腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置的制造方法
【專利摘要】腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，包括基座、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、顆粒材料、過濾層、彈性薄膜和流體。通過拉動第一拉膜件和第二拉膜件，彈性薄膜向上方凹陷變形，彈性薄膜包裹物體并自適應(yīng)貼合物體外形，部分流體在受壓迫狀態(tài)進入通道件的上方，在彈性薄膜和物體之間可能形成密封的負壓區(qū)域，在流體壓力、大氣壓和彈性薄膜摩擦力的共同作用下，實現(xiàn)物體抓??；顆粒材料在彈性薄膜下方中的密度增加產(chǎn)生的固化效果會帶來更大的抓持力。該裝置實現(xiàn)了多維自適應(yīng)抓取功能，可以自動適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體；能夠?qū)崿F(xiàn)多個方向?qū)ξ矬w的適應(yīng)，抓取穩(wěn)定快速，結(jié)構(gòu)簡單。
【專利說明】
腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人用手爪(或夾持器)抓物體，因此，手爪是機器人的重要終端。模仿人手研制的機器人手稱為稱為擬人機器人手或多指機器人手，已經(jīng)有許多多指機器人手被研制出來，它們分別具有多個手指，各手指有多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。其中，最為簡單是二指夾持器(也稱為工業(yè)夾持器)，模仿了帶有二指手套的人手抓取(大拇指與四指開合)，或者類似于鳥喙銜取。它們在工業(yè)上被廣泛采用，可以實現(xiàn)對指定形狀、尺寸特殊物體很穩(wěn)定地抓取，結(jié)構(gòu)非常簡單，成本很低，不少殘疾人假手也因為二指夾持器的優(yōu)點而大量采用這種手爪。但是二指夾持器的適應(yīng)能力不強，不能去自動適應(yīng)不同形狀尺寸的物體。具有自適應(yīng)特性的抓取裝置可以有以下四大類:
[0003](I)多指靈巧手
[0004]模仿人手的機器人靈巧手具有9個以上(甚至多達20個左右)自由度、數(shù)十個傳感器和復雜的控制原理。靈巧手有獨立控制的關(guān)節(jié)，能主動控制各個關(guān)節(jié)，從而實現(xiàn)靈巧的動作，主動抓取不同形狀物體。從上世紀70年代以來，已經(jīng)有多個國家研制出非常知名的各種靈巧手，例如，Sal isbury手、Utah/MIT手、哈工大和德國宇航中心(DLR)的HIT/DLR系列手，北航的BH系列靈巧手，美國宇航局(NASA)的Robonaut R2手，英國Shadow機器人公司的Shadow系列手，東京大學的快速機器人手……。多指靈巧手結(jié)構(gòu)復雜，傳感與控制繁瑣，成本昂貴，目前暫還未推廣使用。
[0005](2)多指欠驅(qū)動手
[0006]欠驅(qū)動手是一種介于工業(yè)夾持器和多指多關(guān)節(jié)主動驅(qū)動手之間的機器人手，屬于智能機械范疇，利用機械方式達到傳感與控制的目的，實現(xiàn)了少量電機驅(qū)動多個關(guān)節(jié)的功能，比較吸引人的是它可以自動適應(yīng)不同形狀、尺寸物體，減少了傳感與控制需求。早在上世紀70年代，Hirose等人就設(shè)計出了一種自適應(yīng)欠驅(qū)動手，近十年來得到越來越多的關(guān)注。已經(jīng)開發(fā)出的欠驅(qū)動手有:加拿大Laval大學多連桿型的SARAH欠驅(qū)動手、意大利Prensilia公司的腱繩驅(qū)動的欠驅(qū)動手，哈工大、北航、上交大、華中科大和中科院合肥智能機械研究所等機構(gòu)都在欠驅(qū)動手方面成果斐然。
[0007]靈巧手和欠驅(qū)動手兩類并不互相獨立，前者是指具有3個以上手指和9個以上自由度的多指手，后者是指手上的驅(qū)動器數(shù)目少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)目。
[0008]但是靈巧手和欠驅(qū)動手都屬于多指機器人手，手指與物體的接觸受限于手指的數(shù)量和關(guān)節(jié)的數(shù)量，難以增加接觸點，自適應(yīng)能力還有限，抓取穩(wěn)定性有待提高。
[0009 ] (3)柔性表面的機器人手
[0010]在多指機器人手的指段表面增加柔性或彈性材料，可以獲得軟指面抓取效果，指面的適應(yīng)性得到很大提高，有利于抓取。但是由于手指指段的主體元件仍然是剛性的，因此僅可以獲得局部自適應(yīng)提高的效果，難以獲得整體自適應(yīng)效果。
[0011](4)軟體機器人手
[0012]在特種機器人手方面，相當多的工業(yè)手爪利用吸盤、磁鐵等方式抓取物體。但是其適應(yīng)面仍然有限。
[0013]美國康奈爾大學申請了一項通用夾持器專利(美國發(fā)明專利US20130106127A1)，所介紹的通用夾持器采用含有大量小顆粒的膜皮去適應(yīng)物體形狀，利用空氣壓縮機抽真空的方式，將膜皮內(nèi)的空氣抽走，留下的大量顆粒發(fā)生了顆粒阻塞硬化現(xiàn)象，從而仿佛長出了“手指”一般，可以自適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體。該通用夾持器的不足之處在于:采用抽氣的方式，需要較大功率的氣源，噪音大、能耗高、整個系統(tǒng)體積龐大，要有一段抽氣的時間，將幾乎所有的氣都抽完才算抓取完成，抓取不快速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，該裝置用于抓取物體，可以自動適應(yīng)物體的形狀、尺寸；能夠?qū)崿F(xiàn)多個方向?qū)ξ矬w的適應(yīng)，獲得多維自適應(yīng)效果;抓持力大，抓取穩(wěn)定快速;結(jié)構(gòu)簡單、控制容易O
[0015]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0016]本發(fā)明所述的一種腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:包括基座、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、顆粒材料、過濾層、彈性薄膜和流體;所述通道件與基座固接;所述驅(qū)動器與基座固接，所述驅(qū)動器的輸出軸與傳動機構(gòu)的輸入端相連，所述傳動機構(gòu)的輸出端與第二拉膜件的上端相連，所述第二拉膜件的下端、彈性薄膜的上端和第一拉膜件的上端固接;所述第一拉膜件的下端與彈性薄膜的下端固接;所述彈性薄膜為可變形的彈性材料制作的中空密封結(jié)構(gòu);所述彈性薄膜的一部分位于通道件的下方，所述彈性薄膜的另一部分位于通道件的內(nèi)部，所述彈性薄膜的一部分與通道件的內(nèi)壁相接觸;所述通道件包括至少I個通道;所述通道為中空的空腔結(jié)構(gòu)，所述通道具有下出口和上出口；當通道的數(shù)量大于I時，所有的所述通道中的空腔相互連通，從下向上不同所述通道的空腔的容積依次減小;所述流體密封在彈性薄膜中；所述第一拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述第二拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述過濾層設(shè)置在彈性薄膜中，將彈性薄膜的中部空腔分割為上部和下部;所述顆粒材料被放置在彈性薄膜的下部空腔中；所述過濾層設(shè)置有小孔，該小孔可以通過流體但是不能通過顆粒材料;所述過濾層具有柔性。
[0017]本發(fā)明所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述流體為水。
[0018]本發(fā)明所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述第一拉膜件的下端與彈性薄膜的下端的中心區(qū)域相連。
[0019]本發(fā)明所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。
[0020]本發(fā)明所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述顆粒材料包含由任何類型的金屬、絕緣固體或半導體固體構(gòu)成的小的、單個的固體顆?；蛭⒘Ｖ械娜我环N，包括一種或多種聚合物顆粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木肩、碎果殼、麥粒、玉米粉、金屬顆粒、鹽、種子中的任一種或者任意組合。
[0021]本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、顆粒材料、過濾層、彈性薄膜和流體等綜合實現(xiàn)了多維自適應(yīng)抓取功能，可以自動適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體，核心原理是:驅(qū)動器通過傳動機構(gòu)拉動第一拉膜件和第二拉膜件，彈性薄膜向通道件的上方和內(nèi)部不斷變形，在通道件的配合下，裝有流體的彈性薄膜包裹物體并自適應(yīng)貼合物體外形，部分流體在受壓迫狀態(tài)陸續(xù)進入狹窄的通道件中，流體反作用在所抓物體上，同時在彈性薄膜和物體之間可能形成密封的負壓區(qū)域，在流體壓力、大氣壓和彈性薄膜摩擦力的共同作用下，實現(xiàn)物體抓取;顆粒材料在彈性薄膜下方中的密度增加產(chǎn)生的固化效果會帶來更大的抓持力；該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多個方向?qū)ξ矬w的適應(yīng)，獲得多維自適應(yīng)效果;該裝置抓取穩(wěn)定快速，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明提供的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置的一種實施例的剖視圖。圖2是圖1所示實施例的立體外觀圖(未畫出連接用的螺釘)。圖3是圖1所示實施例抓取物體時的剖視圖。圖4是圖3的外觀圖。圖5是圖3的立體外觀圖。
[0023]在圖1至圖5中:
[0024]1-基座，11-基座套筒，12-電機支承件， 2-驅(qū)動器(電機)，
[0025]3-傳動機構(gòu)，31-減速器，32-聯(lián)軸器，33-轉(zhuǎn)軸，
[0026]34-繞線筒， 4-通道件，41-通道，411-下出口，
[0027]412-上出口， 5-第一拉膜件， 6-第二拉膜件， 7_彈性薄膜，
[0028]8-流體，81-顆粒材料， 82-過濾層，9_物體。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖及實施例進一步詳細說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過程。
[0030]本發(fā)明設(shè)計的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置的一種實施例，如圖1和圖2所示，包括基座1、驅(qū)動器2、傳動機構(gòu)3、通道件4、第一拉膜件5、第二拉膜件6、顆粒材料81、過濾層82、彈性薄膜7和流體8;所述通道件4與基座I固接;所述驅(qū)動器2與基座I固接，所述驅(qū)動器2的輸出軸與傳動機構(gòu)3的輸入端相連，所述傳動機構(gòu)3的輸出端與第二拉膜件6的上端相連，所述第二拉膜件6的下端、彈性薄膜7的上端和第一拉膜件5的上端固接;所述第一拉膜件5的下端與彈性薄膜7的下端固接;所述彈性薄膜7為可變形的彈性材料制作的中空密封結(jié)構(gòu);所述彈性薄膜7的一部分位于通道件4的下方，所述彈性薄膜7的另一部分位于通道件4的內(nèi)部，所述彈性薄膜7的一部分與通道件4的內(nèi)壁相接觸;所述通道件4包括至少I個通道41;所述通道41為中空的空腔結(jié)構(gòu)，所述通道41具有下出口411和上出口412;當通道41的數(shù)量大于I時，所有的所述通道41中的空腔相互連通，從下向上不同所述通道41的空腔的容積依次減小;所述流體8密封在彈性薄膜7中；所述第一拉膜件5采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述第二拉膜件6采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合。本實施例中，所述第一拉膜件5采用腱繩;所述第二拉膜件6采用腱繩;所述過濾層82設(shè)置在彈性薄膜7中，將彈性薄膜7的中部空腔分割為上部和下部;所述顆粒材料81被放置在彈性薄膜7的下部空腔中；所述過濾層82設(shè)置有小孔，該小孔可以通過流體8但是不能通過顆粒材料81;所述過濾層82具有柔性。
[0031]所述基座I包括基座套筒11和電機支承件12，所述基座套筒11與電機支承件12固接，所述驅(qū)動器2固定安裝在電機支承件12上，所述通道件4的上部與基座套筒11固接。
[0032]本實施例中，所述流體8為水。所述第一拉膜件5的下端與彈性薄膜7的下端的中心區(qū)域相連。
[0033]本發(fā)明所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。本實施例中，所述驅(qū)動器2采用電機。
[0034]所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述顆粒材料包含由任何類型的金屬、絕緣固體或半導體固體構(gòu)成的小的、單個的固體顆?；蛭⒘Ｖ械娜我环N，包括一種或多種聚合物顆粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木肩、碎果殼、麥粒、玉米粉、金屬顆粒、鹽、種子中的任一種或者任意組合。本實施例中，所述顆粒材料為泡沫聚苯乙稀顆粒。
[0035]本實施例中，所述第一傳動機構(gòu)3包括減速器31、聯(lián)軸器32、轉(zhuǎn)軸33和繞線筒34;所述驅(qū)動器2的輸出軸與減速器31的輸入軸相連，所述減速器31的輸出軸通過聯(lián)軸器32與轉(zhuǎn)軸33相連，所述轉(zhuǎn)軸33套設(shè)在基座I中，所述繞線筒34套固在轉(zhuǎn)軸33上，所述第二拉膜件的上端與繞線筒固接，第二拉膜件纏繞在繞線筒上。
[0036]下面結(jié)合圖3、圖4和圖5，介紹本發(fā)明裝置的工作原理如下:
[0037]本實施例初始狀態(tài)如圖1所示，彈性薄膜的下部區(qū)域與物體相接觸，驅(qū)動器2轉(zhuǎn)動，通過第一傳動機構(gòu)3拉動第二拉膜件6向上運動，拉動第一拉膜件5向上運動，彈性薄膜7被第一拉膜件5和第二拉膜件6拉動變形，在通道件4的摩擦阻礙下，彈性薄膜7與通道件4相接觸的外側(cè)區(qū)域保持在通道件4附近，流體8密封在彈性薄膜7內(nèi)，流體8具有很好的流動性，彈性薄膜7的中心區(qū)域向上發(fā)生變形，本實施例在機器人臂部的運動下接觸物體9，繼續(xù)通過驅(qū)動器2拉動第一拉膜件5和第二拉膜件6，彈性薄膜7下部的變形加大，會在其下部形成一個愈加向內(nèi)凹陷的結(jié)構(gòu)，此時彈性薄膜7將包裹接觸物體9的局部，伸直將物體的局部包裹到彈性薄膜的下部空腔中，部分水在受壓迫狀態(tài)陸續(xù)進入狹窄的兩級通道，水反作用在所抓物體上，同時在彈性薄膜和物體之間形成負壓區(qū)域，在水壓力、大氣壓和彈性薄膜摩擦力的共同作用下，實現(xiàn)物體抓取。該裝置對不同形狀與尺寸的物體9具有較好的適應(yīng)性，從而可以實現(xiàn)抓取。
[0038]顆粒材料81位于流體8中，剛開始時顆粒材料81處于流態(tài)化(可流動的狀態(tài))；當?shù)谝焕ぜ?和第二拉膜件6向上拉動時，流體8向上經(jīng)過過濾層82流到上面的兩級通道中，顆粒材料81在彈性薄膜7的下方空腔中的密度會不斷增大，相互發(fā)生擠壓和摩擦頻繁，將出現(xiàn)顆粒阻塞的現(xiàn)象一一顆粒材料81的流動性減小，于是這種顆粒材料81之間的擠壓和摩擦產(chǎn)生的力會部分地施加到所抓持的物體9上，實現(xiàn)更好地抓持物體9的效果。
[0039]本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、顆粒材料、過濾層、彈性薄膜和流體等綜合實現(xiàn)了多維自適應(yīng)抓取功能，可以自動適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體，核心原理是:驅(qū)動器通過傳動機構(gòu)拉動第一拉膜件和第二拉膜件，彈性薄膜向通道件的上方和內(nèi)部不斷變形，在通道件的配合下，裝有流體的彈性薄膜包裹物體并自適應(yīng)貼合物體外形，部分流體在受壓迫狀態(tài)陸續(xù)進入狹窄的通道件中，流體反作用在所抓物體上，同時在彈性薄膜和物體之間可能形成密封的負壓區(qū)域，在流體壓力、大氣壓和彈性薄膜摩擦力的共同作用下，實現(xiàn)物體抓取;顆粒材料在彈性薄膜下方中的密度增加產(chǎn)生的固化效果會帶來更大的抓持力;該裝置抓取穩(wěn)定快速，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
【主權(quán)項】
1.一種腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:包括基座、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、顆粒材料、過濾層、彈性薄膜和流體;所述通道件與基座固接;所述驅(qū)動器與基座固接，所述驅(qū)動器的輸出軸與傳動機構(gòu)的輸入端相連，所述傳動機構(gòu)的輸出端與第二拉膜件的上端相連，所述第二拉膜件的下端、彈性薄膜的上端和第一拉膜件的上端固接;所述第一拉膜件的下端與彈性薄膜的下端固接;所述彈性薄膜為可變形的彈性材料制作的中空密封結(jié)構(gòu)；所述彈性薄膜的一部分位于通道件的下方，所述彈性薄膜的另一部分位于通道件的內(nèi)部，所述彈性薄膜的一部分與通道件的內(nèi)壁相接觸;所述通道件包括至少I個通道;所述通道為中空的空腔結(jié)構(gòu)，所述通道具有下出口和上出口；當通道的數(shù)量大于I時，所有的所述通道中的空腔相互連通，從下向上不同所述通道的空腔的容積依次減小;所述流體密封在彈性薄膜中；所述第一拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述第二拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述過濾層設(shè)置在彈性薄膜中，將彈性薄膜的中部空腔分割為上部和下部;所述顆粒材料被放置在彈性薄膜的下部空腔中；所述過濾層設(shè)置有小孔，該小孔可以通過流體但是不能通過顆粒材料;所述過濾層具有柔性。2.如權(quán)利要求1所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述流體為水。3.如權(quán)利要求1所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述第一拉膜件的下端與彈性薄膜的下端的中心區(qū)域相連。4.如權(quán)利要求1所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。5.如權(quán)利要求1所述的腱繩驅(qū)動顆粒阻塞的球形自適應(yīng)機器人手裝置，其特征在于:所述顆粒材料包含由任何類型的金屬、絕緣固體或半導體固體構(gòu)成的小的、單個的固體顆粒或微粒中的任一種，包括一種或多種聚合物顆粒、咖啡渣、淀粉、玻璃粉、沙、大米、木肩、碎果殼、麥粒、玉米粉、金屬顆粒、鹽、種子中的任一種或者任意組合。
【文檔編號】B25J15/00GK105881564SQ201610338866
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】馬藝妮, 張文增
【申請人】清華大學