CN113370239A - 一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，包括：抓持器、连杆和安装底座；所述抓持器边缘搭接在安装底座的上端端部、中心与连杆的上端固连，所述连杆下端竖直插在安装底座上端设置的通道内，且连杆下端设有凸缘，插销水平插装在安装底座上的任一组预位移档位插槽中，凸缘对连杆向上移动限位，抓持器在目标物体的冲击作用下能够推动连杆向下滑动并完成目标物体的抓持；其中，所述安装底座的下端支撑在水平面上，中下部设有沿通道上下方向排布的两组以上预位移档位插槽。

Description

一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手

技术领域

本发明涉及软抓手技术领域，具体涉及一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手。

背景技术

软抓手属于软体机器人领域，主要由硅胶等软体材料制成，具有灵活、柔顺、安全、人机交互性能好等特点，在抓取柔软对象方面具有优势，软体材料复杂而丰富的力学特性也为软抓手的设计和控制提供了多种可能。但目前的软抓手存在驱动设备复杂、抓取响应慢等不足。

双稳态结构是一种在其运动空间中具有两个静力学平衡状态的结构(打开和闭合状态下都不需要外界能量输入)，它具有两个系统势能极小值点，对应于结构的两个稳定位置，此时无需外部能量输入，结构即可保持稳定状态。当双稳态结构受到外界能量输入，超过某一能量势垒后，可从一个势能极小点跃变到另一势能极小点，发生稳态跳跃现象。当外界输入能量未超过这一能量势垒时，双稳态结构不会发生稳态跳跃，具有结构抗干扰和碰撞吸能能力。双稳态结构的稳态跳跃过程是在外界能量输入下发生的，具有被动触发的特点，且这一跳跃过程非常迅速。由于双稳态结构往往会发生较大变形，特别适合与软体材料相结合，在软体机器人领域特别是软抓手方面具有应用价值，可实现无主动力驱动下的被动抓取，并兼顾运动目标的缓冲功能。由于一般的双稳态结构的触发能量势垒都不能调整，很难同时满足对动能差异较大的不同目标的抓取要求，难以兼顾实现被动抓取和碰撞缓冲这两方面性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，能够兼顾被动触发性能和碰撞缓冲性能，可根据目标物体的质量、运动速度调节软抓手的触发能量势垒，在实现被动抓取的同时提高对运动物体的缓冲能力，避免因碰撞造成损伤，对目标物体起保护作用，同时兼有重量轻、操纵简单等优点。

本发明的技术方案为：一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，包括：抓持器、连杆和安装底座；所述抓持器边缘搭接在安装底座的上端端部、中心与连杆的上端固连，所述连杆下端竖直插在安装底座上端设置的通道内，且连杆下端设有凸缘，插销水平插装在安装底座上的任一组预位移档位插槽中，凸缘对连杆向上移动限位，抓持器在目标物体的冲击作用下能够推动连杆向下滑动并完成目标物体的抓持；其中，所述安装底座的下端支撑在水平面上，中下部设有沿通道上下方向排布的两组以上预位移档位插槽。

优选地，所述插销的一端为叉齿，另一端为手柄，且叉齿端插入预位移档位插槽中。

优选地，所述连杆、安装底座和插销由ABS塑料经熔融沉积成型后3D打印制备而成。

优选地，所述抓持器包括：环部和爪部；所述环部为圆环结构，爪部为两个以上软体材料形成的软条块交叉布置而成的结构，每个软条块的长度大于环部的直径，从而将爪部的端部固定在环部上后，爪部的中心拱起。

优选地，所述抓持器处于闭合状态下，其环部搭接在安装底座上端端部，爪部中心拱起的部分位于安装底座的通道内、且与连杆的上端固定连接；插销位于连杆下端的凸缘之上，插销与连杆的凸缘之间的距离作为抓持器的预位移；其中，插销在多个预位移档位插槽中切换用于调节所述抓持器对被抓物体的触发能量势垒；

所述抓持器由闭合状态向打开状态转换时，爪部中心从向下拱起变为向上拱起，带动环部随之内外翻转，连杆向上移动设定距离后被插销限位，从而储存设定的触发能量势垒。

优选地，所述爪部由两个软条块垂直交叉布置而成。

优选地，所述爪部与环部粘接。

优选地，所述抓持器的环部和爪部由硅胶浇筑制成。

优选地，所述安装底座的上端设计为台阶状的支撑环，所述抓持器的环部搭接在所述支撑环上。

优选地，所述安装底座的上端设计为台阶状的支撑环，所述抓持器的环部搭接在所述支撑环上。

有益效果：

1、本发明的双稳态被动触发软抓手，由打开状态抓取目标物体的过程完全依赖于目标物体向着软抓手运动的动能，在该动能的冲击下，连杆向下运动，从而带动抓持器抓取目标物体，不需额外提供能量，节省能源；且在设定的目标物体尺寸和重量范围内，软抓手捕获目标物体前后均无需外界能量输入即可保持构型稳定；同时，本发明通过对抓持器预位移的动态调节，可改变双稳态软抓手的触发能量势垒，提高对较小运动动能的目标物体的被动抓取成功率，以及对于较大运动动能的目标物体，实现被动抓取的同时可提高对目标物体的缓冲能力，避免因碰撞造成损伤。

2、本发明中插销的具体设置，既能够对连杆向上运动进行适时限位，又能够保证连杆在被目标物体触发后沿安装底座的圆柱形通道向下自由滑动。

3、本发明中抓持器的具体设置，有利于其在目标物体的冲击动能的作用下，由打开状态向闭合状态快速切换，从而快速抓取目标物体。

4、本发明中抓持器的爪部具体设置，既有利于稳定抓取目标物体，又能够保证结构设计的简化。

5、本发明中抓持器选用的软材料成本低廉、化学性质稳定、对人体无毒害作用；制备条件简单，能耗小，成本低，加工方法和设备简单易操作。

6、本发明中安装底座上端支撑环的具体设置，有利于抓持器闭合状态下稳定搭接在安装底座上端，且便于抓持器由闭合状态向打开状态转换，转换到打开状态后，抓持器在安装底座上端支撑环和连杆共同配合下处于稳定状态。

附图说明

图1为本发明提供的一种抓持器处于打开状态下的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手的立体结构示意图。

图2为本发明中抓持器闭合状态的立体结构示意图。

图3为本发明中连杆的立体结构示意图。

图4为本发明中安装底座的立体结构示意图。

图5为本发明中插销的立体结构示意图。

其中，1-抓持器，2-连杆，3-安装底座，4-插销，5-环部，6-爪部。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，能够兼顾被动触发性能和碰撞缓冲性能，可根据目标物体的质量、运动速度调节软抓手的触发能量势垒，在实现被动抓取的同时提高对运动物体的缓冲能力，避免因碰撞造成损伤，对目标物体起保护作用，同时兼有重量轻、操纵简单等优点。

如图1所示，该软抓手包括：抓持器1、连杆2、安装底座3和插销4；如图2所示，所述抓持器1包括：环部5和爪部6；

所述环部5为圆环结构，爪部6为两个以上软体材料形成的软条块交叉(优选两个软条块垂直交叉)布置而成的结构，每个软条块的长度大于环部5的直径，从而将爪部6的端部固定(优选粘接)在环部5上后，爪部6的中心拱起，使整个爪部6能够位于球面或椭球面上；其中，所述爪部6用于保证抓持器1具有双稳态性能，并直接接触被抓物体(即为目标物体)，提供摩擦力；

安装底座3上端设置有圆柱形通道，下端设置在地面或其他实验平台上，中下部沿轴向设有两组以上预位移档位插槽，每组预位移档位插槽由两对对侧设置的通孔或两个对侧设置的通槽组成；

闭合状态下，所述抓持器1的环部5搭接在安装底座3上端端部，爪部6中心拱起的部分位于安装底座3的圆柱形通道内、且与连杆2的上端固定连接，连杆2的下端位于安装底座3的圆柱形通道内、且端部设有凸缘(如图3所示)；插销4水平插装在安装底座3侧面的任一组预位移档位插槽中、且位于连杆2下端的凸缘之上，凸缘对连杆2向上移动限位，插销4下端面与连杆2的凸缘上端面之间的距离作为抓持器1的预位移，抓持器1在目标物体的冲击作用下能够推动连杆2向下滑动并完成目标物体的抓持；其中，连杆2在安装底座3的圆柱形通道内可沿轴向向下移动，插销4在多个预位移档位插槽中切换能够调节该软抓手的抓持器1对被抓物体的触发能量势垒；

抓持器1由闭合状态向打开状态转换时，爪部6中心从向下拱起变为向上拱起，带动环部5随之内外翻转，连杆2向上移动设定距离后被插销4限位，从而储存设定的触发能量势垒，由于插销4的设置，使抓持器1具有双稳态性能(打开和闭合状态下都不需要外界能量输入)，并在抓持器1抓取被抓物体后配合爪部6提供抓持约束力。

本实施例中，如图4所示，所述安装底座3的上端设计为台阶状的支撑环，用于通过连杆2对被抓物体起稳定的固定和支撑作用。

本实施例中，如图5所示，所述插销4的一端为叉齿，另一端为手柄，且叉齿端插入预位移档位插槽中。

本实施例中，所述连杆2、安装底座3和插销4由ABS塑料经熔融沉积成型后3D打印制备而成。

本实施例中，所述抓持器1的环部5和爪部6由硅胶浇筑制成。

抓取运动的目标物体时，首先根据目标物体的动能大小，将插销4插入到设定档位的预位移插槽中，然后手动翻转抓持器1至其在打开状态的构型稳定下来，最后将该软抓手放置在目标物体运动的路线之上，使抓持器1的中心正对目标物体，完成软抓手的预位移设置和抓取准备工作，待目标物体与抓持器1发生碰撞即可触发抓持器1中心向内翻转(此时连杆2向下移动)、发生稳态跳跃从而实现目标物体的被动抓取；

本发明的软抓手能够在设定的目标物体尺寸和重量范围内，在捕获目标物体前后均无需外界能量输入即可保持构型稳定，且抓取过程完全依赖于物体运动的动能，不需额外提供能量；通过对抓持器1预位移的动态调节，可改变该软抓手的触发能量势垒，提高对小动能运动的目标物体的被动抓取成功率；对大动能运动的目标物体，在实现被动抓取的同时可提高缓冲能力，避免因碰撞造成损伤；同时还具有成本低、制备简单等优点。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，包括：抓持器(1)、连杆(2)和安装底座(3)；所述抓持器(1)边缘搭接在安装底座(3)的上端端部、中心与连杆(2)的上端固连，所述连杆(2)下端竖直插在安装底座(3)上端设置的通道内，且连杆(2)下端设有凸缘，插销(4)水平插装在安装底座(3)上的任一组预位移档位插槽中，凸缘对连杆(2)向上移动限位，抓持器(1)在目标物体的冲击作用下能够推动连杆(2)向下滑动并完成目标物体的抓持；其中，所述安装底座(3)的下端支撑在水平面上，中下部设有沿通道上下方向排布的两组以上预位移档位插槽。

2.如权利要求1所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述插销(4)的一端为叉齿，另一端为手柄，且叉齿端插入预位移档位插槽中。

3.如权利要求1所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述连杆(2)、安装底座(3)和插销(4)由ABS塑料经熔融沉积成型后3D打印制备而成。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述抓持器(1)包括：环部(5)和爪部(6)；所述环部(5)为圆环结构，爪部(6)为两个以上软体材料形成的软条块交叉布置而成的结构，每个软条块的长度大于环部(5)的直径，从而将爪部(6)的端部固定在环部(5)上后，爪部(6)的中心拱起。

5.如权利要求4所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述抓持器(1)处于闭合状态下，其环部(5)搭接在安装底座(3)上端端部，爪部(6)中心拱起的部分位于安装底座(3)的通道内、且与连杆(2)的上端固定连接；插销(4)位于连杆(2)下端的凸缘之上，插销(4)与连杆(2)的凸缘之间的距离作为抓持器(1)的预位移；其中，插销(4)在多个预位移档位插槽中切换用于调节所述抓持器(1)对被抓物体的触发能量势垒；

所述抓持器(1)由闭合状态向打开状态转换时，爪部(6)中心从向下拱起变为向上拱起，带动环部(5)随之内外翻转，连杆(2)向上移动设定距离后被插销(4)限位，从而储存设定的触发能量势垒。

6.如权利要求4所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述爪部(6)由两个软条块垂直交叉布置而成。

7.如权利要求4所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述爪部(6)与环部(5)粘接。

8.如权利要求4所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述抓持器(1)的环部(5)和爪部(6)由硅胶浇筑制成。

9.如权利要求4所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述安装底座(3)的上端设计为台阶状的支撑环，所述抓持器(1)的环部(5)搭接在所述支撑环上。

10.如权利要求5-8中任意一项所述的能量势垒可调的双稳态被动触发软抓手，其特征在于，所述安装底座(3)的上端设计为台阶状的支撑环，所述抓持器(1)的环部(5)搭接在所述支撑环上。

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