绳驱磁流自适应抓持装置的制作方法

本发明属于机器人手技术领域，特别涉及一种绳驱磁流自适应抓持装置的结构设计。

背景技术：

机器人用手爪(或夹持器)抓物体，因此，手爪是机器人的重要终端。模仿人手研制的机器人手称为称为拟人机器人手或多指机器人手，已经有许多多指机器人手被研制出来，它们分别具有多个手指，各手指有多个旋转关节。其中，最为简单是二指夹持器(也称为工业夹持器)，模仿了带有二指手套的人手抓取(大拇指与四指开合)，或者类似于鸟喙衔取。它们在工业上被广泛采用，可以实现对指定形状、尺寸特殊物体很稳定地抓取，结构非常简单，成本很低，不少残疾人假手也因为二指夹持器的优点而大量采用这种手爪。但是二指夹持器的适应能力不强，不能去自动适应不同形状尺寸的物体。具有自适应特性的抓取装置可以有以下四大类：

(1)多指灵巧手

模仿人手的机器人灵巧手具有9个以上(甚至多达20个左右)自由度、数十个传感器和复杂的控制原理。灵巧手有独立控制的关节，能主动控制各个关节，从而实现灵巧的动作，主动抓取不同形状物体。从上世纪70年代以来，已经有多个国家研制出非常知名的各种灵巧手，例如，Salisbury手、Utah/MIT手、哈工大和德国宇航中心(DLR)的HIT/DLR系列手，北航的BH系列灵巧手，美国宇航局(NASA)的Robonaut R2手，英国Shadow机器人公司的Shadow系列手，东京大学的快速机器人手……。多指灵巧手结构复杂，传感与控制繁琐，成本昂贵，目前暂还未推广使用。

(2)多指欠驱动手

欠驱动手是一种介于工业夹持器和多指多关节主动驱动手之间的机器人手，属于智能机械范畴，利用机械方式达到传感与控制的目的，实现了少量电机驱动多个关节的功能，比较吸引人的是它可以自动适应不同形状、尺寸物体，减少了传感与控制需求。早在上世纪70年代，Hirose等人就设计出了一种自适应欠驱动手，近十年来得到越来越多的关注。已经开发出的欠驱动手有：加拿大Laval大学多连杆型的SARAH欠驱动手、意大利Prensilia公司的腱绳驱动的欠驱动手，哈工大、北航、上交大、华中科大和中科院合肥智能机械研究所等机构都在欠驱动手方面成果斐然。

灵巧手和欠驱动手两类并不互相独立，前者是指具有3个以上手指和9个以上自由度的多指手，后者是指手上的驱动器数目少于关节自由度数目。

但是灵巧手和欠驱动手都属于多指机器人手，手指与物体的接触受限于手指的数量和关节的数量，难以增加接触点，自适应能力还有限，抓取稳定性有待提高。

(3)柔性表面的机器人手

在多指机器人手的指段表面增加柔性或弹性材料，可以获得软指面抓取效果，指面的适应性得到很大提高，有利于抓取。但是由于手指指段的主体元件仍然是刚性的，因此仅可以获得局部自适应提高的效果，难以获得整体自适应效果。

(4)软体机器人手

在特种机器人手方面，相当多的工业手爪利用吸盘、磁铁等方式抓取物体。但是其适应面仍然有限。

美国康奈尔大学申请了一项通用夹持器专利(美国发明专利US20130106127A1)，所介绍的通用夹持器采用含有大量小颗粒的膜皮去适应物体形状，利用空气压缩机抽真空的方式，将膜皮内的空气抽走，留下的大量颗粒发生了颗粒阻塞硬化现象，从而仿佛长出了“手指”一般，可以自适应抓取不同形状、尺寸的物体。该通用夹持器的不足之处在于：1)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；2)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。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种绳驱磁流自适应抓持装置，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；抓持力大，抓取稳定快速；结构简单、控制容易。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种绳驱磁流自适应抓持装置，其特征在于：包括基座、驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、电磁铁、弹性薄膜和磁流变液；所述通道件与基座固接；所述驱动器与基座固接，所述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第二拉膜件的上端相连，所述第二拉膜件的下端、弹性薄膜的上端和第一拉膜件的上端固接；所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端固接；所述弹性薄膜为可变形的弹性材料制作的中空密封结构；所述弹性薄膜的一部分位于通道件的下方，所述弹性薄膜的另一部分位于通道件的内部，所述弹性薄膜的一部分与通道件的内壁相接触；所述通道件包括至少1个通道；所述通道为中空的空腔结构，所述通道具有下出口和上出口；当通道的数量大于1时，所有的所述通道中的空腔相互连通，从下向上不同所述通道的空腔的容积依次减小；所述磁流变液密封在弹性薄膜中；所述第一拉膜件采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述第二拉膜件采用连杆、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。

本发明所述的绳驱磁流自适应抓持装置，其特征在于：所述第一拉膜件的下端与弹性薄膜的下端的中心区域相连。

本发明所述的绳驱磁流自适应抓持装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。

本发明装置利用驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、电磁铁、弹性薄膜和磁流变液等综合实现了多维自适应抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体，核心原理是：驱动器通过传动机构拉动第一拉膜件和第二拉膜件，弹性薄膜向通道件的上方和内部不断变形，在通道件的配合下，装有磁流变液的弹性薄膜包裹物体并自适应贴合物体外形，部分磁流变液在受压迫状态陆续进入狭窄的通道件中，磁流变液反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间可能形成密封的负压区域，在磁流变液压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取；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；该装置能够实现多个方向对物体的适应，获得多维自适应效果；该装置抓取稳定快速，结构简单，控制容易。

附图说明

图1是本发明提供的绳驱磁流自适应抓持装置的一种实施例的剖视图。图2是图1所示实施例抓取物体时的外观图。图3是图1所示实施例抓取物体时的剖视图。

在图1至图3中：

1-基座， 11-基座套筒， 12-电机支承件， 2-驱动器(电机)，

3-传动机构， 31-减速器， 32-联轴器， 33-转轴，

34-绕线筒， 4-通道件， 41-通道， 411-下出口，

412-上出口， 5-第一拉膜件， 6-第二拉膜件， 7-弹性薄膜，

8-磁流变液， 83-电磁铁， 9-物体。

具体实施方式

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。

本发明设计的绳驱磁流自适应抓持装置的一种实施例，如图1所示，包括基座1、驱动器2、传动机构3、通道件4、第一拉膜件5、第二拉膜件6、电磁铁83、弹性薄膜7和磁流变液8；所述通道件4与基座1固接；所述驱动器2与基座1固接，所述驱动器2的输出轴与传动机构3的输入端相连，所述传动机构3的输出端与第二拉膜件6的上端相连，所述第二拉膜件6的下端、弹性薄膜7的上端和第一拉膜件5的上端固接；所述第一拉膜件5的下端与弹性薄膜7的下端固接；所述弹性薄膜7为可变形的弹性材料制作的中空密封结构；所述弹性薄膜7的一部分位于通道件4的下方，所述弹性薄膜7的另一部分位于通道件4的内部，所述弹性薄膜7的一部分与通道件4的内壁相接触；所述通道件4包括至少1个通道41；所述通道41为中空的空腔结构，所述通道41具有下出口411和上出口412；当通道41的数量大于1时，所有的所述通道41中的空腔相互连通，从下向上不同所述通道41的空腔的容积依次减小；所述磁流变液8密封在弹性薄膜7中；所述第一拉膜件5采用连杆、带、链条或腱绳中的一种或多种的混合；所述第二拉膜件6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，所述第一拉膜件5采用腱绳；所述第二拉膜件6采用腱绳；所述电磁铁83安装在基座1上。

所述基座1包括基座套筒11和电机支承件12，所述基座套筒11与电机支承件12固接，所述驱动器2固定安装在电机支承件12上，所述通道件4的上部与基座套筒11固接。

本实施例中，所述第一拉膜件5的下端与弹性薄膜7的下端的中心区域相连。

本发明所述的绳驱磁流自适应抓持装置，其特征在于：所述驱动器采用电机、气缸或液压缸。本实施例中，所述驱动器2采用电机。

本实施例中，所述传动机构3包括减速器31、联轴器32、转轴33和绕线筒34；所述驱动器2的输出轴与减速器31的输入轴相连，所述减速器31的输出轴通过联轴器32与转轴33相连，所述转轴33套设在基座1中，所述绕线筒34套固在转轴33上，所述第二拉膜件的上端与绕线筒固接，第二拉膜件缠绕在绕线筒上。

下面结合图1、图2和图3，介绍本发明装置的工作原理如下：

本实施例初始状态如图1所示，弹性薄膜的下部区域与物体相接触，驱动器2转动，通过传动机构3拉动第二拉膜件6向上运动，拉动第一拉膜件5向上运动，弹性薄膜7被第一拉膜件5和第二拉膜件6拉动变形，在通道件4的摩擦阻碍下，弹性薄膜7与通道件4相接触的外侧区域保持在通道件4附近，磁流变液8密封在弹性薄膜7内，磁流变液8具有很好的流动性，弹性薄膜7的中心区域向上发生变形，本实施例在机器人臂部的运动下接触物体9，继续通过驱动器2拉动第一拉膜件5和第二拉膜件6，弹性薄膜7 下部的变形加大，会在其下部形成一个愈加向内凹陷的结构，此时弹性薄膜7将包裹接触物体9的局部，伸直将物体的局部包裹到弹性薄膜的下部空腔中，部分水在受压迫状态陆续进入狭窄的两级通道，水反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间形成负压区域，在水压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取。该装置对不同形状与尺寸的物体9具有较好的适应性，从而可以实现抓取。

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。

该实施例装置抓住物体如图2、图3所示。

本发明装置利用驱动器、传动机构、通道件、第一拉膜件、第二拉膜件、弹性薄膜和磁流变液等综合实现了多维自适应抓取功能，可以自动适应抓取不同形状、尺寸的物体，核心原理是：驱动器通过传动机构拉动第一拉膜件和第二拉膜件，弹性薄膜向通道件的上方和内部不断变形，在通道件的配合下，装有磁流变液的弹性薄膜包裹物体并自适应贴合物体外形，部分磁流变液在受压迫状态陆续进入狭窄的通道件中，磁流变液反作用在所抓物体上，同时在弹性薄膜和物体之间可能形成密封的负压区域，在磁流变液压力、大气压和弹性薄膜摩擦力的共同作用下，实现物体抓取；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；该装置抓取稳定快速，结构简单，控制容易。