CN104924315B - 磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置 - Google Patents
磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置 Download PDFInfo
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Abstract
磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，属于机器人技术领域。该装置包括柔性件、腱绳、手指、通道、线圈、磁流变液、驱动器和基座。柔性件采用布、网或膜的薄壁结构，内部密封有磁流变液；通道、线圈设置在柔性件上；腱绳一端与驱动器的输出轴固连，另一端穿过通道并与其末端固连。本发明装置利用腱绳拉动通道，使得柔性件收拢封口，实现了不同形状、不同尺寸物体的自适应抓取功能；该装置利用手指的弹性，使得柔性件保持最适宜的抓取姿态，并实现柔性件的复位；该装置还采用了磁流变液在磁场中固结的特性，辅助固定了抓取的形态，实现可靠抓持；该装置使用少量驱动器驱动多个手指，结构简洁，制造、维护成本低。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置的结构设计
背景技术
机器人手作为机器人的执行终端，需要实现抓取与释放两个动作。按使用场合的不同，主要可分为拟人机械手与通用抓持器两大类机器人手。拟人机械手与人手相似，主要作为义肢，供残疾人使用。通用抓持器在工业上有广泛应用，用于自动化生产线上机器人夹持物体。
Christian Cipriani等人在文献中介绍了一种腱绳驱动的拟人机械手SmartHand(Cipriani C,et al.Objectives,criteria and methods for the design of theSmartHandtransradial prosthesis[J].Robotica,2010,28(06):919-927.)。该拟人机械手由4个驱动器驱动，通过腱绳带动手指运动。此外，英国的Shadow公司已商业化生产腱绳驱动拟人机械手(美国发明专利US 2013313844A1)。腱绳驱动的方式能简化拟人机械手的结构，易于设计轻巧、多自由度的灵巧手。但该类装置由于驱动元件较多，自由度高，使得整体结构复杂，制造加工成本高。
John Amend等人在文献中介绍了一种基于粒状材料堵塞原理的柔性通用抓持器(Amend J R,et al.A positive pressure universal gripper based on the jammingof granular material[J].Robotics,IEEE Transactions on,2012,28(2):341-350.)。抓持器柔性时接触并挤压待抓取物体，抓持器末端橡胶球发生形变，橡胶球内存在大量咖啡颗粒，此时，对橡胶球内部抽真空，过滤膜使咖啡颗粒约束在橡胶球的密闭空间内相互楔紧，从而使变形后的橡胶球形状固定下来，实现抓取。该装置适用于各种形状物体的抓持，自适应能力较强。该装置的不足之处为：该装置采用气动的方式实现，整个***体积庞大，能耗大，噪音大，难以小型化，造价昂贵。
磁流变液是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。磁流变液具有响应速度快、阻尼连续可逆变化、低电压低功耗、机构简洁、使用寿命长等特点，因此成为了一种用途广泛、性能优良的智能材料。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，该装置能实现腱绳驱动与柔性通用抓持相结合的效果，只需一个驱动器，且具备不同物体自适应欠驱动抓取功能，并采用了磁流变液辅助抓持过程，使得抓取更可靠，其驱动方式简洁可靠，结构紧凑，制造、维护成本低。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的一种磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：该磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置包括柔性件、至少一根腱绳、至少两个手指、至少一个通道、线圈、磁流变液至少一个驱动器、基座；所述的柔性件中部与基座固连，柔性件内部密封有磁流变液；所述的手指设置在柔性件上；所述的通道设置在柔性件上；所述的驱动器设置在基座中；所述的腱绳一端与驱动器的输出轴固连，另一端穿过通道并与通道的末端固连；所述的线圈设置在柔性件周围。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的柔性件呈薄壁双层结构；柔性件采用布、网或膜；所述的腱绳采用纺织用绳、塑料绳、橡胶绳或金属丝。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指纵向方向与通道切向方向的夹角为45°-135°；手指呈放射状布置。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指一端与基座相连；手指采用片簧、板簧、拉簧、压簧或发条中一种或几种的组合。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指通过簧件、关节轴与基座相连；与一个手指相连的簧件、关节轴的数量至少为1；手指采用杆状、管状、或片状的刚性结构。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的通道可轴向伸缩；通道采用柔性环形腔、耳环形结构或波纹管。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括导管；所述的基座中设置有通孔；所述导管的两端分别连接通孔与通道；所述的腱绳穿过通孔和导管。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括大线圈；所述的大线圈设置于基座底端靠近柔性件处；所述的线圈分布在柔性件的表面或镶嵌于柔性件内部。
本发明所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括传动机构；所述的传动机构包括减速器、转轴、卷筒；所述的驱动器输出轴与减速器的输入轴相连；所述的转轴一端与减速器的输出轴相连，另一端与支撑件相连；所述的支撑件设置在基座中；所述的卷筒固套在转轴上；所述的腱绳与卷筒相连。
本发明与现有技术相比，具有以下突出特点：
本发明装置利用腱绳拉动通道，使得柔性件收拢封口，实现了不同形状、不同尺寸物体的自适应抓取功能；该装置利用手指的弹性，使得柔性件保持最适宜的抓取姿态，并实现柔性件的复位；该装置使用一个驱动器控制两个或以上手指的运动，实现了欠驱动；该装置利用磁流变液在磁场下固结的特点，增强了抓取的可靠性；该装置结构紧凑，制造、维护成本低。
附图说明
图1是本发明提供的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置的一种实施例的三维外观图。
图2是图1所示实施例的三维剖视图。
图3是图2所示实施例的局部放大图。
图4是采用弹性手指实施例的结构示意图。
图5是图4所示实施例的局部放大图。
图6是采用两个通道的结构示意图。
图7是采用刚性手指及弹性关节实施例的结构示意图。
图8是图7所示实施例的局部放大图。
图9是采用两个关节的结构示意图。
图10、图11、图12是图1所示实施例抓取物体过程的三维外观图。
图13、图14、图15是图1所示实施例中抓取物体过程的正面剖视图。
在图1至图15中：
11-基座， 12-上基座， 13-支撑件，
14-转轴，
21-驱动器， 22-减速器， 23-卷筒，
31-导管， 32-腱绳， 33-柔性件，
34-通道， 35-手指， 351-关节轴，
352-簧件，
41-螺栓， 42-套筒， 43-螺母，
51-线圈， 52-磁流变液， 53-大线圈。
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。
本发明设计的一种磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置的一种实施例，如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15所示。本实施例包括柔性件33、至少一根腱绳32、至少两个手指35、至少一个通道34、线圈51、磁流变液52、至少一个驱动器21、基座11；所述的柔性件33中部与基座11固连，柔性件33内部密封有磁流变液52；所述的手指35设置在柔性件33上；所述的通道34设置在柔性件33上；所述的驱动器21设置在基座11中；所述的腱绳32一端与驱动器21的输出轴固连，另一端穿过通道34并与通道34的末端固连；所述的线圈51设置在柔性件33周围。
本实施例中，所述的柔性件33呈薄壁双层结构；柔性件33采用布、网或膜；所述的腱绳32采用纺织用绳、塑料绳、橡胶绳或金属丝。
本实施例中，所述的手指35纵向方向与通道34切向方向的夹角为45°-135°；手指35呈放射状布置。
本实施例中，所述的手指35一端与基座11相连；手指35采用片簧、板簧、拉簧、压簧或发条中一种或几种的组合。
本实施例中，所述的手指35通过簧件352、关节轴351与基座11相连；与一个手指35相连的簧件352、关节轴351的数量至少为1；手指35采用杆状、管状、或片状的刚性结构。
本实施例中，所述的通道34可轴向伸缩；通道34采用柔性环形腔、耳环形结构或波纹管。
本实施例中，还包括导管31；所述的基座11中设置有通孔；所述导管31的两端分别连接通孔与通道34；所述的腱绳32穿过通孔和导管31。
本实施例中，还包括大线圈53；所述的大线圈53设置于基座11底端靠近柔性件33处；所述的线圈51分布在柔性件33的表面或镶嵌于柔性件33内部。
本实施例中，还包括传动机构；所述的传动机构包括减速器22、转轴14、卷筒23；所述的驱动器21输出轴与减速器22的输入轴相连；所述的转轴14一端与减速器22的输出轴相连，另一端与支撑件13相连；所述的支撑件13设置在基座11中；所述的卷筒23固套在转轴14上；所述的腱绳32与卷筒23相连。
本实施例中，还包括连接机构；包括上基座12、螺栓41、套筒42、螺母43；所述的套筒42架设于基座11与上基座12之间；所述的螺栓41穿过上基座12、套筒42、基座11，并由螺母43紧固；机器人手装置通过上基座12与外设的机械臂相连。
本发明的一种优选方案的实施例中，所述的手指35采用片簧；采用六个手指35以柔性件33中心呈放射状均布，如图4所示。所述的通道34采用波纹管，波纹管围绕并固连在柔性件33外缘，如图5所示。若采用两个通道34，则如图6所示。
发明的另一种优选方案的实施例中，所述的手指35采用刚性的片状结构；所述的基座11上套设有关节轴351，手指35固套在关节轴351上；所述的关节轴351上套设有扭簧352；所述的扭簧352两端分别于基座11、手指35固接；如图7、图8所示。若手指35采用两个关节，则如图9所示。
下面结合附图介绍图1所示的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置的实施例的工作原理。
本实施例的初始状态如图10所示，此时驱动器21不工作，在手指35的回复作用下，柔性件33舒展至接***面或伞面的形态。
当驱动器21正转工作时，通过卷筒23将腱绳32上提，使得腱绳23在通道34中的长度缩短。由于腱绳23末端与通道34固连，使得通道34在腱绳32的拉力作用下缩短。设置于柔性件33上的手指35具有一定的刚度，使得柔性件33外缘向下向内收缩。于是柔性件33形态由接***面过渡至碗状形态，如图11所示。
如果驱动器2继续正转，柔性件33将继续向下向内收缩，形态由碗状过渡至灯笼状，达到抓取姿态，如图12所示。此时向线圈51与大线圈53通电，产生磁场。柔性件33内部的磁流变液52在磁场的作用下由液态变为固态，从而使抓取姿态定型稳固，被抓持物不能在柔性件33内自由活动，实现可靠抓取。
当线圈51与大线圈53断电，驱动器21反转时，磁流变液52由固态恢复成液态，并在手指35的回复作用下，柔性件33将由灯笼状形态，经过碗状形态最终回复至接***面的初始形态，实现复位。
具体来说，当柔性掌面自适应欠驱动机器人手抓取物体时，机械臂运动，磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手靠向待抓取物体。靠近物体后，柔性件33在驱动器2的驱动作用下开始变形，向下包围待抓取物体，直至柔性件33受到待抓取物体限位不能继续变形。此时向线圈51与大线圈53通电，磁流变液52固化，使得柔性件33内的待抓取物体固定，实现可靠抓取。抓取运动过程如图13、14、15所示。
本发明装置利用腱绳拉动通道，使得柔性件收拢封口，实现了不同形状、不同尺寸物体的自适应抓取功能；该装置利用手指的弹性，使得柔性件保持最适宜的抓取姿态，并实现柔性件的复位；该装置使用一个驱动器控制两个或以上手指的运动，实现了欠驱动；该装置利用磁流变液在磁场下固结的特点，增强了抓取的可靠性；该装置结构紧凑，制造、维护成本低。
Claims (9)
1.一种磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：该磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置包括柔性件(33)、至少一根腱绳(32)、至少两个手指(35)、至少一个通道(34)、线圈(51)、磁流变液(52)、至少一个驱动器(21)、基座(11)；所述的柔性件(33)中部与基座(11)固连，柔性件(33)内部密封有磁流变液(52)；所述的手指(35)设置在柔性件(33)上；所述的通道(34)设置在柔性件(33)上；所述的驱动器(21)设置在基座(11)中；所述的腱绳(32)一端与驱动器(21)的输出轴固连，另一端穿过通道(34)并与通道(34)的末端固连；所述的线圈(51)设置在柔性件(33)周围。
2.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的柔性件(33)呈薄壁双层结构；柔性件(33)采用布、网或膜；所述的腱绳(32)采用纺织用绳、塑料绳、橡胶绳或金属丝。
3.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指(35)纵向方向与通道(34)切向方向的夹角为45°-135°；手指(35)呈放射状布置。
4.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指(35)一端与基座(11)相连；手指(35)采用片簧、板簧、拉簧、压簧或发条中一种或几种的组合。
5.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的手指(35)通过簧件(352)、关节轴(351)与基座(11)相连；与一个手指(35)相连的簧件(352)、关节轴(351)的数量至少为1；手指(35)采用杆状、管状、或片状的刚性结构。
6.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：所述的通道(34)可轴向伸缩；通道(34)采用柔性环形腔、耳环形结构或波纹管。
7.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括导管(31)；所述的基座(11)中设置有通孔；所述导管(31)的两端分别连接通孔与通道(34)；所述的腱绳(32)穿过通孔和导管(31)。
8.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括大线圈(53)；所述的大线圈(53)设置于基座(11)底端靠近柔性件(33)处；所述的线圈(51)分布在柔性件(33)的表面或镶嵌于柔性件(33)内部。
9.如权利要求1所述的磁流变液辅助柔性掌面自适应欠驱动机器人手装置，其特征在于：还包括传动机构；所述的传动机构包括减速器(22)、转轴(14)、卷筒(23)；所述的驱动器(21)输出轴与减速器(22)的输入轴相连；所述的转轴(14)一端与减速器(22)的输出轴相连，另一端与支撑件(13)相连；所述的支撑件(13)设置在基座(11)中；所述的卷筒(23)固套在转轴(14)上；所述的腱绳(32)与卷筒(23)相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200925 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |