性管道31在该截面303上具有第二投影3021。设置第一投影3011不与任意一个第二投影3021重合，或至少不完全重合。也即第一弯曲段301中各条柔性管道31的平行排列方式，与第二弯曲段302中各条柔性管道31的平行排列方式交错设置。这样的设置方式，能够使得第一弯曲段301的弯曲方向与第二弯曲段302的弯曲方向形成互补，在一些弯曲动作需要第一弯曲段301通过两条或两条以上的柔性管道31通过伸缩才能形成的情况下，因为第二弯曲段302相较于第一弯曲段301的交错设置，使得第二弯曲段302可能只通过对一条柔性管道31进行伸缩控制，就能实现该方向上的弯曲动作。
可以理解的，柔性手臂30沿自身长度方向上，还可以分为固定连接的三段、四段包括多段，通过多段类似第一弯曲段301和第二弯曲段302的平行柔性管道31的配合，来实现自由度更丰富的弯曲变形效果。
请看回图3，柔性夹持球20包括刚性连接部21、弹性膜22以及颗粒物23。其中刚性连接部21与柔性手臂30固定连接，便于柔性手臂30控制柔性夹持球20的位置。弹性膜22与刚性连接部21固定且密封连接，并合围形成球状的容置空间。颗粒物23填充于该空间内，刚性连接部21还连通于吸附通路43和球状的容置空间内，实现真空泵41通过吸附通路43对柔性夹持球20抽真空以形成负压。柔性夹持球20可以采用现有技术中的相关解决方案如万能夹持器(Universal Jamming Gripper，UJG)来实现。
一种实施例请参见图6，柔性手臂30与支架10的连接，还可以设置为滑动连接。即支架10上还设有轨道13以及滑块14，轨道13沿第一方向001延伸，滑块14与柔性手臂30连接，以带动柔性手臂30沿第一方向001相对于轨道13滑动。相应的，控制组件50还用于控制滑块14在轨道13上的滑动动作，以达到控制柔性手臂30相对于支架10的滑动位移。轨道13与滑块14之间的传动连接可以采用现有技术中的任意连接方式，如链传动、带传动或齿轮齿条传动等，控制组件50对滑块14的控制也可以采用步进电机的方式来实现。通过增设柔性手臂30相对于支架10的滑动连接，配合柔性手臂30带动柔性夹持球20的位移动作，可以增加柔性夹持球20的活动自由度。在一些需要单向平移的使用场景下，能够简化本申请智能软体机械手100的运动轨迹和控制逻辑。可以理解的，还可以在支架10上增设第二轨道(图中未示)，第二轨道可以沿垂直于第一方向001的方向延伸，滑块14同样可以相对于第二轨道滑动，并带动柔性手臂30沿垂直于第一方向001的方向滑动，进而增加柔性手臂30的运动自由度。
在图1的示意中，智能软体机械手100实际包括了两个柔性夹持球20，对应柔性手臂30的数量也为两个，每个柔性手臂30用于连接一个柔性夹持球20。通过设置两个或两个以上的柔性夹持球20以及柔性手臂30的方式，使得多个柔性夹持球20能够在各自柔性手臂30的带动下相互配合运动，起到类似双手甚至多手配合夹持并转运物体的功能。
一种实施例，控制组件50包括继电器52和单片机51，压力组件40还包括多个电磁阀45。电磁阀45用于连通真空泵41与吸附通路43，以及连通压力泵42与每个压力通路44。在图1示意中，因为压力通路44共有12路，则图1中电磁阀45的总数量为13个。单片机51通过继电器42与每个电磁阀45电连接，然后单片机51还通过控制电磁阀45的通断，来实现调节柔性夹持球20抽真空形成负压，以及控制柔性手臂30的弯曲动作。
一种实施例，每条柔性管道31内还设有压力传感器32，压力组件40还包括连通于压力泵42与每个压力通路44之间的比例阀(图中未示)。每个压力传感器32均与单片机51电性连接，单片机51基于每个压力传感器32感应到的压力来控制其对应的压力通路44连通的比例阀，进而控制压力泵42对该压力通路44连通的柔性管道31的压力值，从而实现该对应的柔性管道31的伸缩和弯曲。需要提出的是，在图1的示意中，传感器32还可以设置于压力组件40的通路上，具体的，设置于压力通路44上，也可以达到类似的效果。
可以理解的，本申请智能软体机械手100还可以包括用于整机供电的电源60，以及用于控制整机动作的操控面板(图中未示)等组件，以完善智能软体机械手100的功能。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种智能软体机械手，其特征在于，包括：
支架，包括作业区和容置区；
柔性夹持球，活动设置于所述作业区，所述柔性夹持球可贴附于被夹持物体外表面并随其外表面变形，通过负压对所述被夹持物体形成吸附；
柔性手臂，沿自身长度方向连接于所述支架和所述柔性夹持球之间，所述柔性手臂至少包括三条平行设置的柔性管道，每条所述柔性管道基于内部压力不同可以沿所述柔性手臂的长度方向伸缩，并使得所述柔性手臂产生弯曲变形以改变所述柔性夹持球在所述作业区内的位置；
压力组件，固定于所述容置区内，包括真空泵和压力泵，所述真空泵通过吸附通路连通于所述柔性夹持球，所述压力泵通过压力通路连通于每条所述柔性管道；
控制组件，也固定于所述容置区内，用于控制每条所述柔性管道的压力以及所述柔性夹持球的负压。
2.根据权利要求1所述的智能软体机械手，其特征在于，所述柔性管道包括沿所述柔性手臂的长度方向设置的橡胶内腔和套设于所述橡胶内腔外的尼龙网套，所述尼龙网套用于限制所述橡胶内腔在压力作用下的径向膨胀，以使得所述橡胶内腔沿所述柔性手臂的长度方向伸缩。
3.根据权利要求2所述的智能软体机械手，其特征在于，所述柔性管道还包括堵头和气动接头，所述堵头和所述气动接头分列所述橡胶内腔的两端，且所述气动接头用于实现所述压力通路与所述橡胶内腔的连通。
4.根据权利要求1所述的智能软体机械手，其特征在于，所述柔性手臂沿自身长度方向设置有固定连接的第一弯曲段和第二弯曲段，所述第一弯曲段至少包括三条平行设置的所述柔性管道，且所述第二弯曲段也至少包括三条平行设置的所述柔性管道，所述第一弯曲段和所述第二弯曲段配合弯曲以改变所述柔性夹持球在所述作业区内的位置。
5.根据权利要求4所述的智能软体机械手，其特征在于，所述第一弯曲段中任意一条所述柔性管道在垂直于所述柔性手臂长度方向的截面上的投影，与所述第二弯曲段中任意一条所述柔性管道在所述截面上的投影不重合。
6.根据权利要求1所述的智能软体机械手，其特征在于，所述柔性夹持球包括刚性连接部、弹性膜以及颗粒物，所述弹性膜与所述刚性连接部固定连接，所述颗粒物填充于所述弹性膜与所述刚性连接部合围形成的球状空间内，所述刚性连接部还连通于所述吸附通路。
7.根据权利要求1-6任一项所述的智能软体机械手，其特征在于，所述柔性手臂相对于所述支架滑动连接，所述控制组件还用于控制所述柔性手臂相对于所述支架的滑动位移。
8.根据权利要求1-6任一项所述的智能软体机械手，其特征在于，所述智能软体机械手包括至少两个所述柔性夹持球，对应所述柔性手臂的数量也为至少两个，每个所述柔性手臂用于连接一个所述柔性夹持球。
9.根据权利要求1-6任一项所述的智能软体机械手，其特征在于，所述控制组件包括继电器和单片机，所述压力组件还包括多个电磁阀，所述电磁阀连通于所述真空泵与所述吸附通路之间，以及连通于所述压力泵与每个所述压力通路之间，所述单片机通过所述继电器与所述电磁阀电连接，所述单片机通过控制所述电磁阀来调节所述柔性夹持球的负压，以及所述柔性手臂的弯曲。
10.根据权利要求9所述的智能软体机械手，其特征在于，每条所述柔性管道内还设有压力传感器，所述压力组件还包括连通于所述压力泵与每个所述压力通路之间的比例阀，每个所述压力传感器均与所述单片机电性连接，所述单片机基于每个所述压力传感器感应到的压力来控制其对应压力通路连通的所述比例阀，以实现其对应所述柔性管道的弯曲。
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