CN205799555U - 磁流变液杆簇自适应手装置 - Google Patents
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Abstract
磁流变液杆簇自适应手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、多个滑动推杆、弹性薄膜、线圈、磁流变液和多个簧件。该装置用于机器人抓取物体，实现了自适应抓取功能。当装置接触物体时，利用多个滑动推杆的自由上下滑动达到包裹不同大小和形状物体的自适应效果；利用线圈通电产生磁场使磁流变液固化，使多个滑动推杆末端向中心弯曲聚拢，多点多向施加抓持力，可实现对物体的稳定抓持。该装置结构简单，可靠性好，适用范围广。
Description
技术领域
本实用新型属于机器人手技术领域，特别涉及一种磁流变液杆簇自适应手装置的结构设计。
背景技术
机器人手在机器人领域中有广泛的用途，用于将机器人与物体临时的连接和固定起来，并能够在适当的时候进行释放，前者实现了抓取物体，后者实现了放开物体。一般的机器人手为了降低成本被制作成具有两个相对运动的部分，以便于最简单的实现抓取和释放功能。也有许多模仿人手的结构，设计为具有更多的手指和手指上具有若干关节，但是那样会带来机械系统、传感系统、控制系统和控制算法的复杂度和高昂的成本。部分机器人手具有适应性，即在抓取前并未知晓要抓取的物体是何种形状与大小，在抓取中也未对抓取的物体进行传感检测，但是却可以自适应地抓取，这种对于物体形状、大小的自动适应性能使得机器人手在实现更为广泛抓取不同物体的同时并不增加传感与控制需求。
Peter B.Scott在文献(Peter B.Scott,“The’Omnigripper’:a form of robotuniversal gripper”,Robotica,vol.3:pp 153-158,1985)中介绍了一种机械被动式适应物体形状的通用夹持器Omnigripper。该夹持器具有两组杆簇集合，每组杆簇集合有多个相互平行的长杆，这些由待抓物体推动而自由上下滑动的长杆达到了适应物体形状的目的，再结合驱动器驱动两组杆簇靠拢或离开，实现对物体的抓持。举例来说，当机器人的末端靠向放置在某个支持面(如桌面)上的物体时，物体挤压长杆使其向基座内滑动，由于长杆数量较多，且长杆较细(直径较小)，不同的长杆接触到不同的物体表面点，各长杆向手掌内的滑动距离不同，这种距离与物体的局部形状有关；之后，一左一右的两组杆簇集合再合拢夹持住物体，利用长杆从侧面夹持住物体，达到抓取目的。
该装置的不足之处在于：
(1)无法做到多向抓持。该装置对目标物体施加抓取力时，该抓取力只能沿着两组杆簇集合合拢的方向，相当于二指夹持器，产生的仅仅是一维夹持模式，夹持效果差。
(2)对于特定方向放置的长条状物体抓持失效。当目标物体与该方向平行且目标物体在该方向上长于该装置，则目标物体不会因两组伸缩杆合拢而受到抓持力，如抓取一个长条状的物体。
(3)结构复杂、能耗大。该装置有2组杆簇集合，需要2个相互运动的可运动支承件(或运动基座)、一套直线导轨、2个滑块、驱动器、传动机构等，结构较为复杂，且要让一个具有许多长杆的笨重杆簇集合运动是比较耗能的。
(4)长期使用的可靠性差。所有长杆及滑槽均暴露在工作环境中，在充满粉尘、飞絮的工厂车间环境中，长杆之间易夹入小的异物，滑槽中会因为积满尘絮纤维而无法滑动，各种影响和减小使用寿命的因素很多，在多粉尘的食品、纺织、矿业开采等工厂车间中，尘土吸附集聚在长杆及滑槽中，大大影响长杆在基座中滑动效果，甚至产生故障。
(5)抓持稳定性有待提高。该装置对目标物体的抓持力仅由两组杆簇集合合拢而产生， 仅能采用抓持力的力封闭抓取物体，而缺少较好的包络式形封闭抓取效果，因为，力封闭抓取物体未必一定会产生形封闭抓取，但是形封闭抓取一定包括了力封闭抓取，因此抓取稳定性已达到形封闭为最好。
Eric Brown等人在文献(Eric Brown,Nicholas Rodenberga,John Amendb,AnnanMozeikac,Erik Steltzc,Mitchell R.Zakind,Hod Lipsonb,HeinrichM.Jaegera.Universal robotic gripper based on the jamming of granularmaterial.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United Statesof America(PNAS),vol.107,no.44:18809–18814,doi:10.1073/pnas.1003250107,Sept.17,2010)中介绍了一种基于颗粒阻塞固化原理的通用机器人手。该机器人手包括可变形的弹性薄膜、一个端口、滤网、放置在膜皮内流体(如气体)和大量颗粒材料(如咖啡颗粒)和流体源(例如泵或可排空容器)。
该装置的工作原理为：膜皮中的颗粒可在膜皮内自由运动，当机器人的末端靠向放置在某个支持面的物体时，物体可以挤压膜皮，使膜皮内的颗粒受到挤压而运动，不同颗粒在膜皮内的运动程度不同，这种运动程度与物体的形状有关，达到自适应物体形状的效果。之后，膜皮内的流体被吸走，颗粒由于滤网的存在留在膜皮内，颗粒由于相互挤压摩擦产生阻塞固化效果，利用固化的颗粒群体隔着膜皮对物体产生接触点，造成多指多点接触抓取的效果，此外局部可能产生密封的低压区域以获得大气压力辅助抓取效果。
该装置的不足之处在于：
(1)该装置采用大量的颗粒材料，颗粒材料的磨损会较大地减弱该装置的使用寿命；
(2)该装置在抓取不同的物体时需要调节装置内颗粒的多少以更好地抓取不同的物体，极大地减小了其通用性；
(3)该装置需要将膜皮内的流体几乎全部抽吸走，能耗大，流体源(如泵)成本高，可排空容器体积大或可排空容器的压力大。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种磁流变液杆簇自适应手装置。该装置用于抓取物体，对物体大小和形状具有自适应性；达到对物体的多向抓持效果：能够在多个方向对物体提供抓持力，对不同方向放置的各种形状物体均可有效抓持；适合在较多粉尘和飞絮等恶劣工作环境中使用，长期使用的可靠性好；结构简单，抓持稳定性高。
本实用新型采用如下技术方案：
本实用新型设计的一种磁流变液杆簇自适应手装置，包括基座和K个滑动推杆；每个所述滑动推杆的一端滑动镶嵌在基座中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆的中心线相互平行；其特征在于：该磁流变液杆簇自适应手装置还包括弹性薄膜、线圈、磁流变液和K个簧件；所述基座包括K个通孔；部分或全部所述滑动推杆采用有弯曲弹性的柔性杆，所述柔性杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个滑动推杆；所有所述滑动推杆的一端均从基座的同一侧伸出；所述弹性薄膜可变形，所述弹性薄膜具有开口，所述弹性薄膜包裹所有滑动推杆伸出基座的部分，所述弹性薄膜的开口密封固接在基座上；所述弹性薄膜与基座构成一个对磁流变液密封的腔室，磁流变液密 封在所述腔室中；所述线圈可导电，缠绕在基座周围；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。
本实用新型所述的磁流变液杆簇自适应手装置，其特征在于：所述弹性薄膜由柔性可排空的材料制成。
本实用新型所述的磁流变液杆簇自适应手装置，其特征在于：所述滑动推杆包括至少一个杆件和至少一个可弯曲的弹性件；所述杆件和弹性件串联在一起。
本实用新型与现有技术相比，具有以下突出特点：
本实用新型装置采用多个滑动推杆、弹性薄膜、线圈、磁流变液和簧件等综合实现离散空间自适应抓取功能，利用多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置，利用线圈通电产生磁场，使磁流变液体固化，进而多个滑动推杆向装置的中心弯曲变形，达到对物体的多点多向稳定抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状物体(如长条状物体)均可有效抓持；该装置中，所有的滑动推杆与通孔等较好地封闭在了装置内部，因此该装置适合在比较恶劣(如存在较多粉尘、飞絮)的工作环境中使用；由于实现了多向抓取，能够在多个方向对目标物体提供抓持力。该装置结构简单，可靠性好，适用范围广。
附图说明
图1是本实用新型提供的磁流变液杆簇自适应手装置的一种实施例的剖视图。
图2是图1所示实施例的轴侧剖视图。
图3是图1所示实施例的一种三维外观图。
图4是图1所示实施例的另一种三维外观图。
图5是图1所示实施例的下基座的通孔分布示意图。
图6、图7和图8是图1所示实施例抓取球状目标物体的过程示意图。
图9和图10是图1所示实施例抓取球状目标物体的原理示意图。
图11是图1所示实施例在该实施例抓取球状目标物体时的部分结构正视图。
图12是图1所示实施例在该实施例抓取球状目标物体时部分结构的三维示意图。
图13是在图1所示实施例对球状目标物体施加夹持力前该实施例与球状目标物体的三维外观图。
图14是在图1所示实施例对球状目标物体施加夹持力后该实施例与球状目标物体的三维外观图。
图15、16和图17是图1所示实施例抓取长条状目标物体的过程示意图。
图18是图1所示实施例在该实施例抓取长条状目标物体的部分结构正视图。
图19是图1所示实施例在该实施例抓取长条状目标物体的部分结构三维示意图。
图20是在图1所示实施例对长条状目标物体施加夹持力前该实施例与长条状目标物体的三维外观图。
图21是在图1所示实施例对长条状目标物体施加夹持力后该实施例与长条状目标物体的三维外观图。
图22是本实用新型的又一种实施例的滑动推杆的示意图。
在图1至图22中：
1-基座， 11-通孔， 12-上基座， 13-中间基座， 14-下基座，
15-第一端口， 16-第二端口， 2-滑动推杆， 21-杆件， 22-弹性件，
3-簧件， 4-弹性薄膜， 5-线圈， 6-夹紧圈， 7-磁流变液，
8-导管， 91-球状目标物体， 92-长条状目标物体，
10-支承面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本实用新型的具体结构、工作原理及工作过程。
本实用新型设计的一种磁流变液杆簇自适应手装置，包括基座和K个滑动推杆；每个所述滑动推杆的一端滑动镶嵌在基座中且滑动方向与该滑动推杆的中心线平行，所有所述滑动推杆的中心线相互平行；其特征在于：该磁流变液杆簇自适应手装置还包括弹性薄膜、线圈、磁流变液和K个簧件；所述基座包括K个通孔；部分或全部所述滑动推杆采用有弯曲弹性的柔性杆，所述柔性杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个簧件的两端分别连接基座与第i个滑动推杆；所有所述滑动推杆的一端均从基座的同一侧伸出；所述弹性薄膜可变形，所述弹性薄膜具有开口，所述弹性薄膜包裹所有滑动推杆伸出基座的部分，所述弹性薄膜的开口密封固接在基座上；所述弹性薄膜与基座构成一个对磁流变液密封的腔室，磁流变液密封在所述腔室中；所述线圈可导电，缠绕在基座周围；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。
取K＝40，则本实用新型所述的磁流变液杆簇自适应手装置的一种实施例，如图1、图2、图3和图4所示。该实施例包括基座1和K个滑动推杆2；每个所述滑动推杆2的一端滑动镶嵌在基座1中且滑动方向与该滑动推杆(2)的中心线平行，所有所述滑动推杆2的中心线相互平行；其特征在于：该磁流变液杆簇自适应手装置还包括弹性薄膜4、线圈5、磁流变液7和K个簧件3；所述基座1包括K个通孔11；部分或全部所述滑动推杆2采用有弯曲弹性的柔性杆，所述柔性杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个簧件3的两端分别连接基座1与第i个滑动推杆2；所有所述滑动推杆2的一端均从基座1的同一侧伸出；所述弹性薄膜(4)可变形，所述弹性薄膜4具有开口，所述弹性薄膜4包裹所有滑动推杆2伸出基座1的部分，所述弹性薄膜4的开口密封固接在基座1上；所述弹性薄膜4与基座1构成一个对磁流变液7密封的腔室，磁流变液7密封在所述腔室中；所述线圈5可导电，缠绕在基座1周围；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,40；i为自然数。
本实施例中，所述弹性薄膜4由柔性可排空的材料制成。
本实用新型所述的磁流变液杆簇自适应手装置，其特征在于：所述滑动推杆包括至少一个杆件和至少一个可弯曲的弹性件；所述杆件和弹性件串联在一起。在另一种实施例中，所述滑动推杆2如图22所示，包括至少一个不可弯曲、不可压缩的杆件21和至少一个可弯曲、可压缩的弹性件22；所述杆件21和弹性件22串联在一起。
尽管较软的弹性薄膜4起到了软指面抓持的效果，不过，另一种实施例中，所述滑动推 杆2的末端可以采用弹性材料，这样有利于实现更好的软指面抓取效果，推杆末端与弹性薄膜4的局部接触点扩展为接触区域，接触范围更大，抓取效果更好。
本实施例中，所述基座1包括上基座12、中间基座13、和下基座14；所述中间基座13、下基座14均设有40个通孔，且中间基座13的第j个通孔所与下基座14的第j个通孔同轴心，下基座的通孔示意图如图5所示。j＝1,2,…,40；j为自然数。
本实施例中，所述传动机构包括联轴器102和绕线筒103；所述联轴器连接绕线筒103与驱动器103，所述绕线筒套103设在基座1上，所述拉膜件9一端固接在绕线筒上，另一端固接在弹性薄膜4上。
本实施例还包括夹紧圈6，所述夹紧圈6将弹性薄膜4固接在基座1上。
本实施例中，所述基座还设有第一端口15和第二端口16。
本实施例还包括导管8，所述导管8连接第一端口15、第二端口16和下基座14与弹性薄膜4构成的腔室。
下面结合附图介绍图1所示实施例的工作原理。
本实施例的初始状态如图1、图2、图3和图4所示，此时第一端口15和第二端口16均关闭，下基座14与弹性薄膜4构成的腔室充满磁流变液。第i个滑动推杆2在第i个簧件3的作用下，第i个滑动推杆2的大部分伸出下基座14并处在下基座14与弹性薄膜4构成的腔室内；此时驱动器101未启动，拉膜件9处于松弛状态；其中，i＝1,2,…,40；i为自然数。
在该实施例对目标物体实施抓取时。该实施例在机械臂的带动下靠近放在支承面上的物体并对物体产生挤压。若装置内的滑动推杆2下方对应的弹性薄膜4的区域碰触到了物体，则该滑动推杆2会在目标物体的反作用力下相对于抓持装置向上滑动；而若滑动推杆2下方对应的弹性薄膜4的区域未碰触到目标物体，该滑动推杆2不会相对于抓持装置运动；由于不同的滑动推杆2在目标物体的挤压反作用力下产生了不同的滑动距离，故弹性薄膜4自适应地包裹住目标物体，如图9所示。
之后，线圈5通电，产生磁场，进而使磁流变液7固化；而由于滑动推杆2具有可弯曲的弹性，故滑动推杆2会受到弹性薄膜4的挤压而向该装置中部有一定程度的聚拢弯曲变形，进而在目标物体的侧面对目标物体产生了挤压力——即抓持力；在抓取过程中原理图如图9和图10所示；滑动推杆2的弯曲情况如图11、图12、图18和图19所示，在施加抓取力前时该装置与物体的三维外观如图13和图20所示；在施加抓取力后时该装置与物体的三维外观如图14和图21所示；整个抓取过程如图6至图8和图15至图17所示。
在该实施例与目标物体间产生局部低压区域和该实施例对目标物体产生了侧面挤压力后，该抓持装置在机械臂的运动下实现了对目标物体的抓取。
在释放物体时，停止线圈5导通，磁流变液7停止固化，恢复为液态；滑动推杆2可自由滑动，而后移开机器人手装置，第i个滑动推杆2在第i个簧件3的作用下也回复到伸出基座1最长的初始状态，并且由于滑动推杆2不再受到弹性薄膜4挤压，滑动推杆2恢复伸直的初始状态，进而对目标物体的抓取力消失，实现了对目标物体的释放。其中，i＝1,2,…,36；i为自然数。
在需要加入或更换磁流变液时，通过第一端口15、第二端口16和导管8从装置外部对密封于下基座14和弹性薄膜4间的磁流变液完成。
本实用新型装置采用多个滑动推杆、弹性薄膜、线圈、磁流变液和簧件等综合实现离散空间自适应抓取功能，利用多个滑动推杆实现对物体大小和形状的自适应功能，不需要根据物体的形状、大小调整该装置；利用线圈通电，使磁流变液固化，进而使多个滑动推杆向装置的中心弯曲变形，达到对物体的多点多向稳定抓持效果；该装置对不同方向放置的各种形状物体(如长条状物体)均可有效抓持；该装置中，所有的滑动推杆与通孔等较好地封闭在了装置内部，因此该装置适合在比较恶劣(如存在较多粉尘、飞絮)的工作环境中使用；由于实现了多向抓取，能够在多个方向对目标物体提供抓持力，因此抓持稳定性高。该装置结构简单，可靠性好，适用范围广。
Claims (3)
1.一种磁流变液杆簇自适应手装置，包括基座(1)和K个滑动推杆(2)；每个所述滑动推杆(2)的一端滑动镶嵌在基座(1)中且滑动方向与该滑动推杆(2)的中心线平行，所有所述滑动推杆(2)的中心线相互平行；其特征在于：该磁流变液杆簇自适应手装置还包括弹性薄膜(4)、线圈(5)、磁流变液(7)和K个簧件(3)；所述基座(1)包括K个通孔(11)；部分或全部所述滑动推杆(2)采用有弯曲弹性的柔性杆，所述柔性杆受力可弯曲且不受力时可复原；所述第i个簧件(3)的两端分别连接基座(1)与第i个滑动推杆(2)；所有所述滑动推杆(2)的一端均从基座(1)的同一侧伸出；所述弹性薄膜(4)可变形，所述弹性薄膜(4)具有开口，所述弹性薄膜(4)包裹所有滑动推杆(2)伸出基座(1)的部分，所述弹性薄膜(4)的开口密封固接在基座(1)上；所述弹性薄膜(4)与基座(1)构成一个对磁流变液(7)密封的腔室，磁流变液(7)密封在所述腔室中；所述线圈(5)可导电，缠绕在基座(1)周围；其中，K为大于3的自然数；i＝1,2,…,K；i为自然数。
2.如权利要求1所述的磁流变液杆簇自适应手装置，其特征在于：所述弹性薄膜(4)由柔性可排空的材料制成。
3.如权利要求1所述的磁流变液杆簇自适应手装置，其特征在于：所述滑动推杆包括至少一个杆件(21)和至少一个可弯曲的弹性件(22)；所述杆件(21)和弹性件(22)串联在一起。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20161214 Termination date: 20190531 |