活塞驱动磁流柔性机器人手装置 |
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| 申请号 | CN201610339256.4 | 申请日 | 2016-05-19 | 公开(公告)号 | CN105856185A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 清华大学; | 发明人 | 齐景辰; 马艺妮; 祝天一; 张文增; | ||||
| 摘要 | 活塞 驱动磁流柔性 机器人 手装置，属于 机器人手 技术领域，包括 基座 、弹性 薄膜 、活塞、 驱动器 、传动机构、拉膜件、电磁 铁 、簧件和 磁流变液 。该装置实现了多维自适应和主被动混合式抓取功能，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；该装置可以采用被动方式 变形 抓取物体，也可以主动变形去抓取物体，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；电 磁铁 通电产生的电 磁场 使得磁流变液 固化 ，增强了抓持效果。该装置结构简单，控制容易。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：包括基座、第一驱动器、传动机构、活塞、拉膜件、第一簧件、电磁铁、弹性薄膜和磁流变液；所述基座包括基座套筒；所述第一驱动器与基座固接，所述第一驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与活塞相连，所述活塞滑动镶嵌在基座套筒中；所述第一簧件的两端分别连接拉膜件的一端和活塞；所述拉膜件的另一端与弹性薄膜相连；所述弹性薄膜为可变形材料制作的中空结构，包括至少一个出口，所述弹性薄膜的出口与基座套筒密封相连；所述磁流变液密封在弹性薄膜、基座套筒和活塞三者之间的密封空间中；所述拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述电磁铁安装在基座上。 |
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| 说明书全文 | 活塞驱动磁流柔性机器人手装置技术领域背景技术[0002] 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。 [0004] 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。 [0005] 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。 [0006] 此外，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弹性薄膜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弹性薄膜的变形，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。3)采用抽气的方式，需要较大功率的气源，噪音大、能耗高、整个系统体积庞大，要有一段抽气的时间，将几乎所有的气都抽完才算抓取完成，抓取不快速。 发明内容[0007] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种活塞驱动磁流柔性机器人手装置，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；该装置可以采用被动方式变形抓取物体，也可以主动变形去抓取物体，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。 [0008] 本发明采用如下技术方案： [0009] 本发明所述的一种活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：包括基座、第一驱动器、传动机构、活塞、拉膜件、第一簧件、电磁铁、弹性薄膜和磁流变液；所述基座包括基座套筒；所述第一驱动器与基座固接，所述第一驱动器的输出轴与传动机构的输入端相连，所述传动机构的输出端与活塞相连，所述活塞滑动镶嵌在基座套筒中；所述第一簧件的两端分别连接拉膜件的一端和活塞；所述拉膜件的另一端与弹性薄膜相连；所述弹性薄膜为可变形材料制作的中空结构，包括至少一个出口，所述弹性薄膜的出口与基座套筒密封相连；所述磁流变液密封在弹性薄膜、基座套筒和活塞三者之间的密封空间中；所述拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述电磁铁安装在基座上。 [0010] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：所述弹性薄膜的厚度不均匀，顶部中心区域的弹性薄膜较薄，四周的弹性薄膜较厚。 [0011] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：还包括至少一个手指，所述手指包括手指基座、N个指段、N个关节轴、至少一个第二驱动器和至少一个第二传动机构，所述手指基座与所述基座固接，所述第一个指段通过第一个关节轴与手指基座相连，所述第i个指段通过第i个关节轴与第i-1个指段相连，所述第二驱动器通过第二传动机构与各个关节轴相连；所述手指位于弹性薄膜的周围，其中，N为自然数，i为2,3,……N。 [0012] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：所述拉膜件的一端与弹性薄膜的中心区域相连。 [0014] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。 [0015] 本发明装置利用驱动器、传动机构、磁流变液、弹性薄膜、活塞、电磁铁、拉膜件和簧件等综合实现了多维自适应和主被动混合式抓取功能，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；该装置可以采用被动方式变形抓取物体，也可以主动变形去抓取物体，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；电磁铁通电产生的电磁场使得磁流变液固化，增强了抓持效果。该装置结构简单，控制容易。附图说明 [0016] 图1是本发明提供的活塞驱动磁流柔性机器人手装置的一种实施例的剖视图。 [0017] 图2是图1所示实施例的立体外观图。 [0018] 图3是图1所示实施例的正面外观图。 [0019] 图4是图1所示实施例的手指的剖视图(基座和第一指段部分剖视)。 [0020] 图5是图1所示实施例抓取物体第一阶段时的剖视图，此时，采用活塞向下运动，通过拉膜件拉动弹性薄膜变形来抓取物体。 [0021] 图6是图1所示实施例抓取物体第二阶段时的剖视图，此时，不仅采用活塞向下运动，通过拉膜件拉动弹性薄膜变形来抓取物体，而且还利用手指的弯曲来抓取物体。 [0022] 在图1至图6中： [0023] 1-基座， 11-基座套筒， 12-基座外盖板， 13-基座骨架， [0024] 2-第一驱动器(第一电机)， 3-第一传动机构， 31-第一减速器，[0025] 32-第一带轮， 33-第一传动带， 34-第二带轮， 35-螺母， [0027] 51-连接件， 52-第一簧件， 6-手指， 61-手指基座， [0028] 62-第一指段， 63-第二指段， 64-第一关节轴， 65-第二关节轴，[0029] 66-第二驱动器(第二电机)， 661-第二减速器，662-第三带轮， 663-第四带轮，[0030] 664-第二传动带， 67-第三传动带， 671-第五带轮， 672-第六带轮，[0031] 673-过渡轴， 674-过渡轮， 68-第二簧件， 7-弹性薄膜， [0032] 8-磁流变液， 83-电磁铁， 9-物体。 具体实施方式[0033] 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。 [0034] 本发明设计的活塞驱动磁流柔性机器人手装置的第一种实施例，如图1、图2、图3和图4所示，包括基座1、第一驱动器2、传动机构3、活塞4、拉膜件5、第一簧件52、电磁铁83、弹性薄膜7和磁流变液8；所述基座1包括基座套筒11；所述第一驱动器2与基座1固接，所述第一驱动器2的输出轴与传动机构3的输入端相连，所述传动机构3的输出端与活塞4相连，所述活塞4滑动镶嵌在基座套筒11中；所述第一簧件52的两端分别连接拉膜件5的一端和活塞4；所述拉膜件5的另一端与弹性薄膜7相连；所述弹性薄膜7为可变形材料制作的中空结构，包括至少一个出口，所述弹性薄膜7的出口与基座套筒11密封相连；所述磁流变液8密封在弹性薄膜7、基座套筒11和活塞4三者之间的密封空间中；所述拉膜件5采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合，本实施例中，所述拉膜件5采用腱绳；所述电磁铁安装在基座上。 [0035] 所述基座1还包括基座外盖板12和基座骨架13。所述基座外盖板12和基座骨架13固接；所述基座外盖板12将弹性薄膜7的出口密封连接在基座套筒11上，弹性薄膜7的中空空腔与基座套筒11相连通。所述传动机构3设置在基座骨架13中。 [0036] 另一种实施例中，所述弹性薄膜7的厚度不均匀，顶部中心区域的弹性薄膜7较薄，四周的弹性薄膜7较厚。 [0037] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：还包括至少一个手指，所述手指包括手指基座、N个指段、N个关节轴、至少一个第二驱动器和至少一个第二传动机构，所述手指基座与所述基座固接，所述第一个指段通过第一个关节轴与基座相连，所述第i个指段通过第i个关节轴与第i-1个指段相连，所述第二驱动器通过第二传动机构与各个关节轴相连；所述手指位于弹性薄膜的周围，其中，N为自然数，i为2,3,……N。 [0038] 本实施例中，取N为2。因此，本实施例还包括三个手指6，所述手指6包括手指基座61、第一指段62、第二指段63、第一关节轴64、第二关节轴65、第二驱动器66和第二传动机构，所述手指基座61与所述基座1固接，所述第一指段62通过第一关节轴64与手指基座61相连，所述第二指段63通过第二关节轴65与第一指段62相连，所述第二驱动器66通过第二传动机构分别与第一关节轴64、第二关节轴65相连；所述手指6位于弹性薄膜7的周围，三个所述手指6均布在弹性薄膜7的四周。 [0039] 本实施例中，所述拉膜件5的一端与弹性薄膜7的中心区域相连。 [0040] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：所述第一驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述第一驱动器2采用电机。 [0041] 本发明所述的活塞驱动磁流柔性机器人手装置，其特征在于：所述第二驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述第二驱动器66采用电机。 [0042] 本实施例中，所述第一传动机构3包括第一减速器31、第一带轮32、第二带轮34、第一传动带33、丝杠36和螺母35；所述第一驱动器2的输出轴与第一减速器31的输入轴相连，所述第一带轮32套固在第一减速器31的输出轴上，所述第二带轮34与螺母35固接，所述第一传动带33连接第一带轮32和第二带轮34，所述第一带轮32、第二带轮34和第一传动带33三者配合形成带轮传动关系；所述螺母35与丝杠36相连，所述螺母35与丝杠36配合形成螺纹传动关系；所述丝杠36与活塞4固接。 [0043] 本实施例中，所述第二传动机构包括第二减速器661、第三带轮662、第四带轮663、第二传动带664、第五带轮671、第六带轮672、第三传动带67、过渡轴673、过渡轮674和第二簧件68；所述第二驱动器66的输出轴与第二减速器661的输入轴相连，所述第三带轮662套固在第二减速器661的输出轴上，所述第四带轮663套固在第一关节轴64上，所述第二传动带664连接第三带轮662和第四带轮663，所述第三带轮662、第四带轮663和第二传动带664三者配合形成带轮传动关系；所述第一指段活动套接在第一关节轴上；所述第五带轮671套固在第一关节轴64上，所述第六带轮672活动套接在第二关节轴65上，所述第三传动带67连接第五带轮671和第六带轮672，所述第五带轮671、第六带轮672和第三传动带67三者配合形成带轮传动关系；所述第二簧件68的两端分别连接第一指段62和第二指段63，所述第二指段63与第六带轮672固接；所述过渡轴673套设在第一指段62中，所述过渡轮674套接在过渡轴673上，所述第三传动带67缠绕经过过渡轮674。 [0044] 下面结合图5和图6，介绍本发明装置的工作原理，如下： [0045] 本实施例初始状态如图2所示，第一驱动器2转动，通过第一传动机构3带动活塞4向下运动，通过第一簧件52拉动拉膜件5向下运动，弹性薄膜7被拉膜件5拉动变形，中心区域向下变形，形成一个向内凹陷的结构，此时本实施例在机器人臂部的运动下靠向物体9，物体9靠近到凹陷结构的弹性薄膜7附近时，再进一步拉动拉膜件5，让弹性薄膜7变形更大，此时四周的弹性薄膜7将接触物体9的四周，由于磁流变液8具有很好的流动性，因此，对不同形状与尺寸的物体9具有较好的适应性，磁流变液8密封在弹性薄膜7内，从而可以实现抓取。 [0046] 当物体9较重时，可以开动第二驱动器66，通过第二传动机构带动各手指6的各关节弯曲，达到多手指6按压弹性薄膜7，通过磁流变液8压向物体9，达到更大力量的抓取，实现了较好的主动抓取。 [0047] 本实施例也可以采用部分被动(或者开始被动变形，之后主动抓取)的混合方式抓取物体9，当机械臂操纵本实施例靠近物体9时，物体9接触弹性薄膜7并让弹性薄膜7发生变形，磁流变液8具有流动性，可以较好的适应物体9的形状和尺寸，在弹性薄膜7变形完成后，此时或者拉动拉膜件5，或者弯曲各手指6关节，均可以实现较好的抓取。 [0048] 在抓取物体后，再给电磁铁83通电，在周围产生电磁场，电磁场穿过弹性薄膜7中的磁流变液8，使得磁流变液8固化，从而增强了抓持效果。释放物体9时，将电磁铁83断电，磁场消失，磁流变液8瞬间变为液体，驱动器2反转，通过传动机构3使得第一拉膜件5、第二拉膜件6不再拉动弹性薄膜7，磁流变液8在弹性薄膜7的回弹力作用下回复，磁流变液8呈现流动性，不再对物体9施加抓持力，从而完成释放物体9。 [0049] 本发明装置利用驱动器、传动机构、磁流变液、弹性薄膜、活塞、电磁铁、拉膜件和簧件等综合实现了多维自适应和主被动混合式抓取功能，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；该装置可以采用被动方式变形抓取物体，也可以主动变形去抓取物体，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；电磁铁通电产生的电磁场使得磁流变液固化，增强了抓持效果。该装置结构简单，控制容易。 |
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