CN215920524U

CN215920524U - 刚柔耦合运动抓取装置

Info

Publication number: CN215920524U
Application number: CN202122200353.4U
Authority: CN
Inventors: 马惠臣; 常世隆; 侯保斌; 郝禹齐; 王有湛; 刘思语; 周俊杰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2031-09-13

Abstract

本实用新型公开刚柔耦合运动抓取装置，包括：柔性机器人，包括柔性臂和设置在柔性臂的第一端上的多根柔性手指；刚性机器人，包括承载底盘和安装在承载底盘上的全方向运动轮；所述柔性臂的第二端设置在刚性机器人的承载底盘上；通过驱动全方向运动轮运转带动承载底盘及柔性机器人实现全方向运动，通过控制柔性机器人的驱动源实现柔性臂带动柔性手指运动至目标位置并执行抓取动作。本实用新型提出了刚柔耦合运动抓取装置，将柔机器人与刚性机器人相结合，既具备柔机器人的柔性臂的高自由度，柔性手指能够抓握复杂对象的优势，又具备刚性机器人能够突破活动范围的限制。

Description

刚柔耦合运动抓取装置

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体的涉及刚柔耦合运动抓取装置。

背景技术

传统的运动抓取平台大多由刚性材料制成，具有结构相对复杂、高精度的特点，但复杂、笨重的刚性结构难以适应一些复杂环境的要求，且人机交互性较差，尤其在一些特定工况下，例如医疗保健、复杂地形勘探等领域。

柔性机器人能够仿生自然界中软体动物的运动，采用硅胶或橡胶等柔性材料，凭借材料的柔顺性和适应性，使得柔性机器人具有较强的复杂环境适应能力以及人机交互的亲和性，从而更符合作业的要求。但是柔性机器人大多选择气体或者液体作为驱动介质，在单独作用时，运动平台活动范围受到一定的限制。

有鉴于此，本实用新型旨在同时解决抓取机器人活动范围受限与复杂环境适用性差、人机交互性差的问题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了刚柔耦合运动抓取装置，将柔机器人与刚性机器人相结合，既具备柔机器人的柔性臂的高自由度，柔性手指能够抓握复杂对象的优势，又具备刚性机器人能够突破活动范围的限制，具体技术方案如下：

本实用新型提供了刚柔耦合运动抓取装置，包括：

柔性机器人，包括柔性臂和设置在柔性臂的第一端上的多根柔性手指；

刚性机器人，包括承载底盘和安装在承载底盘上的全方向运动轮；

所述柔性臂的第二端设置在刚性机器人的承载底盘上；

通过驱动全方向运动轮运转带动承载底盘及柔性机器人实现全方向运动，通过控制柔性机器人的驱动源实现柔性臂带动柔性手指运动至目标位置并执行抓取动作。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的柔性臂包括：

支撑底座，所述的支撑底座安装在刚性机器人的承载底盘上；

柔性臂体，其第二端的端部固定安装在所述支撑底座上，所述柔性臂体内具有多个用于驱动源流通的臂驱动源腔；

及驱动源连接管，设置在支撑底座上，分别与柔性臂体内的各臂驱动源腔对应连通。

作为本实用新型的可选实施方式，所述柔性臂体的中心设置沿轴向贯通的中心空腔，所述的臂驱动源腔包括多个，环绕在中心空腔外周且沿柔性臂体的轴向贯通。

作为本实用新型的可选实施方式，所述柔性臂体内还设置多个减重空腔，所述的减重空腔环绕在中心空腔外周且沿柔性臂体的轴向贯通；所述的减重空腔与臂驱动源腔依次交替排布。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的柔性手指由柔性材料制成且延伸一定长度，所述柔性手指内的第一侧具有沿轴向延伸的指驱动源腔，柔性手指内的第二侧具有沿轴向延伸设置的硬质弹性体，所述的第一侧与第二侧分别位于柔性手指的中心轴线的相对两侧。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的柔性手指由硅胶材料制成的硅胶手指，所述的指驱动源腔为沿硅胶手指轴向延伸的气体腔，所述的硬质弹性体为具有一定长度的碳纤维板，所述的碳纤维板与硅胶手指注塑为一体结构。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的柔性机器人包括设置在柔性臂的第一端上的连接夹具，所述的多根柔性手指分别安装在所述连接夹具上。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的连接夹具包括连接盘和周向环绕设置在连接盘上的多个连接口，所述柔性手指分别连接在所述连接口上，所述的柔性臂内具有驱动源通道，所述的连接口分别与驱动源通道、指驱动源腔相连通。

作为本实用新型的可选实施方式，所述的全方向运动轮为麦克纳姆轮。

作为本实用新型的可选实施方式，本实用新型的刚柔耦合运动抓取装置还包括设置在承载底盘上的驱动控制集成系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的刚柔耦合运动抓取装置由柔性机器人和刚性机器人构成，柔性机器人具有高自由度，具有较强的环境适应性和人机交互性。刚性机器人能够装备驱动设备，携带柔性机器人突破活动范围的限制。本实用新型的刚柔耦合运动抓取装置运动形式简洁明了、制造简便、操作简单、可实现复杂运动。

本实用新型的柔性臂体采用可承受较大变形的柔性材料制造而成，例如硅胶，柔性臂的驱动源采用气体或者液体，所述柔性臂体内具有的多个用于驱动源流通的臂驱动源腔为臂气体腔或者臂液体腔，通过控制不同臂气体腔或者臂液体腔内的气压或者液压大小来控制柔性臂的弯曲方向。

本实用新型的柔性手指内的指驱动源腔呈偏心设置，柔性手指内与指驱动源腔相对侧设置硬质弹性体，硬质弹性体保持柔性手指的伸展状态，在向指驱动源腔内通入驱动源进行增压时，柔性手指的指驱动源腔侧压迫硬质弹性体侧使其弯曲，实现抓取状态。

附图说明：

图1本实用新型刚柔耦合运动抓取装置的整体结构示意图；

图2本实用新型刚柔耦合运动抓取装置的柔性手指的结构示意图；

图3本实用新型刚柔耦合运动抓取装置的柔性臂的结构示意图；

图4本实用新型刚柔耦合运动抓取装置的柔性机器人抓取目标物体的示意图。

附图中的标号说明：1-柔性手指101-指驱动源腔102-硬质弹性体2-连接夹具3-柔性臂301-柔性臂体302-支撑底座303-驱动源连接管304-中心空腔305-减重空腔306-臂驱动源腔4-驱动控制集成系统5-承载底盘6-全方向运动轮7-目标物体。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的部分实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1至图4所示，本实施例提供刚柔耦合运动抓取装置，包括：

柔性机器人，包括柔性臂3和设置在柔性臂3的第一端上的多根柔性手指1；

刚性机器人，包括承载底盘5和安装在承载底盘上的全方向运动轮6；

所述柔性臂3的第二端设置在刚性机器人的承载底盘5上；

通过驱动全方向运动轮6运转带动承载底盘5及柔性机器人实现全方向运动，通过控制柔性机器人的驱动源实现柔性臂3带动柔性手指1运动至目标位置并执行抓取动作。

作为本实用新型的可选实施方式，参见图3所示，本实施例所述的柔性臂3包括：

支撑底座302，所述的支撑底座302安装在刚性机器人的承载底盘5上；

柔性臂体301，其第二端的端部固定安装在所述支撑底座302上，所述柔性臂体301内具有多个用于驱动源流通的臂驱动源腔306；

及驱动源连接管303，设置在支撑底座302上，分别与柔性臂体301内的各臂驱动源腔对应连通。

本实施例的柔性臂体301采用可承受较大变形的柔性材料制造而成，例如硅胶，柔性臂的驱动源采用气体或者液体，所述柔性臂体301内具有的多个用于驱动源流通的臂驱动源腔306为臂气体腔或者臂液体腔，通过控制不同臂气体腔或者臂液体腔内的气压或者液压大小来控制柔性臂301的弯曲方向。

本实施例的支撑底座302可采用硬质注塑材料制备而成。

作为本实施例的可选实施方式，本实施例所述柔性臂体301的中心设置沿轴向贯通的中心空腔304，所述的臂驱动源腔306包括多个，环绕在中心空腔304外周且沿柔性臂体301的轴向贯通。

本实施例的中心空腔304主要为柔性臂体301弯曲提供形变空间，以使柔性臂体301具有更大的弯曲形变角度，而且中心空腔304的设置可以节省材料，减轻柔性臂体301的整体重量。

本实施例的臂驱动源腔306环绕在中心空腔304外周设置，通过在不同的臂驱动源腔306内进行增压、减压实现柔性臂体301在各个方向以及各个角度上的弯曲。

进一步地，本实施例所述柔性臂体301内还设置多个减重空腔305，所述的减重空腔305环绕在中心空腔304外周且沿柔性臂体301的轴向贯通；所述的减重空腔305与臂驱动源腔306依次交替排布。本实施例的减重空腔305可节省柔性臂体301的材料，减轻柔性臂体301的整体重量。

作为本实施例的可选实施方式，参见图2所示，本实施例所述的柔性手指1由柔性材料制成且延伸一定长度，所述柔性手指1内的第一侧具有沿轴向延伸的指驱动源腔101，柔性手指1内的第二侧具有沿轴向延伸设置的硬质弹性体102，所述的第一侧与第二侧分别位于柔性手指1的中心轴线的相对两侧。

本实施例柔性手指1内的指驱动源腔101呈偏心设置，柔性手指1内与指驱动源腔101相对侧设置硬质弹性体102，硬质弹性体102保持柔性手指1的伸展状态，在向指驱动源腔101内通入驱动源进行增压时，柔性手指的指驱动源腔侧压迫硬质弹性体侧使其弯曲，实现抓取状态。

本实施例的柔性手指1采用可承受较大变形的柔性材料制造而成，例如硅胶，柔性手指1的驱动源采用气体或者液体，所述柔性臂体301内具有偏心设置的用于驱动源流通的指驱动源腔101为指气体腔或者指液体腔，通过控制指气体腔或者指液体腔内气压或者液压的增压和泄压来控制柔性手指1的弯曲和伸展。

作为本实施例的可选实施方式，本实施例所述的柔性手指1由硅胶材料制成的硅胶手指，所述的指驱动源腔101为沿硅胶手指1轴向延伸的气体腔，所述的硬质弹性体102为具有一定长度的碳纤维板，所述的碳纤维板与硅胶手指1注塑为一体结构。

作为本实施例的可选实施方式，参见图1所示，本实施例所述的柔性机器人包括设置在柔性臂3的第一端上的连接夹具2，所述的多根柔性手指1分别安装在所述连接夹具2上。

具体地，本实施例所述的连接夹具2包括连接盘和周向环绕设置在连接盘上的多个连接口，所述柔性手指1分别连接在所述连接口上，所述的柔性臂2内具有驱动源通道，所述的连接口分别与驱动源通道、指驱动源腔相连通。

作为本实施例的可选实施方式，参见图1所示，本实施例所述的全方向运动轮为麦克纳姆轮。

麦克纳姆轮全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个麦克纳姆轮进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

本实施例的刚柔耦合运动抓取装置基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

参见图1所示，本实施例的刚柔耦合运动抓取装置还包括设置在承载底盘上的驱动控制集成系统4。驱动控制集成系统4包括电机、液(气)压泵、液(气)压阀，作为柔性机器人的驱动源；同时集成控制板、单片机对柔性抓手、柔性臂进行运动控制。

在加工制造方面，本实施例所设计的柔性机器人主要采用多步成型工艺，分步制作柔性手指和柔性臂两部分：

第一步，柔性手指和柔性臂模具的增材制造。采用ABS材料3D打印制造出底座、弹性气腔模具、铸模外壳和中心棒的模具。其中，弹性气腔模具外侧涂抹厚度1.5mm的低硬度二氧化硅凝胶。

第二步，采用凯夫拉线双螺旋缠绕包裹弹性气腔。目的是抑制气腔在充入流体时的径向膨胀。

第三步，铸造柔性机器人的主体部分。首先将柔性手指和柔性臂的模具分别组装，将纤维包裹的弹性气腔、铸模外壳和中心棒等分比如插入相应底座的相应定位孔中；然后采用低硬度硅树脂分别浇灌，固化后将铸模外壳、中心棒和底座拆离。

第四步，将柔性手指和柔性臂气腔端部封装。首先将高硬度树脂铸造的气动接头和快换接头用胶水粘在气腔端部，然后用硅胶粘合剂将高硬度硅胶铸造的顶盖固定在上方进行密封。

柔性机器人的组装方式如图1所示，柔性手指分别接入四个连接口中，柔性臂与夹具的另一端相连，形成柔性机器人。

本实施例的刚柔耦合运动抓取装置动作实施方式：

本实施例的刚柔耦合运动抓取装置的运动分为两个部分，一是刚性机器人部分全方位移动，二是柔性机器人部分抓取动作。刚性机器人部分由驱动电机带动麦克纳姆轮转动，根据不同的驱动参数，可以实现前行、后退、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。柔性机器人部分抓取动作以图4为例，可分为柔性手指和柔性臂两部分。当驱动柔性手指内气体腔充气，手指向内弯曲，与目标物体7表面接触，实现抓取动作如图4右图所示，当气体腔内气体卸荷或抽出，碳纤维板的弹性使柔性手指恢复原状。当驱动柔性臂内三个气体腔充气，根据三个气体腔内气体压力差别，可以驱动柔性臂向任意方向弯曲，带动柔性手指接触到目标物体7，如图4右图所示，当腔内气体卸荷或抽出，柔性臂恢复原状。综合上述运动，即可实现刚柔耦合运动抓取装置全方位移动的抓取动作。

本实施例的刚柔耦合运动抓取装置采用刚柔耦合形式，将刚性机器人移动的刚性运动和柔性机器人弯曲抓取的柔性运动相结合。柔性机器人部分将全方位运动的柔性臂和能够抓取复杂对象的柔性手指相结合，原理为对内部有绕线编制层的硅胶结构进行充气，从而实现不同的抓取动作。

以上实施例仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但本实用新型不局限于上述具体实施方式，因此任何对本实用新型进行修改或等同替换；而一切不脱离实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，包括：

所述柔性臂的第二端设置在刚性机器人的承载底盘上；

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的柔性臂包括：

3.根据权利要求2所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述柔性臂体的中心设置沿轴向贯通的中心空腔，所述的臂驱动源腔包括多个，环绕在中心空腔外周且沿柔性臂体的轴向贯通。

4.根据权利要求3所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述柔性臂体内还设置多个减重空腔，所述的减重空腔环绕在中心空腔外周且沿柔性臂体的轴向贯通；所述的减重空腔与臂驱动源腔依次交替排布。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的柔性手指由柔性材料制成且延伸一定长度，所述柔性手指内的第一侧具有沿轴向延伸的指驱动源腔，柔性手指内的第二侧具有沿轴向延伸设置的硬质弹性体，所述的第一侧与第二侧分别位于柔性手指的中心轴线的相对两侧。

6.根据权利要求5所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的柔性手指由硅胶材料制成的硅胶手指，所述的指驱动源腔为沿硅胶手指轴向延伸的气体腔，所述的硬质弹性体为具有一定长度的碳纤维板，所述的碳纤维板与硅胶手指注塑为一体结构。

7.根据权利要求5所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的柔性机器人包括设置在柔性臂的第一端上的连接夹具，所述的多根柔性手指分别安装在所述连接夹具上。

8.根据权利要求7所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的连接夹具包括连接盘和周向环绕设置在连接盘上的多个连接口，所述柔性手指分别连接在所述连接口上，所述的柔性臂内具有驱动源通道，所述的连接口分别与驱动源通道、指驱动源腔相连通。

9.根据权利要求1所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，所述的全方向运动轮为麦克纳姆轮。

10.根据权利要求1所述的刚柔耦合运动抓取装置，其特征在于，还包括设置在承载底盘上的驱动控制集成系统。