活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置的制作方法

本發(fā)明屬于機(jī)器人手技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

機(jī)器人手是機(jī)器人操作使用的重要終端，機(jī)器人利用其手爪抓取物體或操縱(如移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng))物體。機(jī)器人的手可以模仿人手的動(dòng)作原理來(lái)制造，這種模仿人手的機(jī)器人手已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，一般具有多個(gè)手指，每個(gè)手指具有多個(gè)關(guān)節(jié)，這種手也稱(chēng)為擬人機(jī)器人手或多指機(jī)器人手。

多指機(jī)器人手又分為靈巧手和欠驅(qū)動(dòng)手兩大類(lèi)，兩類(lèi)并不互相獨(dú)立，前者是指具有3個(gè)以上手指和9個(gè)以上自由度的多指手，后者是指手上的驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)目。

靈巧手非常先進(jìn)，集成度很高，傳感和控制系統(tǒng)復(fù)雜，具有較多的獨(dú)立控制的關(guān)節(jié)自由度，能夠靈巧的控制多個(gè)關(guān)節(jié)，完成不同的手勢(shì)動(dòng)作，能夠主動(dòng)地抓取物體。這方面部分典型代表包括：美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)的Robonaut R2手，日本東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的三指快速機(jī)器人手，中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國(guó)宇航中心(DLR)聯(lián)合研制的HIT-DLR-II手，英國(guó)Shadow公司研制的Shadow手……。但是，靈巧手在抓取控制上也帶來(lái)非常繁瑣的計(jì)算，實(shí)時(shí)控制要求高，制造和維護(hù)成本昂貴。

欠驅(qū)動(dòng)手介于普通工業(yè)夾持器與靈巧手之間，是一種智能機(jī)械，抓取上采用機(jī)械的方式達(dá)到較少的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)較多的關(guān)節(jié)自由度，而且能夠自動(dòng)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(lái)得到了較多的研究。已經(jīng)有一些欠驅(qū)動(dòng)手被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如加拿大Laval大學(xué)、Robotiq公司、意大利Prensilia公司、荷蘭Delft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(jī)械研究所等機(jī)構(gòu)都研究和開(kāi)發(fā)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手。但是欠驅(qū)動(dòng)手仍然是多指手，手指與物體的接觸點(diǎn)局限在各指段表面，由于手指數(shù)量有限，每個(gè)手指上的指段數(shù)量有限，因此，無(wú)法做到更多的接觸點(diǎn)，無(wú)法達(dá)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(jìn)一步提高。

此外，在外觀不模仿人手的特種機(jī)器人手方面，大量的工業(yè)應(yīng)用采用吸盤(pán)、磁鐵或靜電吸附等方式抓取和操作物體。美國(guó)康奈爾大學(xué)研制了一種通用夾持器(美國(guó)發(fā)明專(zhuān)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(dòng)適應(yīng)物體形狀，并利用負(fù)壓的方式抽氣，大量顆粒材料滯留其中產(chǎn)生阻塞硬化，達(dá)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：1)必須依靠外界環(huán)境給予物體的反作用力來(lái)達(dá)到彈性薄膜的變形，不能拾取沒(méi)有反作用面的物體(例如空中吊著的一個(gè)蘋(píng)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(shí)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(gè)系統(tǒng)體積龐大，要有一段抽氣的時(shí)間，將幾乎所有的氣都抽完才算抓取完成，抓取不快速。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，該裝置用于抓取物體，可以自動(dòng)適應(yīng)物體的形狀、尺寸；能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)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(dòng)方式變形抓取物體，也可以主動(dòng)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(wú)反作用面的物體的抓取，抓取范圍大；該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的一種活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：包括基座、第一驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)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(dòng)器與基座固接，所述第一驅(qū)動(dòng)器的輸出軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入端相連，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出端與活塞相連，所述活塞滑動(dòng)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(gè)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。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)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。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：還包括至少一個(gè)手指，所述手指包括手指基座、N個(gè)指段、N個(gè)關(guān)節(jié)軸、至少一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)器和至少一個(gè)第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述手指基座與所述基座固接，所述第一個(gè)指段通過(guò)第一個(gè)關(guān)節(jié)軸與手指基座相連，所述第i個(gè)指段通過(guò)第i個(gè)關(guān)節(jié)軸與第i-1個(gè)指段相連，所述第二驅(qū)動(dòng)器通過(guò)第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與各個(gè)關(guān)節(jié)軸相連；所述手指位于彈性薄膜的周?chē)?，其中，N為自然數(shù)，i為2,3,……N。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)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。

本發(fā)明所述活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：所述第一驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)、氣缸或液壓缸。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：所述第二驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)、氣缸或液壓缸。

本發(fā)明裝置利用驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了多維自適應(yīng)和主被動(dòng)混合式抓取功能，可以自動(dòng)適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體；能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)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(dòng)方式變形抓取物體，也可以主動(dòng)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(wú)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(chǎng)使得磁流變液固化，增強(qiáng)了抓持效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置的一種實(shí)施例的剖視圖。

圖2是圖1所示實(shí)施例的立體外觀圖。

圖3是圖1所示實(shí)施例的正面外觀圖。

圖4是圖1所示實(shí)施例的手指的剖視圖(基座和第一指段部分剖視)。

圖5是圖1所示實(shí)施例抓取物體第一階段時(shí)的剖視圖，此時(shí)，采用活塞向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)拉膜件拉動(dòng)彈性薄膜變形來(lái)抓取物體。

圖6是圖1所示實(shí)施例抓取物體第二階段時(shí)的剖視圖，此時(shí)，不僅采用活塞向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)拉膜件拉動(dòng)彈性薄膜變形來(lái)抓取物體，而且還利用手指的彎曲來(lái)抓取物體。

在圖1至圖6中：

1-基座，11-基座套筒，12-基座外蓋板，13-基座骨架，

2-第一驅(qū)動(dòng)器(第一電機(jī))，3-第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，31-第一減速器，

32-第一帶輪，33-第一傳動(dòng)帶，34-第二帶輪，35-螺母，

36-絲杠，4-活塞，41-活塞密封圈，5-拉膜件，

51-連接件，52-第一簧件，6-手指，61-手指基座，

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，

66-第二驅(qū)動(dòng)器(第二電機(jī))，661-第二減速器，662-第三帶輪，663-第四帶輪，

664-第二傳動(dòng)帶，67-第三傳動(dòng)帶，671-第五帶輪，672-第六帶輪，

673-過(guò)渡軸，674-過(guò)渡輪，68-第二簧件，7-彈性薄膜，

8-磁流變液，83-電磁鐵，9-物體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過(guò)程。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置的第一種實(shí)施例，如圖1、圖2、圖3和圖4所示，包括基座1、第一驅(qū)動(dòng)器2、傳動(dòng)機(jī)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1包括基座套筒11；所述第一驅(qū)動(dòng)器2與基座1固接，所述第一驅(qū)動(dòng)器2的輸出軸與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3的輸入端相連，所述傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3的輸出端與活塞4相連，所述活塞4滑動(dòng)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(gè)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(shí)施例中，所述拉膜件5采用腱繩；所述電磁鐵安裝在基座上。

所述基座1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(dòng)機(jī)構(gòu)3設(shè)置在基座骨架13中。

另一種實(shí)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。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：還包括至少一個(gè)手指，所述手指包括手指基座、N個(gè)指段、N個(gè)關(guān)節(jié)軸、至少一個(gè)第二驅(qū)動(dòng)器和至少一個(gè)第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述手指基座與所述基座固接，所述第一個(gè)指段通過(guò)第一個(gè)關(guān)節(jié)軸與基座相連，所述第i個(gè)指段通過(guò)第i個(gè)關(guān)節(jié)軸與第i-1個(gè)指段相連，所述第二驅(qū)動(dòng)器通過(guò)第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與各個(gè)關(guān)節(jié)軸相連；所述手指位于彈性薄膜的周?chē)?，其中，N為自然數(shù)，i為2,3,……N。

本實(shí)施例中，取N為2。因此，本實(shí)施例還包括三個(gè)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(dòng)器66和第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述手指基座61與所述基座1固接，所述第一指段62通過(guò)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(guò)第二關(guān)節(jié)軸65與第一指段62相連，所述第二驅(qū)動(dòng)器66通過(guò)第二傳動(dòng)機(jī)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?chē)?，三個(gè)所述手指6均布在彈性薄膜7的四周。

本實(shí)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。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：所述第一驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)、氣缸或液壓缸。本實(shí)施例中，所述第一驅(qū)動(dòng)器2采用電機(jī)。

本發(fā)明所述的活塞驅(qū)動(dòng)磁流柔性機(jī)器人手裝置，其特征在于：所述第二驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)、氣缸或液壓缸。本實(shí)施例中，所述第二驅(qū)動(dòng)器66采用電機(jī)。

本實(shí)施例中，所述第一傳動(dòng)機(jī)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(dòng)帶33、絲杠36和螺母35；所述第一驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)帶33三者配合形成帶輪傳動(dòng)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(dòng)關(guān)系；所述絲杠36與活塞4固接。

本實(shí)施例中，所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第二減速器661、第三帶輪662、第四帶輪663、第二傳動(dòng)帶664、第五帶輪671、第六帶輪672、第三傳動(dòng)帶67、過(guò)渡軸673、過(guò)渡輪674和第二簧件68；所述第二驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)帶664三者配合形成帶輪傳動(dòng)關(guān)系；所述第一指段活動(dòng)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(dòng)套接在第二關(guān)節(jié)軸65上，所述第三傳動(dòng)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(dòng)帶67三者配合形成帶輪傳動(dòng)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(guò)渡軸673套設(shè)在第一指段62中，所述過(guò)渡輪674套接在過(guò)渡軸673上，所述第三傳動(dòng)帶67纏繞經(jīng)過(guò)過(guò)渡輪674。

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：

本實(shí)施例初始狀態(tài)如圖2所示，第一驅(qū)動(dòng)器2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)活塞4向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)第一簧件52拉動(dòng)拉膜件5向下運(yùn)動(dòng)，彈性薄膜7被拉膜件5拉動(dòng)變形，中心區(qū)域向下變形，形成一個(gè)向內(nèi)凹陷的結(jié)構(gòu)，此時(shí)本實(shí)施例在機(jī)器人臂部的運(yùn)動(dòng)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(shí)，再進(jìn)一步拉動(dòng)拉膜件5，讓彈性薄膜7變形更大，此時(shí)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(dòng)性，因此，對(duì)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(shí)現(xiàn)抓取。

當(dāng)物體9較重時(shí)，可以開(kāi)動(dòng)第二驅(qū)動(dòng)器66，通過(guò)第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)各手指6的各關(guān)節(jié)彎曲，達(dá)到多手指6按壓彈性薄膜7，通過(guò)磁流變液8壓向物體9，達(dá)到更大力量的抓取，實(shí)現(xiàn)了較好的主動(dòng)抓取。

本實(shí)施例也可以采用部分被動(dòng)(或者開(kāi)始被動(dòng)變形，之后主動(dòng)抓取)的混合方式抓取物體9，當(dāng)機(jī)械臂操縱本實(shí)施例靠近物體9時(shí)，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(dòng)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(shí)或者拉動(dòng)拉膜件5，或者彎曲各手指6關(guān)節(jié)，均可以實(shí)現(xiàn)較好的抓取。

在抓取物體后，再給電磁鐵83通電，在周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)穿過(guò)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(qiáng)了抓持效果。釋放物體9時(shí)，將電磁鐵83斷電，磁場(chǎng)消失，磁流變液8瞬間變?yōu)橐后w，驅(qū)動(dòng)器2反轉(zhuǎn)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3使得第一拉膜件5、第二拉膜件6不再拉動(dòng)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(dòng)性，不再對(duì)物體9施加抓持力，從而完成釋放物體9。

本發(fā)明裝置利用驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)了多維自適應(yīng)和主被動(dòng)混合式抓取功能，可以自動(dòng)適應(yīng)抓取不同形狀、尺寸的物體；能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)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(dòng)方式變形抓取物體，也可以主動(dòng)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(wú)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(chǎng)使得磁流變液固化，增強(qiáng)了抓持效果。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易。