CN112873179B - 抓持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抓持器，包括机械臂、吸盘以及控制装置；吸盘设于机械臂上，吸盘包括盘体和隔膜，盘体包括底部以及连接于底部的侧壁部，底部和侧壁部围合形成空腔，且侧壁部远离底部的一端形成开口，隔膜设于空腔内，且隔膜的边沿与侧壁部连接，隔膜将空腔分隔为朝向开口的吸附腔以及背向开口的调节腔；控制装置用于控制隔膜朝向或背向开口形变。本发明技术方案可对目标物实现主动吸附和剥离，并能够在跨介质环境中使用。

Description

抓持器

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种抓持器。

背景技术

现有技术中，机器人抓取物体主要采用机械臂实现，其中，机械臂上可以设置有吸盘，以实现对目标物的吸附抓取。

目前，机械臂上使用的吸盘主要是真空吸盘，并采用真空设备与吸盘内部连通，通过真空设备抽取吸盘内部空气形成负压，使物体被吸附在吸盘上。一般来说，真空吸盘主要应用于单一介质如空气环境中，不适用于水下环境，因为真空吸盘在液体中使用时，容易将液体吸入真空设备，导致真空设备破坏，所以无法在液体，特别是具有腐蚀性的海水或强酸强碱等液体环境下使用。在另外的一些情形中，采用硅橡胶等材质的软质吸盘，通过施加外力挤压吸盘盘面，也可将盘面内空气挤出形成负压，对物体进行吸附。但是，硅胶吸盘同样只适用于空气环境中，而且还存在吸附力小、抓持不牢固等缺点。

因此，上述问题亟待解决。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种抓持器，旨在对目标物实现主动吸附和剥离，并能够在跨介质环境中使用。

为实现上述目的，本发明提出的抓持器，包括机械臂、吸盘以及控制装置；吸盘设于机械臂上，吸盘包括盘体和隔膜，盘体包括底部以及连接于底部的侧壁部，底部和侧壁部围合形成空腔，且侧壁部远离底部的一端形成开口，隔膜设于空腔内，且隔膜的边沿与侧壁部连接，隔膜将空腔分隔为朝向开口的吸附腔以及背向开口的调节腔；控制装置用于控制隔膜朝向或背向开口形变。

可选地，控制装置包括负压设备和管道，管道设于机械臂内，且管道连通负压设备和调节腔；或者，控制装置包括记忆金属，记忆金属连接于底部和隔膜之间，记忆金属用于通电以形变；或者，控制装置包括电磁铁和磁吸件，电磁铁设于底部上，磁吸件设于隔膜朝向底部的表面。

可选地，吸盘的数量为多个，管道的数量与吸盘相同，每一吸盘的调节腔均通过一个管道与负压设备连通。

可选地，吸盘的数量为多个，且多个吸盘沿机械臂的延伸方向至少分布有两排；其中，至少两排吸盘沿垂直于机械臂的延伸方向一一正对；或者，至少两排吸盘沿垂直于机械臂的延伸方向相互错位。

可选地，所示侧壁部远离底部的一端背向开口的中心延伸形成接触部，接触部背向底部的表面设有压力传感器。

可选地，压力传感器的数量为复数个，复数个压力传感器关于开口的中心对称布设；和/或，压力传感器的数量为多个，多个压力传感器沿接触部的周向均匀间隔分布。

可选地，侧壁部的厚度介于3-6㎜之间，接触部的厚度与侧壁部的厚度相同；和/或，底部至隔膜与侧壁部的连接处的高度为h1，隔膜的中心至隔膜与侧壁部的连接处的高度为h2，接触部的边沿至隔膜与侧壁部的连接处的高度为h3，h1≥h2，且h2≤h3；和/或，盘体的材料硬度介于25A-60A之间。

可选地，机械臂为软体臂。

可选地，抓持器还包括驱动装置，软体臂内设有驱动腔，且驱动腔沿软体臂的延伸方向延伸，驱动装置与驱动腔连通，驱动装置用于朝驱动腔内充入气体或液体，以驱使软体臂弯曲。

可选地，驱动腔的数量至少有两个，且驱动装置朝不同的驱动腔内充入气体或液体时，软体臂朝不同的方向弯曲。

本发明的技术方案中，在机械臂上设置吸盘，并通过隔膜将吸盘盘体内部的空腔分隔为朝向开口的吸附腔以及背向开口的调节腔，当控制装置控制隔膜背向吸盘盘体的开口形变时，调节腔空间减小，吸附腔空间对应增大，吸附腔内可形成负压状态，从而将目标物吸附；当控制装置控制隔膜朝向吸盘盘体的开口形变，调节腔空增大，吸附腔空间对应减小，吸附腔内可恢复成零压力或正压状态，从而使目标物剥离，也即，通过控制装置控制隔膜形变，可实现吸附腔内压力状态的调整，从而对目标物进行吸附或剥离；同时，由于调节腔通过隔膜与吸附腔隔离，也即调节腔与外界环境不连通，所以驱动介质不受目标物所处的环境介质的影响，不会破坏控制装置本身的结构，使得本发明的抓持器不仅可以在单一的空气环境中使用，也可以在单一的液体环境甚至跨于不同的环境介质中使用，对控制装置友好，能减少控制装置的故障率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明抓持器一实施例的结构示意图；

图2为图1抓持器的俯视图；

图3为图2中A-A处的剖视结构示意图；

图4为图1抓持器的机械臂上吸盘一种分布形式的结构示意图；

图5为图1抓持器的机械臂上吸盘另一种分布形式的结构示意图；

图6为图1抓持器的吸盘的正视图；

图7为图1抓持器的吸盘处于负压状态下的结构示意图；

图8为图1抓持器的吸盘处于正压状态下的结构示意图；

图9为图1抓持器的吸盘的结构示意图；

图10为图1抓持器的吸盘的俯视图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种抓持器100。

在本发明实施例中，如图1所示，该抓持器100，包括机械臂10、吸盘20以及控制装置；吸盘20设于机械臂10上，如图6至8所示，吸盘20包括盘体21和隔膜22，盘体21包括底部211以及连接于底部211的侧壁部212，底部211和侧壁部212围合形成空腔，且侧壁部212远离底部211的一端形成开口216，隔膜22设于空腔内，且隔膜22的边沿与侧壁部212连接，隔膜22将空腔分隔为朝向开口216的吸附腔215以及背向开口216的调节腔214；控制装置用于控制隔膜22朝向或背向开口216形变。

需要说明的是，本发明实施例中，机械臂10可以为刚性机械臂，也可以为软体臂，本发明对此不作限定，可以根据实际需要进行设置。

具体地，机械臂10在吸取目标物时，首先将机械臂10移动至目标物处，并使吸盘20的开口216贴合到目标物表面，然后，通过控制装置控制隔膜22背向吸盘20盘体21的开口216(即朝向盘体21的底部211)形变，使隔膜22朝吸盘20盘体21的内侧凹陷(如图7所示)，此时，调节腔214空间减小，吸附腔215空间对应增大，当吸附腔215空间内的压力减小至小于环境压力，吸附腔215和环境之间产生压力差，从而将目标物吸附在吸盘20上；反之，通过控制装置控制隔膜22朝向吸盘20盘体21的开口216形变，使隔膜22朝吸盘20盘体21的外侧凸起(如图8所示)，此时，调节腔214空增大，吸附腔215空间对应减小，当吸附腔215空间内的压力增大至等于或大于环境压力时，吸附腔215和环境之间的压力差减小或消除，从而将目标物从吸盘20上剥离。

其中，控制装置可以通过控制朝调节腔214内充入或抽取驱动介质来驱动隔膜22形变，由于调节腔214通过隔膜22与吸附腔215隔离，也即调节腔214与外界环境不连通，所以驱动介质不受目标物所处的环境介质的影响，不会破坏控制装置本身的结构，使得本发明的抓持器100不仅可以在单一的空气环境中使用，也可以在单一的液体环境甚至跨于不同的环境介质中使用，比如，机械臂10从空气环境伸入到液体环境中，并通过吸盘20吸取处于液体环境中的目标物，即使是具有腐蚀性的海水或强酸强碱等液体环境，本发明的抓持器100同样可以适用。本发明的抓持器100对控制装置友好，能减少控制装置的故障率。

在本发明的一实施例中，请参阅图2至3，控制装置包括负压设备和管道11，管道11设于机械臂10内，且管道11连通负压设备和调节腔214。

本实施例中，负压设备可以通过管道11朝调节腔214内充入或抽取驱动介质来驱动隔膜22形变。其中，负压设备可以为真空泵，则驱动介质对应为空气；负压设备也可以为液压泵，则驱动介质对应液体(水或油等)。

具体地，当需要吸附目标物时，移动机械臂10使吸盘20与目标物有效接触，启动负压设备，并通过管道11将调节腔214内的驱动介质(气体或液体)抽出，使隔膜22朝吸盘20盘体21的内侧凹陷，此时，吸附腔215内形成负压状态，从而将目标物吸附在吸盘20上；当需要目标物与吸盘20脱离时，同样启动负压设备，并通过管道11朝调节腔214内充入驱动介质(气体或液体)，使隔膜22朝吸盘20盘体21的外侧凸起，此时，吸附腔215内恢复成零压力或正压状态，从而将目标物从吸盘20上剥离。可以理解的是，控制装置还可包括控制器，以对负压设备的启停进行控制。而且，当吸盘20与目标物吸附后，负压设备即可停止工作，保压即可，能够实现间歇性工作，最大限度地节约能源，提高抓持器100的续航能力，并减少噪音污染。

在本发明的另一实施例中，控制装置包括记忆金属，记忆金属连接于底部211和隔膜22之间，记忆金属用于通电以形变。

记忆金属是指能够在一定温度范围下发生塑性形变后，在另一温度范围又能恢复原来宏观形状的特殊金属材料。本实施例中，记忆金属具体可以采用形状记忆合金，所谓形状记忆合金，即通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应的由两种以上金属元素所构成的材料，形状记忆合金是目前形状记忆材料中形状记忆性能最好的材料。形状记忆合金的两端分别连接吸盘20盘体21的底部211和隔膜22，通过电流的通断使形状记忆合金发热升温，可控制形状记忆合金的伸长和缩短状态，从而实现隔膜22的凸起和凹陷状态切换，进而控制吸盘20与目标物的分离或吸附。

在本发明的又一实施例中，控制装置包括电磁铁和磁吸件，电磁铁设于底部211上，磁吸件设于隔膜22朝向底部211的表面。

本实施例中，磁吸件为铁片，铁片贴覆于隔膜22朝向电磁体的表面，当电磁铁通电后产生电磁吸力，将铁片吸引，铁片带动隔膜22朝吸盘20盘体21的底部211方向形变，使隔膜22朝吸盘20盘体21的内侧凹陷，此时，吸附腔215内可形成负压状态，从而将目标物吸附在吸盘20上；当电磁铁断电后，电磁铁的磁性消失，无法吸引铁片，在隔膜22自身弹性的作用下，使隔膜22朝吸盘20盘体21的外侧凸起，此时，吸附腔215内恢复成零压力或正压状态，从而将目标物从吸盘20上剥离。通过铁磁体的通电与否，以此来控制吸盘20与目标物的吸附和分离。

作为一种实施方式，请参阅图1至3，吸盘20的数量为多个，管道11的数量与吸盘20相同，每一吸盘20的调节腔214均通过一个管道11与负压设备连通。

本实施例中，通过控制负压设备工作，可以对每个吸盘20单独进行控制，以便根据机械臂10与目标物的距离和角度，灵活控制各个吸盘20的吸附，从而实现控制与目标物接触的吸盘20吸附，以对目标物进行稳定抓取，同时控制未与目标物接触的吸盘20不吸附，避免吸盘20空抓，以节约负压设备的能耗。

进一步地，请参阅图4至5，吸盘20的数量为多个，且多个吸盘20沿机械臂10的延伸方向至少分布有两排；其中，至少两排吸盘20沿垂直于机械臂10的延伸方向一一正对；或者，至少两排吸盘20沿垂直于机械臂10的延伸方向相互错位。

本实施例中，多个吸盘20可以单排或多排地在机械臂10上呈矩阵形式分布，以覆盖机械臂10的表面。通过设置相邻两排吸盘20沿垂直于机械臂10的延伸方向一一正对或相互错位，可以使吸盘20的分布形状与目标物的接触面的形状相适配，从而实现对目标物更牢固稳定的吸附。

在本发明的一实施例中，请参阅图9至10，所示侧壁部212远离底部211的一端背向开口216的中心延伸形成接触部213，接触部213背向底部211的表面设有压力传感器30。

在弱光特别是水下环境中，如果无法判断吸盘20与目标物的接触状态，控制装置需要从一开始便持续工作，以负压设备为例，需要从机械臂10伸入水中开始，便持续往外抽取负压，导致能量损耗大，噪音持续时间长。

本实施例的抓持器100在使用时，当吸盘20与目标物有效接触时，布置在吸盘20接触部213上的多个压力传感器30均能感知到压力增大，此时，启动负压设备，将吸盘20调节腔214内的气体或液体抽出，使吸附腔215内形成负压状态，可对目标物进行吸附，当吸盘20与目标物紧紧吸附时，压力传感器30感知压力进一步增大，可以判断已经吸附住物体，负压设备即可停止工作，保压即可；在吸盘20与目标物的分离过程中，压力传感器30能够感知到压力减小，当压力减小到一定值后，可以判断充分剥离，驱动设备即可停止工作。总之，压力传感器30将压力信号反馈至控制装置，进而能够主动控制吸盘20的吸附和分离过程。

因此，本实施例技术方案中，通过在吸盘20与目标物接触的接触部213的表面上设置若干数量的压力传感器30，能够保证在弱光环境下实时感知吸盘20是否与目标物有效接触，当感知到接触状态良好时，负压设备再开始运行，工作一定时间后即可暂停，进入保压状态，能够实现间歇性工作，最大限度地节约能源，提高抓持器100的续航能力，并减少噪音污染。

进一步地，请参阅图9至10，压力传感器30的数量为复数个，复数个压力传感器30关于开口216的中心对称布设；多个压力传感器30沿接触部213的周向均匀间隔分布。

压力传感器30，是指能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。本实施例中，通过复数个压力传感器30在吸盘20接触部213上两两相对设置，在吸盘20与目标物接触时，可以通过处于开口216边沿上相反位置的复数个压力传感器30的压力大小来判断吸盘20与目标物接触的角度，以便调整机械臂10的与目标物的相对位置和角度，使吸盘20接触部213与目标物的接触面平行，保证机械臂10上的吸盘20能够牢固稳定地吸附目标物。其中，通过多个压力传感器30沿接触部213均匀分布，可以更准确充分地判断吸盘20与目标物接触的角度。

为了保证吸盘20与目标物之前良好的吸附效果，研究人员对吸盘20的几个参数进行试验研究。请结合图7至8，请参考表1，研究人员测试了不同盘体21壁厚下，吸盘20在空气中的最大吸附力；请参考表2，研究人员测试了不同隔膜22的分离高度下，吸盘20在空气中的最大吸附力；请参考表3，研究人员测试了不同硬度的硅胶材料制成的吸盘20在空气中的最大吸附力。综合试验结果可以发现，吸盘20制作时应控制以下几个参数：具体地，侧壁部212的厚度和接触部213的厚度均为d，d介于3-6㎜之间；具体地，底部211至隔膜22与侧壁部212的连接处的高度为h1，隔膜22的中心至隔膜22与侧壁部212的连接处的高度为h2，接触部213的边沿至隔膜22与侧壁部212的连接处的高度为h3，h1≥h2，且h2≤h3；具体地，盘体21的材料硬度介于25A-60A之间。

序号	盘体壁厚d/mm	最大吸附力/N
			1	1.0	15.003
2	2.0	31.711
			3	3.0	50.377
4	4.0	68.522
			5	5.0	87.625
6	6.0	98.442
			7	7.0	99.223
8	8.0	102.627

表1：不同盘体壁厚的吸盘的最大吸附力

序号	h1/h2	最大吸附力/N
			1	0	44.016
2	1/4	46.728
			3	1/2	48.652
4	3/4	50.231
			5	1	52.483
6	5/4	52.605

表2：不同隔膜分离高度的吸盘的最大吸附力

序号	邵氏硬度	最大吸附力/N
			1	10A	4.428
2	25A	8.849
			3	30A	9.147
4	37A	10.759
			5	60A	21.355

表3：不同硬度的吸盘的最大吸附力

在本发明的一实施例中，机械臂10为软体臂。

刚性的机械臂10结构笨重，操作不够灵活，当抓取一些柔软或易碎物体时容易使物体受损。本实施例中，将机械臂10做成软体臂，配合软体臂上的吸盘20，适于对柔软以及易碎物品进行抓取，同时，通过控制装置的控制，软体臂上的吸盘20可以提供足够大的吸附力，使得机械臂10的吸取物品的力较大，因而易于将软体臂做成大尺度产品，并应用到工程领域中。

进一步地，抓持器100还包括驱动装置，软体臂内设有驱动腔12，且驱动腔12沿软体臂的延伸方向延伸(如图3所示)，驱动装置与驱动腔12连通，驱动装置用于朝驱动腔12内充入气体或液体，以驱使软体臂弯曲。

本实施例中，驱动腔12与驱动装置相连，当软体臂需要抓取物体时，驱动装置通过往驱动腔12内充入气体或者液体等介质，使软体臂弯曲产生缠绕力，从而抓紧目标物。之后吸盘20驱动装置驱动吸盘20吸附住目标物，使整个软体臂紧紧抓持住目标物体。可以理解的是，软体臂和吸盘20既可以同时配合使用，也可以分别单独使用：对于曲率较大或平板类物体，可以单独使用吸盘20进行吸附抓取；对于表面凹凸不平或者绒毛类等无法吸附的物体，可以单独使用软体臂进行卷绕抓取。因此，软体臂配合吸盘20能够提高软体臂的抓取成功率。

进一步地，驱动腔12的数量至少有两个，且驱动装置朝不同的驱动腔12内充入气体或液体时，软体臂朝不同的方向弯曲。

本实施例中，软体臂可朝几个不同的预设方向弯曲，使得软体臂能够在空间位置中对不同方向上的目标物进行缠绕抓取，提高了软体臂抓取目标物的灵活性，更好地满足多种情境下不同的抓取需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种抓持器，其特征在于，包括：

机械臂；

吸盘，所述吸盘设于所述机械臂上，所述吸盘包括：

盘体，所述盘体包括底部以及连接于所述底部的侧壁部，所述底部和所述侧壁部围合形成空腔，且所述侧壁部远离所述底部的一端形成开口；

隔膜，所述隔膜设于所述空腔内，且所述隔膜的边沿与所述侧壁部连接，所述隔膜将所述空腔分隔为朝向所述开口的吸附腔以及背向所述开口的调节腔，所述调节腔通过所述隔膜与所述吸附腔隔离，所述侧壁部的厚度介于3-6㎜之间，所述侧壁部远离所述底部的一端背向所述开口的中心延伸形成接触部，所述接触部的厚度与所述侧壁部的厚度相同，所述底部至所述隔膜与所述侧壁部的连接处的高度为h1，所述隔膜的中心至所述隔膜与所述侧壁部的连接处的高度为h2，所述接触部的边沿至所述隔膜与所述侧壁部的连接处的高度为h3，h1≥h2，且h2≤h3，所述盘体的材料硬度介于25A-60A之间；

控制装置，所述控制装置用于控制所述隔膜朝向或背向所述开口形变，所述控制装置包括记忆金属，所述记忆金属连接于所述底部和所述隔膜之间，所述记忆金属用于通电以形变；或者，所述控制装置包括电磁铁和磁吸件，所述电磁铁设于所述底部上，所述磁吸件设于所述隔膜朝向所述底部的表面。

2.如权利要求1所述的抓持器，其特征在于，所述控制装置包括负压设备和管道，所述管道设于所述机械臂内，且所述管道连通所述负压设备和所述调节腔。

3.如权利要求2所述的抓持器，其特征在于，所述吸盘的数量为多个，所述管道的数量与所述吸盘相同，每一所述吸盘的调节腔均通过一个所述管道与所述负压设备连通。

4.如权利要求1所述的抓持器，其特征在于，所述吸盘的数量为多个，且多个所述吸盘沿所述机械臂的延伸方向至少分布有两排；

其中，至少两排所述吸盘沿垂直于所述机械臂的延伸方向一一正对；

和/或，至少两排所述吸盘沿垂直于所述机械臂的延伸方向相互错位。

5.如权利要求1所述的抓持器，其特征在于，所述接触部背向所述底部的表面设有压力传感器。

6.如权利要求5所述的抓持器，其特征在于，所述压力传感器的数量为复数个，复数个所述压力传感器关于所述开口的中心对称布设；

和/或，所述压力传感器的数量为多个，多个所述压力传感器沿所述接触部的周向均匀间隔分布。

7.如权利要求1所述的抓持器，其特征在于，所述盘体的材料硬度介于25A-60A之间。

8.如权利要求1至7中任一项所述的抓持器，其特征在于，所述机械臂为软体臂。

9.如权利要求8所述的抓持器，其特征在于，所述抓持器还包括驱动装置，所述软体臂内设有驱动腔，且所述驱动腔沿所述软体臂的延伸方向延伸，所述驱动装置与所述驱动腔连通，所述驱动装置用于朝所述驱动腔内充入气体或液体，以驱使所述软体臂弯曲。

10.如权利要求9所述的抓持器，其特征在于，所述驱动腔的数量至少有两个，且所述驱动装置朝不同的所述驱动腔内充入气体或液体时，所述软体臂朝不同的方向弯曲。

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