CN111727109A - 具有混合结构和抓握可靠性的软机器人抓手 - Google Patents

具有混合结构和抓握可靠性的软机器人抓手 Download PDF

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Abstract

提供了一种机器人末端执行器及其使用方法。机器人末端执行器可包括刚性基座结构(230)、连接到刚性基座结构(230)的多个刚性近端指骨(210)、分别连接到近端指骨(210)的多个刚性远端指骨(200)以及多个波纹管(250)，其中，近端指骨(210)的一端通过波纹管(250)连接到基座结构(230)的一端，其中，远端指骨(200)的一端通过波纹管(250)连接到近端指骨(210)，并且其中，基座结构(230)的一部分、每个近端指骨(210)和每个远端指骨(200)被硅橡胶覆盖。其可以实现高输出力与输入压力比，并且具有成本效益。

Description

具有混合结构和抓握可靠性的软机器人抓手
背景技术
机器人末端执行器是机器人与环境和人类交互的关键连接。随着机器人系统的发展，机器人已在日常生活和工作中得到越来越广泛的应用。从实验和工业领域到通用的、以人为中心的环境，机器人末端执行器的主要设计关注点已从工业关注点(准确性、强度、速度等)转变为以人为中心的标准，例如重量、安全性、适应性、任务价值和负担能力。
随着设计要求的转变，诸如欠驱动和可变刚度机构之类的途径已被用于顺应性抓握。近年来，以人为中心的末端执行器设计的另一种方法涉及软机器人的开发。软机器人为如服务机器人、康复机器人、个人机器人等安全的人类机器人交互提供了固有的顺应性和适应性。此外，具有本征柔软性和顺应性的显着特征，软抓手对非结构化环境也显示出适应性。通过消除高精度传感器反馈和复杂控制系统，这可以降低抓握系统的复杂性，从而增加了系统设计的负担能力。
软抓手可以安全地处理易碎的材料，从深海珊瑚礁到日常蔬菜。软的拟人化的手不仅可以模仿人手的构造，还可以灵巧地工作，从而为可以与人交互的新软人工手提供了广阔的前景。
但是，软末端执行器的固有顺应性也带来了明显的缺点，特别是缺乏结构刚性。为了减少这个问题，已经提出了一些尝试，例如增加折纸壳加固和与刚性部件结合。但是，结构刚度和顺应性之间的权衡会产生设计问题。
由于通常用作末端执行器手指的弯曲气动致动器的变形特性，软抓手通常在手指之间形成空心的抓握空间。这适用于强力和包裹抓握，但对于并行抓握则不可靠。手指的被动变形不易控制，当一手指的被动力大于另一手指的被动力时，会导致不稳定的抓握。此外，当软抓手与大于抓握体积的物体交互时，容易引起不稳定的抓握和手指扭曲。上述因素限制了软抓手在现实应用中的实际性能。需要提供解决方案来解决软抓手缺乏结构刚度并且仅善于小体积包裹抓握的缺点。
发明内容
本发明的实施例通过将混合致动机构(通过结合线性软致动器和刚性关节)与独立的关节控制相结合来提供独特的软机器人抓手。如图1所示，软抓手可提供强健的结构刚度，同时保持固有的顺应性。具有小的材料变形阻力的致动机构可以实现高输出力与输入压力之比。可以从包裹、平行和完全致动的抓握中选择可编程的多功能抓握模式。可变模式允许软抓手与各自具有不同物理特性的常规物体交互。本软机器人抓手是完全可定制的，并且在一个实施例中，其可以根据需要包括不同数量的手指和指骨，在另一实施例中，根据设计参数，机器人手指与基座之间的弯曲角度可以为180度。另外，本软机器人抓手具有成本效益。
附图说明
图1是软机器人抓手的图片。
图2A是顺应性关节工作机构的示意图。图2B是定制气动波纹管和顺应性关节的两个图片。
图3是顺应性关节模型的示意图。
图4是抓握模式的示意图，包括：(a)平行抓握、(b)包裹抓握、(c)指尖夹紧，以及(d)完全致动的抓握和操纵。
图5是软抓手3D组装模型的示意图。每个关节部件分别位于其关节旁边。
图6是关节测试平台的图片。测试关节由不可延伸的线缆驱动，该线缆与安装在线性平台上的力传感器相连。
图7A是输入压力和弯曲角度的关系曲线。图7B是最大输出力测试的曲线。
图8是在不同弯曲角度下，关节力行为与所提供压力之间关系的曲线。
图9是手指输出力测试的曲线。
图10是用于控制软抓手的专用控制板的图片。各个部件如下：(1)稳压罐、(2)泵、(3)2/3阀、(4)调节器、(5)微控制器、(6)面包板、(7)开关、(8)MOSFET、(9)电磁阀、(10)到每个关节的供应的压力。
图11是根据本发明的一个实施例的便携式控制盒的图片。
图12是软抓手不同过程的图片。这些过程如下：(a)包裹抓握过程、(b)平行抓握过程、(c)完全致动呈现、以及(d)简单的手上(in-hand)操作。
图13是软抓手和不同物体的图片。这些物体如下：(a)樱桃柄、(b)樱桃、(c)苹果、(d)香蕉、(e)CD、(f)三明治、(g)食品袋、(h)金字塔、(i)中型书籍、(j)大型书籍、(k)钥匙、(l)六角扳手、(m)硬币、(n)笔、(o)名片、(p)立方体1、(q)立方体2、(r)饮料瓶和(s)饮料罐。
图14是致动系统的原理图。
图15的示意图表示：(a)两指抓手原型、(b)三指抓手渲染设计、(c)四指抓手渲染设计。
图16是两指抓手渲染设计的示意图，其中210和230之间的角度可以设计为最大180度。
图17是机器人抓握系统的图片，该系统包括便携式控制盒和软机器人抓手。
具体实施方式
当前的软末端执行器直接使用各种弯曲软气动执行器(SPA)作为手指部件。该工作机构简化了结构并增大了软抓手的顺应性。但是，SPA的固有顺应性也会导致手指的结构刚度变弱，尤其是在横向方向上。通常，弯曲SPA还需要克服诸如硅树脂之类的自构材料(self-composed material)的变形阻力。这会导致系统能量损失。此外，SPA会直接接触抓握目标，使抓握器容易受到尖锐物体的伤害，这会影响系统的耐用性。
由于刚性关节结构，本文所述的系统和方法可以利用弯曲SPA之外的更多类型的SPA。气动波纹管可以提供较轻的重量，但输出力与输入能量之比较高。波纹管的转换比很大，并且波纹管可以收缩或展开其自身长度至300％。因此，允许关节活跃地展开和收缩。此外，可以通过调节输入压力调节在同一位置的气动波纹管的刚度。与硅树脂基的软致动器相比，由于波纹管壁厚均匀，因此气动波纹管不太可能局部鼓起。
气动波纹管的有效直径可以确定与预期关节力有关的最大理论输出力。可以通过考虑关节的预期运动范围来选择确定伸长率和压缩范围的参数，例如节段数和初始节段角度。表I中显示了定制波纹管和顺应性关节的参数示例。
气动波纹管的示意图如图2(a)所示，波纹管的照片如图2(b)所示。当通过通气孔100的正压被引入到波纹管110中时，气动波纹管伸长并推动关节展开。相反，通过在波纹管中引入负压或真空，波纹管将驱动关节闭合。通过调节所施加的压力，关节可以实现灵巧的顺应性弯曲能力。
表I.气动波纹管设计参数
腔室直径(mm) 21
有效直径(mm) 20
最大腔室长度(mm) 40
最小腔室长度(mm) 8
节段数 8
初始节段角(度) 80
内腔室厚度(mm) 0.2
最大延伸比(％) 200
L1(mm) 5
L2(mm) 20
最小角度(度) 0
最大角度(度) 90
如图3所示，有效输出力Fg是关节侧面的垂直输出力，其等于抓握时的正接触压力。
对于线性气动波纹管，可以得出输入压力和输出力之间的关系，如下所示：
Figure BDA0002539073830000041
其中P是输入压力，Di是波纹管开口的直径，F是输出力。由于关节限制了气动波纹管的变形，因此从系统中耗散了能量。然后，波纹管产生并传递到关节壁的有效力Fe可以表示为：
Figure BDA0002539073830000051
其中θ是关节弯曲角度。任意长度Le上的有效力Fe可以由所述的产生力描述如下：
Figure BDA0002539073830000052
其中Rg和Re分别是波纹管力和有效输出的力矩臂，其可以用任意长度Le和波纹管安装长度Lg来描述
Figure BDA0002539073830000053
然后，任意长度Le处的有效力Fe可以表示为：
Figure BDA0002539073830000054
该关系为根据本发明的实施例的手指结构设计提供了参考。通过与本文所述的实验测量值进行比较，已经验证了分析模型。
抓握灵活性和系统复杂性之间的权衡是机器人末端执行器的设计问题。常规地，为了实现灵巧的抓握能力，末端执行器需要结合高精度传感器反馈和复杂算法的复杂机械结构。由于经济上的限制，这潜在地阻碍了复杂且通用的末端执行器的生产。
本发明的实施例提供了一种软末端执行器，其具有极简的机械结构和对各种各样物体的通用抓握能力。软抓手可以使用至少四种抓握模式来工作，其描述如下：(1)平行抓握、(2)包裹抓握、(3)指尖夹紧、(4)完全致动抓握。如图4(a)所示，平行抓握可用于具有平坦表面的物体，例如CD、书籍、矩形盒子等。如图4(b)所示，包裹抓握是专用于球形物体，例如圆柱形瓶、球等。对于小物体，可以使用指尖夹紧，如图4(c)所示。此外，完全致动抓握为现实世界应用提供了实用功能。如图4(d)所示，末端执行器的每个关节都可以按所需顺序单独致动。软抓手可以实现简单的手上或接触操作，例如调节抓握目标的方向。
示例1
为了制造两指软抓手，选择了表II所示的设计参数。在图5中示出了包括两个手指260的软抓手的CAD组件。在近端关节处与远端关节处的波纹管250的比例较小，使得抓手的顺应性更好。因此，在基座230和近端指骨210之间的近端关节处设置了两个气动波纹管250。在近端指骨210和远端指骨200之间的远端关节处设置了一个气动波纹管250，如图5所示。销和轴承240用于组装。这种配置有助于在施加相同压力时提供不同的关节刚度，从而更好地顺应抓握目标。为了增加接触摩擦，使用Dragon蒙皮10在抓手的接触区域220浇铸了一层有机硅的波纹表面蒙皮。抓手原型主要通过商用3D打印机的材料沉积法和使用HY-304AB胶连接不同部件来制造。
表II.气动波纹管设计参数
基座 近端指骨 远端指骨
长度(mm) 36 62 52
宽度(mm) 10 35-50 35
如图6所示，在专用测试平台上进行了验证示例2-5。制作了关节原型用于实验，并将其安装在测试平台的一侧。关节的气压通过压力阀(SMC ITV2030)进行调整。流量和方向通过比例阀(Festo MPYE-5-1/8-HF-010-B)进行调节。旋转编码器通过离合器与关节轴连接，并且力传感器安装在线性平台上。一根不可拉伸的线缆将力传感器和关节的旋转侧连接起来。尽管在弯曲过程中连接线缆不垂直于关节弯曲侧，但考虑了几何关系来对其进行修正。试验结果中的力是垂直于关节旋转侧的力分量的总和。测试平台由微控制器STM32f429IGT控制，时钟频率高达180MHz。所有测试进行了五次并取平均值。
示例2
在没有有效载荷的情况下，测量了关节弯曲角度供应压力之间的关系。如图7A所示，结果表明，软抓手可以在40kPa以内的低压下达到较大的工作范围。
示例3
测量了该机构的高能量转换比。如图7B所示，结果表明，在施加的1Bar输入压力下，软抓手可以实现30N的输出力，这接近于理论上能量损失最小的最大输出力。
示例4
测量了可变压力下的关节力与不同弯曲角度之间的关系。测试结果如图8所示，可以分为两个阶段。在0-60度(这是关节的主要工作范围)的范围内，关节力在不同压力下对弯曲角度表现出线性响应。在60-90度的范围内，力的减量与角度的减量之比大于0-60度范围内的比。这可能是由于关节的机械结构引起的。气动波纹管的两端受到刚性关节的限制。在工作过程中，伸长力不仅推动关节展开，而且使波纹管的中间部分鼓起。在大弯曲角度下，气动波纹管的长度比在小弯曲角度下长，因此更容易引起鼓起。因此，当弯曲角度大于60度时，关节力的减量与角度的减量之比更大。测试结果具有很高的可重复性，这说明可以对气动波纹管关节进行建模和控制。
0kPa气压下的关节力与弯曲角度之间的关系由气动波纹管固有的材料变形阻力决定。固有阻力角关系曲线由0kPa下的测试结果得出。
一阶拟合线可以表示为：
f(θ)＝-0.052411x+2.7968 (6)
那么有效力可以描述为：
Figure BDA0002539073830000071
示例5
测量在0度弯曲角度下的实际指尖有效力。如图9所示，测量结果与分析结果一致。
图10是用于控制软抓手的专用控制板的图片。各个部件如下：(1)稳压罐、(2)泵、(3)2/3阀、(4)调节器、(5)微控制器、(6)面包板、(7)开关、(8)MOSFET、(9)电磁阀、(10)到每个关节的供应压力。
可以进一步最小化用于控制软抓手的专用控制板，并将其安装在盒子中，以形成用于控制至少一个软抓手的便携式控制盒。图11是根据本发明的一个实施例的便携式控制盒的图片。便携式控制盒配置为连接到至少一个软抓手。在一个实施例中，便携式控制盒的尺寸为300mm×300mm×300mm。
图12是软抓手的不同过程的图片。这些过程如下：(a)包裹抓握过程、(b)平行抓握过程、(c)完全致动呈现、以及(d)简单的手上操作。
图13是软抓手和不同物体的图片。这些物体如下：(a)樱桃柄、(b)樱桃、(c)苹果、(d)香蕉、(e)CD、(f)三明治、(g)食品袋、(h)金字塔、(i)中型书籍、(j)大型书籍、(k)钥匙、(l)六角扳手、(m)硬币、(n)笔、(o)名片、(p)立方体1、(q)立方体2、(r)饮料瓶和(s)饮料罐。
致动系统的原理图如图14所示。泵可为波纹管提供正压和负压，四个电磁阀可将气流引导至每个关节，而2/3换向阀可在正负和压力源之间切换。
软抓手可在至少四种驱动模式下运行，包括一种展开模式。指尖夹紧可通过与硅胶缠绕蒙皮组合的平行抓握实现。四种模式描述如下：
1.展开模式：向四个关节施加负压以打开抓手。发出展开指令时，四个电磁阀一起打开。
2.动力抓握模式：利用正压力同时致动四个关节。四个电磁阀一起打开。
3.平行抓握模式：仅致动近端关节，远端关节保持其初始状态。远端关节的电磁阀保持关闭，而近端关节的阀保持打开。远端指骨挥动至闭合状态并在两个手指之间形成平行抓握空间。
4.全致动模式：通过独立控制四个阀，四个关节可以在不同的压力下工作。
本文描述的方法和过程可以体现为代码和/或数据。本文描述的软件代码和数据可以存储在一个或多个机器可读介质(例如，计算机可读介质)上，该机器可读介质可以包括可存储代码和/或数据以供计算机系统使用的任何设备或介质。当计算机系统和/或处理器读取并执行存储在计算机可读介质上的代码和/或数据时，计算机系统和/或处理器执行体现为存储在计算机可读存储介质内的数据结构和代码的方法和过程。本领域技术人员应该理解，计算机可读介质包括可用于存储信息的可移除和不可移除结构/设备，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块和计算系统/环境使用的其他数据。计算机可读介质包括但不限于：易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM，DRAM，SRAM)；和非易失性存储器，例如闪存、各种只读存储器(ROM，PROM，EPROM，EEPROM)、磁和铁磁/铁电存储器(MRAM，FeRAM)以及磁和光存储设备(硬盘，磁带，CD，DVD)；网络设备；或现在已知或以后开发的能够存储计算机可读信息/数据的其他介质。计算机可读介质不应被解释或理解为包括任何传播的信号。本发明的计算机可读介质可以是例如光盘(CD)、数字视频盘(DVD)、闪存设备、易失性存储器或硬盘驱动器(HDD)，例如外部HDD或计算设备的HDD，但是实施例不限于此。计算设备可以是例如笔记本电脑、台式计算机、服务器、手机或平板电脑，但是实施例不限于此。
本发明的其他实施例示出了包括多于两个手指的软机器人抓手。如图15(a)所示，软机器人抓手包括三个手指。此外，由于所提出的机器人抓手是高度集成模块化的，因此可以将各种数量的手指简单地安装在专用机器人基座上。图15(b)和15(c)显示了带有三个和四个手指的软机器人抓手。
在另一个实施例中，如图16所示，可以定制机器人手指和基座230之间的弯曲角度，即210和230之间的角度。部分230的宽度也可以根据特定条件或工作要求来定制。在一个实施例中，弯曲角度可以是如图16所示的180度。因此，根据设计参数，抓手的抓握空间是可高度调节。
如图17所示，本发明的另一实施例示出了包括便携式控制盒的机器人抓握系统，该便携式控制盒配置为连接到至少一个软机器人抓手。可以从本文讨论的实施例之一中选择所连接的软机器人抓手。
本发明包括但不限于以下示例性实施例。
实施例1、一种机器人末端执行器，该执行器包括：
刚性基座结构；
多个刚性近端指骨，连接到刚性基座结构；
多个刚性远端指骨，分别连接到近端指骨；以及
多个波纹管；
其中，近端指骨的一端通过波纹管连接到基座结构的一端，并且
其中，远端指骨的一端通过波纹管连接到近端指骨。
实施例2、根据实施例1所述的机器人末端执行器，其中，所述基座结构的一部分、每个近端指骨和每个远端指骨被硅橡胶覆盖。
实施例3、根据实施例1-2中的任一项所述的机器人末端执行器，其中，每个波纹管包括排气孔。
实施例4、根据实施例1-3中任一项所述的机器人末端执行器，还包括：
气动控制系统，其向执行器提供致动空气，
其中，控制系统配置为向每个波纹管提供正压或负压，以及
其中，控制系统包括：
压力源，其连接到电磁方向控制阀；
真空源，其连接到电磁方向控制阀；以及
多个电磁阀，其连接到电磁方向控制阀，
其中，每个电磁阀分别连接到每个波纹管。
实施例5、根据实施例1-4中任一项所述的机器人末端执行器，其中，将所述基座结构连接到近端指骨的波纹管与将近端指骨连接到远端指骨的波纹管的比率为至少2∶1或更大。
实施例6、根据实施例1-5中任一项所述的机器人末端执行器，其中，所述执行器包括：
两个近端指骨，连接到刚性基座结构；以及
两个远端指骨，分别连接到每个近端指骨；
其中，刚性基座结构和近端指骨之间的近端关节包括两个波纹管，以及
其中，远端指骨和近端指骨之间的远端关节包括一个波纹管。
实施例7、一种致动机器人末端执行器的方法，该方法包括：
提供根据实施例1-6中任一项的机器人末端执行器；以及
向每个波纹管提供气压或移除到每个波纹管的气压，以使每个波纹管展开或收缩。
实施例8、根据实施例7所述的方法，其中，向设置在两个远端关节处的波纹管和设置在两个近端关节处的波纹管提供负压。
实施例9、根据实施例7所述的方法，其中，向设置在两个远端关节处的波纹管和设置在两个近端关节处的波纹管提供正压。
实施例10、根据实施例7-9中的任一项所述的方法，其中，仅致动近端关节并且远端关节保持在其初始状态。
实施例11、根据实施例7-9中任一项所述的方法，其中，在不同的压力下致动所有四个关节。
实施例12、根据实施例7-9中任一项所述的方法，其中，在相同的压力下致动所有四个关节。
通过以举例说明的方式给出的以下示例，可以对本发明及其许多优点有更好的理解。以下示例说明了本发明的一些方法、应用、实施例和变型。当然，它们不应被认为是对本发明的限制。可以相对于本发明进行许多改变和修改。
应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将启示本领域技术人员，并且将被包括在本申请的精神和范围内。
本文所引用或引用的所有专利、专利申请，临时申请和出版物(包括“参考文献”部分中的内容)均通过引用以其全部并入本文，包括所有附图和表格，只要它们与本说明书的明确教导不冲突即可。
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Claims (12)

1.一种机器人末端执行器，所述执行器包括：
刚性基座结构；
多个刚性近端指骨，其连接到刚性基座结构；
多个刚性远端指骨，其分别连接到近端指骨；以及
多个波纹管；
其中，近端指骨的一端通过波纹管连接到基座结构的一端，并且
其中，远端指骨的一端通过波纹管连接到近端指骨。
2.根据权利要求1所述的机器人末端执行器，其中，所述基座结构的一部分、每个近端指骨和每个远端指骨被硅橡胶覆盖。
3.根据权利要求1或2所述的机器人末端执行器，其中，每个波纹管包括排气孔。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的机器人末端执行器，还包括：
气动控制系统，其向执行器提供致动空气，
其中，控制系统配置为向每个波纹管提供正压或负压，以及
其中，控制系统包括：
压力源，其连接到电磁方向控制阀；
真空源，其连接到所述电磁方向控制阀；以及
多个电磁阀，其连接到所述电磁方向控制阀，
其中，每个电磁阀分别连接到每个波纹管。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的机器人末端执行器，其中，将基座结构连接到近端指骨的波纹管与将近端指骨连接到远端指骨的波纹管的比率为至少2∶1或更大。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的机器人末端执行器，其中，所述执行器包括：
两个近端指骨，其连接到刚性基座结构；以及
两个远端指骨，其分别连接到每个近端指骨；
其中，刚性基座结构和近端指骨之间的近端关节包括两个波纹管，以及
其中，远端指骨和近端指骨之间的远端关节包括一个波纹管。
7.一种致动机器人末端执行器的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求1-6中任一项的机器人末端执行器；以及
向每个波纹管提供气压或移除到每个波纹管的气压，以使每个波纹管展开或收缩。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，向设置在两个远端关节处的波纹管和设置在两个近端关节处的波纹管提供负压。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，向设置在两个远端关节处的波纹管和设置在两个近端关节处的波纹管提供正压。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的方法，其中，仅致动近端关节并且远端关节保持在其初始状态。
11.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，在不同的压力下致动所有四个关节。
12.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，在相同的压力下致动所有四个关节。
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