一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手及其抓取方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手及其抓取方法，机械手主要包括触手、气管、电气比例阀、应变片和电磁阀，触手模仿章鱼触手形状，成不规则长条圆锥状，触手端部有直径较大的触手凸起，触手内部均匀分布有成组的椭球形调压型腔，触手内部有沿其轴向布有主气路，沿轴向分布的每一列椭球形调压型腔对应一条主气路，主气路不直接通过椭球形调压型腔，由支气路与椭球形调压型腔相连；椭球形调压型腔和主气路相连的支气路处设有电磁阀；每两组椭球形调压型腔中间放置有应变片，通过应变片信号的反馈及与电磁阀和电气比例阀之间的配合，实现球形调压型腔产生不同的形状变化，从而控制触手弯曲，通过对多组调压型腔控制，实现对物体缠绕。
【专利说明】一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手及其抓取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器手领域，特别是一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手及其抓取方法。
技术背景
[0002]机械手又称夹持类末端执行器，不论其应用于搬运机器人、装配机器人或更专业的特定场合，其基本目的是实现对物体的抓取功能。常用的机械手部为两-三指或变形指，但这类机械手部通常针对固定形状或外形存在类似结构的零件设计，存在抓取缓慢，且适应性不强的问题。
[0003]随后，部分科研工作者对传统机械手部进行改造外，打破原有纯机械结构，开发了气吸式和磁吸式末端执行器。这类执行器在大型、易碎或柔软类工件的抓取中展露头角，同时由于特殊的作用方式以及气源和磁力源通断控制方便使抓取过程更加快速稳定。气吸式手部主要是利用真空吸盘吸附住物体实现抓取，适用于板材的抓取，或针对特定物体的吸附表面进行设计，所以其使用范围受物体表面形状限制，使用范围较小。磁吸式手部主要是利用电磁吸盘来完成工件的抓取，通过电磁线圈中电流的通断来完成吸附操作。但它只能适用于磁性材料、吸附完成后有残余磁性等，使其适用受到一定的限制。
[0004]为满足末端执行器抓取功能更加广泛的适应性，仿生学被广泛应用于机器手的设计过程中。美国FESTO公司公开了一种纳米力抓手，它模仿壁虎的吸盘式元件能牢固而持久地贴在被抓取物的表面，无需耗能，可以抓取具有光滑表面的极其易碎的物品，如玻璃或显示屏。随后FESTO公司又相继公开了采用鱼尾鳍仿生设计的仿生三角抓手以及多种仿人手末端执行器。此类末端执行器能较好地实现适应性抓取功能，但纳米力抓手的微观结构制造困难，仿生三角抓手及仿人手末端执行器的机械结构过于复杂。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，针对现有的技术不足，提出一种能满足适应性抓取且易于制造、结构较为简单的仿章鱼触手适应性抓取软体机械手。
[0006]本发明的另一个目的是针对现有技术不足，提出一种能满足适应性抓取的仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法。
[0007]本发明为解决上述问题采用的技术方案是:
[0008]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，主要包括触手、气管、电气比例阀、应变片、电磁阀。触手模仿章鱼触手形状，成不规则长条圆锥状，触手端部有直径较大的触手凸起，便于装卡。触手内部在比径向截面半径小的同心圆周上，均匀分布有成组的椭球形调压型腔。触手内部成组的椭球形调压型腔沿触手轴向均匀分布。椭球形调压型腔的长轴沿触手径向方向，短轴沿触手轴向方向。触手内部有沿其轴向布有主气路，沿轴向分布的每一列椭球形调压型腔对应一条主气路，主气路不直接通过椭球形调压型腔，由支气路与椭球形调压型腔相连。椭球形调压型腔和主气路相连的支气路处设有电磁阀。主气路直径大于支气路直径，主气路末端连有气管，气管与电气比例阀相连。每两组椭球形调压型腔中间放置有应变片。或触手表面有吸盘形凸起，吸盘形凸起背面装有沿触手轴向布置的应变片。吸盘形凸起径向分布位置与椭球形调压型腔一一相对，其轴向分布位置位于每两组椭球形调压型腔中间。通过应变片信号的反馈及与电磁阀和电气比例阀之间的配合，实现球形调压型腔的产生不同的形状变化，从而控制触手弯曲，通过对多组调压型腔的控制，实现对物体缠绕。
[0009]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其基本工作原理是控制径向分布的一组内不同的椭球形调压型腔的气压变化，导致该组内的椭球形调压型腔的产生不同的形状变化，从而控制触手弯曲，通过对多组调压型腔的控制，实现对物体缠绕。
[0010]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的触手制造方法，所述的触手及其内部椭球形调压型腔、主气路、支气路和表面的吸盘形凸起可使用3D打印技术一次成型；也可根据通过调压型腔的轴向截面将其分割成多个相同的部分，使用模压成型而后粘合成触手形状。成型所用材料可以为聚氨酯、硅胶或橡胶等弹性体。成型后的触手有较好的自身强度和刚度。
[0011]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，所述的触手内部在比径向截面半径小的同心圆周上，均匀分布有成组的椭球形调压型腔，其个数可以为两个、三个、四个、六个至多个，沿触手轴向均匀分布的调压型腔组数可以为三组、四组、五组至多组，具体个数及间隔距离可以根据物体大小及触手缠绕物体所需的自由度设定，主气路、支气路、吸盘形凸起及应变片个数与之对应增减。
[0012]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，所述的触手内部可以沿轴向嵌入钢丝绳，从而增加触手的强度，以提供更大的抓取力。嵌入钢丝绳子的数量根据所需抓取力的大小确定。嵌入钢丝绳的位置可以在触手径向截面的圆心，也可以在径向截面不同半径的同心圆周上隔过椭球形调压型腔均匀分布。
[0013]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法:将触手固定在机械臂上，对于较短的触手使其轴向方向与水平方向平行，对于长度较长触手使其轴向方向与水平方向成一定角度，该角度应小于30度，最大不超过45度，同时保证触手多列吸盘形凸起中的一列正对物体。将触手移动至贴近物体处，此时所有电磁阀处于关闭状态。当该列的第一个吸盘形凸起与物体接触后，第一个应变片产生电压力信号，当压力信号达到初始设定值时，第一组椭球形调压型腔的电磁阀开启，同时电气比例阀开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调正压，随着椭球形调压型腔的变形，整个触手像靠近物体一侧弯曲，直至该列的第二个吸盘行凸起与物体接触后，第二个应变片产生电压力信号，当电压力信号达到初始设定值时，第一组椭球形调压型腔的电磁阀关闭，第二组椭球形调压型腔的电磁阀开启，重复上述步骤，直至整根触手实现对物体的缠绕，完成抓取过程。打开所有电磁阀，同时所有电气比例阀开始工作，将其对应气路内所有椭球形型腔的压力调整为大气压，则触手恢复原状，平稳的放开物体。
[0014]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的其抓取方法:按照上述方法将触手固定在机械臂上，随后将触手移动到贴近物体处，此时所有电磁阀处于开启状态。该方法适用于要求快速抓取的过程。当该列的第一个吸盘形凸起与物体接触后，第一个应变片产生电压力信号，当压力信号达到设定值时，电气比例阀开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调正压，随着调压型腔的变形，整个触手像靠近物体一侧弯曲，当该列某个吸盘形凸起与物体接触后，对应的应变片产生电压力信号，当压力信号达到设定值时，对应的该组椭球形调压型腔的电磁阀关闭，随着吸盘形突起挨个与物体接触，对应的电磁阀逐渐关闭，直至所有电磁阀关闭，整根触手实现对物体的缠绕，完成抓取过程。打开所有电磁阀，所有电气比例阀开始工作将其对应气路内所有椭球形型腔内部压力调整为大气压，则触手恢复原状，平稳的放开物体。
[0015]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的其抓取方法，对于体积较大的物体可由多条触手同时作用，此时触手在机械臂上的固定角度可以超过45度，乃至与水平面垂直成90度。
[0016]本发明的有益效果是:1、由单个触手或者通过多个触手配合工作，可以有效的缠绕或包覆目标物体，通过触手自身的刚性提供压力，同时依靠触手表面较大的粗糙度及粘性产生抓取力，实现对大小不一，形状不一，表面不一的不同物体的适应性抓取，尤其适合表面曲线相对均匀的不规则物体。2、触手为柔性材料，通过和物体之间的静摩擦和粘性实现抓取过程，适用于形状不规则的易碎物体、易变形物体和表面易划伤物体。3、触手由硅胶、橡胶等柔性材料制成，即使表面磨损，依然可通过压力传感器和真空发生器的配合，实现对目标物体的精确的缠绕，完成抓取过程，具有较强的抗磨损能力。4、触手内包含多组调压型腔，即使其中部分调压型腔破裂或堵塞，触手仍可通过其他组调压型腔的配合实现对物体的精确的缠绕，完成抓取过程，具有较强的容错性和抗破坏能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的外观示意图。
[0018]图2为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手周向均匀分布两列椭球形调压型腔的结构示意图。
[0019]图3为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手周向均勻分布两列椭球形调压型腔的触手的椭球形型腔、气管、主气路、支气路、吸盘形突起及周向分布示意图。
[0020]图4为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手周向均匀分布两列椭球形调压型腔的触手的两组椭球形型腔、支气路、电磁阀的结构示意图。
[0021]图5为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手触手的吸盘形突起和应变片的结构示意图。
[0022]图6为本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手抓取物体的示意图。
[0023]图中，I一触手，2—气管，3—电气比例阀，4一触手凸起，5—吸盘形凸起，6—应变片，7—椭球形调压型腔，8—电磁阀，9—主气路，10—钢丝绳，11—支气路，12—机械臂，13—物体，14一人工神经网络控制器，2-1—气管①，2-2—气管②，3-1—电气比例阀①，3-2—电气比例阀②，5-1—吸盘形凸起①，5-2—吸盘形凸起②，6-1—应变片①，6_2—应变片②，7-1—椭球形调压型腔①，7-2—椭球形调压型腔②，8-1—电磁阀①，8-2—电磁阀②，8_3—电磁阀③,8-4一电磁阀④,9-1一主气路①,9_2—主气路②。【具体实施方式】
[0024]如图1所示为的一个本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，周向平均分布两列调压型腔的具体实施例:
[0025]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，包括触手1、气管2、电气比例阀
3、应变片6、电磁阀8。触手I模仿章鱼触手形状，成不规则长条圆锥状，触手端部有直径较大的触手凸起4，便于装卡。触手I内部在比径向截面半径小的同心圆周上，均匀分布有成组的椭球形调压型腔7。触手I内部成组的椭球形调压型腔7沿触手轴向均匀分布。椭球形调压型腔7的长轴沿触手I径向方向，短轴沿触手I轴向方向。触手I内部有沿其轴向布有主气路9，沿轴向分布的每一列椭球形调压型腔7对应一条主气路9，主气路9不直接通过椭球形调压型腔7，由支气路11与椭球形调压型腔7相连。椭球形调压型腔7和主气路9相连的支气路11处设有电磁阀8。主气路7直径大于支气路直径11，主气路9末端连有气管2，气管2与电气比例阀3相连。触手I表面有吸盘形凸起5，吸盘形凸起5背面装有沿触手I轴向布置的应变片6。吸盘形凸起5径向分布位置与椭球形调压型腔7 —一相对，其轴向分布位置位于每两组椭球形调压型腔7中间。
[0026]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其基本工作原理是控制径向分布的一组内椭球形调压型腔①7-1和椭球形调压型腔②7-2的气压变化，导致椭球形调压型腔①7-1和椭球形调压型腔②7-2产生不同的形状变化，从而控制触手弯曲，通过对多组椭球形调压型腔7的控制，实现对物体缠绕。
[0027]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手制造方法，所述的触手I及其内部椭球形调压型腔7、主气路9、支气路11和表面的吸盘形凸起5可使用3D打印技术一次成型；也可根据通过椭球形调压型腔7的轴向截面将其分割成多个相同的部分，使用模压成型而后粘合成触手I的形状。成型所用材料可以为硅胶，橡胶。成型后的触手I有较好的自身强度和刚度。
[0028]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，所述的触手I内部可以沿轴向嵌入钢丝绳10，从而增加触手I的强度，以提供更大的抓取力。嵌入钢丝绳10的数量根据所需抓取力的大小确定。嵌入钢丝绳10的位置可以在触手I径向截面的圆心，也可以在径向截面不同半径的同心圆周上隔过椭球形调压型腔7均匀分布。
[0029]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法:将触手I固定在机械臂12上，对于较短的触手I使其轴向方向与水平方向平行，对于长度较长触手I使其轴向方向与水平方向成一定角度，该角度应小于30度,最大不超过45度，同时保证触手1，两列吸盘形凸起5中的一列正对物体13。将触手I移动至贴近物体处，此时所有电磁阀8处于关闭状态。吸盘形凸起①5-1与物体13接触后，应变片①6-1产生电压力信号，当压力信号达到初始设定值时，电磁阀①8-1和电磁阀②8-2开启，同时电气比例阀3开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀①3-1调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀②3-2调正压，随着椭球形调压型腔①7-1和椭球形调压型腔②7-2的变形，整个触手I像靠近物体13 —侧弯曲，直至吸盘形凸起②5-2与物体13接触后，应变片②6-2产生电压力信号，当压力信号达到初始设定定值时，电磁阀①8-1和电磁阀②8-2关闭，电磁阀③8-3和电磁阀④8-4开启，重复上述步骤，直至整根触手I实现对物体13的缠绕，完成抓取过程。打开所有电磁阀8，同时所有电气比例阀3开始工作，将其对应的所有椭球形型腔7的压力调整为大气压，则触手I恢复原状，平稳的放开物体13。重复上述靠近、抓取、放开的过程，人工神经网络控制器14经历学习过程，通过多次学习，记录并调整械臂12带动触手I整靠近物体13的行进路径和抓取过程中不同应变片6的压力信号对应的初始值。通过使用多种物体13进行训练，可以实现快速稳定的靠近不同大小、不同外形的物体13，可以对不同表面、不同重量的物体13调整电压力信号值，实现适应性抓取。
[0030]本发明一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的其抓取方法:按照上述方法将触手I固定在机械臂12上，随后将触手I移动到贴近物体13处，此时所有电磁阀8处于开启状态。该方法适用于要求快速抓取的过程。当吸盘形凸起①5-1与物体13接触后，应变片①6-1产生电压力信号，当压力信号达到初始设定值时，电气比例阀3开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀①3-1调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀②3-2调正压，随着椭球形调压型腔7的变形，整个触手I像靠近物体一侧弯曲，当该列某个吸盘形凸起5与物体13接触后，对应的应变片6产生电压力信号，当压力信号达到初始设定值时，对应的该组椭球形调压型腔7的电磁阀8关闭，随着吸盘形突起5逐个与物体13接触，对应的电磁阀8逐渐关闭，直至所有电磁阀8关闭，整根触手I实现对物体13的缠绕，完成抓取过程。打开所有电磁阀8，同时所有电气比例阀3开始工作，将其对应的所有椭球形型腔7的压力调整为大气压，则触手I恢复原状，平稳的放开物体13。重复上述靠近、抓取、放开的过程，人工神经网络控制器14经历学习过程，通过多次学习，记录并调整械臂12带动触手I整靠近物体13的行进路径和抓取过程中不同应变片6的压力信号对应的初始值。通过使用多种物体13进行训练，可以实现快速稳定的靠近不同大小、不同外形的物体13，可以对不同表面、不同重量的物体13调整电压力信号值，实现适应性抓取。
【权利要求】
1.一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其特征在于:主要包括触手、气管、电气比例阀、应变片和电磁阀，触手模仿章鱼触手形状，成不规则长条圆锥状，触手端部有直径较大的触手凸起，触手内部在比径向截面半径小的同心圆周上，均匀分布有成组的椭球形调压型腔，触手内部成组的椭球形调压型腔沿触手轴向均匀分布，椭球形调压型腔的长轴沿触手径向方向，短轴沿触手轴向方向，触手内部有沿其轴向布有主气路，沿轴向分布的每一列椭球形调压型腔对应一条主气路，主气路不直接通过椭球形调压型腔，由支气路与椭球形调压型腔相连；椭球形调压型腔和主气路相连的支气路处设有电磁阀；主气路直径大于支气路直径，主气路末端连有气管，气管与电气比例阀相连海两组椭球形调压型腔中间放置有应变片。
2.根据权利要求1所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其特征在于:触手表面有吸盘形凸起，吸盘形凸起背面装有沿触手轴向布置的应变片，吸盘形凸起径向分布位置与椭球形调压型腔一一相对，其轴向分布位置位于每两组椭球形调压型腔中间。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其特征在于:所述的触手及其内部椭球形调压型腔、主气路、支气路使用3D打印技术一次成型；或根据通过调压型腔的轴向截面将其分割成多个相同的部分，使用模压成型而后粘合成触手形状。
4.根据权利要求1所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手，其特征在于:所述的触手内部可以沿轴向嵌入钢丝绳，嵌入钢丝绳的位置在触手径向截面的圆心，或在径向截面不同半径的同心圆周上隔过椭球形调压型腔均匀分布。
5.权利要求2所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法，其特征在于:将触手固定在机械臂上，对于较短的触手使其轴向方向与水平方向平行，同时保证触手多列吸盘形凸起中的一列正对物体；将触手移动至贴近物体处，此时所有电磁阀处于关闭状态；当该列的第一个吸盘形凸起与物体接触后，第一个应变片产生电压力信号，当压力信号达到初始设定值时，第一组椭球形调压型腔的电磁阀开启，同时电气比例阀开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调正压，随着椭球形调压型腔的变形，整个触手像靠近物体一侧弯曲，直至该列的第二个吸盘行凸起与物体接触后，第二个应变片产生电压力信号，当电压力信号达到初始设定值时，第一组椭球形调压型腔的电磁阀关闭，第二组椭球形调压型腔的电磁阀开启，重复上述步骤，直至整根触手实现对物体的缠绕，完成抓取过程；打开所有电磁阀，同时所有电气比例阀开始工作，将其对应气路内所有椭球形型腔的压力调整为大气压，则触手恢复原状，平稳的放开物体。
6.根据权利要求5所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法，其特征在于:对于长度较长触手使其轴向方向与水平方向成一定角度，该角度应小于30度,最大不超过45度。
7.根据权利要求5或6所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法，其特征在于:将触手固定在机械臂上，随后将触手移动到贴近物体处，此时所有电磁阀处于开启状态；当该列的第一个吸盘形凸起与物体接触后，第一个应变片产生电压力信号，当压力信号达到设定值时，电气比例阀开始工作，有电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调负压，无电压力信号一侧的主气路对应的电气比例阀调正压，随着调压型腔的变形，整个触手像靠近物体一侧弯曲，当该列某个吸盘形凸起与物体接触后，对应的应变片产生电压力信号，当压力信号达到设定值时，对应的该组椭球形调压型腔的电磁阀关闭，随着吸盘形突起挨个与物体接触，对应的电磁阀逐渐关闭，直至所有电磁阀关闭，整根触手实现对物体的缠绕，完成抓取过程；打开所有电磁阀，所有电气比例阀开始工作将其对应气路内所有椭球形型腔内部压力调整为大气压，则触手恢复原状，平稳的放开物体。
8.根据权利要求5或6所述的一种仿章鱼触手适应性抓取软体机械手的抓取方法，其特征在于:对于体积较大的物体可由多条触手同时作用，此时触手在机械臂上的固定角度可以超过45度，乃至与水平面 垂直成90度。
【文档编号】B25J9/08GK103753524SQ201310689728
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】杨卫民, 李月林, 焦志伟, 宋乐, 丁玉梅 申请人:北京化工大学