CN113733134B - 一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪 - Google Patents

Abstract

一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪，包括弹性膜囊，所述弹性膜囊内充有固体颗粒与液体的混合液，夹取物体时将所述弹性膜囊内的液体抽出，使所述固体颗粒阻塞聚团，所述弹性膜囊根据所述物体的表面形状自适应地改变形状，并通过所述固体颗粒的阻塞聚团作用夹紧所述物体。该柔性夹爪适合对形状与表面特性较复杂的物品的抓取，并适合应用于水下对于材质较软、表面较滑的生物样本的抓取。

Description

一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪

技术领域

本发明涉及机器人的抓取技术，特别是涉及一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪。

背景技术

随着城市河流环境治理的发展、海洋资源的开发，水下机器人技术成为机器人技术的重点研究方向，其中水下抓取作为水下机器人的关键技术，并以其较高的实施难度，成为研究难点。

传统机器人的抓取，一种是应用于生产环境中，采用特定的夹具抓取大小、形状、重量等较为统一的物品，通过理论计算、实际测验等方法实现抓取力、抓取姿态与抓取精度之间的平衡，不需要控制闭环或仅需要较简单的控制闭环；一种是应用于复杂场景下对大小、形状、重量等不统一的物品进行抓取，需要机器视觉、力传感或机器触觉等与夹具的驱动形成控制闭环，成本高技术复杂，实施难度高。

水下抓取通常面向大小、形状、重量等无法精确确定的物品，且物品通常表面较滑，材质软硬变化范围较大，比空气中的物品具有更复杂的表面特性，不利于抓取。水下的水压、水流运动、导电性等特性不利于精密传感器与驱动器的应用，难以形成复杂的抓取控制闭环。水下抓取一类较多的应用为水下生物样本(鱼类、软体生物类)的抓取，该类物体材质较软且通常表面较滑，难以通过以摩擦力为主要抓取力的常用抓取手段进行抓取。目前水下抓取一种是传统机器人抓取在水下的应用，面临上述技术问题且效果不理想，一种是用网捕捞、吸水等水下特定的技术方案，难以实现精确抓取。

一种气动颗粒阻塞夹爪的原理为，在软囊内有大量小颗粒，并填充至半满，当软囊压紧于物体时，软囊包裹物体，抽取软囊内空气，颗粒受气压压紧为紧密状态，可夹取物体。其缺陷是使用时只能上下方向夹取物体，否则软囊内颗粒分布不均，且该方案无法夹取相对软囊尺寸较大的物体。另外，该方案软囊内有大量气体，难以在水下使用。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪，适用于复杂物体的水下抓取。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪，包括弹性膜囊，所述弹性膜囊内充有固体颗粒与液体的混合液，夹取物体时将所述弹性膜囊内的液体抽出，使所述固体颗粒阻塞聚团，所述弹性膜囊根据所述物体的表面形状自适应地改变形状，并通过所述固体颗粒的阻塞聚团作用夹紧所述物体。

进一步地：

所述固体颗粒与液体混合成密度与水相近的悬浮液，密度为0.9-1.1g/cm³，优选为1.03g/cm³。

所述固体颗粒为聚十二内酰胺材料，所述液体为NaCl溶液或糖水溶液；优选地，所述NaCl溶液按重量份含0.9份NaCl与100份水；优选地，所述固液混合液由50到80份所述固体颗粒与100份的所述NaCl溶液混合而成。

所述弹性膜囊为单个或多个囊膜。

包括单个弹性膜囊、底座、管道和过滤网，所述底座上具有通孔，所述弹性膜囊设置在所述底座上并通过所述通孔与所述管道连通，所述管道连接水泵，所述弹性膜囊的入口设置有过滤网，用于在抽取所述液体时过滤所述固体颗粒；优选地，所述弹性膜囊为半球形；在抓取物体时使所述弹性膜囊压紧物体，并通过所述管道将所述弹性膜囊中的液体抽出，所述弹性膜囊内的固体颗粒聚集夹紧所述物体。

包括多个弹性膜囊，每个弹性膜囊构成一个夹爪手指，所述弹性膜囊包括注液囊和抽液囊，所述注液囊位于所述抽液囊的与夹取方向相反的一侧，所述注液囊连接注液管，用于注入液体，所述抽液囊中充有所述固体颗粒与液体的混合液，所述抽液囊连接抽液管，并具有用于在抽液时过滤颗粒的过滤结构，当需要夹紧物体时，通过所述注液管向所述注液囊内注入液体，所述注液囊膨胀，通过所述抽液管将所述抽液囊中的液体抽出，所述抽液囊收缩，所述夹爪手指向被夹物体方向弯曲，所述注液囊向所述抽液囊施加压力，使得接触物体表面的所述抽液囊变形为物体表面的形状，夹紧物体。

所述抽液管贯穿至所述抽液囊内，所述抽液管的管壁为可过滤颗粒的多孔结构，优选地，所述抽液管为径向刚性，不会在抽取液体时被压缩。

还包括夹爪手掌，所述夹爪手掌构成为固定所述夹爪手指的根部、以及所述注液管和所述抽液管的支架。

所述注液囊与所述抽液囊中的液体为不同的液体或同一种液体。

夹取时，所述注液囊先注入液体，之后所述抽液囊再抽取液体，或者两者同时进行。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种基于固液混合物颗粒阻塞的柔性夹爪，采用固体颗粒与液体混合液，通过改变液体含量使夹爪刚度变化来达到柔性夹取的目的，适合对形状与表面特性较复杂的物品的抓取，并适合应用于水下对于材质较软、表面较滑的生物样本的抓取。本发明的柔性夹爪可以做到成本低廉，并因其自适应变形的能力，不仅可用于水下，也可用于空气中的物体抓取。所述弹性膜囊的柔性可变性能力，不仅能够自适应改变自身形状而符合被夹物体，还能够自适应分配夹持力，从而能达到具有传感器和驱动器的复杂闭环控制机械夹爪同样的效果。

由于本发明的柔性夹爪可以自适应根据夹取物体的表面形状改变夹具的形状，因此无需复杂的传感器与驱动器形成控制闭环，特别适用于水下抓取复杂物体。在优选的方案中，所述弹性膜囊包括注液囊和抽液囊，形成由液体驱动柔性夹爪，这种设计特别适合在有水环境中使用，对大小、形状、表面特性复杂的物体进行抓取。

由于本发明不依赖摩擦力作为主要的夹持力，故特别适合对于具有滑动表面的物体的夹持。在上述优选的方案中，柔性夹爪的驱动力为液压，夹持力大但对所夹物体不易产生破坏力；驱动部件为水泵，不必与夹爪本身固定在一起，夹爪本身可以完全无源，适合完全浸没于水下、泥沼或污染环境中使用。

附图说明

图1为本发明实施例基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪的固液混合物的原理示意图。

图2a和图2b为本发明实施例基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪的抽取液体过程的原理示意图。

图3a和图3b为本发明一种实施例基于固液混合物颗粒阻塞的单囊膜夹爪结构示意图。

图4a和图4b为本发明另一种实施例基于固液混合物颗粒阻塞的多弹性膜囊夹爪结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图4b，本发明实施例提供一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪，包括弹性膜囊1，所述弹性膜囊1内充有固体颗粒201与液体202的混合液，夹取物体3时将所述弹性膜囊1内的液体202抽出，使所述固体颗粒201阻塞聚团，所述弹性膜囊1根据所述物体的表面形状自适应地改变形状，并通过所述固体颗粒201的阻塞聚团作用夹紧所述物体3。如图2b所示，固体颗粒201的阻塞聚团后在物体3的表面上自适应地改变形状，形成适于夹紧物体表面的形状4。

在不同的实施例中，所述弹性膜囊1可以为单个或多个囊膜。

本发明的变刚度柔性夹爪，利用固液混合物的自适应变形进行物体的夹取。本发明中，颗粒的阻塞，是指大量颗粒在受外力作用紧密排列下形成较大区域颗粒团，在颗粒团中的颗粒彼此受力平衡，受到一定外力时能保持彼此位置相对不变。颗粒在松散状态下变换到紧密排列状态下宏观呈现类似液态到固态的相变过程。如图1所示，固体颗粒与液体混合，固体颗粒呈较松散状态，固体颗粒与液体的密度一致，这样在一定空间内混合物表现出液体的流动性，可根据接触物变化形状。图1中物体3表示为一栅格形状，用以代表较为复杂的接触物表面。图2a至图2b示出了基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪的抽取液体过程。

在优选的实施例中，所述固体颗粒与所述液体混合成密度与水相近的悬浮液。其密度为0.9-1.1g/cm³。

参阅图3a至图3b，在一个优选的实施例中，所述变刚度柔性夹爪包括单个弹性膜囊1、底座5、管道6和过滤网7，所述底座5上具有通孔，所述弹性膜囊1设置在所述底座5上并通过所述通孔与所述管道6连通，所述管道6连接水泵(未图示)，所述弹性膜囊1的入口设置有过滤网7，用于在抽取所述液体时过滤所述固体颗粒；优选地，所述弹性膜囊1为半球形；在抓取物体时使所述弹性膜囊1压紧物体3，并通过所述管道6将所述弹性膜囊1中的液体抽出，所述弹性膜囊1内的固体颗粒聚集夹紧所述物体3。

参阅图4a至图4b，在另一优选的实施例中，所述变刚度柔性夹爪包括多个弹性膜囊1，每个弹性膜囊1构成一个夹爪手指，所述弹性膜囊1包括注液囊101和抽液囊102，所述注液囊101位于所述抽液囊102的与夹取方向相反的一侧，所述注液囊101连接注液管103，用于注入液体，所述抽液囊102中充有所述固体颗粒与液体的混合液，所述抽液囊102连接抽液管104，并具有用于在抽液时过滤颗粒的过滤结构，当需要夹紧物体时，通过所述注液管103向所述注液囊101内注入液体，使所述注液囊101膨胀，通过所述抽液管104将所述抽液囊102中的液体抽出，使所述抽液囊102收缩，所述夹爪手指向被夹物体方向弯曲，所述注液囊101向所述抽液囊102施加压力，使得接触物体表面的所述抽液囊102变形为物体表面的形状，夹紧物体。

参阅图4a至图4b，在更优选的实施例中，所述抽液管104贯穿至所述抽液囊102内，所述抽液管104的管壁为可过滤颗粒的多孔结构，所述抽液管104为径向刚性，不会在抽取液体时被压缩。

参阅图4a至图4b，在更优选的实施例中，所述变刚度柔性夹爪还包括夹爪手掌8，所述夹爪手掌8构成为固定所述夹爪手指的根部、以及所述注液管103和所述抽液管104的支架。

在不同的实施例中，所述注液囊101与所述抽液囊102中的液体为不同的液体或同一种液体。

夹取时，可以所述注液囊101先注入液体，之后所述抽液囊102再抽取液体，也可以两者同时进行。

以下进一步描述本发明的具体实施例。

颗粒液体混合液

如下实施例提供适用于液体驱动颗粒阻塞原理夹取物体的固液混合物。

在一些实施例中，颗粒混合液的固体颗粒密度与液体密度一致，同时与水密度相近，这种混合液可以将固体颗粒悬浮于液体中，达到很好的流动性，同时由于其密度与水相近，在水中表现出很好的柔性，能够在夹取物体时更好地改变形状适应物体表面结构。

一个优选的实施例中，颗粒采用尼龙12(PA12，聚十二内酰胺)，该材料适合本发明的优点是密度为不大于1.03g/cm³，为常用工程塑料中密度与水最接近的材料，同时其也是常用工程塑料中吸水率最低的材料(0.25％)，非常适合作为固液混合液的颗粒。液体采用盐(NaCl)溶液，具体配方为按重量0.9份盐，与100份水混合，其密度为1.03g/cm³。将50到80份固体颗粒与100份盐溶液混合成为固液混合液。

固体颗粒也可采用其它材料。

液体也可采用其它溶液，例如糖水溶液(可以配合更高密度的固体颗粒)，与尼龙12形成固液混合液时可采用8份蔗糖混合100份水。

实际配制时，可通过理论计算溶液浓度，也可以将颗粒放入饱和溶液中，缓慢加水搅拌直至颗粒悬浮，或将颗粒放入水中，缓慢加溶剂使其完全溶解，直至颗粒悬浮。

上述配方均可在室温(20°左右)有效。

固体与液体的配比也可根据实际应用场景变化，上述给出的配比综合了流动性和液体抽走后固体颗粒团较小体积的变化。

柔性夹爪设计

图3a和图3b为一种实施例基于固液混合物颗粒阻塞的单囊膜夹爪结构示意图。该夹爪是固液混合液放置于单个弹性膜囊中，抓取时压紧被抓物，当膜囊覆盖被抓物时抽取液体，固体颗粒聚集夹紧被夹物。其中过滤网7作用是吸液体时过滤颗粒，底座5可连接其它机械臂或工件，管道6连接吸水泵，弹性膜囊1不必须为球形。

图4a和图4b为另一种实施例基于固液混合物颗粒阻塞的多弹性膜囊夹爪结构示意图。该夹爪是固液混合液放置于多个弹性膜囊中。夹爪由多个弹性膜囊1的手指组成，每个弹性膜囊1由注液囊101和抽液囊102组成，其中注液囊101位于抽液囊102的外侧(夹取方向的反方向)，注液囊101中为纯液体，抽液囊102中为液体与固体颗粒混合液，抽液囊102中有抽液管104贯穿抽液囊102，抽液管104管壁为多孔结构，可过滤颗粒，抽液管104管臂为径向刚性，不会在抽取液体时被压缩。当需要夹紧物体时，注液管103向液水囊内注液体，注液囊101膨胀，抽液管104将抽液囊102中液体抽出，抽液囊102收缩，夹爪手指向被夹物体方向弯曲。当接触被夹物体时，注液囊101向抽液囊102施加压力，抽液囊102接触物体表面变形为物体表面形状，夹紧物体。夹爪手掌8作为固定夹爪手指根部、液体流动管道的支架。

图4a和图4b示出两根手指的手爪的截面，但手爪不限制为两根手指。此外，图中的颗粒仅为展示聚团效果，不表示颗粒的数量发生了变化。

夹取时，注液囊101先注液体，之后抽液囊102再抽取液体，也可同时进行。

本发明实施例的柔性夹爪，尤其是液体驱动的柔性夹爪，特别适合在水下环境中使用对大小、形状、表面特性复杂的物体进行抓取。本发明柔性夹爪的柔性可变性能力，能够自适应改变自身形状符合被夹物体，并自适应分配夹持力，达到具有传感器和驱动器的复杂闭环控制机械夹爪同样的效果。本发明的柔性夹爪可用低成本的材料，制作简单。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (13)

1.一种基于固液混合物颗粒阻塞的变刚度柔性夹爪，其特征在于，包括弹性膜囊，所述弹性膜囊为抽液囊，所述抽液囊用于与水泵配合，所述抽液囊内充满固体颗粒与液体的混合液，夹取物体时由水泵将所述抽液囊内的液体抽出以使所述固体颗粒阻塞聚团，所述抽液囊根据所述物体的表面形状自适应地改变形状，并通过所述固体颗粒的阻塞聚团作用夹紧所述物体；所述固体颗粒与液体混合成密度与水相近的悬浮液，密度为0.9-1.1g/cm³，适用于水下抓取复杂物体。

2.如权利要求1所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述密度为1.03g/cm³。

3.如权利要求1所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述固体颗粒为聚十二内酰胺材料，所述液体为NaCl溶液或糖水溶液。

4.如权利要求3所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述NaCl溶液按重量份含0.9份NaCl与100份水，所述混合液由50到80份所述固体颗粒与100份的所述NaCl溶液混合而成。

5.如权利要求1至4任一项所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述抽液囊为单个或多个囊膜。

6.如权利要求1至4任一项所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，包括单个抽液囊、底座、管道和过滤网，所述底座上具有通孔，所述抽液囊设置在所述底座上并通过所述通孔与所述管道连通，所述管道连接水泵，所述抽液囊的入口设置有过滤网，用于在抽取所述液体时过滤所述固体颗粒；在抓取物体时使所述抽液囊压紧物体，并通过所述管道将所述抽液囊中的液体抽出，所述抽液囊内的固体颗粒聚集夹紧所述物体。

7.如权利要求6任一项所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述抽液囊为半球形。

8.如权利要求1至4任一项所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，包括多个所述抽液囊和多个注液囊，一对所述抽液囊和所述注液囊构成一个夹爪手指，所述注液囊位于所述抽液囊的与夹取方向相反的一侧，所述注液囊连接注液管，用于注入液体，所述抽液囊中充有所述固体颗粒与液体的混合液，所述抽液囊连接抽液管，并具有用于在抽液时过滤颗粒的过滤结构，当需要夹紧物体时，通过所述注液管向所述注液囊内注入液体，所述注液囊膨胀，通过所述抽液管将所述抽液囊中的液体抽出，所述抽液囊收缩，所述夹爪手指向被夹物体方向弯曲，所述注液囊向所述抽液囊施加压力，使得接触物体表面的所述抽液囊变形为物体表面的形状，夹紧物体。

9.如权利要求8所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述抽液管贯穿至所述抽液囊内，所述抽液管的管壁为可过滤颗粒的多孔结构。

10.如权利要求9所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述抽液管为径向刚性，不会在抽取液体时被压缩。

11.如权利要求8所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，还包括夹爪手掌，所述夹爪手掌构成为固定所述夹爪手指的根部、以及所述注液管和所述抽液管的支架。

12.如权利要求8所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，所述注液囊与所述抽液囊中的液体为不同的液体或同一种液体。

13.如权利要求8所述的变刚度柔性夹爪，其特征在于，夹取时，所述注液囊先注入液体，之后所述抽液囊再抽取液体，或者两者同时进行。