[發(fā)明專利]一種自適應(yīng)被夾持物形狀的氣動(dòng)軟體機(jī)械手及其使用方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810283492.8
• 申請(qǐng)日: 2018-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN108527409A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉傳平;王立
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B25J15/00
• 分類號(hào): B25J15/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種自適應(yīng)被夾持物形狀的氣動(dòng)軟體機(jī)械手及其使用方法，包含可控彎曲壁面、顆粒物質(zhì)充排氣口一、充排氣口二、柔性膜、多孔板、固定底座以及相應(yīng)的氣源；可彎曲壁面內(nèi)部含有氣囊，氣囊與充排氣口一相連接，充氣時(shí)向內(nèi)彎曲、抽氣時(shí)壁面向外彎曲，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)被抓取物的夾持和釋放；可控彎曲壁面、柔性膜和多孔板組成封閉腔體——即柔性袋，柔性袋內(nèi)裝有顆粒物質(zhì)，抓取過程中柔性袋自適應(yīng)被抓取物體形狀，并作為墊子增加壁面與被抓物體接觸面積，從而增強(qiáng)夾持力。本發(fā)明在氣動(dòng)軟體機(jī)械手內(nèi)側(cè)設(shè)置柔性袋的作用：可以增加與被抓取物體的接觸面積，以增加夾持力。在外壁設(shè)置可彎曲度柔性壁面，通過柔性壁面彎曲變形以克服抽氣引起的顆粒收縮。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械手領(lǐng)域，尤其涉及軟體機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對(duì)不規(guī)則復(fù)雜形狀、不確定形狀物體的抓取。

背景技術(shù)

目前，機(jī)器人市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域，大多生產(chǎn)線已經(jīng)被機(jī)械手所取代，為解放人的繁重勞動(dòng)、實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)揮了重要作用。現(xiàn)有機(jī)械手在抓取過程中，被抓取物體與機(jī)械手之間多為剛性接觸(即剛性機(jī)械手)，這要求被抓物體幾何形狀確定且表面具有一定強(qiáng)度。對(duì)于復(fù)雜不規(guī)則形狀或者表面易碎的被抓取物體(如水果、雞蛋)，剛性機(jī)械手難于勝任。而柔性機(jī)械手的優(yōu)勢(shì)在于能夠更好的適應(yīng)被抓取物體，且當(dāng)受到外界沖擊后也不會(huì)產(chǎn)生大的傷害。

目前柔性機(jī)械手具有兩大類，靈巧機(jī)械手和軟體機(jī)械手。靈巧機(jī)械手通常內(nèi)部有很多傳感器，當(dāng)靈巧機(jī)械手觸摸被抓取物體時(shí)，收集觸摸對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)，以確定抓取方式和彎曲變形。靈巧機(jī)械手主要體現(xiàn)在具有較多的自由度和精確的力位控制上，為了保證被抓物體的安全和完整，對(duì)具有較多自由度的靈巧手的控制是非常復(fù)雜的，也使得整套裝置成本較高，不利于推廣應(yīng)用。軟體機(jī)械手充分利用和發(fā)揮各種柔性材料(橡膠、聚合物、智能材料、多功能材料等)的柔順性，及其非線性、粘彈性和遲滯特性等在軟體手運(yùn)動(dòng)和控制中潛在的“機(jī)械智能”作用，降低控制的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)高靈活性和良好交互性。

哈佛大學(xué)(Angew.Chem.Int.Ed,2011,50:1890-1895)研究了不同結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出可彎曲的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，通過改變氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)氣壓力使得材料發(fā)生彎曲，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。基于氣動(dòng)彎曲思路，CN 10495992 A，CN 104959992A，CN 106965200A提出了不同類型的氣動(dòng)軟體機(jī)械手，氣動(dòng)軟體機(jī)械手夾持力來源于軟體材料與被夾持物體的摩擦力。

芝加哥大學(xué)和哈佛大學(xué)(Nature,1998,396:21；Nature,2001,14:411)研究了顆粒物質(zhì)特有性質(zhì)，顆粒物質(zhì)在不同條件下可呈現(xiàn)流體或固體的特性，即通過外界條件可改變顆粒物質(zhì)阻塞性。基于顆粒物質(zhì)的這一特點(diǎn)，CN 102939189A發(fā)明一種通過阻塞技術(shù)來抓取物體的“咖啡包”軟體機(jī)械手，該機(jī)械手通過流固轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜形狀物體的抓取。與氣動(dòng)軟體機(jī)械手不同，顆粒軟體機(jī)械手通過對(duì)物體包裹實(shí)現(xiàn)抓取。與氣動(dòng)軟體機(jī)械手相比，顆粒軟體機(jī)械手對(duì)被抓取物體適應(yīng)性更強(qiáng)，但相對(duì)而言其夾持力弱，無法實(shí)現(xiàn)較重物體抓取。

發(fā)明內(nèi)容

結(jié)合氣動(dòng)軟體機(jī)械手和顆粒軟體機(jī)械手各自優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提出一種具有強(qiáng)夾持力的自適應(yīng)軟體機(jī)械手。本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：

一種軟體機(jī)械手包含可控彎曲壁面、顆粒物質(zhì)充排氣口一、充排氣口二、柔性膜、多孔板、機(jī)械手固定底座以及相應(yīng)的氣源。可彎曲壁面內(nèi)部含有氣囊，氣囊與充排氣口一相連接，充氣時(shí)向內(nèi)彎曲、抽氣時(shí)壁面向外彎曲，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)被抓取物的夾持和釋放。可控彎曲壁面、柔性膜和多孔板組成封閉腔體——即柔性袋，柔性袋內(nèi)裝有顆粒物質(zhì)，抓取過程中柔性袋自適應(yīng)被抓取物體形狀，并作為墊子增加壁面與被抓物體接觸面積，從而增強(qiáng)夾持力。

所述柔性膜可以有彈性，也可以是無彈性的柔軟薄膜。

所述顆粒物質(zhì)可以是單一顆粒，也可以是顆粒與液體混合物。

進(jìn)一步地，所述顆粒物未充滿整個(gè)柔性袋，其體積分?jǐn)?shù)占柔性袋的50％～95％。