机器人抓持器以及机器人结构 |
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| 申请号 | CN201680023416.2 | 申请日 | 2016-04-25 | 公开(公告)号 | CN108025443B | 公开(公告)日 | 2019-07-23 |
| 申请人 | 软机器人公司; | 发明人 | J·A·莱辛; R·R·克诺夫; D·V·哈伯格; C·E·沃斯; | ||||
| 摘要 | 示例 实施例 涉及对软 机器人 致动器 的各种改进，更具体地是将硬性体或刚性体集成至软机器人致动器以提供可调节的抓取性能。这些致动器可被用作机器人 末端执行器 以例如自动执行材料处理过程。根据一些实施例，致动器可与静态或动态的刚性结构例如杆结合使用。该刚性结构可在致动器旁边或致动器内延伸。致动器的侧边可配置多个刚性结构，或刚性结构的侧边可配置多个致动器。在另外的实施例中，致动器的阵列或矩阵可被集成至刚性结构，提供可被操作进入狭小空间的小轮廓抓持器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种机器人抓持器，包括： |
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| 说明书全文 | 机器人抓持器以及机器人结构[0001] 相关申请 技术领域[0003] 本申请大体涉及机器人领域，特别涉及具有集成的硬性或刚性体以提供可调节的抓取性能的新型软机器人致动器。 背景技术[0004] 机器人被应用于许多行业，例如制造业、工业应用以及医疗应用等。软机器人是机器人的发展领域，其提供了柔软的、适形的以及自适应的抓持器和致动器以使机器人能够以与人相似的方式与物体相互作用。特别地，这样的机器人能够以与人手相同的方式操作物体。 [0005] 传统地，软机器人已被用于与机器人系统一起抓持装配线上或仓库中的物体。例如，如果部件位于架子上、传送带上或者从架子被移到传送带上，末端执行器可以自适应地从各方向对物体进行拾取，例如“侧面拾取”或“从上向下拾取”。在每一个任务中，同一抓持器也可以像人手一样适应变化的物体。附图说明 [0007] 图2A-2C示出安装在可延伸杆的端部的示例软机器人致动器。 [0008] 图3A-3C示出具有被并入它们的内部结构的可延伸杆的示例软机器人致动器。 [0009] 图4A-4G示出示例性构造，其中成对的可延伸杆被放置接近致动器。 [0010] 图5A-5C示出适用于抓持各种类型和数量的物体的杆和致动器的构造。 [0011] 图6A-6C示出与可延伸杆相对的致动器。 [0012] 图7A-7C示出可调节的致动器和杆系统的示例。 [0013] 图8A-8B示出采用可调节增强带的机器人抓持器的示例。 [0014] 图9示出集成至刚性结构的致动器阵列的示例。 [0015] 图10A-10D示出处于未致动和致动的状态下的集成至刚性结构的致动器的示例。 [0016] 图11A-11C示出在刚性结构上排成阵列或矩阵的致动器的示例。 [0017] 图12A-12C示出包含集成至刚性结构的致动器阵列的示例机器人抓持器。 具体实施方式[0018] 示例实施例提供了软机器人组件，其中，软致动器与刚性结构结合使用。刚性结构可配置在靠近致动器的位置(例如，在致动器旁边)，可集成至致动器，或者该致动器可被集成至刚性结构。该刚性结构可提供与至少一部分致动器的膨胀相反的力，从而改变了致动器的弯曲轮廓，或者为致动器提供加固(或杠杆点)。替代地或附加地，该刚性结构可被用于延伸致动器能及的范围，或使致动器回缩入刚性结构内从而减小机器人抓持器的轮廓等。 [0019] 现在将参考附图详细地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。但本发明能以多种不同形式来实施且不应被视为受本文所述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开充分而完善，并将充分地向本领域技术人员传达本发明的范围。在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。 [0020] 软机器人抓持器的背景技术 [0021] 传统的机器人抓持器或致动器可能是价格昂贵的且不能在某些环境操作，其中待处理物体的重量、尺寸和形状的不确定性和多样性已经导致无法采用如过去那样的自动化解决方案。本申请描述了自适应、廉价、重量轻、可定制的并且易于使用的新型软机器人致动器的应用。 [0022] 软机器人致动器可由弹性材料例如橡胶或布置在构造成在压力下打开的手风琴式结构内的塑料薄壁或其它适用的相对软的材料形成。例如，它们可以通过将一片或多片弹性材料成型为期望的形状来产生。软机器人致动器可包括可被流体例如空气、水或盐水填充的中空内部以使该致动器膨胀并致动。在致动时，致动器的形状或轮廓会改变。在手风琴式致动器的情况下(下文进行更详细地描述)，致动可以使致动器弯曲或拉直成预定的目标形状。处于完全未致动形状和完全致动形状之间的一个或多个中间目标形状可通过使致动器局部地膨胀来实现。替代地或补充地，可利用真空来致动致动器以使膨胀流体流出致动器，从而改变致动器弯曲、扭转和/或延伸的程度。 [0023] 致动也可允许致动器在被抓持或被推动的物体上施加力。但是，与传统的硬机器人致动器不同，软致动器在被致动时保持自适形性，以使软致动器可以部分地或完全地适形于要被抓持的物体的形状。它们还可以在与物体碰撞时偏转，这在从一堆或箱子中取出物体时尤其相关，因为，致动器很可能与不是抓取目标的一堆物体中的相邻物体或箱子的边碰撞。此外，因为材料可容易地变形，所以所施加的力的大小可以可控的方式在整个更大表面区域分布。通过这种方式，软机器人致动器可抓持物体而不损坏它们。 [0024] 此外，软机器人致动器允许难以或不可能用传统硬机器人致动器实现的新型的运动或运动(包括弯曲、扭转、拉伸、收缩)或其组合。 [0025] 图1A-1D示出了示例性软机器人致动器。更具体地，图1A示出了软机器人致动器的部分侧视图。图1B示出了图1A中的部分俯视图。图1C示出了包括可被使用者操作的泵的软机器人致动器的部分侧视图。图1D示出了图1C所示部分的替代实施例。 [0026] 致动器可为如图1A所示出的软机器人致动器100，其可利用膨胀流体例如空气、水或盐水而膨胀。膨胀流体可经由膨胀装置120通过流体连接器118来提供。 [0027] 致动器100可处于未膨胀状态，其中在致动器100内存在基本与周围环境压力相同的有限量的膨胀流体。致动器100也可处于完全膨胀的状态，其中在致动器100内存在预定量的膨胀流体(预定量对应于致动器100待施加的预定的最大力或由膨胀流体施加到致动器100上的预定的最大压力)。致动器100也可处于完全真空的状态，其中所有的流体从致动器中流出，或处于部分真空的状态，其中部分流体存在于致动器100中，但是处于小于周围环境压力的压力。进一步，致动器100可处于部分膨胀的状态，其中致动器100包含少于在完全膨胀状态下存在的预定量的膨胀流体，但是多于没有膨胀或非常有限膨胀下的流体。 [0028] 在膨胀状态，致动器100表现出如图1A所示绕着中心轴线弯曲的趋势。为便于讨论，本发明定义了几个方向。如图1B所示，轴向穿过中心轴，致动器100围绕中心轴弯曲。径向方向在垂直于轴向的方向上、在由膨胀的致动器100构成的部分圆的半径方向上延伸。周向方向沿着膨胀的致动器100的外周延伸。 [0029] 在膨胀状态，致动器100可在径向上沿着致动器100的内周边缘施加力。例如，致动器100的远端尖端的内侧向内朝着中心轴施加力，这可被利用以允许致动器100抓持物体(可能与一个或更多的附加的致动器100相结合)。由于致动器100所使用的材料以及通常的结构，软机器人致动器100可在膨胀时保持相对地适形。 [0030] 致动器100可由允许相对软或带适形结构的一种或多种弹性材料构成。根据应用，弹性材料可以从一组食品安全的、生物相容的或医疗安全的、食品药品监督管理局(FDA)批准的材料中选择。致动器100可采用符合药品生产质量管理规范(“GMP”)的设备来加工。 [0032] 致动器100可包括一个或多个手风琴式延伸部104。该手风琴式延伸部104允许致动器100在膨胀时弯曲或挠曲，从而有助于限定致动器100在处于膨胀状态时的形状。手风琴式延伸部104包括一系列的脊106和槽108。手风琴式延伸部104的尺寸与脊106和槽108的布置可改变以得到不同的形状或延伸轮廓。 [0033] 虽然图1A-1D中示例致动器在展开时呈“C”形或椭圆形，但是本领域普通技术人员将会认识到本发明不仅限于此。通过改变致动器100主体的形状或手风琴式延伸部104的尺寸、位置或形态，可获得不同的尺寸、形状和形态。而且，改变提供给致动器100的膨胀流体的量允许牵拉器呈在未膨胀状态和膨胀状态之间的一个或多个中间尺寸或形状。因此，单独的致动器100通过改变膨胀量在尺寸和形状方面是可缩放的，并且通过用具有不同尺寸、形状或形态的另一个致动器100来代替一个致动器100，可在尺寸和形状方面进一步缩放切口牵拉器。 [0034] 致动器100从近端112向远端110延伸。近端112与接口114相连。接口114允许致动器100与切口牵拉器的其它部分可拆卸地连接。接口114可由医疗安全材料例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(“ABS”)或迭尔林(Delrin)制成。接口114可与致动器100和软管118中的一个或两个可拆卸地连接。接口114可具有用于与致动器100连接的端口。不同的接口114可具有不同的尺寸、数量或致动器端口的形态，以便适应较大或较小的致动器、不同数量的致动器或不同形态的致动器。 [0035] 用从膨胀装置120穿过流体连接器例如软管118被供应的膨胀流体可以使致动器100膨胀。接口114可包括阀116或可被附接至阀116，以允许流体进入致动器100而防止流体从致动器中流出(除非阀是打开的)。软管118也可或替代地附接至位于膨胀装置120处的膨胀器阀124，以调节在膨胀装置120位置处的膨胀流体的供应。 [0036] 软管118还可包括致动器连接接口122，其用于在一端可拆卸地连接接口114并且在另一端可拆卸地连接膨胀装置120。通过将致动器连接接口122的两部分分离，不同的膨胀装置120可与不同的接口114和/或致动器100连接。 [0037] 膨胀流体可以是例如空气或盐水。在空气的情形下，膨胀装置120可包括手动操作的球状体或波纹管以便供应环境空气。在盐水的情形下，膨胀装置120可包括注射器或其它合适的流体递送系统。替代地或另外地，膨胀装置120可包括压缩机或泵，以便供应膨胀流体。 [0038] 膨胀装置120可包括用于供应膨胀流体的流体供给部126。例如流体供给部126可以是用于储存压缩空气、液化或压缩的二氧化碳、液化或压缩的氮气或盐水的储存器，或者可以是用于向软管118供应环境空气的通风口。 [0039] 膨胀装置120还包括用于从流体供应部126穿过软管118将膨胀流体供应到致动器100的流体递送装置128，例如泵或压缩机。流体递送装置128能够向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。流体递送装置128可以通过电力驱动。为供应电力，膨胀装置120可包括电源130，例如电池或电源插座的接口。 [0040] 电源130也可向控制装置132供电。控制装置132可允许使用者例如通过一个或多个致动按钮134(或替代装置例如开关)来控制致动器的膨胀或收缩。控制装置132可包括用于向流体递送装置120发送控制信号的控制器136，以使流体递送装置128向致动器100供应流体或从致动器100中抽出流体。 [0041] 具有集成的硬性结构或刚性结构的软机器人抓持器 [0042] 图2A-2C示出固定至可收缩杆的端部的示例软致动器。在这种构造中，抓持器包括相对的成对致动器。该抓持器能够获取凹入外壳中或杂乱环境中的物体，在其中小轮廓抓取机构是有利的。例如，这可用于抓取货架上或容器例如盒子内的物体。 [0043] 图2A示出包括在收缩杆204上的两个致动器100的抓持器200的示例。在图2A中，致动器100处于未致动状态。抓持器200被构造为抓取目标物体208。 [0044] 在这个例子中，致动器100通过杆204被附至基座206。杆204延伸入基座206，基座可包括用于延伸杆的机构(例如机械的、气动的或液压延伸机构)。杆204在致动器的近端112被附至致动器100。杆204可由任何适用的硬性材料或刚性材料例如金属或塑料制成。在示例实施例中，杆112可为中空的以提供用于将膨胀流体供应至致动器100的通道。替代地，膨胀流体可通过单独的管被供应至致动器100，在这种情况下，杆可为实心的或中空的。 [0045] 图2B示出杆204延伸后的图2A的抓持器200的示例。在图2B的例子中，致动器100保持在未致动状态。图2C示出在已延伸的杆204上的如图2B所示的抓持器200的示例，其中致动器100处于已致动形态并且抓取目标物体208。 [0046] 杆204可被构造为从完全回缩的形态延伸到完全延伸的形态，在完全回缩的形状中，杆204以一定量dmin(可为零或甚至为负数，在这种情况下致动器100可被允许收缩入基座206)延伸超出基座206，在完全延伸的形态中，杆204以一定量dmax延伸超出基座206。dmax的值可取决于基座206的尺寸，尽管杆204可被允许延伸穿过基座206并且在致动器100的相对侧延伸出基座206。杆204可被延伸至dmin和dmax之间的中间长度。 [0047] 可依据应用选择dmin和dmax的值(例如抓持器200将进入的箱子或手提包的预期深度)。在一些实施例中，杆204可被可拆卸地连接于基座206和/或致动器100的近端112。相应地，杆204可容易地与其它杆进行交换，以允许即时地调节dmin和dmax的值。 [0048] 图3A-3C示出了将硬性或刚性物体并入软致动器的内部以改变致动器的膨胀轮廓的例子。图3A示出具有两个未致动的致动器100的示例抓持器300的横截面，而图3B示出带有已致动的致动器100的抓持器300的横截面。虽然在其它实施例中近端112可被安装在基座206的上方，在这些例子中，致动器100的近端112短距离地延伸进入基座206。 [0049] 在图3A和3B中，在基座206内为每个致动器100设置通道302。杆204可位于通道302内，并且可从未延伸状态(在这种情况下，杆204以一定量dmin(可为零)延伸入致动器100或者根本不延伸入致动器100)延伸至延伸状态(在这种情况下，杆204以一定量dmax延伸入致动器100，如图3C所示)。 [0050] 图3C示出在将杆204插入致动器100的内部后图3A的抓持器的横截面以及致动器100的膨胀。注意与图3B相比膨胀轮廓的变化。通过将杆204插入致动器100内，减少了可在致动器100的远端110处挠曲的材料的量(由于存在杆204而限制了离近端112更近的致动器的其余部分的挠曲)。这种限制根据插入致动器100的刚性材料的长度来改变致动器100的膨胀轮廓。 [0051] 然而例如在图3B中示出的形态可非常适于采用致动器100的远端尖端110来抓取相对小的物体，或者沿着致动器100的整体长度抓取物体，例如在如图3C中所示的形态可非常适于采用致动器100的远端尖端110来抓取相对较大的物体，或者采用致动器100的在高度dmax以上的未受限的长度来抓取物体。 [0052] 在一些实施例中，杆204可为处于固定位置的静止物体。在其它实施例中，杆204可为可回缩的，使得插入致动器100的刚性材料的长度可按需调节(调节至dmin和dmax之间的任意值)。 [0053] 图4A-4G示出用硬物体抵靠来提升致动器性能的示例软致动器。例如，硬物体可被用于调节致动器的膨胀轮廓以更容易地操作抓持器(例如包括一对相对的致动器)进入狭小空间中，用于为致动器提供杠杆点，并用于增强致动器使得致动器在负载时不会偏转越过硬物体的位置。而且，通过在致动器的外侧放置硬物体，硬物体在膨胀之前或膨胀过程中可限制致动器移动越过硬板。这允许抓持器被非常精确地操作进入位置(例如手提包或箱子中相邻物体之间的间隙)，而不会碰撞或移动箱子或手提包中的其它物体。 [0054] 图4A示出具有抵靠致动器的完全延伸的硬板402、404的未致动的抓持器400的示例。硬板包括抵靠致动器100的手风琴侧的外板402以及抵靠致动器的基座侧的内板404。在这个形态中，硬板402、404从基座206处向外完全延伸至长度dmax。这个形态可被用于例如在致动前在狭小空间内操作抓持器400。 [0055] 图4B示出了已致动的抓持器400的示例，其具有位于致动器100的手风琴面上的完全延伸的外硬板402和在致动器100的相对侧上部分延伸的内硬板404。部分延伸的内硬板404被延伸至长度dint，其表示dmin和dmax之间的中间值。当致动器100负载时，此处位于致动器100的手风琴侧上的外板802可防止致动器100偏转越过外板402的平面。在致动器100的相对侧上的内板404可被用于改变致动器100的弯曲轮廓。 [0056] 图4C示出了已致动的抓持器400的示例，其具有位于致动器100的手风琴面上的完全延伸的外硬板4020和在致动器100的相对侧上完全回缩的内硬板404。从手风琴面完全回缩致动器100的相对侧上的内板404允许致动器100无需改变膨胀轮廓而弯曲。 [0057] 图4D示出已致动的抓持器400的示例，其具有位于致动器100的手风琴面上的完全回缩的外硬板402和在致动器100的相对侧上完全回缩的内硬板404。 [0058] 硬板402、404可以是位于固定位置的静止物体，或者它们是可回缩的使得可按需调整材料的长度。虽然在图4A-4D中的硬材料被示出为板402、404，其它硬结构(例如圆形、三角形和矩形管)也可适于在示例实施例中使用。 [0059] 在图4E、4F和4G中示出了致动器的手风琴面上的硬板的作用机理。图4E示出具有硬背板的未致动的抓持器。当致动器膨胀时，如图4F所示它们将展示出弯曲的趋势(其中未示出硬板，但是以虚线示出硬板放置的位置)。如在图4G中，硬板的存在使已致动的抓持器按压至板，防止了已致动的抓持器延伸超过板平面但是仍允许致动器致动并抓取目标。 [0060] 图5A-5C示出了另一个例子，其中刚体502，例如杆与软致动器100对置。刚体502可提供杠杆点，致动器100可抵靠该点推动目标物体。 [0061] 在图5A示出的构造中刚体502为直的；但是，刚体502可为各种形状(例如适形于待抓取目标物体的轮廓)。例如，图5B示出S曲线形的刚体502。此外，例如如图5C所示，可采用多个致动器100和/或刚体502。在这种形态中，两个致动器100的侧面与刚体502相接以便同时抓取两个或更多的目标物体。 [0062] 图6A-6C提供了刚体502的另外的例子，其与自适应地抓取物体的软致动器100对置。在这些例子中，刚体502和软致动器100都可被快速地重新定位以改变抓取轮廓。图6A示出位于未延伸位置的伸缩杆形式的刚体502。图6B示出部分延伸的杆，图6C示出完全延伸的杆。杆的延伸允许改变抓取结构的形态。 [0063] 图7A-7C示出了如何动态地调节刚体502和软致动器100之间的空间和角度(例如通过采用机械齿轮、工作流体等)。致动器100被安装在基座206上，基座206滑动地固定至轨702或梁。基座206可沿着轨702横向滑动并被锁定就位。同样地，刚体502被安装于第二基座 704上，第二基座704可滑动地安装在轨702上。在刚体502与第二基座704连接的点处，提供了铰链或其它旋转机构以允许调节刚体502和轨道702之间的角度。基座206、704和铰链可被手动地调节或可被机械地调节(例如采用齿轮机构、致动器等)。对基座206、704和铰链中的一个或几个进行调节允许操作者在软致动器被加压时快速地调整产生的抓取轮廓。例如，在图7B示出的构造中刚体502已经绕着铰链旋转来改变刚体502和轨702之间的角度。在图7C示出的例子中，基座206、702中的一个或两个已经沿着轨702朝向彼此滑动并被锁定就位。 [0064] 图8A-8B示出用于快速调整软致动器的杠杆点的结构和技术(图8A为俯视图，图8B为侧视图)。如图8B所示，位于两个致动器100中间位置的可收缩杆802能上下自由移动，线缆804可被系紧以在致动器100的任何手风琴处重新定位增强件。这允许对软致动器100的膨胀轮廓进行动态调整并且在致动器100的远端尖端110处传递法向力。 [0065] 集成至刚体中的软致动器 [0066] 刚体，例如板或面板，可用作用于集成至刚体中的软致动器阵列的结构支撑。这使抓取结构能够实现可用于抓取物体的非常小的轮廓，该物体紧密间隔或者紧邻盒子、箱子、手提包或容器的边缘。刚体用作导管以使工作流体流到每个致动器从而对腔室加压或减压。当加压时，致动器延伸超出实体以在物体上提供软抓取。硬构件可被构建为任何几何形状，例如桨、面板、杆、支柱、柱等，并且可由金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷或任何其它合适的材料构成。刚体为阵列中的每个致动器提供机械的和气动的/液压的支撑。这个设计可被用于多种应用，包括将放置于盒子或手提包边缘附近的堆叠的物体从盒子或手提包中拾取出。 [0067] 图9示出软致动器100已经被集成至其中的示例刚性结构900。该结构900可采用面板、板、杆、支柱、桨、指状物或任何其它刚性结构的形式。一个或多个工作流体管路902穿过刚性结构900以对致动器100加压。致动器100可凹入结构900内以在中压或负压的情况下达到最小轮廓。在一些实施例中，该结构900可支撑三个或更多的致动器100。 [0068] 图10A-10D示出集成至刚性结构900中的弯曲或线性延伸的软致动器100的膨胀轮廓。每个致动器100可被单独地、成组地或任意组合地定位。为了这些目的，流体管路的不同组合可被用于向致动器100的预定组供应膨胀流体。图10A示出在中压或负压下凹入结构900的一系列致动器100。图10B示出在引起致动器100膨胀的正压下的图10A的致动器100。 图10C示出在负压下的线性致动器1000。图10D示出在正压下的图10C的线性致动器1000。 [0069] 图11A-11B示出被构建为处理不同物体的软致动器100的阵列1100和矩阵1102。根据应用，致动器100可被排列成阵列1100或矩阵1102以更好地抓取目标物体。可将支撑致动器100的刚性结构定尺寸和定形状为使致动器100保持在期望的形态。 [0070] 图12A-12C示出具有集成软致动器的刚体，类似于图10A和10B中的所示出的，其实现了小轮廓使得该结构可被用于在狭小的空间内操作和抓取物体。如图12A所示，该刚体首先下降进入盒子、手提包、箱子。如图12B所示，可对致动器加压。如图12C所示，接下来可将物体从箱子中移走。也可通过相反地执行该过程将物体放入箱内。 [0071] 如本文所用，以单数描述且冠以用词“一”或“一个”的元件或步骤应被理解为不排除复数的元件或步骤，除非这样的排除被明确记载。此外，对本发明的“一个实施例”的引用并不意欲解释为排除还引入该特征的附加实施例的存在。 |
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