CN112318545A - 实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法，包括第一结构(111)和第二结构(112)；所述第一结构(111)和所述第二结构(112)均有两个，组成一个包围结构；第一结构(111)的外轮廓为等腰倒三角形，且外表面设置有凸起的第一空腔气囊(1)、第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)、充气孔(5)以及尖嘴气囊(3)；所述第二结构(112)为等腰梯形，且外表面设置有凸起的第四空腔气囊(10)、充气孔(11)、第五空腔气囊(7)、第六空腔气囊(8)以及尖嘴气囊(9)；设计新颖的包覆抓取的气动软体机器人，可以完美地包覆抓取小颗粒物体，提高抓取效率。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法。
背景技术
软体机器人目前已成为机器人领域研究的热点。相较于传统的刚性机器人，软体机器人采用硅橡胶等柔性材料制成，具有柔软、自由度大、易变形等优点，使其得以适应不同形状的对象，不会损坏柔软易碎的对象，且软体机器人驱动方式安全、环保，往往采用气压驱动，通过对其设计合理的机械结构，充气后即可产生相应的机械形变。基于上述优点，软体机器人受到全世界科研机构和学者们的广泛关注。
然而目前气动软体机器人的应用对象比较单一。在抓取类机器人中，以往的研究大多针对具有一定体积和重量的的柔软易碎物品进行抓取；而对小颗粒物体的抓取研究却很少有人涉及。例如：这就造成了在抓取一堆瓜子、一堆玉米粒时，软体机器人的抓取效率低下、抓取稳定性低的问题。经文献检索发现，申请号为201711261042.0的中国发明专利申请公开了一种指间带弹性蹼结构的软体机械手，该装置通过4根软体手指与固定手掌连接，相邻软体手指之间均由弹性噗连接。尽管该发明的目的在于克服软体机械手存在易滑落、不稳定的缺陷，但是上述装置的机械结构无法很好地满足抓取小颗粒物体的目标，仍存在一些不足。
图6中的a和b是该装置的俯视图和仰视图，通过b可以明显看出，当上述装置的软体手指发生弯曲时，带动弹性噗发生弧形变化，但其底部弯曲后无法封闭，仍然具有很大的缺口，这对抓取小物品，例如一堆瓜子，一堆玉米粒时必然造成泄漏，影响抓取效率与抓取稳定性。
上述装置的弹性噗结构，额外造成的缺点有：①四根手指与弹性噗结构相连，无法单独拆卸某根软体手指使用，不具有可扩展性。②弹性噗结构的弹性特性，使得上述装置在使用时，必须同时弯曲四根手指，否则弹性噗结构会对相邻手指产生弹性牵制影响(解释一下：如果只弯曲一根手指，带动相邻弹性噗结构向内弯曲伸长，那么这根手指的相邻的手指就会受到弹性噗结构的牵拉力，所以上述装置使用时需要四个手指一起弯，对对称性要求高)。
为了更大量抓取小颗粒等物体，针对本发明，额外设计全新的控制电路，其具有负压功能，可以使软体机器人小幅度反向弯曲，增加软体机器人包覆抓取前的张口范围，增加抓取小颗粒的数量、提高抓取效率。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是提供一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法。
一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，包括第一结构(111)和第二结构(112)；所述第一结构(111)和所述第二结构(112)均有两个，组成一个包围结构；
所述第一结构(111)的外轮廓为等腰倒三角形，且外表面设置有凸起的第一空腔气囊(1)、第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)以及尖嘴气囊(3)，且第一结构(111)的底边中心位置处设置有充气孔(5)，用于为所述第一结构(111)充气；所述第一结构(111)的两个底角均为切角；
第一空腔气囊(1)有两个，分别对称设置于第一结构(111)的两个切角，并分别与等腰倒三角形的对应腰平行；充气孔(5)设置于第一结构(111)的底边中心位置；第三空腔气囊(4)设置于等腰倒三角形中轴线两侧，且垂直于底边；第二空腔气囊(2)分布于第三空腔气囊(4)的下端，且与第三空腔气囊(4)垂直；所述第二空腔气囊(2)和尖嘴气囊(3)呈阶梯形状，越靠近顶角空腔越小；
所述第二结构(112)为等腰梯形，且外表面设置有凸起的第四空腔气囊(10)、第五空腔气囊(7)、第六空腔气囊(8)以及尖嘴气囊(9)；第二结构(112)的底边中心位置处设置有充气孔(11)用于为第二结构(112)充气，所述第五空腔气囊(7)有两个，且对称分布于等腰梯形结构对应的两条腰，充气孔(11)设置于等腰梯形的上底中间位置；第四空腔气囊(10)垂直于等腰梯形的上底，第六空腔气囊(8)设置于第四空腔气囊(10)的底端，且与等腰梯形上底平行；在所述第二结构(112)的下底边设置尖嘴气囊(9)。
进一步地，所述第一结构(111)和第二结构(112)的背部均为平坦结构。
进一步地，所述第一结构(111)和第二结构(112)均采用3D打印方法制作。
进一步地，所述软体机器人向着空腔气囊突出部位的反方向弯曲。
包括实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人的控制电路，所述电路包括24V电源、220V电源、5V电源、气泵、单片机、电磁比例调节阀A、电磁比例调节阀B、MOS驱动电路、真空发生器以及气动软体机器人，所述24V电源的第一输出端连接电磁比例调节阀B的第一输入端、电磁比例调节阀B的输出端连接真空发生器的输入端、真空发生器的输出端连接气动软体机器人的第一输入端，24V电源的第二输出端连接电磁比例调节阀A的第一输入端，MOS驱动电路的两个输出端分别与电磁比例调节阀A的第二输入端以及电磁比例调节阀B的第二输入端相连；220V电源的输出端连接气泵的输入端，气泵的第一输出端连接电磁阀B的第三输入端，气泵的第二输出端连接电磁阀A的第三输入端，电磁阀A的输出端连接气动软体机器人的第二输入端；5V电源的输出端连接单片机的输入端，单片机的输出端连接MOS驱动电路的输入端。
一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人方法，用于所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，在准备抓取的阶段，单片机先给出负压信号，输入到电磁比例调压阀B中，软体机器人由于负压作用，向反方向弯曲，即向空腔方向弯曲，扩大了抓取的面积；当正式抓取时，单片机发出正压信号，软体机器人受到正压作用，由反方向弯曲变为正常弯曲抓取，有助于抓取更多的小颗粒物体。
进一步地，所述电磁比例调压阀A和电磁比例调压阀B用于控制气压输出的大小，将输出的气压输给软体机器人，实现驱动软体机器人运动。
进一步地，将电磁比例调压阀A产生的不同大小的正压输入到真空发生器后，最终输出不同大小的负压。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：针对小颗粒物体，设计新颖的包覆抓取的气动软体机器人，可以完美地包覆抓取小颗粒等物体；制作过程采用先进的3D打印Polyjet技术，与传统开模、注塑方法相比，通过该技术打印可以控制软体机器人的材料刚度，可靠性高，一体成型，便于重复制备。与以往公开的“弹性噗”发明装置不同，所设计包覆抓取小颗粒的软体机器人可以两两拆卸使用；且单个软体机器人未充气弯曲，不会影响其余软体机器人的充气弯曲效果，具有良好的可扩展性和通用性。针对所设计的软体机器人，额外设计具有输出负压功能的控制电路，可以使软体机器人小幅度反向弯曲，增加软体机器人包覆抓取前的张口范围，增加抓取小颗粒的数量、提高抓取效率。
附图说明
图1是本发明一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法的第一结构(111)和第二结构(112)图；
图2是本发明一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法的第一结构(111)和第二结构(112)的背面图；
图3是本发明一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法的第一结构(111)的侧剖面图；
图4是本发明一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法的第一结构(111)和第二结构(112)的结合图；
图5是本发明一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法的控制电路图；
图6是一种指间带弹性蹼结构的软体机械手的俯视图和仰视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明提供了一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，包括第一结构(111)和第二结构(112)；如图4所示，所述第一结构(111)和所述第二结构(112)均有两个，呈90°互补安装，组成一个包围结构；
请参考图1中的(a)，所述第一结构(111)的外轮廓为等腰倒三角形，且外表面设置有凸起的第一空腔气囊(1)、第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)以及尖嘴气囊(3)，且第一结构(111)的底边中心位置处设置有充气孔(5)，用于为所述第一结构(111)充气；所述第一结构(111)的两个底角均为切角；
第一空腔气囊(1)有两个，分别对称设置于第一结构(111)的两个切角，并分别与等腰倒三角形的对应腰平行；充气孔(5)设置于第一结构(111)的底边中心位置；第三空腔气囊(4)设置于等腰倒三角形中轴线两侧，且垂直于底边；第二空腔气囊(2)分布于第三空腔气囊(4)的下端，且与第三空腔气囊(4)垂直；所述第二空腔气囊(2)和尖嘴气囊(3)呈阶梯形状，越靠近顶角空腔越小；即第二空腔气囊(2)包括多根气囊，越靠近顶角，气囊的空腔越小，同样，尖嘴气囊(3)越靠近顶角，气囊的空腔越低，导致弯曲幅度减小，软体机器人的下部弯曲变化趋势就越平坦，更有益于铲颗粒物，参考图3。
请参考图1中的(b)；所述第二结构(112)为等腰梯形，且外表面设置有凸起的第四空腔气囊(10)、第五空腔气囊(7)、第六空腔气囊(8)以及尖嘴气囊(9)；第二结构(112)的底边中心位置处设置有充气孔(11)用于为第二结构(112)充气，所述第五空腔气囊(7)有两个，对称分布于等腰梯形结构对应的两条腰，充气孔(11)设置于等腰梯形的上底中间位置；第四空腔气囊(10)垂直于等腰梯形的上底，第六空腔气囊(8)设置于第四空腔气囊(10)的底端，且与等腰梯形上底平行；在所述第二结构(112)的下底边设置尖嘴气囊(9)。
请参考图2，所述第一结构(111)和第二结构(112)的背部为平坦结构。
所述第一结构(111)和第二结构(112)均采用3D打印方法制作，使用Stratasys公司的Polyjet技术，此技术的打印机可调节硅橡胶材料与硬质材料的比例，以产生邵氏刚度选择范围为30A-95A之间的硅橡胶材料；由于气动软体机器人内部的空腔结构，打印完毕后要从空腔体内移除支撑材料，采用Stratasys公司推荐的化学浸渍法，即：将3D打印部件浸泡在2％氢氧化钠和1％偏硅酸钠的溶液中并搅拌，在此过程后，采用高压水去除残余的支撑材料。
由于第一空腔气囊(1)、第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)所代表的空腔的方向不同，所以第一结构(111)的软体机器人在各个部位的弯曲方向也不同，最终弯曲结果将形成一个半包围结构，即第一空腔气囊(1)和第三空腔气囊(4)向着空腔气囊突出部位的反方向弯曲，第二空腔气囊(2)也向空腔气囊突出部位的反方向弯曲，但是第二空腔气囊(2)和第一空腔气囊(1)、第三空腔气囊(4)不同的是，第二空腔气囊(2)形成一个J字的形状；
以第三空腔气囊(4)为例：空气通过充气孔(5)充入所述第一结构(111)之后，气体进入到第三空腔气囊(4)的多条气囊条，并由中间的气囊条向两边的气囊条扩散；每相邻两条气囊条之间间隔一定距离，当气体进入气囊条之后，气囊条体积逐渐增大，相邻两条气囊条由于体积增大相互挤压，第三空腔气囊(4)的多条气囊条相互挤压后向两边弯曲成一个类似c字的形状；其弯曲程度取决于充气量以及抓取物体的需求，其他空腔气囊弯曲形状与之类似，在此不再赘述；
第一结构(111)中的第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)以及尖嘴气囊(3)以及充气孔(5)和第二结构(112)中的第四空腔气囊(10)、第六空腔气囊(8)、充气孔(11)以及尖嘴气囊(9)的设计相同，主要区别在于第五空腔气囊(7)，由于第一结构(111)整体呈现“倒三角”，如果四个气动软体机器人都设计成第一结构(111)的形式，那么在弯曲时，第一结构(111)的下部势必无法形成闭合，这就导致在抓取时会有小颗粒物体从未闭合区域泄漏出去。因此将第二结构(112)的第五空腔气囊(7)设计成与第一结构(111)的第一空腔气囊(1)互补的形式。并且在安装时，第一结构(111)与第二结构(112)呈90°互补安装，安装方式如下图4所示，可以看出二者呈现很好的互补结构，且当二者充气弯曲时，最终弯曲结果将形成一个包围结构。
所述软体机器人请参考图5，为实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人的控制电路，所述电路包括24V电源、220V电源、5V电源、气泵、单片机、电磁比例调节阀A、电磁比例调节阀B、MOS驱动电路、真空发生器以及气动软体机器人，所述24V电源的第一输出端连接电磁比例调节阀B的第一输入端、电磁比例调节阀B的输出端连接真空发生器的输入端、真空发生器的输出端连接气动软体机器人的第一输入端，24V电源的第二输出端连接电磁比例调节阀A的第一输入端，MOS驱动电路的两个输出端分别与电磁比例调节阀A的第二输入端以及电磁比例调节阀B的第二输入端相连；220V电源的输出端连接气泵的输入端，气泵的第一输出端连接电磁阀B的第三输入端，气泵的第二输出端连接电磁阀A的第三输入端，电磁阀A的输出端连接气动软体机器人的第二输入端；5V电源的输出端连接单片机的输入端，单片机的输出端连接MOS驱动电路的输入端。
一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人方法，用于所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，在准备抓取的阶段，单片机先给出负压信号，输入到电磁比例调压阀B中，软体机器人由于负压作用，向反方向弯曲，即向空腔方向弯曲，扩大了抓取的面积；当正式抓取时，单片机发出正压信号，软体机器人受到正压作用，由反方向弯曲变为正常弯曲抓取，有助于抓取更多的小颗粒物体。
所述电磁比例调压阀A和电磁比例调压阀B用于控制气压输出的大小，将输出的气压输给软体机器人，实现驱动软体机器人运动。
将电磁比例调压阀A产生的不同大小的正压输入到真空发生器后，最终可以输出不同大小的负压。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，包括第一结构(111)和第二结构(112)；所述第一结构(111)和所述第二结构(112)均有两个，组成一个包围结构；
所述第一结构(111)的外轮廓为等腰倒三角形，且外表面设置有凸起的第一空腔气囊(1)、第二空腔气囊(2)、第三空腔气囊(4)以及尖嘴气囊(3)，且第一结构(111)的底边中心位置处设置有充气孔(5)，用于为所述第一结构(111)充气；所述第一结构(111)的两个底角均为切角；
第一空腔气囊(1)有两个，分别对称设置于第一结构(111)的两个切角，并分别与等腰倒三角形的对应腰平行；充气孔(5)设置于第一结构(111)的底边中心位置；第三空腔气囊(4)设置于等腰倒三角形中轴线两侧，且垂直于底边；第二空腔气囊(2)分布于第三空腔气囊(4)的下端，且与第三空腔气囊(4)垂直；所述第二空腔气囊(2)和尖嘴气囊(3)呈阶梯形状，越靠近顶角空腔越小；
所述第二结构(112)为等腰梯形，且外表面设置有凸起的第四空腔气囊(10)、第五空腔气囊(7)、第六空腔气囊(8)以及尖嘴气囊(9)；第二结构(112)的底边中心位置处设置有充气孔(11)用于为第二结构(112)充气，所述第五空腔气囊(7)有两个，且对称分布于等腰梯形结构对应的两条腰，充气孔(11)设置于等腰梯形的上底中间位置；第四空腔气囊(10)垂直于等腰梯形的上底，第六空腔气囊(8)设置于第四空腔气囊(10)的底端，且与等腰梯形上底平行；在所述第二结构(112)的下底边设置尖嘴气囊(9)。
2.根据权利要求1所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，所述第一结构(111)和第二结构(112)的背部均为平坦结构。
3.根据权利要求1所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，所述第一结构(111)和第二结构(112)均采用3D打印方法制作。
4.根据权利要求1所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，所述软体机器人向着空腔气囊突出部位的反方向弯曲。
5.根据权利要求1所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，包括实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人的控制电路，所述控制电路包括24V电源、220V电源、5V电源、气泵、单片机、电磁比例调节阀A、电磁比例调节阀B、MOS驱动电路、真空发生器以及气动软体机器人，所述24V电源的第一输出端连接电磁比例调节阀B的第一输入端、电磁比例调节阀B的输出端连接真空发生器的输入端、真空发生器的输出端连接气动软体机器人的第一输入端，24V电源的第二输出端连接电磁比例调节阀A的第一输入端，MOS驱动电路的两个输出端分别与电磁比例调节阀A的第二输入端以及电磁比例调节阀B的第二输入端相连；220V电源的输出端连接气泵的输入端，气泵的第一输出端连接电磁阀B的第三输入端，气泵的第二输出端连接电磁阀A的第三输入端，电磁阀A的输出端连接气动软体机器人的第二输入端；5V电源的输出端连接单片机的输入端，单片机的输出端连接MOS驱动电路的输入端。
6.一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人方法，用于如权利要求1-5任一项所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统，其特征在于，在准备抓取的阶段，单片机先给出负压信号，输入到电磁比例调压阀B中，软体机器人由于负压作用，向反方向弯曲，即向空腔方向弯曲，扩大了抓取的面积；当正式抓取时，单片机发出正压信号，软体机器人受到正压作用，由反方向弯曲变为正常弯曲抓取，有助于抓取更多的小颗粒物体。
7.根据权利要求6所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人方法，其特征在于，所述电磁比例调压阀A和电磁比例调压阀B用于控制气压输出的大小，将输出的气压输给软体机器人，实现驱动软体机器人运动。
8.根据权利要求6所述的一种实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人方法，其特征在于，将电磁比例调压阀A产生的不同大小的正压输入到真空发生器后，最终输出不同大小的负压。
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| CN202011179406.2A Active CN112318545B (zh) | 2020-10-29 | 2020-10-29 | 实现包覆抓取小颗粒物体的气动软体机器人系统及方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107571490A (zh) * | 2017-08-09 | 2018-01-12 | 苏州聚复高分子材料有限公司 | 一种基于3d打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺 |
| CN107932531A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-04-20 | 重庆大学 | 主动适应可变刚度软体机械抓手 |
| CN109733497A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-05-10 | 西安交通大学 | 一种基于形状记忆合金的爬行软体机器及其驱动方法 |
| CN110125960A (zh) * | 2019-05-28 | 2019-08-16 | 天津大学 | 一种可以实现垂直平面抓取的新型软体机械手 |
| US20190299424A1 (en) * | 2018-03-27 | 2019-10-03 | Soft Robotics Inc. | Field- assembled soft gripping for industrial and collaborative robots |
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-
2020
- 2020-10-29 CN CN202011179406.2A patent/CN112318545B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN107571490A (zh) * | 2017-08-09 | 2018-01-12 | 苏州聚复高分子材料有限公司 | 一种基于3d打印的气动驱动机器人多指灵巧手制造工艺 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112318545B (zh) | 2024-05-10 |
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