CN114986556A - 气动柔性关节抓持装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了气动柔性关节抓持装置及其控制方法。抓持装置包括安装件和多个抓持机构；抓持机构包括与安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、第二刚性臂、设于第二刚性臂的软性抓手；第一关节驱动器包括第一连接轴、与第一刚性臂连接的第一刚性壳体、与第二刚性臂连接的第二刚性壳体、第一充气体，第一连接轴连接第一、二刚性臂，第一、二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，第一充气体设于第一或第二刚性壳体内，第一充气体一端与第一或第二刚性臂固接且该端具有第一进气口，第一充气体另一端在充气状态下延伸至与第二或第一刚性臂相抵，以使第二刚性臂相对第一刚性臂运动。本方案的抓持装置具有刚柔耦合、自适应性强、控制简单、抓取力大等优点。

Description

气动柔性关节抓持装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机械抓手领域，具体的是一种气动柔性关节抓持装置及其控制方法。

背景技术

在工业物流运输过程中，抓取和操控是主要的与环境交互的方式之一。常见的刚性机械抓手具有力臂大，控制精度高的优势，但不适宜抓取不规则、软质易碎品。同时，在工业生产、农业、养殖业、水产市场、航空航天、救援救灾等都需要一种有着很强自适应能力的通用抓取装置，而人机交互环境对安全性的高要求限制了刚性机械抓手的应用。理想的抓手应该能够自适应物体形状，尽可能增大接触面积，自调节抓取力的大小。

为了实现抓手的自适应抓取，研究者聚焦于各类软材料抓手。此类型抓手全身由软材料组成，虽能够自适应物体形状，但其抓取力、刚度都略显不足，因而负载能力不足。

发明内容

为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种气动柔性关节抓持装置及其控制方法，其刚性臂将作为力的承载部件，承载上限很高。因此，本实施例的关节驱动器可以加载极大的气压以获得高负载；而抓持装置在抓取物体时，关节驱动器具有一定的自适应调节能力，软性抓手可以对被抓物体进行自适应包裹。

本申请实施例公开了：一种气动柔性关节抓持装置，包括：安装件和连接于所述安装件上的多个抓持机构；所述抓持机构包括与所述安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、通过所述第一关节驱动器与所述第一刚性臂连接的第二刚性臂、设置于所述第二刚性臂的软性抓手；所述第一关节驱动器包括第一连接轴、与所述第一刚性臂连接的圆弧状第一刚性壳体、与所述第二刚性臂连接的圆弧状第二刚性壳体、第一充气体，所述第一连接轴用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂，所述第一刚性壳体和所述第二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，所述第一充气体套设于所述第一刚性壳体或所述第二刚性壳体内，所述第一充气体的一端与所述第一刚性臂或所述第二刚性臂固定连接且该端具有第一进气口，所述第一充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第二刚性臂或所述第一刚性臂相抵，从而使得所述第二刚性臂相对于所述第一刚性臂运动。

具体地，所述第一关节驱动器还包括用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂的第一弹性连接件。

具体地，所述第一充气体具有所述第一进气口的一端与所述第一刚性臂连接，所述第一刚性臂设有用于与所述第一进气口连通的第一气道。

具体地，所述抓持机构还包括设置于所述第二刚性臂和所述软性抓手之间的第三刚性臂、用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二关节驱动器，所述软性抓手设置于所述第三刚性臂远离所述第二关节驱动器的一端。

具体地，所述第二关节驱动器包括第二连接轴、与所述第二刚性臂连接的圆弧状的第三刚性壳体、与所述第三刚性臂连接的圆弧状的第四刚性壳体、第二充气体，所述第二连接轴用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂，所述第三刚性壳体和所述第四刚性壳体相互套设且同轴设置，所述第二充气体套设于所述第三刚性壳体或所述第四刚性壳体内，所述第二充气体的一端与所述第二刚性臂或所述第三刚性臂固定连接且该端具有第二进气口，所述第二充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第三刚性臂或所述第二刚性臂相抵，以使得所述第三刚性臂相对于所述第二刚性臂运动。

具体地，所述第二关节驱动器还包括用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二弹性连接件。

具体地，所述第二充气体具有所述第二进气口的一端与所述第二刚性臂连接，所述第二刚性臂上设有与所述第二进气口连通的第二气道。

具体地，所述软性抓手为硅胶气囊，所述硅胶气囊具有第三进气口，所述第三刚性臂具有与所述第三进气口连通的第三气道。

本申请实施例还公开了：一种如本实施例所述的气动柔性关节抓持装置的控制方法，包括如下步骤：

以一对抓持机构为模型，在抓持机构上取第一连接轴的轴心为点A、第二连接轴的轴心为点B、软性抓手抓取物体时力的作用点为点C、拉伸弹簧与第二刚性臂的连接处为点D，构建软性抓手的理论力学模型，所述理论力学模型如下：

式中，F₁为第一充气体对第二刚性臂的作用力；F₂为第二充气体对第二刚性臂和第三刚性臂的作用力；α为第三刚性臂与第二刚性臂的夹角；β为第一刚性臂与第二刚性臂的夹角；δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角；γ为拉伸弹簧与第一刚性臂的夹角；L₈为两个抓持机构固定位置间距；L₉为被抓物体的尺寸；L₇为第三刚性臂的臂长；L₆为F₂在第三刚性臂的作用点与点C之间的距离；L₅为第二刚性臂的臂长；L₄为力F₂在第二刚性臂的作用点与点A的距离；L₃为点A和点D之间的距离；L₂为力F₁在第二刚性臂的作用点与点A的距离；M₃为扭簧的扭力；Fx₄为软性抓手受到物体的正压力；Fy₄为第三刚性臂受到被抓物体的摩擦力；F_s为拉伸弹簧的拉力；

采集被抓物体的尺寸、重量和摩擦系数并代入所述理论力学模型，以计算出F₁、F₂，其中，通过被抓物体的重量和摩擦系数可以获得理论力学模型中的Fx₄，将F₁、F₂分别代入如下公式中，从而计算出第一充气体或第二充气体所需要输入的气压P：

式中，F为F₁或F₂，L为第一充气体或第二充气体的受力中心到转矩的距离，θ为膨胀转角，K为厚度为1.5mm的硅胶单位面积拉伸产生的拉力；L_i为内壁面距转动中心距离，L_o为外壁面距转动中心距离；H为第一充气体或第二充气体的环宽，H_b为第一充气体或第二充气体的壁厚；D为第一充气体或第二充气体的宽度。

具体地，所述理论力学模型中，

式中，L₈为两个抓持机构固定位置间距，L₉为被抓物体的尺寸，L₇为第三刚性臂的臂长，L₅为第二刚性臂的臂长，δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角。

本发明至少具有如下有益效果：

1.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其关节驱动器采用刚性外壳包裹充气体的方式，理论上，在保证了刚性外壳对充气体的包裹密封性的情况下，充气体内气压可以达到的极限值仅与刚性外壳的结构强度以及外壳的密封性相关，在受力方面，刚性臂将作为力的承载部件，承载上限很高。因此，本实施例的关节驱动器可以加载极大的气压以获得高负载；而抓持装置在抓取物体时，关节驱动器具有一定的自适应调节能力，软性抓手可以对被抓物体进行自适应包裹；本实施例所提出的抓持装置充分发挥了柔性材料强大的膨胀力以及软体封闭结构良好的受力特性和刚性结构优良的力学性能，形成了类似手指的经典指状构造，从而具有优秀的负载能力和控制性能。

2.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其结构和控制方法较为简单。

3.通过本实施例的理论力学模型所计算出的软性抓手对物体的压力与实际测试的压力相比，结果较为接近，验证了理论模型的正确性，通过该理论力学模型可以快速计算出抓取物体时，第一充气体和第二充气体所需的适宜气压，便于人员在该气压范围内对装置的气体参数进行调节和控制，从而快速调试出装置抓取物体所需要的气体。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

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获得其他的附图。

图1是本发明实施例中气动柔性关节抓持装置的立体图；

图2是本发明实施例中气动柔性关节抓持装置的主视图；

图3是本发明实施例中气动柔性关节抓持装置的俯视图；

图4是图3中A-A处的剖视图；

图5是本发明实施例中一对抓持机构的受力模型图；

图6是本发明实施例中第二刚性臂的受力模型图；

图7是本发明实施例中第三刚性臂的受力模型图；

图8是第一充气体在极坐标系中的示意图；

图9是是第一充气体的结构示意图；

图10是第一充气体和第二充气体在不同气压下的软性抓手的压力值；

图11是抓持装置对不同物品的抓取实验。

以上附图的附图标记：1、安装件；11、气孔；2、第一刚性臂；31、第一连接轴；32、第一刚性壳体；33、第二刚性壳体；34、第一充气体；341、第一进气口；342、侧壁面；343、内壁面；344、外壁面；4、第二刚性臂；41、第二气道；5、软性抓手；51、第三进气口；6、第一弹性连接件；7、第三刚性臂；71、第三气道；81、第二连接轴；82、第三刚性壳体；83、第四刚性壳体；84、第二充气体；841、第二进气口。

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做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。

如图1至图4所示，本实施例的气动柔性关节抓持装置包括安装件1和连接于安装件1上的多个抓持机构。抓持机构包括与安装件1连接的第一刚性臂2、第一关节驱动器、第二刚性臂4和软性抓手5。第一刚性臂2和第二刚性臂4通过第一关节驱动器连接，二者能在第一关节驱动器的作用下相对运动，软性抓手5设置于第二刚性臂4上以抓持物体。

重点参照图4所示，第一关节驱动器包括：第一连接轴31、与第一刚性臂2连接的圆弧状的第一刚性壳体32、与第二刚性臂4连接的圆弧状的第二刚性壳体33、第一充气体34。第一连接轴31用于连接第一刚性臂2和第二刚性臂4，第二刚性臂4能绕着第一连接轴31相对于第一刚性臂2发生转动。第一刚性壳体32和第二刚性壳体33相互套设且呈同轴设置，具体来说，第一刚性壳体32不与第一刚性臂2连接的一端套设在第二刚性壳体33不与第二刚性臂4连接的一端内，当然，也可以是第一刚性壳体32不与第一刚性臂2连接的一端套设在第二刚性壳体33不与第二刚性臂4连接的一端外，第一刚性壳体32和第二刚性壳体33可以较小的间隙配合，该间隙确保二者相对运动过程中不会产生干涉。第一刚性壳体32和第二刚性壳体33的相互套设的一端均被贯穿。第一充气体34套设于第一刚性壳体32内，第一充气体34的一端与第一刚性臂2连接，且该端具有用于与气源连通的第一进气口341，第一充气体34的另一端能在充气至预设的充气量时延伸至与第二刚性臂4相抵，从而使得第二刚性臂4能够相对于第一刚性臂2转动。在其他的实施例中，第一充气体34也可以套设于第二刚性壳体33内，其具有第一进气口341的一端也可以与第二刚性臂4连接，如此，当第一充气体34被充气至预设量时，其另一端可延伸至与第一刚性臂2相抵，也可以实现第二刚性臂4相对于第一刚性臂2转动。

本实施例的第一刚性臂2上设有与第一充气体34的第一进气口341连通的第一气道(图中未示出)，安装件1上也可以设有与该第一气道连通的气孔11。第一充气体34可以采用silicone00-30硅胶制作而成，其位于第一刚性壳体32内的部分的形状大体上与第一刚性壳体32的内腔形状相同，且该部分具有一定的厚度(厚度不小于1.5mm)以确保第一充气体34具有良好的腔室成型性，同时，也可以避免第一充气体34在承载高压时出现破损。受第一刚性壳体32和第二刚性壳体33的限制，当第一充气体34内充气时，第一充气体34主要沿第一刚性壳体32和第二刚性壳体33的圆周方向膨胀，从而推动第二刚性臂4。

较佳地，如图1和图2所示，第一关节驱动器还可以包括用于连接第一刚性臂2和第二刚性臂4的第一弹性连接件6，该第一弹性连接件6可以是拉伸弹簧或扭簧，优选拉伸弹簧。当抓持工作结束，气源停止向第一充气体34供气，第一充气体34收缩时，第一弹性连接件6可带动第二刚性臂4复位。

如图1～2和图4所示，本实施例的抓持机构还包括设置于第二刚性臂4和软性抓手5之间的第三刚性臂7，以及，用于连接第二刚性臂4和第三刚性臂7的第二关节驱动器，软性抓手5设置于第三刚性臂7的远离第二关节驱动器的一端上。如此，可以使得抓持装置能够抓持更大的物体，也即，可以提高抓持装置所抓持物体的大小范围。

如图4所示，第二关节驱动器包括：第二连接轴81、与第二刚性臂4连接的圆弧状的第三刚性壳体82、与第三刚性臂7连接的圆弧状的第四刚性壳体83、第二充气体84。第二连接轴81用于连接第二刚性臂4和第三刚性臂7，以使得二者能够相对转动。第三刚性壳体82和第四刚性壳体83相互套设且同轴设置。第二充气体84套设于第三刚性壳体82或第四刚性壳体83内，第二充气体84的一端与第二刚性臂4或第三刚性臂7固定连接且该端具有第二进气口841，第二充气体84的另一端能在充气状态下延伸至与第三刚性臂7或第二刚性臂4相抵，以使得第三刚性臂7相对于第二刚性臂4转动。也可以说，第二关节驱动器的结构与第一关节驱动器的结构大体上一致，第二充气体84的材质及结构与第一充气体34大体上一致。

第二关节驱动器还可以包括用于连接第二刚性臂4和第三刚性臂7的第二弹性连接件，该第二弹性连接件可以是扭簧，第二弹性连接件主要用于第三刚性臂7的复位。

本实施例的第二充气体84的具有第二进气口841一端与第二刚性臂4连接，第二刚性臂4上设有用于与气源和该第二进气口841连通的第二气道41。

本实施例的软性抓手5可以是硅胶气囊。如图4所示，该硅胶气囊具有第三进气口51，第三刚性臂7上设有用于连通气源和第三进气口51的第三气道71。该硅胶气缸呈上窄下宽、中间内凹的形状，通过改变气囊的气压可以改变气囊与被抓持物体接触面的接触状态，气囊可对被抓物体进行自适应包裹，从而提高物体抓持的可靠性。

本实施例还提供了上述气动柔性关节抓持装置的控制方法，包括以下步骤：

以一对抓持机构为模型，在抓持机构上取第一连接轴31的轴心为点A、第二连接轴81的轴心为点B、软性抓手5的中心点为点C、拉伸弹簧与第二刚性臂4的连接处为点D，构建抓持机构的理论力学模型，所述理论力学模型如下：

式中，F₁为第一充气体对第二刚性臂的作用力；F₂为第二充气体对第二刚性臂和第三刚性臂的作用力；α为第三刚性臂与第二刚性臂的夹角；β为第一刚性臂与第二刚性臂的夹角；δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角；γ为拉伸弹簧与第一刚性臂的夹角；L₈为两个抓持机构固定位置间距；L₉为被抓物体的尺寸；L₇为第三刚性臂的臂长；L₆为F₂在第三刚性臂的作用点与点C之间的距离；L₅为第二刚性臂的臂长；L₄为力F₂在第二刚性臂的作用点与点A的距离；L₃为点A和点D之间的距离；L₂为力F₁在第二刚性臂的作用点与点A的距离；M₃为扭簧的扭力；Fx₄为软性抓手受到物体的正压力；Fy₄为第三刚性臂受到被抓物体的摩擦力；F_s为拉伸弹簧的拉力。

采集被抓物体的尺寸、重量和摩擦系数并代入所述理论力学模型，以计算出F₁、F₂，其中，通过被抓物体的重量和摩擦系数可以获得理论力学模型中的Fx₄，将F₁、F₂分别代入如下公式中，从而计算出第一充气体或第二充气体所需要输入的气压P：

式中，F为F₁或F₂，L为第一充气体或第二充气体的受力中心到转矩的距离，θ为膨胀转角，K为厚度为1.5mm的硅胶单位面积拉伸产生的拉力；L_i为内壁面距转动中心距离，L_o为外壁面距转动中心距离；H为第一充气体或第二充气体的环宽，H_b为第一充气体或第二充气体的壁厚；D为第一充气体或第二充气体的宽度。

通过上述控制方法，可快速计算出抓取物体时第一充气体34和第二充气体84所需的适宜气压，便于人员在该气压范围内对装置的气体参数进行调节和控制，从而快速调试确定抓取装置所需的气压。

具体来说，为了准确描述气动柔性关节抓持装置抓取物体时的姿态以及两个关节驱动器的充气体的气压与装置末端(也即软性抓手5)力的关系，本实施例以一对抓持机构为模型建立理论力学模型，在理论力学建模前，为了简化模型结构，做出如下数学假设：

1)被抓取物体为对称结构；

2)被抓取物体位于装置的居中位置；

3)已知被抓取物体尺寸和形状；

4)忽略各刚性臂厚度的影响。

分别对抓持机构的第二刚性臂4和第三刚性臂7进行理论力学建模，模型如图5～7所示。模型中，将第一充气体34对第二刚性臂4的作用力简化为F₁，第二充气体84对第三刚性臂7的作用力简化为F₂，第一连接轴31的轴心为点A、第二连接轴81的轴心为点B、软性抓手5的中心点为点C、拉伸弹簧与第二刚性臂4的连接处为点D。

在装置抓取物体时，若抓持机构处于极限平衡状态，则第三刚性臂7应是平行于被抓物体表面的姿态，各充气体内部的气压都处于维持抓取平衡的最低气压。为求得极限平衡状态下，抓持机构的姿态信息，需要求解第一刚性臂2与第二刚性臂4的夹角β以及第二刚性臂4与第三刚性臂7的夹角α，公式如下：

α+β-δ＝π (式1)

L₈＝L₉-2L₅cosβ+2L₇cos(α+β) (式2)

其中，L₈为两个抓持机构固定位置间距；L₉为被抓物体的尺寸；δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂2的夹角。联立式1和式2可求得：

如图6和图7所示，为求出维持极限平衡状态时，第一充气体34和第二充气体84的气压值，分别对第二刚性臂4和第三刚性臂7进行静力学求解，公式如下：

F_x3L₇-F₂L₆-M₃＝0 (式5)

F₂(L₇-L₆)-F_x4L₇-M₃＝0 (式6)

F₁L₂+M₃-F_sL₃ sin(β+γ)+F₂L₄+F_x2L₅＝0 (式7)

其中，式5为第三刚性臂7对点C求矩，式6为第三刚性臂7对点B求矩，式7为第二刚性臂4对点A求矩。各式中，Fx₃和Fy₃为第三刚性臂7在点B处受第二刚性臂4的作用力的分力；L₇为第三刚性臂7的臂长；F₂为第二充气体84对第二刚性臂4和第三刚性臂7的作用力；M₃为扭簧的扭力；Fx₄为第三刚性臂7受到物体的正压力；F₁为第一充气体34对第二刚性臂4的作用力；L₂为力F₁的作用点距点A的距离；F_s为拉伸弹簧的拉力；L₃为点D到点A的距离；L₄为F₂的作用点距点A的距离；Fx₂，Fy₂为第二刚性臂4于点B受到的第三刚性臂7的作用力；L₅为第二刚性臂4的臂长；γ为拉伸弹簧与第一刚性臂2的夹角。

扭簧的初始角度θ为90°，系数k_t，拉簧的初始长度s为5mm，系数k_s，代入如下公式，解出M₃和Fs：

在对第三刚性臂7的静力学求解中，通过沿臂方向的力学求和，可以得知Fy₃与Fy₄大小相等，软性抓手5摩擦系数与被抓物体相关，而Fx₃，Fy₃与Fx₂，Fy₂为作用力与反作用力的关系，矢量和为零。如此，联立式5～式9可求得软性抓手5正压力Fx₄与F₁，F₂的关系为：

具体来说，以第一充气体为例，为了描述空载情况下，第一关节驱动器与关节转动角度、第一充气体的气压之间的关系，对第一充气体进行力学建模(当然，该力学建模方式同样适用于第二关节驱动器)。以第一充气体为模型，建立如图8所示的极坐标系。由于第一刚性壳体和第二刚性壳体限制了第一充气体在垂直于坐标系平面方向和极径方向的膨胀，如图9所示的四个面为第一充气体充气后的拉伸面，而图8中的接触面和固定面在充气状态下未发生变形。故而做出如下假设：

1)第一充气体在极径和垂直于坐标系平面方向无变形；

2)忽略材料重力的影响；

3)忽略材料间的摩擦力。

根据该假设，第一充气体在固定面和接触面无膨胀，仅会在同一极径内逆时针方向膨胀，记ΔS₁为侧壁面342拉伸面积，ΔS₂为内壁面343拉伸面积，ΔS₃为外壁面344拉伸面积，则第一充气体的各个壁产生的拉伸力为：

F_b＝k(2ΔS₁+ΔS₂+ΔS₃) (式12)

式中，F_b为第一充气体膨胀时对第二刚性臂的作用力，k为1.5mm单位面积硅胶拉伸产生的拉力。

以第一充气体膨胀原点(如图8中的原点)为转动中心，建立力矩与气压、拉伸力关系方程：

M＝P(H-2H_b)DL-F_bL (式13)

式中，M为第一充气体提供的转矩；P为第一充气体内气压；H_b为壁厚；L为第一充气体受力中心到转矩的距离。

联立式(12～13)可得：

M(P,θ)＝PDL(H-2H_b)-θKL(L_iH+L_oH+DL_i+DL_o) (式14)

式中，θ为膨胀转角；L_i为第一充气体的内半径；L_o为第一充气体的外半径；H为第一充气体的环宽，D为第一充气体的宽度。

接着，将F₁、F₂代入下式15中，可得出第一充气体或第二充气体所需输入的气压P：

式中，F为F₁或F₂。

至此，在已知被抓物体的尺寸、重量和摩擦系数的情况下，可以求得抓取物体所需的各充气体的最低气压、第二刚性臂4和第三刚性臂7的转角。若继续单独增加第一充气体34或第二充气体84的气压，抓持机构的姿态将会发生变化，软性抓手5对物体的贴合将变差。此时，作为软性抓手5的硅胶气囊将会起到一定的缓冲作用，能够允许第一充气体34和第二充气体84在一定气压范围内，保证软性抓手5对物体的贴合情况基本不变。

为了研究软性抓手5的压力表现情况，分别测试了第一充气体34和第二充气体84在不同气压下的软性抓手5的压力值，测试结果如图10所示。其中，图10中的变温区域为模拟直径100mm，0Kg的物体抓取时软性抓手5压力值的情况，红色球点为抓取100mm，0Kg，δ为90°的物体时第一充气体34和第二充气体84的理论气压情况。

对图10中的实验数据分别进行纵向和横向对比，被抓物体受到的正压力会随着第一充气体34和第二充气体84的气压上升而增大，将第一充气体34在不同气压下，第二充气体84分别在最低和最高气压时，被抓物体所受压力的情况列为表1。当第一充气体34压强不变时，第二充气体84压强增大，被抓物体所受压力上升速率约为0.011N/kPa，当第一充气体34压强变化时，被抓物体所受压力上升速率的变化在0.004N/kPa左右。当第二充气体84的压强不变，第一充气体34的压强增大时，被抓物体所受压力上升速率约为0.019N/kPa，当第二充气体84的压强变化时，被抓物体所受压力上升速率变化在0.004N/kPa左右。实验表明，当第一充气体34和第二充气体84的气压匀速上升时，软性抓手5对物体的压力以一定的速率稳定上升，表明抓持机构具有良好的稳定性。

表1.软性抓手理论数据与实验数据对比表

对比图10中的实验数据和通过公式(10)和(11)所计算的理论数据，软性抓手5对物体的实验压力和理论压力的上升速率较为一致，且数据点较为接近，存在一定差异。由表1易见，软性抓手5的理论压力和实验压力之差随着两个充气体的气压增大而增大，但是，该差值与实验压力的比值基本保持不变，验证了理论模型的正确性。

软性抓手5对物体的理论压力和实验压力之所以存在差距，分析原因可能是理论建模时，软性抓手5为硅胶气囊，其与物体弹性接触，简化为正压力在力臂和受力角度上存在一定误差；实验测量时，软性抓手5与感应器接触部分存在一定的角度误差和摩擦力的影响，还会受到各充气体与相应刚性臂内腔的摩擦力的影响、软性抓手5自身重力和气管重力的影响。

为了验证本实施例的装置能够可靠地抓取各类大小、重量、软性度不同的物体，对装置进行了不同物品的抓持实验，例如：嫩豆腐、玩具熊、黄瓜、生鸡蛋、肥皂、袋装花生米(如图11所示)。这些物品具有不同的大小、软硬度、长短性、脆性、光滑性。以软且滑的嫩豆腐为例，现有的大多数软体抓手通常通过包络的方式对其进行抓取，而本实施例的装置可在不破坏嫩豆腐原结构的基础上实现对其垂直抓取。通过简单的气路气压控制，本实施例的装置能够实现对不同规格物品的无损抓取，且抓取稳定。

综上所述，本实施例的气动柔性关节抓持装置及其控制方法具有以下优点：

1.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其关节驱动器采用刚性外壳包裹充气体的方式，理论上，在保证了刚性外壳对充气体的包裹密封性的情况下，充气体内气压可以达到的极限值仅与刚性外壳的结构强度以及外壳的密封性相关，在受力方面，刚性臂将作为力的承载部件，承载上限很高。因此，本实施例的关节驱动器可以加载极大的气压以获得高负载；而软性抓手5在抓取物体时，关节驱动器具有一定的自适应调节能力，软性抓手5可以对被抓物体进行自适应包裹；本实施例所提出的抓持装置充分发挥了柔性材料强大的膨胀力以及软体封闭结构良好的受力特性和刚性结构优良的力学性能，形成了类似手指的经典指状构造，从而具有优秀的负载能力和控制性能。

2.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其结构和控制方法较为简单。

3.通过本实施例的理论力学模型所计算出的软性抓手5对物体的压力与实际测试的压力相比，结果较为接近，验证了理论模型的正确性，通过该理论力学模型可以快速计算出抓取物体时，第一充气体34和第二充气体84所需的适宜气压，便于人员在该气压范围内对装置的气体参数进行调节和控制，从而快速调试出装置抓取物体所需要的气体。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种气动柔性关节抓持装置，其特征在于，包括：安装件和连接于所述安装件上的多个抓持机构；所述抓持机构包括与所述安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、通过所述第一关节驱动器与所述第一刚性臂连接的第二刚性臂、设置于所述第二刚性臂的软性抓手；所述第一关节驱动器包括第一连接轴、与所述第一刚性臂连接的圆弧状第一刚性壳体、与所述第二刚性臂连接的圆弧状第二刚性壳体、第一充气体，所述第一连接轴用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂，所述第一刚性壳体和所述第二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，所述第一充气体套设于所述第一刚性壳体或所述第二刚性壳体内，所述第一充气体的一端与所述第一刚性臂或所述第二刚性臂固定连接且该端具有第一进气口，所述第一充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第二刚性臂或所述第一刚性臂相抵，从而使得所述第二刚性臂相对于所述第一刚性臂运动。

2.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第一关节驱动器还包括用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂的第一弹性连接件。

3.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第一充气体具有所述第一进气口的一端与所述第一刚性臂连接，所述第一刚性臂设有用于与所述第一进气口连通的第一气道。

4.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述抓持机构还包括设置于所述第二刚性臂和所述软性抓手之间的第三刚性臂、用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二关节驱动器，所述软性抓手设置于所述第三刚性臂远离所述第二关节驱动器的一端。

5.根据权利要求4所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二关节驱动器包括第二连接轴、与所述第二刚性臂连接的圆弧状的第三刚性壳体、与所述第三刚性臂连接的圆弧状的第四刚性壳体、第二充气体，所述第二连接轴用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂，所述第三刚性壳体和所述第四刚性壳体相互套设且同轴设置，所述第二充气体套设于所述第三刚性壳体或所述第四刚性壳体内，所述第二充气体的一端与所述第二刚性臂或所述第三刚性臂固定连接且该端具有第二进气口，所述第二充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第三刚性臂或所述第二刚性臂相抵，以使得所述第三刚性臂相对于所述第二刚性臂运动。

6.根据权利要求5所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二关节驱动器还包括用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二弹性连接件。

7.根据权利要求5所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二充气体具有所述第二进气口的一端与所述第二刚性臂连接，所述第二刚性臂上设有与所述第二进气口连通的第二气道。

8.根据权利要求5所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述软性抓手为硅胶气囊，所述硅胶气囊具有第三进气口，所述第三刚性臂具有与所述第三进气口连通的第三气道。

9.一种如权利要求1至8中任一项所述的气动柔性关节抓持装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

以一对抓持机构为模型，在抓持机构上取第一连接轴的轴心为点A、第二连接轴的轴心为点B、软性抓手抓取物体时力的作用点为点C、拉伸弹簧与第二刚性臂的连接处为点D，构建软性抓手的理论力学模型，所述理论力学模型如下：

式中，F₁为第一充气体对第二刚性臂的作用力；F₂为第二充气体对第二刚性臂和第三刚性臂的作用力；α为第三刚性臂与第二刚性臂的夹角；β为第一刚性臂与第二刚性臂的夹角；δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角；γ为拉伸弹簧与第一刚性臂的夹角；L₈为两个抓持机构固定位置间距；L₉为被抓物体的尺寸；L₇为第三刚性臂的臂长；L₆为F₂在第三刚性臂的作用点与点C之间的距离；L₅为第二刚性臂的臂长；L₄为力F₂在第二刚性臂的作用点与点A的距离；L₃为点A和点D之间的距离；L₂为力F₁在第二刚性臂的作用点与点A的距离；M₃为扭簧的扭力；Fx₄为软性抓手受到物体的正压力；Fy₄为第三刚性臂受到被抓物体的摩擦力；F_s为拉伸弹簧的拉力；

采集被抓物体的尺寸、重量和摩擦系数并代入所述理论力学模型，以计算出F₁、F₂，其中，通过被抓物体的重量和摩擦系数可以获得理论力学模型中的Fx₄，将F₁、F₂分别代入如下公式中，从而计算出第一充气体或第二充气体所需要输入的气压P：

式中，F为F₁或F₂，L为第一充气体或第二充气体的受力中心到转矩的距离，θ为膨胀转角，K为厚度为1.5mm的硅胶单位面积拉伸产生的拉力；L_i为内壁面距转动中心距离，L_o为外壁面距转动中心距离；H为第一充气体或第二充气体的环宽，H_b为第一充气体或第二充气体的壁厚；D为第一充气体或第二充气体的宽度。

10.根据权利要求9所述的气动柔性关节抓持装置的控制方法，其特征在于，所述理论力学模型中，

式中，L₈为两个抓持机构固定位置间距，L₉为被抓物体的尺寸，L₇为第三刚性臂的臂长，L₅为第二刚性臂的臂长，δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角。

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