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CN107457797B - 多孔双层流体自适应机器人手装置 - Google Patents

多孔双层流体自适应机器人手装置 Download PDF

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吴哲明
刘洪冰
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Abstract

多孔双层流体自适应机器人手装置，属于机器人手技术领域，包括基座、进气口、外部碗型支撑件、内部碗型支撑件、第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、活塞筒组件等。本发明装置利用气源提供的正负压、活塞筒组件、第一柔性薄膜上的小孔、多孔柔性材料、内部碗型支撑件、外部碗型支撑件和流体等综合实现了多维自适应主动式抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体；能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果，抓取稳定性高；该装置结合球形自适应手与吸盘的优点既可以适应有反作用面物体的抓取，也可以适应无反作用面的物体的抓取，抓取范围大，抓取重量高；该装置结构简单，成本低廉，控制容易。

Description

多孔双层流体自适应机器人手装置
技术领域
本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种流体驱动多维自适应机器人手装置的结构设计。
背景技术
机器人手是机器人操作使用的重要终端，机器人利用其手爪抓取物体或操纵(如移动、转动)物体。机器人的手可以模仿人手的动作原理来制造，这种模仿人手的机器人手已经被开发出来，一般具有多个手指，每个手指具有多个关节，这种手也称为拟人机器人手或多指机器人手。
多指机器人手又分为灵巧手和欠驱动手两大类，两类并不互相独立，前者是指具有3个以上手指和9个以上自由度的多指手，后者是指手上的驱动器数目少于关节自由度数目。
灵巧手非常先进，集成度很高，传感和控制系统复杂，具有较多的独立控制的关节自由度，能够灵巧的控制多个关节，完成不同的手势动作，能够主动地抓取物体。这方面部分典型代表包括：美国宇航局开发的Robonaut R2手，日本东京大学开发的三指快速机器人手，中国哈尔滨工业大学和德国宇航中心(DLR)联合研制的HIT-DLR-II手，英国Shadow公司研制的Shadow手……。但是，灵巧手在抓取控制上也带来非常繁琐的计算，实时控制要求高，制造和维护成本昂贵。
欠驱动手介于普通工业夹持器与灵巧手之间，是一种智能机械，抓取上采用机械的方式达到较少的驱动器驱动较多的关节自由度，而且能够自动适应抓取不同形状和尺寸的物体，传感和控制的需求少，近年来得到了较多的研究。已经有一些欠驱动手被开发出来，例如加拿大Laval大学、Robotiq公司、意大利Prensilia公司、荷兰Delft大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学、华中科技大学和中科院合肥智能机械研究所等机构都研究和开发了欠驱动机器人手。但是欠驱动手仍然是多指手，手指与物体的接触点局限在各指段表面，由于手指数量有限，每个手指上的指段数量有限，因此，无法做到更多的接触点，无法达到更多方向的自适应，抓取物体的自适应性和抓取范围受到较大的限制，抓取的稳定性还有待进一步提高。
在外观不模仿人手的特种机器人手方面，大量的工业应用采用吸盘、磁铁或静电吸附等方式抓取和操作物体。美国康奈尔大学研制了一种通用夹持器(美国发明专利US20130106127A1)，采用内盛大量小尺寸颗粒材料和气体的可变形膜皮去被动适应物体形状，并利用负压的方式抽气，大量颗粒材料滞留其中产生阻塞硬化，达到抓取不同形状尺寸物体的目的。该夹持器的不足之处在于：1)必须依靠外界环境给予物体的反作用力来达到膜皮的变形，不能拾取没有反作用面的物体(例如空中吊着的一个苹果)，该夹持器难以抓取。2)采用了大量的颗粒材料，颗粒材料的多少影响着抓取的效果，颗粒材料的磨损需要一定时间后更换。
德国FESTO公司研制了一种通用夹持器，采用内部盛有流体和柔性支撑件的凹杯状膜皮和膜皮末端的吸盘达去被动适应物体的形状，并利用负气压拉动活塞，将膜皮中的水抽入到活塞筒中，从而使膜皮主动变形以抓牢物体，达到到抓取不同形状物体的目的。该夹持器的不足之处在于：1)其末端吸盘吸力有限，无法夹持较重的物体。2)在膜皮变形的过程中其末端的吸盘容易变形，吸力吸力消失，从而导致抓取失败。
日本九州大学研制了一种通用机械手，命名为MRα手，采用内部盛有磁流变液体的膜皮去被动适应物体的形状，在膜皮适应物体形状后，将膜皮内的磁流变液体通入磁场，使磁流变液体固化从而使膜皮固定，达到抓取物体的目的。该夹持器的不足之处在于：1)必须依靠外界环境给予物体的反作用力来达到膜皮的变形，不能拾取没有反作用面的物体(例如空中吊着的一个苹果)，该夹持器难以抓取。2)磁流变材料价格昂贵，成本高。3)夹持器产生的磁场会干扰机器人控制器的电子元件，影响控制器的稳定性，而且磁场还可能干扰附近的无线通信。4)膜皮被动适应物体形状，磁流变液体处于不规则容器中，其内部磁场分布不均匀，磁流变液体的变化程度不均匀，影响抓取稳定性。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，结合吸盘与球形流体自适应手的优点，提出一种多孔双层流体自适应机器人手装置，该装置用于抓取物体，可以自动适应物体的形状、尺寸；能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果，抓取稳定性高；该装置既可以适应有反作用面物体的抓取，也可以适应无反作用面的物体的抓取，抓取范围大，抓取重量高；该装置结构简单，控制容易。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种多孔双层流体自适应机器人手装置，包括基座、气源、气口和第一柔性薄膜；所述第一柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第一柔性薄膜包括一个出口；所述基座与第一柔性薄膜相连，所述气口与气源相连通，所述气口设置在基座上，所述气口与第一柔性薄膜的内部相连通；其特征在于：该多孔双层流体自适应机器人手装置还包括活塞筒组件、第二柔性薄膜和流体；所述活塞筒组件包括套筒、活塞和弹簧，所述活塞滑动嵌套在套筒中，所述弹簧的两端分别连接活塞和套筒；所述第二柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第二柔性薄膜包括一个出口；所述第二柔性薄膜的出口与套筒密封相连；所述第一柔性薄膜有若干微孔；所述流体密封在套筒下方空间和第二柔性薄膜中；所述套筒的上方空间与外界大气相连通。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括内部碗型支撑件，所述内部碗型支撑件放置于第二柔性薄膜的出口和基体之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括外部碗型支撑件，所述外部碗型支撑件固连于第一柔性薄膜出口处。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括柔性多孔材料，所述柔性多孔材料放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括颗粒材料，所述颗粒材料放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括具有微孔的地毯，所述具有微孔的地毯放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为颗粒材料。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为水。
本发明装置利用气源提供的正负压、活塞筒组件、柔性薄膜上的小孔、多孔柔性材料、流体和流体等综合实现了多维自适应主动式抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体；能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果，抓取稳定性高；该装置结合球形自适应手与吸盘的优点既可以适应有反作用面物体的抓取，也可以适应无反作用面的物体的抓取，抓取范围大；该装置结构简单，控制容易，成本低。
附图说明
图1是本发明提供的的一种多孔双层流体自适应机器人手装置实施例的剖视图。
图2是图1所示实施例的正视图。
图3是图1所示实施例的左视图。
图4是图1所示实施例的立体外观图。
图5是图1所示实施例抓取物体时的立体外观图。
图6是图5的剖视图，此时，第二柔性薄膜中的水被挤入缸筒中，第二柔性薄膜上的微孔将物体吸住。
在图1至图6中：
1-基座，2-气口，3-外部碗型支撑件，4-第一弹性薄膜，
5-第二弹性薄膜，6-内部碗型支撑架，7-缸筒，8-弹簧，
9-活塞，10-柔性多孔材料，11-过滤器，12-微孔，
13-物体，14-流体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例进一步详细说明本发明的具体结构、工作原理及工作过程。
本发明所述的一种多孔双层流体自适应机器人手装置，包括基座、气源、气口和第一柔性薄膜；所述第一柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第一柔性薄膜包括一个出口；所述基座与第一柔性薄膜相连，所述气口与气源相连通，所述气口设置在基座上，所述气口与第一柔性薄膜的内部相连通；其特征在于：该多孔双层流体自适应机器人手装置还包括活塞筒组件、第二柔性薄膜和流体；所述活塞筒组件包括套筒、活塞和弹簧，所述活塞滑动嵌套在套筒中，所述弹簧的两端分别连接活塞和套筒；所述第二柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第二柔性薄膜包括一个出口；所述第二柔性薄膜的出口与套筒密封相连；所述第一柔性薄膜有若干微孔；所述流体密封在套筒下方空间和第二柔性薄膜中；所述套筒的上方空间与外界大气相连通。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括内部碗型支撑件，所述内部碗型支撑件放置于第二柔性薄膜的出口和基体之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括外部碗型支撑件，所述外部碗型支撑件固连于第一柔性薄膜出口处。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括柔性多孔材料，所述柔性多孔材料放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括颗粒材料，所述颗粒材料放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括具有微孔的地毯，所述具有微孔的地毯放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为颗粒材料。
本发明所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为水。
下面结合图5和图6，介绍本发明装置的工作原理，如下：
本实施例初始状态如图2所示，本实施例在机器人臂部的带动下与物体13发生接触，由于流体14具有很好的流动性，因此，对不规则形状的物体13具有较好的适应性，第一柔性薄膜4包覆在物体13的表面，具有较大的接触面积。此时，气源开始吸气，第一柔性薄膜4内产生负压，第一柔性薄膜4收缩带动柔性多孔材料10压迫第二柔性薄膜5将第二柔性薄膜5中的水挤入缸筒7中，与此同时，第一柔性膜4与物体13接触面上的微孔12在大气压的作用下将物体13吸牢，实现抓取。
当需要释放物体13时，使气源吹气，第一柔性膜4内产生正压力，第一柔性膜4膨胀，弹簧8推动活塞9将缸筒7内的流体推入第二柔性薄膜5内，第二柔性薄膜5膨胀带动柔性多孔材料10推动第一柔性薄膜4，使其恢复原始形状，物体被释放。
本发明装置利用气源提供的正负压、活塞筒组件、柔性薄膜上的小孔、多孔柔性材料、流体和流体等综合实现了多维自适应主动式抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体；能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果，抓取稳定性高；该装置结合球形自适应手与吸盘的优点既可以适应有反作用面物体的抓取，也可以适应无反作用面的物体的抓取，抓取范围大；该装置结构简单，控制容易。

Claims (4)

1.一种多孔双层流体自适应机器人手装置，包括基座、气源、气口和第一柔性薄膜；所述第一柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第一柔性薄膜包括一个出口；所述基座与第一柔性薄膜相连，所述气口与气源相连通，所述气口设置在基座上，所述气口与第一柔性薄膜的内部相连通；其特征在于：该多孔双层流体自适应机器人手装置还包括活塞筒组件、第二柔性薄膜和流体；所述活塞筒组件包括套筒、活塞和弹簧，所述活塞滑动嵌套在套筒中，所述弹簧的两端分别连接活塞和套筒；所述第二柔性薄膜为可变形材料制作的中空结构，所述第二柔性薄膜包括一个出口；所述第二柔性薄膜的出口与套筒密封相连；所述第一柔性薄膜有若干微孔；所述流体密封在套筒下方空间和第二柔性薄膜中；所述套筒的上方空间与外界大气相连通；所述第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间放置柔性多孔材料或颗粒材料；还包括内部碗型支撑件、外部碗型支撑件，所述内部碗型支撑件放置于第二柔性薄膜的出口和基体之间，所述外部碗型支撑件固连于第一柔性薄膜出口处。
2.如权利要求1所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：还包括具有微孔的地毯，所述具有微孔的地毯放置于第一柔性薄膜与第二柔性薄膜之间。
3.如权利要求1所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为颗粒材料。
4.如权利要求1所述的多孔双层流体自适应机器人手装置，其特征在于：所述流体为水。
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