夹持与释放设备及方法

专利名称：夹持与释放设备及方法
夹持与释放设备及方法相关申请数据本申请要求2011年I月27日提交的、序列号为61/436，688的美国临时专利申请以及2010年4月15日提交的、序列号为61/324，567的美国临时专利申请的优先权，这两个专利申请的主题通过整体引用被并入到本文中。政府资助本发明是在由DARPA授予的、项目编号为W911NF-08-1-0140的政府支持下完成的。美国政府对本发明拥有一定的权益。背景I.发明领域 本发明的实施例属于机器人领域。更具体地说，本发明的实施例涉及被动型通用机器人夹持与释放设备和系统、相关的方法及其应用。2.相关技术通用机器人夹持器是机器人末端作用装置，其可以夹持各种各样的、任意形状的物体。所建议的通用夹持器的范围包括从基于真空的吸力夹持器到具有多个手指的机械手。这些夹持器可分成两类主动式的通用夹持器和被动式的通用夹持器。主动式的通用夹持器典型地具有受人类的手所启发的、拟人化的、具有多个手指的设计。已开发出了许多这样的夹持器，多个手指的夹持方式仍然是很活跃的研究区域。已经提出的主动式通用夹持器能够进行抓取和操控，但也带来很大的物理和计算上的复杂性，这在抓取算法研究中是很明显的。主动式通用夹持器的复杂性、以及它们相应的高成本，限制了它们在商业化机器人工业领域的适用性。另一方面，被动式的通用夹持器只要求最小的抓取规划。它们是欠驱动的，并且包括被动地贴合独特的物体几何形状的部件，这些部件给予它们无需重新调节就能夹持各种不同的物体的能力(例如，参阅P. B. Scott, “The，Omnigripper’ :a form of robotuniversal gripper，，，Robotica vol. 3, pp. 153-158，Sept. 1985 ；R. Telia, J. Birk, andR. Kelley, “A contour-adapting vacuum gripper”，Robot Grippers, D. T. Pham andff. B. Heginbotham, Eds. New York, NY Springer-Verlag, 1986, pp. 86-100 ；S. Hirose,“Connected differential mechanism and its applications，，，Robot Grippers, D.T. Pham and ff. B. Heginbotham, Eds. New York, NY:Springer-Verlag, 1986, pp. 141-153；A. M. Dollar and R. D. Howe,uK robust compliant grasper via shape depositionmanufacturing，，，IEEE/ASME Trans. Mechatron. vol. 11，pp. 154-161，Apr. 2006)。例如，Scott的论文报告了一种夹持器设计，其中许多独立的伸缩管脚可以分别被动式地滑入或滑出，以贴合目标物体的形状，然后从边缘挤压从而夹持住物体。被动式的通用夹持器通常在使用上更为简单，只需要对它们的环境进行最小的视觉预处理，但它们也限制了成功获得广泛适用性的可能。它们的许多被动式部件往往很容易损坏，并且难以更换。被动式的通用夹持器可能也是非常昂贵的，并且它们夹持许多不同物体的能力往往使得它们在夹持某一特定物体时显得很笨拙。
实现较低门槛的通用夹持的一种途径是在传统的爪式夹持器的夹持面上添加可变形的材料，以提高表面的贴合程度。这种技术是很直接的，并且可能对于某些应用来说已经足够了。Simpson (D. C. Simpson，“Gripping surfaces for artificial hands，，，Hand, Vol 3，pp. 12-14, Feb. 1971)可能是第一个提出为此目的而在夹持表面上附加成袋的颗粒材料，随后，Schmidt (I. Schmidt，“Flexible moulding jaws for grippers”，Ind. Robot, vol. 5，pp. 24-26，Mar. 1978)和 Perovskii(A. P. Perovskii,“Universalgrippers for industrial robots”，Rus. Eng. J.，vol60，pp. 9-11，Aug. 1980)提出了允许真空固化类似的填充有颗粒的口袋来产生定制的夹持器爪形状的设计。Reinmueller和Weissmantel(T. Reinmuller and H. Weissmantel,uk shape adaptive gripper fingerfor robots”，Proc. Int. Symp. on Ind. Robots, Apr. 1988，pp. 241-250)在提出类似的想法的同时，进一步推测填充有颗粒材料的单层膜皮可能能够靠自己夹持住物体，起到被动式通用夹持器的作用。然而，这一想法直到我们最近在E. Brownj N. Rodenbergj J. Amend, A.Mozeikaj E. Steltzj M. Zakin, H. Lipsonj H. Jaeger,Universal robotic gripper based onthe jamming of granular material”，Proc. Natl. Acad. Sci. , vol. 107, pp. 18809-18814，Nov. 2010中发表通用挤压夹持器之前始终没有被证明是实用的或者被实际开发。被动式的通用挤压夹持器利用了被称为挤压物的颗粒材料与温度无关地从流体状到固体状的准状态转换现象(例如，参阅T. S. Majmudarj Μ. Sperlj S.Luding，R. P. Behringer，“Jamming transition in granular systems，，，Phys. Rev.Lett. , vol. 98, 058001, Feb. 2007 ；A. J. Liu and S. R. Nagel，“Jamming is not justcool any more，，，Nature, vol. 396，pp. 2122，Nov. 1998 ；M. E. Cates, J. P. Wittmerj J.P. Bouchaudj and P. Claudin，“Jamming，force chains, and fragile matter，，，Phys.Rev. Lett.，vol. 81，pp. 18411844，Aug. 1998 ；A. J. Liu and S. R. Nagel, Jamming andrheology: constrained dynamics on microscopic and macroscopic scales, Taylor&Francis，London, 2001 ；C. S. 0’ Hern, L E. Silbertj A. J. Liuj and S. R. Nagel, “Jamming atzero temperature and zero applied stress: the epitome of disorder，，，Phys. Rev.Ej vol. 68，011306，July 2003 ；E. I. Corwin, H. M. Jaeger, and S. R. Nagel, “Structuralsignature of jamming in granular media”，Nature，vol. 435，pp. 10751078，Apr. 2005)。这种类型的夹持器在三种可能的夹持模式之间进行平衡以实现操作(a)来自表面接触的静摩擦，(b)来自通过互锁作用抓住物体的几何形状约束，和(C)当物体表面的某些部分实现气密密封时的真空吸力。这三种夹持模式在图I中示出。通过达到这些模式中的一个或多个模式，挤压夹持器可以夹持具有各种形状、重量和易碎性的许多不同的物体，包括传统上对于其它通用夹持器来说有挑战性的物体。例如，我们已经能够成功地夹持硬币、四面体、半球、生鸡蛋、杰克玩具(jack toy)和发泡耳塞。夹持器是完全开环工作的，不需要夹持规划、视觉或感知反馈。当要释放被夹持的物体时，夹持器被排气，回到大气(自然)压力，把物体放开。由于需要在夹持任务之间使夹持器复位，使得通用挤压夹持器的表现受到限制。不精确的捏合或推拿过程往往使得必须让夹持器回到自然状态(即，使夹持器人工复位)，否则的话，它夹持后面物体的能力会快速变差。鉴于本领域已知的上述不利条件、缺点和问题，发明人已经认识到改进的被动式通用夹持设备、利用一个或多个被动式通用夹持设备的系统、相关的方法及应用所带来的好处和优点，以及由此所提供的解决方案，更具体地说，已经认识到能够实现和利用更好的物体释放、物体弹出和更快的复位时间的这类设备、系统、方法和应用。概述
本发明的一个实施例涉及被动夹持与释放设备，包括可变形的膜皮，可变形的膜皮，其具有开口，该开口以可排空的密封关系流体耦合到流体源入口和出口 ；至少一个端口，所述端口提供了与所述膜皮的开口成流体连接设置的流体源入口和出口；以及被放置在所述膜皮内的颗粒材料。按照各个非限制的方面-所述颗粒材料的特征在于在该材料的流体状态与固体状态之间的体积改变等于或小于约50%，特别的是等于或小于约O. 5%，更特别的是等于或小于约O. 05% ;-所述至少一个端口包括流体排空端口和流体输入端口；-所述设备还包括与所述膜皮成耦合关系设置的基底；-所述设备还包括与所述膜皮的开口成耦合关系设置的过滤器；-所述设备还包括被耦合到所述至少一个端口的泵；所述泵是可逆作用泵；所述泵位于所述设备的内部；-所述设备还包括被耦合到所述至少一个端口的压缩流体容器；-所述设备还包括被布置在基底上的卡圈，该卡圈至少部分地围绕所述膜皮邻近开口的区域延伸；-所述膜皮由具有柔韧性的、可排空的材料制成；-所述膜皮可以由以下材料中的任一项制成乙烯基、弹性材料、涂层布、聚酯薄膜(例如美拉胶带(Mylar))、金属箔，或者由它们的特定组合制成；-所述设备还包括被布置在所述设备内的干燥剂；-所述设备还包括用于减小所述设备内的湿度的装置；-被放置在所述膜皮内的颗粒材料可包含由任何类型的金属、绝缘固体或半导体固体构成的小的、单个的固体颗粒或微粒，包括一种或多种塑料或聚合物颗粒、咖啡渣、玉米淀粉、玻璃粉、沙、大米、锯末、碎果壳、麦粒、玉米粉、金属颗粒、干燥的碎玉米皮、盐、种子、橡胶粉、石子、以及本领域所知的其他颗粒中的任一种或者任意组合；-填充物可包括颗粒材料和液体；-所述可变形的膜皮包括可以对其有选择性地施加正的和负的流体压力的、多个独立受控的区域；-所述独立受控的区域是自包含的，每个区域均包含有颗粒材料；-所述设备还包括被设置在所述膜皮内部的内膜皮，其中所述颗粒材料包含粒度较细的材料，并且所述内膜皮包含粒度较粗的材料。本发明的一个实施例涉及夹持与释放装置，其包括一个以上的被动式夹持与释放设备，每个夹持与释放设备进一步包括可变形的膜皮，其具有开口，该开口以可排空的密封关系流体耦合到流体源入口和出口 ；至少一个端口，所述端口提供了与所述膜皮的开口成流体连接设置的流体源入口和出口 ；以及被放置在所述膜皮内的颗粒材料。按照各个非限制方面
-所述可变形的膜皮中至少有一些具有不同的尺寸；-每个被动式的夹持与释放设备均被耦合到一可控制的机械臂。本发明的一个实施例涉及用于夹持与释放物体的方法。该方法包括以下步骤提供被动式的通用挤压夹持器，该夹持器包含适当的挤压材料，所述挤压材料的特征在于在当施加真空时所述挤压材料发生从流体状到固体状的状态转换，此时夹持器处于物体正在被夹持在其中的夹持状态；以及向所述挤压材料施加正的流体压力，以导致从固体状到流体状的状态转换，此时被夹持的物体从夹持器被主动释放。按照各个非限制性方面-该方法还包括通过施加足够的正的流体压力而弹出被夹持的物体；-该方法还包括通过接触物体并向所述挤压材料施加负的流体压力而在释放被夹持的物体之后几乎立即夹持住物体；-该方法还包括在释放被夹持的物体与夹持物体之间交替施加正的和负的流体压 力；-该方法还包括在释放被夹持的物体与夹持物体之间振动夹持器；-施加正的流体压力的步骤还包括使用气体和液体中的任一种；-所述气体是空气、氮、惰性气体中的任一种。按照所述设备和方法的各种其它非限制方面-所述膜皮是具有柔韧性的，有利的是，具有范围从大约IX IO-5Nm2到I X 10_4Nm2的抗弯刚度；-所述膜皮应当对于诸如空气那样的气体是不可渗透的，从而可以在膜皮内外保持压力差；-所述膜皮应当能够抗切割、撕破、断裂、磨损、化学不稳定性、或其它物理缺陷，但即便是乳胶膜皮(ASTM切割级别O-最低切割级别额定值)也已经成功地在样机中使用。双层膜皮能够延长夹持器的使用寿命，但这对于实现夹持功能来说并不是必需的；-特别有利的是，膜皮材料所提供的膜皮与目标物体之间的静摩擦系数大于约O. 2，更高的系数能够提供改进的性能；-所述膜皮可以是、但不一定必须是弹性的。模量范围为约IOMPa到IOOMPa的弹性膜皮是有利的；-所述膜皮可以具有光滑的或者带有纹理的表面，或者是它们的组合。光滑的膜皮表面有助于引起真空吸力夹持模式，使得它们当按压光滑的目标物体表面时能够保持压力差;-所述膜皮可以是具有一定粘性的，粘度水平可以根据应用而进行优化。与钢的粘接力范围从O到约IOoz/宽度单位(ASTM D-3330)已表明可以适用于正压力夹持器；-膜皮厚度是通过对诸如柔韧性、耐久度、韧性、摩擦系数和夹持器尺寸这样的其它特征进行优化而确定的。对于厚度范围没有限制，典型的膜皮可具有从约O. Olmm到5_的厚度。较薄的膜皮通常能更好地贴合于物体几何形状的细部，而较厚的膜皮通常更为牢固；-复合材料膜皮例如可通过结合布制膜皮的抗撕裂强度和弹力涂层的摩擦性而提供所希望的性能。对复合材料膜皮的考虑因素与如上所述的相同；关于夹持器尺寸范围
-挤压原理是与尺度无关的；因此，夹持器膜皮的尺寸上限仅仅受到重量和耐久性考虑因素的限制；-对夹持器尺寸下限基本上没有限制；然而，诸如颗粒粒度大小和膜皮厚度这样的附加因素可能最后会限制最终的小型化；-对于任意形状或以任意组合排列的夹持器，对其尺寸上限和下限基本上没有限制； 关于颗粒材料 -理想的颗粒在未挤压状态下能很好地流动，而在挤压状态下能结实地塞满。当挤压状态发生转换时，希望弹性模量改变10倍或者更大；-细线可以与颗粒组合，例如，得到具有高硬度和高抗弯强度的复合体；关于填充密度-对用来填充夹持器膜皮的颗粒的数量进行控制是通过在试图限制膜皮内的自由空间与确保颗粒被松散包裹且在未挤压状态下能够很好流动之间进行折衷来实现的。太多的自由空间将使得膜皮当施加真空时压缩太多，导致夹持不牢。太小的自由空间和颗粒将不会相对于目标物体发生变形，这也会导致夹持不牢。一方面，填充2/3、增加或减少一个大的范围都是成功的，对填充密度的限制将取决于膜皮弹性和柔韧性；关于真空/正压力-为实现夹持所需的真空范围取决于挤压材料。例如，对于在乳胶气囊中的咖啡渣，需要大于约30kPa的差值压力(即，在夹持器外部是周围环境条件的情形下比大气压低70kPa)，以便开始达到显著的夹持。在膜皮内部与外部之间的压力差越大，夹持强度就越大，因为所有的三种夹持机制都直接与压力差成正比；-挤压的速度取决于空气或气体从膜皮中排出的速率。改变挤压速度对于夹持性能几乎没有影响；-当夹持器内的真空被释放时，由夹持器抓握的物体被释放，允许颗粒材料变得松弛。除了释放物体以外，在夹持器被复位到足以执行后续的夹持之前，通常需要进一步松弛。正压力通过使得颗粒材料流体化而加速松弛过程，也可以对物体施加附加的力，以帮助弹出物体——甚至是把物体弹射出一定的距离；-由正压力提供的、所需的流入夹持器的流动速率取决于夹持器所希望的性能和尺寸。例如，为了用8. 5cm直径夹持器弹射出物体，正的流动速率需要在大约lL/s到IOL/s之间。对于较小的夹持器需要较低的流动速率，而对于较大的夹持器则需要较高的流动速率；-为了不弹出物体而使夹持器复位，注入夹持器的空气流的体积比流动速率更为关键。注入夹持器的体积应当大致与在真空硬化期间从夹持器抽出的体积相同。以更高的流动速率来取代该体积将造成颗粒流体化增大，这正是所希望的；-用大气来平衡夹持器内的压力(使夹持器向大气中排气)并不是必需的，但这样通过允许颗粒运动来控制某些空气流动简化了压力控制问题。如果夹持器在按压物体时向大气排气，它可以被动地接纳或排斥空气，这对于实现流动来说是必要的。有利的是，排出口应当尽可能不要阻止这种空气流动。-对夹持器内的压力进行调制，例如在真空与正压力之间在IHz到IOOHz的范围内振动，可以用来在夹持器按压物体时激励颗粒围绕目标物体流动；-振动可以用来在夹持器按压物体时激励颗粒围绕目标物体流动。用于实现这些振动的可能的方法包括一个或多个带有偏心质量的马达、一个或多个压电元件、或者埋入到颗粒材料中的电磁致动元件。考虑到振动的幅度和频率，可以使用范围从低于lg=9. 8m/s2到几g的加速度，最佳的频率范围是IO-IOOHz。关于除湿或干燥(仅仅对于干的颗粒材料才是重要的)，完全被浸没的颗粒(即膜皮至少部分地用颗粒填充，然后加水)可能是有利的；-潮湿可能会降低某些颗粒材料在未挤压的状态下流动的能力。对于这些材料，重要的是使用干燥剂、干燥器、除湿器、或者对于诸如氮那样的特定气体关闭所述系统，从而消除或减小系统内的湿汽； -干燥装置或方法可位于膜皮内，在颗粒材料(例如，干燥剂)之间，在过滤器的区域内，在夹持器的范围之外(off-board)。作为替代,干燥剂颗粒可以与颗粒材料本身混
口 ο所体现的夹持器设备结合了用于向颗粒材料施加正压力的系统。利用正压力与负压力的组合，夹持器可以快速地夹持和释放通常对于传统的通用夹持器具有挑战性的各种各样的物体，如平的物体、软的物体、或者具有复杂形状的物体。夹持器被动地贴合目标物体的形状，然后被真空硬化，从而牢固地夹持住物体，随后使用正压力来逆转这个转换过程一释放物体，并返回到可变形的状态。通过使用正压力和负压力，夹持器的性能、可靠性和速度都得以提高。发明人还演示了物体从夹持器的快速弹出，包括把乒乓球垂直发射到50cm远处。另外，多个物体可以在保持它们的相对距离和取向的同时被立刻夹持和放置。本发明的附加特性和优点将在下面的详细说明中阐述，有些部分对于本领域技术人员来说，通过阅读该详细说明将会是很清楚的，或者通过如这里描述的那样实施本发明而意识到，包括下面的详细说明、权利要求书和附图
。应当理解的是，上述的一般性说明和下面的详细说明仅仅是本发明的示例，意图提供概况或框架，以便于了解要求保护的本发明的特性和特征的。所包括的附图用于提供对本发明的进一步的理解，附图被结合到本说明书中，构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的各种实施例，并连同说明书一起用来解释本发明的原理和操作。附图简要说明图I是示出了本领域已知的挤压夹持器如何能实现三种独立的夹持模式的示意图即来自表面接触的静摩擦(左侧)、来自互锁的几何形状约束(中央)、和来自气密密封的真空吸力(右侧)；图2是根据本发明的一个示例性实施例的被动夹持与释放设备的组装图；图3a是在所体现的设备的测试中使用的、范围从O. 5cm半径到3. 8cm半径的不同尺寸的半球的照片(在顶部，从左至右)；图3b是示出了关键尺寸的实验装置的图示。该设备在拾取位置(P1)处拾取物体，然后移动，以便把物体放置在放置位置(P2)处。在夹持器与物体之间的接触角用Θ表示；图4示出了使用人工复位夹持/释放设备和利用正压力复位的设备对于不同半径的半球进行夹持测试的结果；(A)对于夹持不同大小的物体的成功率；(B)夹持器在围绕物体变形时施加到物体的力；以及(C)夹持/释放设备达到的接触角。在(C)中的水平虚线表示临界的45°接触角；图5示出了对于所体现的设备、针对目标物体的位置进行误差测试得到的结果。在(A)中，可以看到对于2. 47cm半径的半球，具有约3cm的允许误差，且允许误差增加了约0.5cm。在⑶中，可以更一般性地看到，通过使用无量纲数值[(e2+r2)1/2]/R，对于范围从O到4. 5cm的误差和范围从O. 45到3. 72cm半径的半球的允许误差和可靠性。图6是示出了对于3D打印塑料形状即螺旋弹簧、圆柱体、长方体、杰克玩具、立方体、球体和正四面体，在正压力释放与人工复位之间的保持力的比较结果的条形图。球体的直径是2. 6cm ；图7示出了对于机械臂的校准、正压力夹持器的测试、和人工复位夹持器的测试的放置测验结果。椭圆代表95%的置信区间；图8示出了根据本发明的一个示例性方面、由正压力设备提供的投掷能力的演 示。由视频可见，正压力挤压设备以六个带有时间戳的帧显示出正在把乒乓球投掷到篮筐中；以及图9示出了根据本发明的一个示例性方面、用来测试正压力挤压夹持/释放设备立即夹持多个物体的能力的九种开始配置，从顶视图开始显示。对本发明实施例的详细描述在以下的说明中参考了作为说明书的一部分的附图，这些附图以示意的方式示出了可实施的具体实施例。这些实施例被足够详细地描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，应当理解的是，也可以采用其它实施例，并且可以作出结构上、逻辑上和电气上的改变，而不背离本发明的范围。因此，以下对示例性实施例的描述不应被认为是具有限制意义。正如这里使用的，术语“通用挤压夹持器”是指在E. Brown, N. Rodenberg, J.Amend, A. Mozeika, E. Steltz, M. Zakin, H. Lipson, H. Jaeger,，，Universal robotic gripperbased on the jamming of granular material, ^Proc. Natl. Acad. Sci. , vol. 107, pp. 18809-18814, Nov. 2010中描述的被动式通用夹持器。总的来说，被动式通用夹持器利用包含一定数量的颗粒材料(例如，咖啡渣、沙子等等)的弹力型膜皮(例如，气囊)。在大气压力下，颗粒材料处于流体状的状态下，使得它可以流动、倾泻、甚至飞溅。然而，当施加真空时，颗粒材料经历伪挤压状态(pseudo-jamming-phase)转换,成为固体状的状态，即，基本上没有单个颗粒互相间发生相对运动。当真空被释放且系统回到大气压力时，颗粒材料将回到流体状的状态(经过一段时间其自己恢复到流体状，或者是通过外部操控更快速地恢复到流体状)。这种伪状态转换是由于颗粒系统固有的固体-液体双重性而引起的。图2示出了被动式夹持与释放设备100。该设备利用了正压力和负压力，使得一旦该设备被动地接触所要夹持的物体并与物体的形状贴合，就可以施加真空，使得填充的膜皮被真空硬化，以牢固地夹持住物体，随后，施加一个或多个突发的正压力以使得从流体状到固体状的状态转换(挤压)发生逆转，强制地释放物体并使得填充的膜皮返回(复位)到可变形的准备状态。在最简单的形式下，挤压夹持器只需要包括被包含在可抽空的膜皮内的某些颗粒材料，所述膜皮耦连到负压源，以便实现它的夹持动作(例如，已经发现咖啡渣与乳胶气囊的组合可以很好地工作(Brown等人的论文))，要注意的是，不需要传统的致动单元，只需要场外的泵从夹持器抽取空气。根据一个示例性的方面，图2中所示根据本发明实现的被动式夹持与释放设备100包括基底1(可选部件)、外部的卡圈2(可选部件)、弹性膜皮3 (例如乳胶气囊)、膜皮内的颗粒填充材料4 (例如咖啡渣)、空气过滤器5 (可选部件)、真空管路端口 6、正压端口 7、和内部泵P(例如双向滚轮泵；可选部件)。如图所示，膜皮3被压紧在基底I与卡圈2之间，产生气密(可抽空的)密封。也可以有效地采用其它密封设备和方法，包括但不限于夹紧、粘合和本领域已知的其它手段。在这个示例性的实施例中，基底和卡圈是通过3D打印塑料制造而成的,其能够实现基底的复杂内部结构。可选的卡圈是该设计中的有利单元，因为它在夹持/释放设备贴合物体时帮助导引夹持/释放设备，增加在物体垂直面上的表面接触，使得互锁夹持模式的潜力最大化。所显示的夹持/释放设备可以很容易地与已经商业化的机械臂对接。根据本发明实现的夹持/释放设备100的简单机械结构对于低成本和简单制造作出了贡献。由图2中的设备100所实现的夹持/释放设备样机包括乳胶气囊膜皮，它被压紧在基底与卡圈之间，以产生气密密封。气囊膜皮的厚度是O. 33mm，它被填充细咖啡豆，达到350cm3的体积。在这一体积下，气囊膜皮被充满，但膜皮没有显著的伸展，因而当膜皮与物体接触时在非挤压状态下能够很容易变形。填充的膜皮接近于球形，具有约4. 3cm的半径。细咖啡的相当低的密度是有利的，因为它可以以较大的量被使用，而不用减轻设备的重量或者例如在使用如沙子这样的较重的材料时绷紧膜皮。应理解的是，膜皮单元可以有效地使用各种不同的材料，只要它们基本上是具有柔韧性的、且对于空气是不透气的(即，保持真空)。膜皮材料的其他有利特性包括抗撕裂性(这可以通过使用多层膜皮材料而得到)，以及膜皮表面具有一定程度的粘性或摩擦性。膜皮材料的非限制性的例子包括弹性体、乳胶、乙烯基、涂层布、金属箔、美拉胶带、或本领域已知的其他材料。也可以采用各种颗粒填充材料，有利的是，在流体状到固体状的准状态转换(挤压)期间，这些材料将有约5%或者更小的体积改变。另外，有利的是，基本上消除系统中的湿汽(即，当所述流体不是液体时)，因为由于在颗粒填充时附加的毛细力，它减慢了松弛转换过程。在膜皮中和/或在过滤器中可以使用干燥剂。作为替代，干的流体，例如氮或惰性气体，可以被用作为正压力流体。本领域已知的空气干燥系统也可以被附着到该设备的空气管道。为了表明性能，把本发明实现的夹持/释放设备安装在已经商业化的机械臂上以用于测试。正压力通过泵以620kPa和2. 16L/s的流动速率提供。一个或多个流体压力容器可以被用来代替正压力泵或者与正压力泵相组合，这使得颗粒材料能够更快速地进行固体状到流体状的状态转换。真空可通过场外的真空泵来实现。通过额定值为25微米最大真空的泵，实现了 O. 25L/s的最大真空流动速率。为了进行夹持，当在夹持器中的压力降低到_85kPa时，就认为挤压转换已经完成，但高达_30kPa的可用真空压力也已经被成功地被使用。在夹持/释放设备中的压力也可以被大气平衡，这种状态可以在设备被按压到物体上的任何时刻被使用。通过经由机械臂的通信所控制的电磁阀被用来对夹持器中的压力进·行调制。所有的测试以对于机械臂的100%关节角速度来执行，这相当于夹持/释放设备的约23. 7cm/s的线速度。夹持/释放设备首先对于它夹持各种尺寸的物体的可靠性进行评估。所有的物体被放置在台面上的某个位置(拾取位置)处，该位置被硬编码到机器人的软件中。命令机器人移动到拾取位置，并把夹持/释放设备按压在物体上，然后驱动所述设备产生紧固状态。接着，命令机器人移动到放置位置，释放真空，并施加短的突发正压力，以弹出物体。所有的测试均以开环进行。在过去，使用球体作为挤压夹持器的测试物体，但是在这里的测试中不使用球体，因为球体的高度按照球体半径的速率的两倍增长。在尺寸测试时，这将快速导致以下的情形夹持/释放设备基底和卡圈会碰撞到更大的球体上。与之不同的是，这里使用了半球(平的面朝下)，从而保留了球体测试的表面几何关系，但测试物体的高度可以减小。选择范围从O. 5cm半径到3. 8cm半径的木制半球，其具有不够光滑的表面纹理，因而不能在夹持器膜皮与半球之间实现气密密封，因此不会引起真空夹持模式。由于物体是半球，在这种测试中也不能实现互锁夹持模式。每个半球被排列成与夹持器的中心轴对齐，因此接触角Θ尽可能地与半球周边相符。本测试所使用的测试装置和半球可以在图3中看到。与图3相关联的尺度如下:1^=4. 8cm, h2=ll. 5cm, h3=13cm, d=20cm。测试结果在图4中示出。每个曲线图的纵坐标被表示为膜皮尺寸的百分比，以用·于表示夹持/释放设备的可缩放性。图4示出了与必须由使用者人工复位的被动式通用夹持器相比，本发明实现的正压力夹持/释放设备的性能。显示了成功率、施加的力、以及接触角的曲线图。成功率是对于每个半球进行30次试验而确定的，它代表设备夹持不同尺寸的半球的可靠性。施加的力是在夹持器围绕物体变形时夹持器施加到物体上的力。这个力是通过位于测试物体下方的标尺来测量的。接触角是夹持器膜皮与物体接触的最大角度(在图3中用Θ表示)。对于施加的力和接触角测试，在每个半球上执行十次试验。对于所有的三个曲线图，数据点代表试验平均值，误差条形图表示在测试期间记录的最大和最小测量值。对于所有测试，半球以随机次序被测试。可以看到，对于不利用正压力的被动式通用夹持器，夹持器的成功率在物体半径达到约65%的膜皮半径时急剧下降，并且对于接近45° (出现夹持的临界角度)的接触角下降到O %。在这个测试中没有观察最小物体半径，然而没有对小于5mm半径的半球进行测试，因为用木材无法提供这样的半球。还可以看到，施加的力随物体尺寸增大而增加，因为在膜皮内需要更多的颗粒在更大的物体周围置换。对于某些半球，通过增加接触角，施加正压力可以使夹持/释放设备的成功率令人惊讶地增加高达85 %。正压力还使得施加到物体的力减小高达90%。这些性能提高很可能是由于增加了颗粒材料的流体化作用，这使得它能够更容易地围绕目标物体流动。在第二个测试中，对本发明实现的夹持/释放设备在目标物体位置方面的允许误差进行评估。使用与图3中相同的测试装置，还是用半球作为测试物体。然而，在这个测试中，目标物体被放置在距离拾取位置P1 O到4. 5cm远的位置处，因此使得半球没有与夹持/释放设备的中心轴对准。这个测试的结果在图5中示出。在图5A中，仅仅示出了对于2. 47cm半径的半球的结果，对于每个数据点执行三十次试验。图5B示出了在目标物体尺寸、位置误差和夹持成功率之间的更为一般性的关系，对于所显示的每个数据点执行十次试验，误差在O到4. 5cm的范围内，半球半径是在O. 45到3. 72cm的范围内。图5A可以对于所测试的任意半球被重新绘制，将显示出对于正压力夹持/释放设备的类似的改进。然而，已经发现，表达式[(e2+r2)1/2]/R允许更为一般性地观测设备的允许误差和可靠性。这一表达式可以被理解为与膜皮的半径相比，从目标物体的顶点到膜皮沿其中心轴接触台面的点的欧几里德距离。与膜皮的可提供的表面积相比，它是在膜皮试图包裹住物体到临界接触角时对于膜皮将接触的总表面(台面加上目标物体)的简单近似。这两个表面积的解析计算可能会得到更精确的量，但这样的计算很可能是很难的，因为在夹持过程期间膜皮发生变形和伸展。在图5中看到，上述近似是足够简单和精确的，足以求解数据并允许快速估计夹持成功率。另外，应当注意到，在图4A与图5B之间有着紧密的类似性。可以预期这个结果，因为对于e=0，[(e2+r2)1/2]/R被化简到r/R。对于本发明实现的设备，考虑其开环功能，观察到的允许误差是非常大的。在图5A中，例如可以看到，通过使用正压力，3. 5cm半径的膜皮可以在100%的时间成功地拾取
2.47cm半径的半球，甚至是在半球距离其目标位置2. 5cm远的情况下也是如此。这种大的允许误差证明，对于不可能对这种情形或者对机器人进行精确控制的未结构化的环境下的夹持任务是非常有用的。 在第三个测试中，对于正压力夹持/释放设备进行评估，以分析其能够夹持的形状范围及其能够保持该形状所需的力的范围。为了进行该测试，通过3D打印制备出具有类似的质量、体积和尺寸的七种形状。每种形状的质量是15. 5g±0. 8g。每种形状的最小横截面约为2. 6cm，所选择的尺寸刚好在先前的测试中处于100%的成功率范围内。3D打印的材料不够光滑，不足以达到气密密封。打印出的形状为螺旋弹簧、圆柱体、长方体、杰克玩具、立方体、球体和正四面体。这些形状的照片显示在图6的纵坐标上。为了测试保持每个物体所使用的力量，对把每个物体拉出固化(抽空的)膜皮所需的力进行测量。该测试的结果显示在图6中。对每种形状进行十次测试，误差条形图表示在测试期间所记录的最大和最小测量结果。可以看到，用正压力使所述设备复位提高了对于置换膜皮中较大体积颗粒的物体的握持力，但减小了对于较小物体的握持力。这可以被理解为在实验装置中接触角与所施加的力之间的折衷。正压力设备的增强的流动能力允许更大的接触角，如图4C所示，因而对于置换较大体积颗粒的物体增强了握持力。但是，对于没有置换较大体积颗粒的较小的物体则会出现问题。对于这些较小的物体，接触角没有出现显著增大，相反，流动能力提供可能会允许更多的颗粒落到物体的边上，可能会在颗粒与设备基底之间留下缝隙。对于正压力设备，这通过图4B中所施加的较小数值的力来支持，其可以和用于小物体的颗粒的重量相比。在这种情形下，当膜皮被抽空时，颗粒可以部分地向着基底附近的开放空间收缩，而不是向目标物体收缩，导致握持力减小。这不是正压力改进方案的固有问题，因为它可以通过向目标物体施加更大的力得以弥补，这是通过感测至目标物体大小的拾取高度、或者通过使用带有力反馈的机械臂来实现的。对于图3中的测试装置，可以计算最大夹持速率。限制因素是机械臂的最大速度、完成挤压转换所需的时间、在多次夹持之间使夹持器复位所需的时间、以及释放被夹持的物体所需的时间。测得机械臂的最大速度为23. 7cm/s，这使得对于仅仅从P1移动到P2再移动回来所需的时间来说，最大夹持速率被限制在24次拾取/每分钟。可以认为当膜皮内的压力下降到_85kPa时挤压转换完成(对于这里所用的350cm3膜皮来说花费I. I秒)，这把最大夹持速率进一步向下限制到16. 7次拾取/每分钟。正压力挤压夹持/释放设备只需要O. I秒释放物体，并且用单个突发正压力复位夹持器，这把最大夹持速率最终限制在16. 2次拾取/每分钟。对于人工复位夹持器的情况，释放物体和复位夹持器稍微更复杂一些。释放物体所需的时间取决于物体的几何形状，更慢的释放时间限制了夹持速率。测得最慢的释放时间是O. 6秒。人工复位夹持器需要操作人员执行不精确的捏合或推拿例程，这在此处的测试期间花费至少2. O秒。因此，对于人工复位被动式通用夹持器的情况，最大夹持速率被限制在10. 2次拾取/每分钟。除了提高系统的自动化程度和消除当复位夹持器时可能的人为错误的好处之外，包括正压力的好处还有使得夹持速率提高了 39%。典型地，放置准确性被认为是当开发被动式通用夹持器以使可夹持的物体范围最大化时而必须作出的牺牲。然而，放置准确性也是对于在制造装置中使用的夹持器的关键性能指标。在这里，对本发明实现的挤压夹持/释放设备进行评估，以分析其能够放置物体的精确性，仍然使用与图3相同的测试装置，仅稍微加以改动。首先执行校准过程，以确定机械臂本身的准确性。一支笔被牢固地安装到机器人的手腕，延伸到大约与膜皮的底部边缘与台面相接触的同一点。然后执行类似于图3的测 试过程，用笔标记在拾取位置P1和放置位置P2处固定的一页纸。通过这种装置能够确定，对于95%的置信度,在最坏的情形下,机械臂的精度为±0. 35mm,距目标有O. 76mm的平均偏差。这个结果比制造商所报告的±0. 05mm的可重复性的幅度量级更高，这很可能是由于全速移动机械臂所造成的动态效果。接着，把笔从机械臂上取下，重新接上所述设备。机械臂被编程为对半球执行拾取和放置例程，也是使用图3中的测试装置。在放置半球之后，可以测量在台面的平面上它距离其预期位置的偏差。在这个测试中只使用了 I. 82cm半径的半球。这个半球类似于在形状测试时所使用的部件尺寸，并且在可靠性测试中处于100%成功率范围内。在本测试中对图3的尺度稍微有些改动，使得放置精确性最大化当测试正压力夹持器时，匕被设置为
8.8cm，而当测试人工复位的夹持器时，h2被设置为7. Icm0该结果显示在图7中。从图7可以看到，正压力设备放置半球比人工复位的夹持器更为精确，而人工复位的夹持器稍稍会精密一点。特别是，正压力设备的平均偏差是距离机械臂的校准中心O. 98mm,对于95%的置信度,在最坏的情形下,具有± I. OOmm的精密度；而人工复位的夹持器的平均偏差是距离机械臂的校准中心2. 63mm，对于95%的置信度，在最坏的情形下，具有±0. 76mm的精密度。这两种夹持器的角度放置准确性是可比的。但在这里人工复位的夹持器稍微更准确以些，而正压力设备稍微更精密一些。人工复位的夹持器使半球旋转平均5. 4°，对于95%的置信度为±3.4°。正压力设备使半球旋转平均7. 5°，对于95%的置信度为±1.8°。对于正压力挤压设备所观察到的放置精度改进使得能够实现可重复的弹射动作，如图8所示，图中通过视频以六个带有时间戳的帧示出了本发明实现的正压力设备把乒乓球投掷到篮筐中。初步测试发现，弹射行为是可重复的。被动式通用挤压夹持器的独特特性是它们能够同时夹持多个紧密靠近的物体，并保持这些物体的相对位置和取向的能力。为了对这种能力进行量化，使用了两个长方体作为测试部件，每个长方体为I. 3x1. 3x4. 5cm。对夹持/释放设备进行评估，以分析在图9所示的九种开始配置情形下拾取这些物体的情况。对于每次测试，组合形状的质心被置于膜皮的中心轴上。记录在夹持操作之前和之后在两个物体之间的相对距离和角度。已经发现，对于相对距离，人工复位的夹持器倾向于增大物体之间的间隔的平均值为O. 08cm，对于95%的置信度为±0. 86cm，而本发明实现的正压力设备倾向于增大物体之间的间隔的平均值为O. 77cm，对于95%的置信度为±1.07cm。在相对角度方面，人工复位的夹持器改变物体之间的角度的平均值为6. 7°，对于95%的置信度为±20. 5°，而本发明实现的正压力设备改变物体之间的角度的平均值为5. 2°，对于95%的置信度为±22.2°。这个测试表明在只使用一个物体的情况下，准确性方面与先前的测试相比有很大的降低。误差的增大可能是远离膜皮的中心轴进行夹持的结果，其中更可能出现偏离轴的力，这种力倾向于使得所夹持的物体发生旋转或平移。在本测试中，本发明实现的正压力设备的性能稍微差于人工复位的夹持器，据推测这可能是由于在弹出物体期间膜皮的快速扩张放大了这些偏离轴的力，造成所夹持的物体的旋转或平移增加。该测试揭示了把物体中 心对准夹持器中心轴的重要性，以使得放置准确性最大化。在本测试中，本发明实现的正压力设备以及人工复位的夹持器的性能表明，它们可以用来立刻夹持多个物体，但它们保持物体之间相对距离和角度的能力只适合于需要较低准确性的任务。例如，这种能力对于在更精确的组装操作之前传送多个对准的零件可能是有用的。已经公开了结合正压力和负压力的、被动式通用挤压夹持与释放设备。描述了示例性样机的设计和制造，并对于该样机的五个指标进行了评估，揭示出它对于真实世界应用的适用性。该设备证明能够夹持不同的尺寸和形状的物体，并表现出比人工复位的被动式通用挤压夹持器具有高达85%的可靠性增加、在目标物体位置的误差的容差方面有所增力口、以及39 %的速度增加。正压力设备对目标物体施加的力还减少了高达90 %，并且表现出在放置准确性方面的增加，这使得夹持器具有新颖的投掷能力。这种投掷物体的能力对于诸如(但不限于)在工厂中把物体分类装箱或者在家庭丢弃垃圾等任务可能是有用的。本发明实现的设备能够夹持各种不同形状、重量和易碎性的物体，并且可以立刻夹持多个物体，同时保持它们的相对位置和取向。这种多样性能力可以使得该设备很好地适用于从军事环境到家庭环境的未结构化领域中的使用。该设备的气密结构也提供了在潮湿或不稳定环境中使用的潜力，并允许简单地清洗。由于挤压状态转换的温度独立性，它的热限制仅仅由膜皮材料确定，因而有可能在高温或低温环境下使用。此外，膜皮在夹持/释放任务之间所呈现的软的、可延展的状态可以当被部署在靠近人很近时、例如部署在家庭中时提供安全方面的改进。这里引述的包括出版物、专利申请和专利在内的所有参考资料均在此通过引用而被并入，就如同每个参考资料被单独地特别指定为通过引用而并入、并在这里整体给出一样。术语“ 一 ”、“ 一个”、“该”及类似指示语在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求书的上下文中)的使用应当被看作为覆盖单数和复数，除非在这里另行说明或者与上下文明显冲突。术语“包括”、“具有”和“包含”应当被看作是开放式的术语(即，意指“包括但不限于”)，除非另外指出。术语“连接”应当被认为是部分或整体被包含在内、附连到或结合在一起，即使有中间有其他东西介入。
这里对数值范围的引述仅仅意图作为单独提及落入到该范围内的每个分立数值的简短表示，除非这里另作说明，并且每个分立数值被结合到本说明书中，就像它在这里被单独提及一样。这里所描述的所有方法均可以以任何适当的顺序执行，除非这里另有说明或者与上下文明显冲突。这里提供的任何及所有的例子或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅意图更好地描述本发明的实施例，而不是对于本发明的范围加以限制，除非另外要求保护。本说明书中的任何语言均不应当被认为是表明任何未要求保护的单元对于实施本发明来说是必不可少的。本领域技术人员很清楚，可以对本发明作出各种修改和变体而不背离本发明的主旨和范围。并不意图把本发明限制在所公开的一种或多种具体形式，相反，本发明意图覆盖落入到所附权利要求中限定的本发明的主旨和范围内的所有修改方案、替代结构和等同。因此，本发明意图覆盖本发明的修改和变体，只要它们落入到所附权利要求及其等同的保护范围内。
权利要求
1.一种被动式的夹持与释放设备,包括 可变形的膜皮，其具有开口，该开口以可排空的密封关系流体耦合到流体源入口和出Π ； 至少一个端口，所述端口提供了与所述膜皮的开口成流体连接设置的流体源入口和出口 ；以及 被放置在所述膜皮内的颗粒材料。
2.权利要求I的设备，其中所述颗粒材料的特征在于在该材料的流体状态与固体状态之间具有等于或小于约50%的体积改变。
3.权利要求I的设备,其中所述至少一个端口包括流体排空端口和流体输入端口。
4.权利要求I的设备，还包括与所述膜皮成耦合关系设置的基底。
5.权利要求I的设备，还包括与所述膜皮的开口成耦合关系设置的过滤器。
6.权利要求I的设备，还包括被耦合到所述至少一个端口的泵。
7.权利要求6的设备，其中所述泵是可逆作用泵。
8.权利要求6的设备，其中所述泵位于所述设备的内部。
9.权利要求I的设备，还包括被耦合到所述至少一个端口的压缩流体容器。
10.权利要求I的设备，还包括被耦合到所述至少一个端口的可排空容器。
11.权利要求4的设备，还包括被布置在所述基底上的卡圈，该卡圈至少部分地围绕所述膜皮邻近开口的区域延伸。
12.权利要求I的设备，其中所述膜皮由具有柔韧性的、可排空的材料制成。
13.权利要求12的设备，其中所述膜皮由乙烯基、弹性材料、涂层布、聚酯薄膜(美拉胶带)和金属箔中的任一制成。
14.权利要求I的设备，还包括被布置在所述设备内的干燥剂。
15.权利要求I的设备，还包括用于减小所述设备内的湿度的装置。
16.权利要求I的设备，其中被放置在所述膜皮内的颗粒材料包含由任何类型的金属、绝缘固体或半导体固体构成的小的、单个的固体颗粒或微粒中的任一种，包括一种或多种塑料或聚合物颗粒、咖啡渣、玉米淀粉、玻璃粉、沙、大米、锯末、碎果壳、麦粒、玉米粉、金属颗粒、干燥的碎玉米皮、盐、种子、橡胶粉、石子中的任一种或者任意组合。
17.权利要求I的设备，此外，其中所述可变形的膜皮包括能够对其有选择性地施加正和负流体压力的、多个独立受控的区域。
18.权利要求I的设备，此外，其中独立受制的区域是自包含的，每个均包含有颗粒材料。
19.权利要求I的设备，还包括被设置在所述膜皮内部的内膜皮，其中所述颗粒材料包含粒度较细的材料，并且所述内膜皮包含粒度较粗的材料。
20.一种夹持与释放装置，包括 多个被动式的夹持与释放设备，每个夹持与释放设备进一步包括 可变形的膜皮，其具有开口，该开口以可排空的密封关系流体耦合到流体源入口和出Π ； 至少一个端口，所述端口提供了与所述膜皮的开口成流体连接设置的流体源入口和出口 ；以及被放置在所述膜皮内的颗粒材料。
21.权利要求20的装置，其中所述可变形的膜皮中至少有一些具有不同的尺寸。
22.权利要求20的装置，其中每个被动式的夹持与释放设备均被耦合到一可控制的机械臂。
23.一种用于夹持与释放物体的方法，包括 提供被动式的通用挤压夹持器，该夹持器包含适当的挤压材料，所述挤压材料的特征在于在当施加真空时所述挤压材料发生从流体状到固体状的状态转换，此时夹持器处于物体正在被夹持在其中的夹持状态； 向所述挤压材料施加正的流体压力，以导致从固体状到流体状的状态转换，此时被夹持的物体从夹持器被主动释放。
24.权利要求23的方法，还包括通过施加足够的正的流体压力而弹出被夹持的物体。
25.权利要求24的方法，还包括通过接触物体并向所述挤压材料施加负的流体压力而在释放被夹持的物体之后几乎立即夹持住物体。
26.权利要求23的方法，还包括当膜皮接触物体时使膜皮向周围空气排气。
27.权利要求25的方法，还包括在释放被夹持的物体与夹持物体之间交替施加正的和负的流体压力。
28.权利要求25的方法，还包括在释放被夹持的物体与夹持物体之间振动夹持器。
29.权利要求23的方法，其中施加正的流体压力的步骤还包括使用气体和液体中的任一种。
30.权利要求29的方法，其中所述气体是空气、氮和惰性气体中的任一种。
全文摘要
被动式的通用夹持器，包括被包裹在弹性膜皮中的大量颗粒材料。通过使用正压力和负压力的组合，该夹持器可以快速夹持和释放通常对于传统的通用夹持器来说具有挑战性的各种类型的物体，如平的物体、软的物体、或者具有复杂几何形状的物体。该夹持器被动地贴合目标物体的形状，然后被真空硬化，从而牢固地夹持住物体；随后使用正压力来逆转这一转换过程——释放物体，返回到可变形的状态。所述设备和方法能够实现从夹持器快速弹出物体，并且能够实现在释放与夹持之间基本上瞬时的复位时间。
文档编号B25J15/12GK102939189SQ201180029673
公开日2013年2月20日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年4月15日
发明者霍德·利普森, 小约翰·R·阿曼德, 海因里希·耶格, 埃里克·布朗 申请人:康奈尔大学