流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置的制作方法

本实用新型属于机器人手技术领域，特别涉及一种流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置的结构设计。

背景技术：

机器人手在机器人领域中有广泛的用途，用于机器人与物体之间建立临时的连接和固定关系，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，以便于简单地实现抓取和释放的功能。也有许多模仿人手的结构，设计更多的手指和手指上的若干关节，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物体的形状与大小，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。

peterb.scott在文献(peterb.scott,“the’omnigripper’:aformofrobotuniversalgripper”,robotica,vol.3:pp153-158,1985)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的结构，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，各长杆由于物体形状向手掌内的滑动距离不同；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)抓持稳定性有待提高。该装置仅采用两组杆簇集合合拢而产生的抓持力对目标物体进行抓取，缺少较好的包络式形封闭抓取效果。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，因此抓取稳定性以达到形封闭为最好。

(5)抓取物体时各杆的夹持力不均匀。该装置采用两组杆簇平动合拢的方式夹取物体，夹取物体时每组杆簇中最先接触到物体的杆将受到最大的侧向力，最后接触到物体的杆受到的力最小。因此抓持物体的杆所受的夹持力将不均匀，特别是抓取刚性较大物体的时候。这样就可能导致最先接触物体的杆产生弯曲变形。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置。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(包括长条状)物体均可有效抓持；由于流体驱动、膜皮收缩，使得抓持力较为均匀，抓取效果好；结构简单、抓持快速、抓取物体耗时短；适合在比较恶劣的工作环境中使用，长期使用的可靠性好，使用寿命长、抓持稳定性高。

本实用新型的目的是采用以下技术方案来实现。依据本实用新型提出的一种流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置，包括基座、k个套管、k个簧件、k个限位块和k个滑动推杆；第i个滑动推杆滑动套接在第i个套管中，第i个滑动推杆在相应套管中的滑动方向与该套管的中心线平行；第i个簧件的两端分别连接第i个套管与第i个滑动推杆，第i个簧件使得第i个滑动推杆倾向于离开第i个套管；第i个限位块与第i个套管固接，在初始位置时在第i个簧件的弹力下第i个滑动推杆与第i个限位块接触，第i个限位块限制第i个滑动推杆沿离开第i个套管的方向滑动的极限位置；在初始位置时，所有滑动推杆的中心线相互平行；该流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置还包括膜皮、m个腱绳、夹紧圈、流体和流体驱动源；所述基座包括至少一个端口；所述流体驱动源与端口相连通；所述夹紧圈将膜皮固接在基座上；所述膜皮可变形，膜皮上有k个通孔，第i个套管套固在第i个通孔中；所有所述滑动推杆的一端均从套管的同一侧伸出；所述膜皮的一侧、基座的内壁和所有套管的外表面构成密封的腔室，所述流体存在于腔室中；m个腱绳设置在腔室中，所述腱绳的两端分别连接基座的内壁和膜皮的表面；在初始位置时腔室内充满流体；所述腱绳的长度设置为在初始位置时使膜皮下表面保持平面的长度；其中，k为大于2的自然数；i＝1,2…,k；i为自然数；m为大于0的自然数。

进一步的，所述流体驱动源采用可逆作用泵。

进一步的，所述流体为液体。

进一步的，所述液体为水。

进一步的，所述膜皮采用柔性材料制作。

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、可变形的膜皮与流体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；利用流体排出时膜皮收缩，使多个滑动推杆向中心聚拢，达到对物体的多向柔性夹持效果，且抓持力均匀，抓持稳定性高；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可实现有效抓持；该装置仅需要一套杆簇和流体驱动器，因此结构简单；仅需从膜皮、基座和套管构成的腔室中抽出流体，就可以轻松让滑动推杆向中心倾斜和聚拢，多个推杆从而达到夹持物体的目的，因此能耗低、抓持快速、耗时短。该装置结构简单，使用的可靠性好，使用寿命长；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。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型提供的流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置的一种实施例的立体图。

图2是图1所示实施例的正视图。

图3是图1所示实施例的仰视图。

图4是图1所示实施例的剖视图。

图5和图6是图1所示实施例抓取球状目标物体的过程示意图。

图7是图1所示实施例抓取球状目标物体的三维外观图。

图8是图1所示实施例抓取球状目标物体的剖视图。

图9是图1所示实施例抓取长条状目标物体的过程示意图。

【附图标记】

1-基座，100-端口，2-流体，3-套管，4-簧件，

5-夹紧圈，6-膜皮，7-限位块8-滑动推杆，9-球形物体，

10-长条状物体，11-腱绳。

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流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置，包括基座、k个套管、k个簧件、k个限位块和k个滑动推杆；第i个滑动推杆滑动套接在第i个套管中；第i个滑动推杆在相应的套管中的滑动方向与该套管的中心线平行；第i个簧件的两端分别连接第i个套管与第i个滑动推杆；第i个簧件使得第i个滑动推杆倾向于离开第i个套管；第i个限位块与第i个套管固接；在初始位置时在第i个簧件的弹力下第i个滑动推杆与第i个限位块接触；第i个限位块限制第i个滑动推杆沿离开第i个套管的方向滑动的极限位置；在初始位置时，所有滑动推杆的中心线相互平行。该流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置还包括膜皮、m个腱绳、夹紧圈、流体和流体驱动源；所述基座包括至少一个端口；所述流体驱动源与端口相连通；所述夹紧圈将膜皮固接在基座上；所述膜皮上有k个通孔；第i个套管套固在第i个通孔中；所有所述滑动推杆的一端均从套管的同一侧伸出；所述膜皮可变形；所述膜皮的一侧、基座的内壁和所有套管的外表面构成密封的腔室，所述流体存在于腔室中；m个腱绳设置在腔室中，所述腱绳的两端分别连接基座的内壁和膜皮的表面；在初始位置时腔室充满流体；所述腱绳的长度设置为在初始位置时使膜皮下表面保持平面的长度；所述膜皮采用柔性材料；其中，k为大于2的自然数；i＝1,2…,k；i为自然数；m为大于0的自然数。

取k＝34，m＝9，则有：

本实用新型设计的流体驱动膜皮收缩杆阵自适应机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4所示，本实施例定义端口所在的位置为“上”、滑动推杆所在的位置为“下”。本实施例包括基座1、34个套管3、34个簧件4、34个限位块7和34个滑动推杆8；第i个滑动推杆8滑动套接在第i个套管3中，第i个滑动推杆8在相应的套管中的滑动方向与该套管3的中心线平行；第i个簧件4套装于第i个套管3内，其两端分别连接第i个套管3与第i个滑动推杆8，第i个簧件4使得第i个滑动推杆8倾向于离开第i个套管3；第i个限位块7与第i个套管3的下端固接，在初始位置时在第i个簧件的弹力下第i个滑动推杆8与第i个限位块7接触，第i个限位块7限制第i个滑动推杆8滑动到下方的极限位置，防止第i个滑动推杆从相应的第i个套管中脱落；在初始位置时，34个滑动推杆的中心线相互平行并构成多层圆周阵列。本实施例还包括膜皮6、9个腱绳11、夹紧圈5、流体2和流体驱动源；所述基座1包括位于上表面的一个端口100；所述流体驱动源与端口100相连通；所述基座1的下端设为开口状，所述夹紧圈5将膜皮6以密封的形式固接在基座1的下端；所述膜皮6上有呈圆周阵列分布的34个通孔；第i个套管3套固在第i个通孔中并位于基座1内；34个滑动推杆8的下端均从相应套管的下侧伸出；所述膜皮6可变形；所述膜皮6的上侧、基座1的内壁和34个套管的外表面构成密封的腔室，所述流体存在于腔室中；9个腱绳11设置在腔室中，所述腱绳11的两端分别连接基座1的内壁上表面和膜皮6的上表面；在初始位置时腔室充满流体；所述腱绳11的长度设置为在初始位置时使膜皮下表面保持平面的长度；所述膜皮采用柔性材料；其中，i＝1,2,3…,34；i为自然数。

本实施例中，所述流体驱动源采用泵，具体为可逆作用泵。

本实施例中，所述流体2为液体，具体为水。

本实施例中，所述限位块7包括筒状体、设置于筒状体下端的挡沿，安装时第i个限位块7的挡沿与第i个套管3的下端形成挡止配合；第i个滑动推杆8的上端设有用于和筒状体的上端形成挡止配合以限制第i个滑动推杆滑动到下方的极限位置的台阶。

本实施例中，所述膜皮6由乙烯基和弹性材料中的任意一种制成。

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，此时在第i个簧件的弹力下，第i个滑动推杆的大部分伸出第i个套管并处于膜皮、基座与套管构成的腔室外侧，其中i＝1,2,…,34。

在该实施例对目标物体实施抓取时，基座内壁与膜皮、套管构成一个密封腔室，腔室中充满水，此时膜皮在腱绳的作用下保持水平状态。当夹取物体时，该装置由机械臂带动靠近放在支撑面上的物体并对物体产生挤压，挤压力使得部分滑动推杆相对于装置向上滑动不同的距离以适应物体上方的表面形状，然后与基座端口上相连的流体驱动源开始工作，腔室中的流体减少，此时膜皮中心向所述腔室内凹形成中间高边缘低的凹面。此时膜皮通过套管带动滑动推杆，使滑动推杆向中间倾斜，滑动推杆呈现锥形聚拢，以此依靠滑动推杆从侧面实现了对物体形成自适应，从而实现从多方向对物体进行柔性夹持，抓取球形物体的动作过程如图5、图6、图7、图8所示，抓取长条状物体的动作过程如图9所示。

在释放物体时，与端口连接的流体驱动源开始工作，将流体充入基座、套管和膜皮组成的腔室中，当腔室慢慢被流体充满，膜皮由内凹逐渐变化至水平状态，所有的滑动推杆也从倾斜的锥形状态恢复成滑动推杆中心线之间相互平行的初始状态，进而对目标物体的抓取力消失，实现了对目标物体的释放。

本实用新型装置采用多个滑动推杆、可变形的膜皮与流体实现自适应柔性抓取功能，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，利用流体排出时膜皮收缩，使多个滑动推杆向中心聚拢，达到对物体的多向柔性夹持效果；该装置对不同方向放置的各种形状(包括长条状)物体均可有效抓持；该装置仅需要一套杆簇和流体驱动器，因此结构简单；仅需从腔室中抽出流体，就可以轻松让滑动推杆向中心聚拢从而达到夹持物体的目的，因此能耗低、抓持快速、耗时短；该装置结构简单，长期使用的可靠性好，使用寿命长；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。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的设计和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

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