CN111546363B - 多功能自适应可控粘附软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能自适应可控粘附软体机械手，包括：柔性弯曲驱动器，用于在压力腔室中气压的作用下，产生弯曲行为，以通过根据气压大小实现对不同曲率表面的目标接触；粘附承载层，用于通过负压软管在真空腔室中产生负压的作用，产生载荷均布效应以利用仿生粘附表面的微结构产生的粘附力和摩擦力，达到抓取承载能力；线绳脱附机构，用于通过舵机驱动线绳带动柔性弯曲驱动器外侧向中间收缩，产生反向弯曲行为，实现从目标物体表面的剥离释放。该机械手可以实现对于多种曲率、多种面积、多种重量物体的多功能抓取和快速释放，扩大了软体机械手的抓取范围和抓取能力。

Description

多功能自适应可控粘附软体机械手

技术领域

本发明涉及机构与机器人技术领域，特别涉及一种多功能自适应可控粘附软体机械手。

背景技术

随着机器人技术向人机交互和人机共融的趋势发展，基于柔性材料的软体机械手逐渐成为机器人技术的一个主要研究方向。传统的软体机械手主要利用气压驱动可拉伸变形硅胶和不可拉伸限制层组成的驱动器实现弯曲变形，进而通过包覆作用或摩擦作用实现对物体的抓取。由于软体机械手采用软材料制备而成，在外力驱动下可以实现连续变形，因此具备良好的柔顺性、适应性和安全性，能够抓取多种复杂、易碎和柔性物体。

然而，基于包覆作用和摩擦作用的抓取形式要求抓取物体尺寸较小、特征突出等，限制了软体机械手对于具有大面积、无特征、小曲率表面的物体抓取。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种多功能自适应可控粘附软体机械手，该机械手可以实现对于多种曲率、多种面积、多种重量物体的多功能抓取和快速释放，扩大了软体机械手的抓取范围和抓取能力。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种多功能自适应可控粘附软体机械手，包括：柔性弯曲驱动器，用于在压力腔室中气压的作用下，产生弯曲行为，以通过根据气压大小实现对不同曲率表面的目标接触；粘附承载层，用于通过负压软管在真空腔室中产生负压的作用，产生载荷均布效应以利用仿生粘附表面的微结构产生的粘附力和摩擦力，达到抓取承载能力；线绳脱附机构，用于通过舵机驱动线绳带动所述柔性弯曲驱动器外侧向中间收缩，产生反向弯曲行为，实现从目标物体表面的剥离释放。

本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手，通过结合软体机器人技术和仿生可控粘附技术，能够利用包覆作用、摩擦作用和粘附作用实现对于不同类型表面的适应性抓取；通过负压作用形成的载荷均布效应，能够充分利用接触界面产生的摩擦力和粘附力实现稳定性抓取；通过线绳驱动的反向弯曲运动，能够从抓取物体表面剥离实现快速性脱附，利用上述三种功能，该机械手可以实现对于多种曲率、多种面积、多种重量物体的多功能抓取和快速释放，扩大了软体机械手的抓取范围和抓取能力。

另外，根据本发明上述实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：法兰盘底座，所述法兰盘底座由法兰盘和承载轴组成，所述法兰盘上方具有法兰孔，通过螺钉连接与后端机械臂固定，上方具有方形孔，通过胶接固定舵机位置；下方具有圆孔，与所述柔性弯曲驱动器中间部分过盈配合，并通过所述承载轴连接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述承载轴两端安装有弹性挡圈，以限定所述承载轴的轴向位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：线绳脱附机构，所述线绳脱附机构由脱附舵机、舵盘、剥离线绳、套管和末端承载杆组成，所述脱附舵机机身安装在所述法兰盘上方的方形孔内，所述脱附舵机转轴与所述舵盘轴向连接，所述舵盘具有环形槽状结构，所述环形槽状结构与所述剥离线绳的一端固定，所述剥离线绳穿过多个套管，所述多个套管与软体驱动器上的圆孔过盈配合，所述剥离线绳的另一端与末端承载杆固连，所述末端承载杆嵌入所述软体驱动器上的凹槽内，与所述软体驱动器通过硅胶胶黏剂固连。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述多个套管可以为自润滑材料制成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述柔性弯曲驱动器由所述软体驱动器和正压软管组成，所述软体驱动器中间部分具有方形圆孔结构，与所述法兰盘底座连接，且中间内壁具有两个通孔，外侧的通孔穿过负压软管，内侧的通孔穿过所述正压软管，及两侧具有多个梯形弯曲变形结构和圆孔，与所述多个套管过盈配合，所述多个梯形弯曲变形结构内部高度从中间向外逐渐递减，所述正压软管一端穿过所述内侧通孔形成过盈配合，另一端与外部气路连接，为正压腔室提供气压。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述粘附承载层由负压软管、软体连接层、上抗拉层、硅胶胶黏层、下抗拉层和仿生粘附表面组成，所述负压软管穿过所述软体驱动器的外侧的通孔形成过盈配合，穿过所述软体连接层中间的通孔形成过盈配合，所述软体连接层上表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述软体驱动器下表面形成紧密连接，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述上抗拉层的上表面形成紧密连接，所述上抗拉层的下表面通过所述硅胶胶黏层与所述下抗拉层的上表面形成紧密连接，所述硅胶胶黏层为矩形环状结构，所述下抗拉层的上表面为粗糙表面，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述仿生粘附表面紧密连接，所述仿生粘附表面下表面具有增强粘附和摩擦作用的微纳结构。

本发明附加的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

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的外观结构示意图；

图2为根据本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的3/4剖视结构示意图；

图3为根据本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的爆炸图；

图4为根据本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的正向弯曲抓取状态结构示意图；

图5为根据本发明实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的反向弯曲释放状态结构示意图。

附图标记说明：

法兰盘底座1、法兰盘1A、承载轴1B、线绳脱附机构2、脱附舵机2A、舵盘2B、剥离线绳2C、套管2D、末端承载杆2E、柔性弯曲驱动器3、软体驱动器3A、正压软管3B、和粘附承载层4、负压软管4A、软体连接层4B、上抗拉层4C、硅胶胶黏层4D、下抗拉层4E和仿生粘附表面4F。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的多功能自适应可控粘附软体机械手。

图1是本发明一个实施例的多功能自适应可控粘附软体机械手的外观结构示意图。

如图1所示，该多功能自适应可控粘附软体机械手包括：线绳脱附机构2、柔性弯曲驱动器3和粘附承载层4。

其中，柔性弯曲驱动器3用于在压力腔室中气压的作用下，产生弯曲行为，以通过根据气压大小实现对不同曲率表面的目标接触；粘附承载层4用于通过负压软管在真空腔室中产生负压的作用，产生载荷均布效应以利用仿生粘附表面的微结构产生的粘附力和摩擦力，达到抓取承载能力；线绳脱附机构2用于通过舵机驱动线绳带动柔性弯曲驱动器外侧向中间收缩，产生反向弯曲行为，实现从目标物体表面的剥离释放。本发明实施例的机械手可以实现对于多种曲率、多种面积、多种重量物体的多功能抓取和快速释放，扩大了软体机械手的抓取范围和抓取能力。

可以理解的是，本发明实施例的机械手是一种能够抓取、操作和释放不同曲率、面积、重量物体的多功能夹持装置，主要由柔性弯曲驱动器3、粘附承载层4和线绳脱附机构2组成，整体呈圆周对称分布形式。柔性弯曲驱动器3在压力腔室中气压的作用下产生弯曲行为，通过控制气压大小实现对不同曲率表面的适应性接触。粘附承载层4通过负压软管在真空腔室中产生负压的作用，通过负压作用产生的载荷均布效应充分利用仿生粘附表面的微结构产生的粘附力和摩擦力，达到较强的抓取承载能力。线绳脱附机构2通过舵机驱动线绳带动柔性驱动器外侧向中间收缩，产生反向弯曲行为从而实现从目标物体表面的剥离释放。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图1所示，本发明实施例的机械手还包括：法兰盘底座1。其中，法兰盘底座1由法兰盘和承载轴组成，法兰盘上方具有法兰孔，通过螺钉连接与后端机械臂固定，上方具有方形孔，通过胶接固定舵机位置；下方具有圆孔，与柔性弯曲驱动器中间部分过盈配合，并通过承载轴连接。

下面将结合图1至图3对多功能自适应可控粘附软体机械手进行进一步阐述。

如图1所示，本发明实施例的机械手包括主要包括法兰盘底座1、线绳脱附机构2、柔性弯曲驱动器3和粘附承载层4这四个部分。如图2和图3所示，各个部分的具体结构如下：

法兰盘底座1由法兰盘1A和承载轴1B组成。法兰盘1A上方具有法兰孔，通过螺钉连接与后端机械臂固定；上方具有方形孔，通过胶接固定舵机位置；下方具有圆孔，与柔性弯曲驱动器中间部分过盈配合，并通过承载轴1B连接，传递法向载荷。承载轴1B两端可安装弹性挡圈，限定承载轴的轴向位置。

线绳脱附机构2由脱附舵机2A、舵盘2B、剥离线绳2C、套管2D和末端承载杆2E组成。脱附舵机2A机身安装在法兰盘1A上方的方形孔内，脱附舵机2A转轴与舵盘2B轴向连接。舵盘2B具有环形凹槽状结构，环形凹槽状结构与剥离线绳一端固定，通过转动收紧和放松剥离线绳。剥离线绳2C穿过多个套管2D，以减小二者之间的摩擦阻力，套管2D可以为聚四氟乙烯或其他自润滑材料制成，多个套管2D与软体驱动器3A的梯形结构上方圆孔过盈配合。剥离线绳2C另一端(末端)与末端承载杆2E固连，末端承载杆2E与柔性弯曲驱动器3的一侧固定连接，具体地：末端承载杆2E嵌入软体驱动器3A上的凹槽内，与软体驱动器3A通过硅胶胶黏剂固连，以减小柔性驱动器3一侧的应力集中。

柔性弯曲驱动器3由软体驱动器3A和正压软管3B组成。软体驱动器3A中间部分具有方形圆孔结构，与法兰盘底座1连接；中间内壁具有两个通孔，外侧通孔穿过负压软管4A，内侧通孔穿过正压软管3B，提高结构紧凑性；两侧具有多个梯形弯曲变形结构和圆孔，圆孔与套管2D过盈配合；多个梯形弯曲变形结构内部高度从中间向外逐渐递减，从而使得软体驱动器与目标物体接触后在气压作用下从内向外逐渐弯曲以实现更好的接触。正压软管3B一端穿过内侧通孔形成过盈配合，另一端与外部气路连接，为正压腔室提供气压。

粘附承载层4由负压软管4A、软体连接层4B、上抗拉层4C、硅胶胶黏层4D、下抗拉层4E和仿生粘附表面4F组成。负压软管4A穿过软体驱动器3A的外侧通孔形成过盈配合，穿过软体连接层4B中间的通孔形成过盈配合，保证密封性并提高结构紧凑性。软体连接层4B上表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与软体驱动器3A下表面形成紧密连接，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与上抗拉层4C的上表面形成紧密连接。上抗拉层4C的下表面通过硅胶胶黏层4D与下抗拉层4E的上表面形成紧密连接。硅胶胶黏层4D为矩形环状结构，环状结构宽度为1～3mm，从而同时保证较好的密封性和较大的中间真空腔室。下抗拉层4E的上表面为具有一定粗糙度(不规则或规则凸起)的粗糙表面，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与仿生粘附表面4F紧密连接。仿生粘附表面4F下表面具有圆柱状、蘑菇状或微楔形等微纳结构，以提高粘附承载层的粘附作用和摩擦作用。

需要说明的是，本发明实施例的机械手的排布方式为：具有圆周对称性，且所有对称部分均共用同一个正压软管、负压软管和脱附舵机提供相应的气压和脱附动力。

进一步地，本发明实施例的工作原理主要分为初始复位、稳定抓取和剥离脱附三个部分：

(1)初始复位：初始化软体机械手，使各个部分回到初始位置。通过驱动脱附舵机2A的控制板发送指令，驱动脱附舵机2A旋转到初始状态，带动舵盘2B旋转使得剥离线绳2C处于完全松弛状态。通过计算机向电气比例阀或电磁阀等气路元件发送指令，使正压软管3B和负压软管4A中的气路与大气相通，从而使软体驱动器3A处于初始水平状态。

(2)稳定抓取：后端机械臂带动软体机械手靠近目标物体，直至产生一定的接触压力。计算机利用机器视觉或其他测量手段得到物体的形状和尺寸，向与正压软管3B连接的电气比例阀或电磁阀等气路元件发送指令，根据物体目标表面曲率向正压腔室中输入与之对应的一定气压，使得软体驱动器3A弯曲并与目标物体表面形成适应性接触；然后向与负压软管4A连接的电气比例阀或电磁阀等气路元件发送指令，使真空腔室中产生负压作用，从而实现对目标物体的稳定抓取。此时，后端机械臂带动软体机械手运动，将目标物体转移到指定的目标位置。

(3)剥离脱附：通过计算机向电气比例阀或电磁阀等气路元件发送指令，使正压软管3B和负压软管4A中的气路与大气相通，正压腔室和真空腔室中没有外力。通过驱动脱附舵机2A的控制板发送指令，驱动脱附舵机2A旋转到指定位置，带动舵盘2B旋转使剥离线绳2C收缩拉紧软体驱动器3A，使得软体驱动器3A产生反向弯曲行为进而从目标物体表面剥离。此时，后端机械臂带动软体机械手远离目标物体，直至与目标物体分离。

另外，本发明实施例的机械手的正向弯曲抓取状态结构如图4所示，反向弯曲释放状态结构如图5所示。

综上，本发明实施例提出的多功能自适应可控粘附软体机械手，通过结合软体机器人技术和仿生可控粘附技术，能够同时利用包覆作用、摩擦作用和粘附作用实现对于不同曲率、不同面积、不同重量物体的多功能适应性抓取，具有广泛的物体抓取范围；粘附承载层的真空腔室设计具有良好的载荷均布效应，在抓取平面和小曲率表面时能够充分利用界面粘附作用，具有较大的抓取载荷；线绳脱附机构充分结合并利用了线绳驱动和软体驱动的特点，通过反向弯曲实现剥离脱附，具有较快的脱附速度和可重复的弯曲性能；控制状态主要为复位、抓取和脱附，控制方式主要为输入输出(IO)信号控制，具有简单方便、利于集成的特点；设计巧妙、结构紧凑、功能齐全、操作简单。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种多功能自适应可控粘附软体机械手，其特征在于，包括：

柔性弯曲驱动器，用于在压力腔室中气压的作用下，产生弯曲行为，以通过根据气压大小实现对不同曲率表面的目标接触；

粘附承载层，用于通过负压软管在真空腔室中产生负压的作用，产生载荷均布效应以利用仿生粘附表面的微结构产生的粘附力和摩擦力，达到抓取承载能力；以及

线绳脱附机构，用于通过脱附舵机驱动线绳带动所述柔性弯曲驱动器外侧向中间收缩，产生反向弯曲行为，实现从目标物体表面的剥离释放；

法兰盘底座，所述法兰盘底座由法兰盘和承载轴组成，所述法兰盘上方具有法兰孔，通过螺钉连接与后端机械臂固定，上方具有方形孔，通过胶接固定脱附舵机位置；下方具有圆孔，与所述柔性弯曲驱动器中间部分过盈配合，并通过所述承载轴连接；

所述线绳脱附机构由脱附舵机、舵盘、剥离线绳、套管和末端承载杆组成，所述脱附舵机机身安装在所述法兰盘上方的方形孔内，所述脱附舵机转轴与所述舵盘轴向连接，所述舵盘具有环形槽状结构，所述环形槽状结构与所述剥离线绳的一端固定，所述剥离线绳穿过多个套管，所述多个套管与软体驱动器上的圆孔过盈配合，所述剥离线绳的另一端与末端承载杆固连，所述末端承载杆嵌入所述软体驱动器上的凹槽内，与所述软体驱动器通过硅胶胶黏剂固连；

所述柔性弯曲驱动器由所述软体驱动器和正压软管组成，所述软体驱动器中间部分与所述法兰盘底座连接，且中间内壁具有两个通孔，负压软管穿过外侧的通孔，所述正压软管穿过内侧的通孔，两侧具有多个梯形弯曲变形结构和圆孔，所述圆孔与所述多个套管过盈配合，所述多个梯形弯曲变形结构内部高度从中间向外逐渐递减，所述正压软管一端穿过所述内侧的通孔形成过盈配合，另一端与外部气路连接，为正压腔室提供气压；

所述粘附承载层由负压软管、软体连接层、上抗拉层、硅胶胶黏层、下抗拉层和仿生粘附表面组成，所述负压软管穿过所述软体驱动器的外侧的通孔形成过盈配合，穿过所述软体连接层中间的通孔形成过盈配合，所述软体连接层上表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述软体驱动器下表面形成紧密连接，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述上抗拉层的上表面形成紧密连接，所述上抗拉层的下表面通过所述硅胶胶黏层与所述下抗拉层的上表面形成紧密连接，所述硅胶胶黏层为矩形环状结构，所述下抗拉层的上表面为粗糙表面，下表面通过硅胶胶黏剂或等离子体处理工艺与所述仿生粘附表面紧密连接，所述仿生粘附表面下表面具有增强粘附和摩擦作用的微纳结构。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述承载轴两端安装有弹性挡圈，以限定所述承载轴的轴向位置。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述多个套管为自润滑材料制成。

Images