CN111687870B - 一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，包括主体板、连接在主体板上方的手柄、连接在主体板下方的三个抓取链，抓取链包括刚性基板、用于包覆在物体四周的柔性层、刚性小刺、气囊通道、气囊和气泵，三个抓取链将主体板下方的待抓取物体四周包覆，以便于抓取，通过三个抓取链张开而对待抓取物体进行抓取，通过向气囊通入气体而将抓取链合拢，各个刚性基板逐渐转动使得柔性层在待抓取物体的四周，抓取链的内侧刚性小刺将待抓取物体的表面固定，从而完成抓取操作；该结构有效提高接触界面负载能力，提高了界面摩擦力调控范围，具有更多的变形自由度，更好地贴合物体表面并使各个接触点协同作用，提供冗余负载以保证抓取工作的稳定性。

Description

一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器

技术领域

本发明涉及抓取机械技术领域，具体而言，涉及一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器。

背景技术

在表面粗糙的类球状物体抓取作业过程中，柔性抓取器与物体接触界面的摩擦调控能力不足导致界面滑脱和抓持欠稳定，是阻碍抓持性能提升和广泛工业化应用的瓶颈。

现有的柔性抓取器普遍具有界面摩擦力低、贴附面积小、容易滑脱的问题。现有技术的柔性抓取器主要有气动硅胶驱动和形状记忆合金驱动两种变形控制方式，使用气动硅胶制造的柔性抓取器，通过在内部设计气腔和在表面设计沟槽，使得在泵入高压空气时，因两边膨胀变形量不同，导致柔性单元向膨胀变形量较小的一侧弯曲，反之如果抽气的话，柔性单元会向收缩变形较大的一侧弯曲。通过充气和抽气可分别实现柔性抓取器的抓取与释放。使用形状记忆合金制造的柔性抓取器，利用形状记忆聚合物或金属加热和冷却过程中其弹性模量的变化来改变抓取器手指结构的刚度，但由于低熔点金属、形状记忆聚合物、超弹性形状记忆合金丝的弹性模量在温度变化前后改变程度小，因此关节刚度变化范围窄，响应速度慢。

此外，还有一些其他类型的抓取设计。例如，通过气囊与物体大面积接触产生的摩擦力，带动物体向气囊运动方向移动；或通过多个刚性单元首尾连接而成，使用风扇在末端产生负压以保持链条与物体贴合等等。但是这些设计思路不够成熟，难以应用于工业产品。

针对表面粗糙类球状物体的抓取作业，现有抓持器缺点主要有以下几点：

1、纯刚性抓取器没有变形能力，无法适应各种形状的物体抓取，并且由于刚性单元多，控制系统十分复杂，导致装置响应速度慢，容错率低；

2、纯柔性抓取器由于其材料天然的低刚度特性，导致抓取界面所能提供的摩擦力十分有限，无法适用于高载荷工况；

3、在刚性钩爪式抓取器的刚性框架中适当加入一些柔性材料，在一定程度上提供了变形适应能力。但是从本质上，并不能规避控制系统复杂和变形能力差的缺点。此外，由于各个钩爪之间缺乏协同作用，一旦个别钩爪发生脱钩则会导致整个界面滑脱。

4、目前的大多数抓取器由于控制复杂、作用点太少，很容易产生载荷集中，不利于高载荷工况抓取。即使有些抓取器在接触界面作了一定的改进以提高界面摩擦力，长久作业也容易造成抓取器工作面磨损失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其基于柔性约束的刚性末端抓取机制，使用软体硅胶和气囊提供柔性约束，采用刚性小刺有效提高接触界面负载能力，在保留柔性抓持灵活性的基础上，大幅提高了界面摩擦力调控范围，有效扩展了柔性抓取器的工业应用。

本发明的实施例是这样实现的：

一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其包括主体板、连接在主体板下方的至少两个抓取链，多个抓取链将主体板下方的待抓取物体四周包覆，以便于抓取，抓取链包括刚性基板、用于包覆在物体四周的柔性层、刚性小刺、气囊和气泵，多个刚性基板首尾连接形成一排，相邻刚性基板之间铰接连接，刚性基板的外侧的顶部和底部分别设置有向外延伸的卡板，卡板与刚性基板之间形成锐角，柔性层为柔性材质制成，柔性层连接在刚性金属基板的内侧，以朝向待抓取物体，多个刚性小刺相互间隔地分布在柔性层的内侧，刚性小刺设置为斜向上的方向且与柔性层的底端至顶端的延伸方向之间具有锐角的夹角，气囊和气泵相连通，气囊设置在相邻刚性基板的相邻卡板之间；抓取物体时，通过气泵向气囊内泵入气体，使得气囊膨胀而挤压相邻刚性基板的卡板，这样，刚性基板逐渐向内反转，使得整个抓取链向内合拢包裹待抓取物体，刚性小刺挤压在待抓取物体表面；释放物体时，通过气泵将气囊内气体抽出，使得气囊收缩而释放相邻金属基板的卡板，这样，刚性基板逐渐向外转动，使得整个抓取链向外张开释放物体。

在本发明较佳的实施例中，上述当气囊施加在卡板上的压力和待抓取物体的法向反力平衡时，抓取链停止合拢和转动，此时，刚性小刺在柔性层内侧发生偏转，多个刚性小刺相互协调并与待抓取物体表面接触达到力矩平衡的稳定状态。

在本发明较佳的实施例中，上述柔性层为硅胶材质制成的柔性硅胶层。

在本发明较佳的实施例中，上述刚性小刺为设置在柔性层内侧的碳纤维小刺。

在本发明较佳的实施例中，上述刚柔结合抓取器还包括气囊通道，气囊通道为连接在气囊之间的通气管，通过气囊通道向多个气囊同时注入气体。

在本发明较佳的实施例中，上述主体板的底部设置有多个呈辐射状的导轨，位于抓取链顶端的刚性基板连接至导轨，使得上述刚性基板相对于主体板沿导轨可移动。

在本发明较佳的实施例中，上述刚柔结合抓取器还包括手柄，手柄连接在主体板的顶部，以便于工作人员握住手柄进行操作。

在本发明较佳的实施例中，上述刚性基板采用金属材质或非金属材质制成，采用金属材质时，刚性基板为刚性金属基板。

在本发明较佳的实施例中，上述气囊使用电机替代，电机安装在相邻刚性基板的铰接处，刚性基板外侧设置为无卡板的结构。

在本发明较佳的实施例中，上述刚柔结合抓取器的抓取过程包括：

S1、贴附过程，向气囊内通入气体，气囊驱动刚性基板发生转动，多个刚性基板逐渐向内合拢，柔性层包裹在待抓取物体的表面，刚性小刺接触在待抓取物体的表面；

S2、机械锁合过程，在抓取力作用下，相邻刚性基板和柔性层相互作用而产生朝向物体的法向力，同时物体与刚性小刺产生相对滑移，产生界面摩擦力，柔性层在力的作用下发生变形，刚性小刺与物体表面接触达到平衡状态；

S3、释放物体过程，气囊内气体释放，刚性基板转动使得抓取力减小至0，柔性层恢复形变，刚性基板和柔性层向外转动，使得整个抓取链张开，待抓取物体完全释放。

本发明的有益效果是：

本发明整个抓取器采用柔性约束设计，充分利用机构和材料的柔性，可通过简单的控制产生大变形以充分适应目标物体形状，从而克服传统刚性抓取器适应性差、控制复杂的问题；在抓取器的内侧表面设置有取向排列的刚性小刺，通过界面间机械锁合实现抓取界面摩擦力大范围调控，克服传统柔性抓取器负载能力不足的问题；抓取器基体采用多单元链式结构，通过各单元间扭转可以在接触面产生多个协同工作的作用点，赋予了抓取装置冗余负载能力，克服了上述现有钩爪式改进装置容易发生界面滑脱、工作不稳定的问题；抓取器采用连通式气囊驱动，在抓取单元与待抓取物体相互挤压的过程中，由于其内部气压要保持平衡，在多个气囊的协调作用下，保证抓取器上的载荷均匀分布在每个抓取单元上。

本发明还具有以下优点：

抓取器为链式结构，可以根据物体外形改变自身形状，且抓取单元的内侧的柔性材料可以为刚性小刺提供很好的转动能力，使其协调工作。而单元内侧取向排布的刚性小刺大大增强了抓取界面的摩擦力，规避了传统柔性抓取器因材料天然柔顺性而导致的负载能力不足。由此可见，本发明具有刚性抓取器无法比拟的变形适应能力和传统柔性抓取器所缺乏的大负载能力，有机的结合了两者的优点。

链式结构具有比传统柔性抓取器更多的变形自由度，可以更好的贴合物体表面并使各个接触点协同作用，提供冗余负载以保证抓取工作的稳定性。此外气囊驱动装置具有控制简单和质量小的优点，而连通式气囊驱动设计保证了接触面载荷的均匀分布，保证抓取器的工作稳定性，同时降低接触部分的磨损，延长了设备寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。

图1为本发明刚柔结合抓取器的示意图；

图2为本发明刚柔结合抓取器的抓取过程图；

图3为本发明刚柔结合抓取器的受力示意图；

图4为本发明刚柔结合抓取器的端部受力示意图；

图5为本发明刚柔结合抓取器的任意刚性基板的抓取位置受力示意图；

图6为本发明刚柔结合抓取器的柔性层的受力变形示意图；

图标：1-手柄；2-刚性金属基板；3-柔性硅胶层；4-刚性小刺；5-气囊通道；6-气囊；7-气泵；A-气泵与气囊连接处。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和表示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参照图1和图2，本实施例提供一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其包括主体板、连接在主体板上方的手柄1、连接在主体板下方的三个抓取链，三个抓取链将主体板下方的待抓取物体四周包覆，以便于抓取，抓取链包括刚性基板、用于包覆在物体四周的柔性层、刚性小刺4、气囊通道5、气囊6和气泵7，手柄1呈倒置的U型且与主体板一体成型，以便于工作人员握住手柄1进行操作，三个抓取链相互间隔地固定在主体板的底部，通过三个抓取链张开而对待抓取物体进行抓取，通过向气囊6通入气体而将抓取链合拢，各个刚性基板逐渐转动使得柔性层在待抓取物体的四周，抓取链的内侧刚性小刺4将待抓取物体的表面固定，从而完成抓取操作，释放时，通过将气囊6内的气体释放，抓取链的各个刚性基板向外转动，柔性层和刚性小刺4脱离待抓取物体，抓取链张开而释放待抓取物体。

本实施例的柔性层为硅胶材质制成的柔性硅胶层3，刚性小刺4为设置在柔性硅胶层3内侧的碳纤维小刺，刚性基板是采用金属材质制成的刚性金属基板2，本实施例的刚性金属基板2设置为三个，三个刚性金属基板2在竖直方向上首尾连接形成一排，相邻刚性金属基板2之间铰接连接，位于抓取链顶端的刚性金属基板2与主体板之间为滑动连接，主体板的底部向内凹设有三个呈辐射状分布的导轨，该三个导轨以主体板底部中心向四周呈辐射状设置，位于抓取链顶端的刚性金属基板2的顶端卡入导轨内并与主体板连接，三个刚性金属基板2相对于主体板沿导轨可同步移动而调节三个抓取链的抓取范围大小，上述刚性金属基板2的顶部两侧分别设置有销孔，当位于顶端的刚性金属基板2沿导轨移动至某位置时，使用螺钉穿过上述销孔连接入导轨内而将上述刚性金属基板2固定至主体板，使得位于顶端的三个刚性金属基板2固定，三个抓取链为相同的结构，之后通过三个抓取链对待抓取物体进行抓取过程，以下仅说明其中一个抓取链的结构。

抓取链在竖直方向上具有三个刚性金属基板2，刚性金属基板2的顶端两侧分别设置有连通的销孔，刚性金属基板2的底端中部设置有与相邻刚性金属基板2的顶端相互匹配的凹槽，刚性金属基板2的顶端卡入凹槽后，使用销钉将相邻两个刚性金属基板2固定，这样，相邻的刚性金属基板2相对可转动，刚性金属基板2的外侧的顶部和底部分别设置有向外延伸的卡板，卡板与刚性金属基板2之间形成锐角，该设置使得位于刚性金属基板2顶部的卡板朝向斜向下的方向，刚性金属基板2底部的卡板朝向斜向上的方向，这样，相邻刚性金属基板2的相邻卡板之间形成夹角，相邻刚性金属基板2转动时，该夹角变化，即抓取链合拢时，该夹角变大，而抓取链张开时，该夹角减小，该夹角的控制通过气囊6来实现；气囊6设置在相邻刚性金属基板2之间的夹角处，气囊6的外侧与相邻刚性金属基板2的铰接处贴附固定，其位于相邻刚性金属基板2的相邻卡板之间，气囊6和气泵7通过通气管道相连通，气泵与气囊连接处A位于相邻刚性金属基板2的相邻卡板之间的夹角处，通过气泵7向气囊6内注入气体或抽出气体，使得气囊6膨胀或收缩，通过气囊6的大小来调节相邻刚性金属基板2的相邻卡板之间的夹角大小，从而实现刚性金属基板2向内转动或向外翻转；气囊通道5为连接在气囊6之间的通气管，相邻气囊6之间通过气囊通道5连通，这样，多个气囊6可通过气囊通道5实现同步的注入气体和抽出气体，通过气囊通道5向多个气囊6同时注入气体。

刚性金属基板2的内侧贴附固定有柔性层，柔性层为柔性材质制成，本实施例的柔性层为采用硅胶材质制成的柔性硅胶层3，柔性硅胶层3在刚性金属基板2的内侧且朝向待抓取物体，多个刚性小刺4相互间隔地均匀分布在柔性硅胶层3的内侧，刚性小刺4的内侧置入柔性硅胶层3的表面，刚性小刺4的外侧具有便于将待抓取物体的表面固定，刚性小刺4设置为斜向上的方向且与柔性硅胶层3的底端至顶端的延伸方向之间具有锐角的夹角，该设置使得刚性小刺4斜向上，多个刚性小刺4同时斜向上压在待抓取物体的表面，使得紧紧将待抓取物体的表面包裹住，本实施例的刚性小刺4为设置在柔性硅胶层3内侧的碳纤维小刺。

使用刚柔结合的抓取器进行操作，抓取物体时，通过气泵7向气囊6内泵入气体，使得气囊6膨胀而挤压相邻刚性金属基板2的卡板，这样，刚性金属基板2逐渐向内反转，使得整个抓取链向内合拢包裹待抓取物体，刚性小刺4挤压在待抓取物体表面；当气囊6施加在卡板上的压力和待抓取物体的法向反力平衡时，抓取链停止合拢和转动，此时，刚性小刺4在柔性硅胶层3内侧发生偏转，多个刚性小刺4相互协调并与待抓取物体表面接触达到力矩平衡的稳定状态；释放物体时，通过气泵7将气囊6内气体抽出，使得气囊6收缩而释放相邻金属基板的卡板，这样，刚性金属基板2逐渐向外转动，使得整个抓取链向外张开释放物体。

请参照图3、图4、图5和图6，将刚性金属基板2、柔性硅胶层3、刚性小刺4和气囊6为一个整体进行研究，刚性金属基板2、柔性硅胶层3、刚性小刺4和气囊6标记未抓取单元E_i，刚性金属基板2和柔性硅胶层3作为刚柔复合基体L_i，抓取链由n个抓取单元E_i组成(i＝1，2，3…n)，相邻抓取单元E_i与E_i+1之间由铰节点C_i连接，夹角为θ_i，单元间气囊6膨胀可在产生C_i处产生转矩M_i。抓取单元E_i由刚性小刺4T_i和刚柔复合基体L_i构成，当L_i贴附物体表面后，刺尖与接触面法向的自然夹角为α_i。抓取物体为Ω，界面摩擦系数μ，相应的摩擦自锁角为β。

基于抓取器的的静力学模型，可将抓取过程简化为如下三个阶段：

S1、贴附过程，向气囊6内通入气体，气囊6驱动刚性金属基板2发生转动，在气囊6驱动转矩M_i作用下，刚柔复合基体L_i绕C_i旋转，E_i与E_i+1之间夹角θ_i增大，多个刚性金属基板2逐渐向内合拢，柔性硅胶层3包裹在待抓取物体的表面，抓取链包裹抓取物体Ω表面，刚性小刺4(T_i)接触待抓取物体的表面，完成贴附过程；

S2、机械锁合过程，在抓取力F_L作用下，相邻抓取单元E_i与E_i+1相互作用而产生朝向物体Ω内部的法向力F_m，同时物体Ω与刚性小刺4(T_i)产生相对滑移的趋势，产生界面摩擦力F_τi，由于此时刚性小刺4T_i与接触面法向的夹角α_i大于自锁角，刚性小刺4(T_i)与物体Ω接触面产生相对滑移，刚柔复合基体L_i在相互作用力的作用下发生变形，导致α_i减小直至满足公式：

该抓取单元E_i进入机械锁合，为了协调其他单元都能进入机械锁合，该单元的α_i继续减小，直至其他单元均进入锁合状态，此时，刚性小刺4(T_i)与物体Ω表面接触达到平衡状态；

S3、释放物体过程，气囊6内气体释放，刚性金属基板2转动使得抓取力F_L减小至0，在刚柔复合基体L_i的回复力作用下，柔性硅胶层3恢复形变，内应力释放，刚柔复合基体L_i和刚性小刺4(T_i)恢复初始状态，在释放转矩M_i作用下，单元E_i与E_i+1之间夹角θ_i减小，抓取单元围绕C_i-1旋转，刚性金属基板2和柔性硅胶层3向外转动，导致刚性小刺4(T_i)尖端与待抓取物体Ω接触面脱离，使得整个抓取链张开，待抓取物体被完全释放。

综上所述，本发明实例采用柔性约束设计，充分利用机构和材料的柔性，可通过简单的控制产生大变形以充分适应目标物体形状，从而克服传统刚性抓取器适应性差、控制复杂的问题；在抓取器的内侧表面设置有取向排列的刚性小刺，通过界面间机械锁合实现抓取界面摩擦力大范围调控，克服传统柔性抓取器负载能力不足的问题；抓取器基体采用多单元链式结构，通过各单元间扭转可以在接触面产生多个协同工作的作用点，赋予了抓取装置冗余负载能力，克服了上述现有钩爪式改进装置容易发生界面滑脱、工作不稳定的问题；抓取器采用连通式气囊驱动，在抓取单元与待抓取物体相互挤压的过程中，由于其内部气压要保持平衡，在多个气囊的协调作用下，保证抓取器上的载荷均匀分布在每个抓取单元上。

本说明书描述了本发明的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，包括主体板、连接在主体板下方的至少两个抓取链，多个所述抓取链将主体板下方的待抓取物体四周包覆，以便于抓取，所述抓取链包括刚性基板、用于包覆在物体四周的柔性层、刚性小刺、气囊和气泵，多个所述刚性基板首尾连接形成一排，相邻刚性基板之间铰接连接，所述刚性基板的外侧的顶部和底部分别设置有向外延伸的卡板，所述卡板与刚性基板之间形成锐角，所述柔性层为柔性材质制成，所述柔性层连接在刚性基板的内侧，以朝向待抓取物体，多个所述刚性小刺相互间隔地分布在柔性层的内侧，所述刚性小刺设置为斜向上的方向且与柔性层的底端至顶端的延伸方向之间具有锐角的夹角，所述气囊和气泵相连通，所述气囊设置在相邻刚性基板的相邻卡板之间；抓取物体时，通过气泵向气囊内泵入气体，使得气囊膨胀而挤压相邻刚性基板的卡板，这样，刚性基板逐渐向内反转，使得整个抓取链向内合拢包裹待抓取物体，所述刚性小刺挤压在待抓取物体表面；释放物体时，通过气泵将气囊内气体抽出，使得气囊收缩而释放相邻刚性基板的卡板，这样，刚性基板逐渐向外转动，使得整个抓取链向外张开释放物体；

抓取时，第i个刚性小刺的刺尖与接触面法向的自然夹角α_i满足：

其中，界面摩擦系数为μ，相应的摩擦自锁角为β，第i个刚性小刺的刺尖与铰接点C_i之间的距离为a。

2.根据权利要求1所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，当气囊施加在卡板上的压力和待抓取物体的法向反力平衡时，所述抓取链停止合拢和转动，此时，所述刚性小刺在柔性层内侧发生偏转，多个刚性小刺相互协调并与待抓取物体表面接触达到力矩平衡的稳定状态。

3.根据权利要求2所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述柔性层为硅胶材质制成的柔性硅胶层。

4.根据权利要求2所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述刚性小刺为设置在柔性层内侧的碳纤维小刺。

5.根据权利要求2所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述刚柔结合抓取器还包括气囊通道，所述气囊通道为连接在气囊之间的通气管，通过气囊通道向多个气囊同时注入气体。

6.根据权利要求2所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述主体板的底部设置有多个呈辐射状的导轨，位于抓取链顶端的刚性基板连接至导轨，使得上述刚性基板相对于主体板沿导轨可移动。

7.根据权利要求1所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述刚柔结合抓取器还包括手柄，所述手柄连接在主体板的顶部，以便于工作人员握住手柄进行操作。

8.根据权利要求1所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述刚性基板采用金属材质或非金属材质制成，采用金属材质时，所述刚性基板为刚性金属基板。

9.根据权利要求1所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述气囊使用电机替代，所述电机安装在相邻刚性基板的铰接处，所述刚性基板外侧设置为无卡板的结构。

10.根据权利要求1所述的一种大范围调控摩擦力的刚柔结合抓取器，其特征在于，所述刚柔结合抓取器的抓取过程包括：

S1、贴附过程，向气囊内通入气体，气囊驱动刚性基板发生转动，多个刚性基板逐渐向内合拢，柔性层包裹在待抓取物体的表面，刚性小刺接触在待抓取物体的表面；

S2、机械锁合过程，在抓取力作用下，相邻刚性基板和柔性层相互作用而产生朝向物体的法向力，同时物体与刚性小刺产生相对滑移，产生界面摩擦力，柔性层在力的作用下发生变形，刚性小刺与物体表面接触达到平衡状态；

S3、释放物体过程，气囊内气体释放，刚性基板转动使得抓取力减小至0，柔性层恢复形变，刚性基板和柔性层向外转动，使得整个抓取链张开，待抓取物体完全释放。

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