活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置的制造方法
【專利摘要】活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，包括基座、彈性薄膜、活塞、驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、拉膜件、電磁鐵、簧件和磁流變液。該裝置實現(xiàn)了多維自適應(yīng)和主被動混合式抓取功能，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)，獲得多維自適應(yīng)效果，抓取穩(wěn)定性高；該裝置可以采用被動方式變形抓取物體，也可以主動變形去抓取物體，既可以適應(yīng)有反作用面物體的抓取，也可以適應(yīng)無反作用面的物體的抓取，抓取范圍大；電磁鐵通電產(chǎn)生的電磁場使得磁流變液固化，增強了抓持效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
【專利說明】
活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人手是機器人操作使用的重要終端，機器人利用其手爪抓取物體或操縱(如移動、轉(zhuǎn)動)物體。機器人的手可以模仿人手的動作原理來制造，這種模仿人手的機器人手已經(jīng)被開發(fā)出來，一般具有多個手指，每個手指具有多個關(guān)節(jié)，這種手也稱為擬人機器人手或多指機器人手。
[0003]多指機器人手又分為靈巧手和欠驅(qū)動手兩大類，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。
[0004]靈巧手非常先進，集成度很高，傳感和控制系統(tǒng)復(fù)雜，具有較多的獨立控制的關(guān)節(jié)自由度，能夠靈巧的控制多個關(guān)節(jié)，完成不同的手勢動作，能夠主動地抓取物體。這方面部分典型代表包括:美國宇航局開發(fā)的Robonaut R2手，日本東京大學(xué)開發(fā)的三指快速機器人手，中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國宇航中心(DLR)聯(lián)合研制的HIT-DLR-1I手，英國Shadow公司研制的S h a d ο w手……。但是，靈巧手在抓取控制上也帶來非常繁瑣的計算，實時控制要求尚，制造和維護成本昂貴。
[0005]欠驅(qū)動手介于普通工業(yè)夾持器與靈巧手之間，是一種智能機械，抓取上采用機械的方式達到較少的驅(qū)動器驅(qū)動較多的關(guān)節(jié)自由度，而且能夠自動適應(yīng)抓取不同形狀和尺寸的物體，傳感和控制的需求少，近年來得到了較多的研究。已經(jīng)有一些欠驅(qū)動手被開發(fā)出來，例如加拿大Laval大學(xué)、Robotiq公司、意大利Prensi Iia公司、荷蘭De Ift大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和中科院合肥智能機械研究所等機構(gòu)都研究和開發(fā)了欠驅(qū)動機器人手。但是欠驅(qū)動手仍然是多指手，手指與物體的接觸點局限在各指段表面，由于手指數(shù)量有限，每個手指上的指段數(shù)量有限，因此，無法做到更多的接觸點，無法達到更多方向的自適應(yīng)，抓取物體的自適應(yīng)性和抓取范圍受到較大的限制，抓取的穩(wěn)定性還有待進一步提尚。
[0006]此外，在外觀不模仿人手的特種機器人手方面，大量的工業(yè)應(yīng)用采用吸盤、磁鐵或靜電吸附等方式抓取和操作物體。美國康奈爾大學(xué)研制了一種通用夾持器(美國發(fā)明專利US20130106127A1)，采用內(nèi)盛大量小尺寸顆粒材料和氣體的可變形彈性薄膜去被動適應(yīng)物體形狀，并利用負壓的方式抽氣，大量顆粒材料滯留其中產(chǎn)生阻塞硬化，達到抓取不同形狀尺寸物體的目的。該夾持器的不足之處在于:I)必須依靠外界環(huán)境給予物體的反作用力來達到彈性薄膜的變形，不能拾取沒有反作用面的物體(例如空中吊著的一個蘋果)，該夾持器難以抓取。2)采用了大量的顆粒材料，顆粒材料的多少影響著抓取的效果，顆粒材料的磨損需要一定時間后更換。3)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】

[0007]本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，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，抓取穩(wěn)定性高;該裝置可以采用被動方式變形抓取物體，也可以主動變形去抓取物體，既可以適應(yīng)有反作用面物體的抓取，也可以適應(yīng)無反作用面的物體的抓取，抓取范圍大;該裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
[0008]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明所述的一種活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:包括基座、第一驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、活塞、拉膜件、第一簧件、電磁鐵、彈性薄膜和磁流變液;所述基座包括基座套筒;所述第一驅(qū)動器與基座固接，所述第一驅(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)的輸出端與活塞相連，所述活塞滑動鑲嵌在基座套筒中；所述第一簧件的兩端分別連接拉膜件的一端和活塞;所述拉膜件的另一端與彈性薄膜相連;所述彈性薄膜為可變形材料制作的中空結(jié)構(gòu)，包括至少一個出口，所述彈性薄膜的出口與基座套筒密封相連;所述磁流變液密封在彈性薄膜、基座套筒和活塞三者之間的密封空間中；所述拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述電磁鐵安裝在基座上。
[0010]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述彈性薄膜的厚度不均勻，頂部中心區(qū)域的彈性薄膜較薄，四周的彈性薄膜較厚。
[0011 ]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:還包括至少一個手指，所述手指包括手指基座、N個指段、N個關(guān)節(jié)軸、至少一個第二驅(qū)動器和至少一個第二傳動機構(gòu)，所述手指基座與所述基座固接，所述第一個指段通過第一個關(guān)節(jié)軸與手指基座相連，所述第i個指段通過第i個關(guān)節(jié)軸與第1-Ι個指段相連，所述第二驅(qū)動器通過第二傳動機構(gòu)與各個關(guān)節(jié)軸相連;所述手指位于彈性薄膜的周圍，其中，N為自然數(shù)，i為2，3，……N。
[0012]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述拉膜件的一端與彈性薄膜的中心區(qū)域相連。
[0013]本發(fā)明所述活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第一驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。
[0014]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第二驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸O
[0015]本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、磁流變液、彈性薄膜、活塞、電磁鐵、拉膜件和簧件等綜合實現(xiàn)了多維自適應(yīng)和主被動混合式抓取功能，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)，獲得多維自適應(yīng)效果，抓取穩(wěn)定性高；該裝置可以采用被動方式變形抓取物體，也可以主動變形去抓取物體，既可以適應(yīng)有反作用面物體的抓取，也可以適應(yīng)無反作用面的物體的抓取，抓取范圍大；電磁鐵通電產(chǎn)生的電磁場使得磁流變液固化，增強了抓持效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置的一種實施例的剖視圖。
[0017]圖2是圖1所示實施例的立體外觀圖。
[0018]圖3是圖1所示實施例的正面外觀圖。
[0019]圖4是圖1所示實施例的手指的剖視圖(基座和第一指段部分剖視)。
[0020]圖5是圖1所示實施例抓取物體第一階段時的剖視圖，此時，采用活塞向下運動，通過拉膜件拉動彈性薄膜變形來抓取物體。
[0021]圖6是圖1所示實施例抓取物體第二階段時的剖視圖，此時，不僅采用活塞向下運動，通過拉膜件拉動彈性薄膜變形來抓取物體，而且還利用手指的彎曲來抓取物體。
[0022]在圖1至圖6中:
[0023]1-基座，11-基座套筒，12-基座外蓋板，13-基座骨架，
[0024]2-第一驅(qū)動器(第一電機)，3-第一傳動機構(gòu)，31-第一減速器，
[0025]32-第一帶輪，33-第一傳動帶，34-第二帶輪，35-螺母，
[0026]36-絲杠，4-活塞，41-活塞密封圈，5_拉膜件，
[0027]51-連接件，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-第一關(guān)節(jié)軸，65-第二關(guān)節(jié)軸，
[0029]66-第二驅(qū)動器(第二電機)，661-第二減速器，662-第三帶輪，663-第四帶輪，
[0030]664-第二傳動帶，67-第三傳動帶，671-第五帶輪，672-第六帶輪，
[0031]673-過渡軸，674-過渡輪，68-第二簧件，7-彈性薄膜，
[0032]8-磁流變液，83-電磁鐵，9-物體。
【具體實施方式】
[0033]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。
[0034]本發(fā)明設(shè)計的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置的第一種實施例，如圖1、圖2、圖3和圖4所不，包括基座1、第一驅(qū)動器2、傳動機構(gòu)3、活塞4、拉膜件5、第一簧件52、電磁鐵83、彈性薄膜7和磁流變液8;所述基座I包括基座套筒11 ；所述第一驅(qū)動器2與基座I固接，所述第一驅(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的輸出端與活塞4相連，所述活塞4滑動鑲嵌在基座套筒11中；所述第一簧件52的兩端分別連接拉膜件5的一端和活塞4;所述拉膜件5的另一端與彈性薄膜7相連;所述彈性薄膜7為可變形材料制作的中空結(jié)構(gòu)，包括至少一個出口，所述彈性薄膜7的出口與基座套筒11密封相連;所述磁流變液8密封在彈性薄膜7、基座套筒11和活塞4三者之間的密封空間中；所述拉膜件5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，所述拉膜件5采用腱繩;所述電磁鐵安裝在基座上。
[0035]所述基座I還包括基座外蓋板12和基座骨架13。所述基座外蓋板12和基座骨架13固接;所述基座外蓋板12將彈性薄膜7的出口密封連接在基座套筒11上，彈性薄膜7的中空空腔與基座套筒11相連通。所述傳動機構(gòu)3設(shè)置在基座骨架13中。
[0036]另一種實施例中，所述彈性薄膜7的厚度不均勻，頂部中心區(qū)域的彈性薄膜7較薄，四周的彈性薄膜7較厚。
[0037]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:還包括至少一個手指，所述手指包括手指基座、N個指段、N個關(guān)節(jié)軸、至少一個第二驅(qū)動器和至少一個第二傳動機構(gòu)，所述手指基座與所述基座固接，所述第一個指段通過第一個關(guān)節(jié)軸與基座相連，所述第i個指段通過第i個關(guān)節(jié)軸與第1-Ι個指段相連，所述第二驅(qū)動器通過第二傳動機構(gòu)與各個^節(jié)軸相連;所述手指位于彈性薄膜的周圍，其中，N為自然數(shù)，i為2，3，……N。
[0038]本實施例中，取N為2。因此，本實施例還包括三個手指6，所述手指6包括手指基座61、第一指段62、第二指段63、第一關(guān)節(jié)軸64、第二關(guān)節(jié)軸65、第二驅(qū)動器66和第二傳動機構(gòu)，所述手指基座61與所述基座I固接，所述第一指段62通過第一關(guān)節(jié)軸64與手指基座61相連，所述第二指段63通過第二關(guān)節(jié)軸65與第一指段62相連，所述第二驅(qū)動器66通過第二傳動機構(gòu)分別與第一關(guān)節(jié)軸64、第二關(guān)節(jié)軸65相連;所述手指6位于彈性薄膜7的周圍，三個所述手指6均布在彈性薄膜7的四周。
[0039]本實施例中，所述拉膜件5的一端與彈性薄膜7的中心區(qū)域相連。
[0040]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第一驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。本實施例中，所述第一驅(qū)動器2米用電機。
[0041]本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第二驅(qū)動器采用電機、氣缸或液壓缸。本實施例中，所述第二驅(qū)動器66采用電機。
[0042]本實施例中，所述第一傳動機構(gòu)3包括第一減速器31、第一帶輪32、第二帶輪34、第一傳動帶33、絲杠36和螺母35;所述第一驅(qū)動器2的輸出軸與第一減速器31的輸入軸相連，所述第一帶輪32套固在第一減速器31的輸出軸上，所述第二帶輪34與螺母35固接，所述第一傳動帶33連接第一帶輪32和第二帶輪34，所述第一帶輪32、第二帶輪34和第一傳動帶33三者配合形成帶輪傳動關(guān)系；所述螺母35與絲杠36相連，所述螺母35與絲杠36配合形成螺紋傳動關(guān)系;所述絲杠36與活塞4固接。
[0043]本實施例中，所述第二傳動機構(gòu)包括第二減速器661、第三帶輪662、第四帶輪663、第二傳動帶664、第五帶輪671、第六帶輪672、第三傳動帶67、過渡軸673、過渡輪674和第二簧件68;所述第二驅(qū)動器66的輸出軸與第二減速器661的輸入軸相連，所述第三帶輪662套固在第二減速器661的輸出軸上，所述第四帶輪663套固在第一關(guān)節(jié)軸64上，所述第二傳動帶664連接第三帶輪662和第四帶輪663，所述第三帶輪662、第四帶輪663和第二傳動帶664三者配合形成帶輪傳動關(guān)系;所述第一指段活動套接在第一關(guān)節(jié)軸上;所述第五帶輪671套固在第一關(guān)節(jié)軸64上，所述第六帶輪672活動套接在第二關(guān)節(jié)軸65上，所述第三傳動帶67連接第五帶輪671和第六帶輪672，所述第五帶輪671、第六帶輪672和第三傳動帶67三者配合形成帶輪傳動關(guān)系；所述第二簧件68的兩端分別連接第一指段62和第二指段63，所述第二指段63與第六帶輪672固接;所述過渡軸673套設(shè)在第一指段62中，所述過渡輪674套接在過渡軸673上，所述第三傳動帶67纏繞經(jīng)過過渡輪674。
[0044]下面結(jié)合圖5和圖6，介紹本發(fā)明裝置的工作原理，如下:
[0045]本實施例初始狀態(tài)如圖2所示，第一驅(qū)動器2轉(zhuǎn)動，通過第一傳動機構(gòu)3帶動活塞4向下運動，通過第一簧件52拉動拉膜件5向下運動，彈性薄膜7被拉膜件5拉動變形，中心區(qū)域向下變形，形成一個向內(nèi)凹陷的結(jié)構(gòu)，此時本實施例在機器人臂部的運動下靠向物體9，物體9靠近到凹陷結(jié)構(gòu)的彈性薄膜7附近時，再進一步拉動拉膜件5，讓彈性薄膜7變形更大，此時四周的彈性薄膜7將接觸物體9的四周，由于磁流變液8具有很好的流動性，因此，對不同形狀與尺寸的物體9具有較好的適應(yīng)性，磁流變液8密封在彈性薄膜7內(nèi)，從而可以實現(xiàn)抓取。
[0046]當(dāng)物體9較重時，可以開動第二驅(qū)動器66，通過第二傳動機構(gòu)帶動各手指6的各關(guān)節(jié)彎曲，達到多手指6按壓彈性薄膜7，通過磁流變液8壓向物體9，達到更大力量的抓取，實現(xiàn)了較好的主動抓取。
[0047]本實施例也可以采用部分被動(或者開始被動變形，之后主動抓取)的混合方式抓取物體9，當(dāng)機械臂操縱本實施例靠近物體9時，物體9接觸彈性薄膜7并讓彈性薄膜7發(fā)生變形，磁流變液8具有流動性，可以較好的適應(yīng)物體9的形狀和尺寸，在彈性薄膜7變形完成后，此時或者拉動拉膜件5，或者彎曲各手指6關(guān)節(jié)，均可以實現(xiàn)較好的抓取。
[0048]在抓取物體后，再給電磁鐵83通電，在周圍產(chǎn)生電磁場，電磁場穿過彈性薄膜7中的磁流變液8，使得磁流變液8固化，從而增強了抓持效果。釋放物體9時，將電磁鐵83斷電，磁場消失，磁流變液8瞬間變?yōu)橐后w，驅(qū)動器2反轉(zhuǎn)，通過傳動機構(gòu)3使得第一拉膜件5、第二拉膜件6不再拉動彈性薄膜7，磁流變液8在彈性薄膜7的回彈力作用下回復(fù)，磁流變液8呈現(xiàn)流動性，不再對物體9施加抓持力，從而完成釋放物體9。
[0049]本發(fā)明裝置利用驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、磁流變液、彈性薄膜、活塞、電磁鐵、拉膜件和簧件等綜合實現(xiàn)了多維自適應(yīng)和主被動混合式抓取功能，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)，獲得多維自適應(yīng)效果，抓取穩(wěn)定性高；該裝置可以采用被動方式變形抓取物體，也可以主動變形去抓取物體，既可以適應(yīng)有反作用面物體的抓取，也可以適應(yīng)無反作用面的物體的抓取，抓取范圍大；電磁鐵通電產(chǎn)生的電磁場使得磁流變液固化，增強了抓持效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。
【主權(quán)項】
1.一種活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:包括基座、第一驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、活塞、拉膜件、第一簧件、電磁鐵、彈性薄膜和磁流變液;所述基座包括基座套筒;所述第一驅(qū)動器與基座固接，所述第一驅(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)的輸出端與活塞相連，所述活塞滑動鑲嵌在基座套筒中；所述第一簧件的兩端分別連接拉膜件的一端和活塞;所述拉膜件的另一端與彈性薄膜相連;所述彈性薄膜為可變形材料制作的中空結(jié)構(gòu)，包括至少一個出口，所述彈性薄膜的出口與基座套筒密封相連;所述磁流變液密封在彈性薄膜、基座套筒和活塞三者之間的密封空間中；所述拉膜件采用連桿、帶、鏈條或腱繩中的一種或多種的混合;所述電磁鐵安裝在基座上。2.如權(quán)利要求1所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述彈性薄膜的厚度不均勻，頂部中心區(qū)域的彈性薄膜較薄，四周的彈性薄膜較厚。3.如權(quán)利要求1或2所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:還包括至少一個手指，所述手指包括手指基座、N個指段、N個關(guān)節(jié)軸、至少一個第二驅(qū)動器和至少一個第二傳動機構(gòu)，所述手指基座與所述基座固接，所述第一個指段通過第一個關(guān)節(jié)軸與手指基座相連，所述第i個指段通過第i個關(guān)節(jié)軸與第1-Ι個指段相連，所述第二驅(qū)動器通過第二傳動機構(gòu)與各個關(guān)節(jié)軸相連；所述手指位于彈性薄膜的周圍，其中，N為自然數(shù)，i為2，3，……N。4.如權(quán)利要求1所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述拉膜件的一端與彈性薄膜的中心區(qū)域相連。5.如權(quán)利要求1所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第一驅(qū)動器米用電機、氣缸或液壓缸。6.如權(quán)利要求3所述的活塞驅(qū)動磁流柔性機器人手裝置，其特征在于:所述第二驅(qū)動器米用電機、氣缸或液壓缸。
【文檔編號】B25J9/10GK105856185SQ201610339256
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】齊景辰, 馬藝妮, 祝天, 祝天一, 張文增
【申請人】清華大學(xué)