一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置

技术领域

本发明公开一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置，涉及柔性抓取装置技术领域。

背景技术

柔性抓取器主要利用柔性材料的大变形实现抓取功能，由于柔性材料的低模量和高延展性，柔性抓取器具有驱动方式简单、环境适应性良好和人机交互安全性高等特点；目前柔性抓取器使用的材料主要包括聚二甲基硅氧烷、硅胶等材料或是基于上述材料的仿生高黏附材料，其共同特点是摩擦系数大，弹性模量低。抓持界面的高摩擦源自于柔性材料大变形产生的高接触面积，以及仿生结构产生的强分子间作用力，因此主要适用于粗糙度低且无污染表面。

显然，单一的柔性抓取器并不适用于抓取表面粗糙度较高物件的情况中，为了使具备柔性抓取功能的抓取器能适用于一些表面粗糙度较高物件的抓取，领域人员设计了集柔性抓取与刚性抓取于一身的抓取器，例如专利(CN 114102657A)、(CN 109955233 A)以及中国科学技术大学的胡奇强等人(HU Q,DONG E,SUN D.Softgripper design based onthe integration offlat dry adhesive,soft actuator,and microspine[J].IEEETransactions on Robotics,2021,37(4):1065-80)提出的一种在抓手末端嵌入微刺的柔性抓手设计，上述装置实现刚性抓取与柔性抓取的方式不同，或采用变形记忆聚合物或采用热量传导控制；但是上述装置有一个共同点即刚性部件与柔性部件的伸出与缩回是主动控制的，在实现不同的抓取功能前需要提前进行判断，在具体工作中，特别是流水线中，极大的降低了效率；并且在抓取过程无法控制刚性抓取与柔性抓取的切换。

综上所述，目前已有的同时具备刚性抓取功能与柔性抓取功能的抓取器存在刚柔抓取无法根据不同情况进行自适应变化，需要主动控制进行切换的技术缺陷。

本发明内容

本发明目的在于，提供一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置，解决目前已有的同时具备刚性抓取功能与柔性抓取功能的抓取器需要主动控制以进行切换的问题。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，发明是通过以下技术方案实现：

一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置，包括：夹持部件、致动层和自适应调节件，所述致动层安装在所述夹持部件上，所述自适应调节件阵列布置于夹持部件的抓取面，所述自适应调节件为固定连接在转轴上的柔性部件与刚性部件，所述柔性部件通过转轴带动刚性部件同步转动后自适应接触抓取物，柔性部件的转动方向安装有用于调节柔性部件转动的限位调节件。

进一步的，所述柔性部件与刚性部件同步转动后相对安装面的最高点位置改变使柔性部件和刚性部件与抓取物切换接触。

进一步的，所述柔性部件和刚性部件与抓取物接触切换取决于限位调节件的支撑高度。

进一步的，所述柔性部件的支撑高度通过所述限位调节件调节，所述限位调节件的支撑高度通过控制部件控制，所述控制部件调节限位调节件内部压力改变支撑高度。

进一步的，所述柔性部件被所述限位调节件限制在最高位置时，所述刚性部件隐藏在所述抓取面内时，所述抓取面为完全柔性接触面。

进一步的，所述限位调节件为气囊，所述控制部件通过气压改变调节所述气囊的充盈程度。

进一步的，所述刚性部件与所述柔性部件之间的夹角为α，所述刚性部件与所述抓取面的夹角为β，所述柔性部件背面与所述抓取面的夹角为θ，所述刚性部件在所述抓取面的投影长度为L

所述α范围在100°-160°，所述柔性部件单独工作时的转动角度范围为

进一步的，所述柔性部件为楔形体结构。

进一步的，所述刚性部件为远离连接转轴平面为非平滑结构矩形片状结构。

进一步的，所述夹持部件包括螺杆、夹持柄、夹持块、抓手部分，所述螺杆、夹持柄、夹持块依次连接，所述夹持块连接有所述抓手部分，所述抓手部分包括致动层、基底层、密封层、支撑架、黏附层，所述致动层、基底层、密封层、支撑架由所述抓手部分的外侧向内侧依次通过所述黏附层连接。

有益效果：

本发明所述的自适应调节件包括固定连接在同一轴上的柔性部件与刚性部件并形成一定夹角，当自适应调节件设置在抓取装置的抓取表面时，抓取物产生相对滑动时会使柔性部件的转动带动刚性部件的转动实现对抓取物的接触方式产生切换的功能，并且柔性部件底部设有限位调节件，限位调节件限制了柔性部件的旋转程度，只有在抓取物产生滑动时所述刚性部件才会工作，上述结构实现了装置的自适应调节功能，所述自适应调节件在调节时不需要外接的切换控制装置实现，相比已有的同时具备刚性抓取功能与柔性抓取功能的抓取器，装置可以实现抓取功能的顺应改变并且也可以在刚性部件与柔性部件最高点位于同一位置时实现刚性抓取与柔性抓取的耦合。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本实施例所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置结构图；

图2为本实施例所述的自适应调节件工作原理示意图；

图3为本实施例所述的柔性部件失效时的工作原理示意图；

图4为本实施例所述的自适应调节件结构示意图；

图5为本实施例所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置结构图；

图6为本实施例所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置抓取动作示意图；

图7为本实施例所述的控制部件工作原理示意图；

图8为本实施例所述的致动层结构图；

图9为本实施例8所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置安装结构图；

图10为本实施例8所述的基底层示意图；

图11为本实施例8所述的密封层示意图；

图12为本实施例8所述的粘附层示意图；

图13为本实施例所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置理论结构示意图；

附图中：

101-刚性部件，102-柔性部件，103-限位调节件，104-转轴，201-螺杆，202-夹持柄，203-夹持块，301-控制部件，302-粘附层，303-密封层，304-基底层，305-致动层；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合附图对实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明所述的一种耦合柔性黏附和机械锁合的抓取装置可以包括以下部件：夹持部件、致动层(305)和自适应调节件，所述致动层(305)安装在所述夹持部件上，所述自适应调节件阵列布置于夹持部件的抓取面

所述的夹持柄(202)和夹持块(203)用于起连接抓取器和提供平动，并且用于提供给柔性抓取器张开和闭合运动的作用，控制抓手实现弯曲变形进而抓取物件的致动层(305)，所述致动层(305)可以选用气压控制进而实现抓手的弯曲抓取功能，也可以是通过记忆金属变化或者热传导变形实现的抓取功能。

申请人考虑到在上述的柔性抓取过程中，可能出现抓取物件表面粗糙度较高的情况，为此申请人同时在夹取表面位置设置了柔性部件(102)与刚性部件(101)，并且为了实现夹取表面的刚性夹取与柔性夹取可自适应切换的目的，申请人进一步在抓取表面位置设计了所述自适应调节件。

所述自适应调节件为固定连接在转轴(104)上的柔性部件(102)与刚性部件(101)，所述柔性部件(102)通过转轴(104)带动刚性部件(101)同步转动后自适应接触抓取物，柔性部件(102)的转动方向安装有用于调节柔性部件(102)转动的限位调节件(103)。

所述自适应调节件同样设有柔性部件(102)与刚性部件(101)，并且柔性部件(102)与刚性部件(101)通过旋转结构连接，在柔性部件(102)施加的柔性黏附力不足时柔性部件(102)带动刚性部件(101)旋转并使之接触物件表面，实现自适应调节功能，所述的限位调节件(103)的支撑可以防止抓取时柔性部件(102)由于缺乏支撑力直接失效。

可见装置利用的是物件在抓取时产生的滑动现象进而实现自适应调节的功能，在抓取器抓取物件的过程中抓取物件会在重力的作用下向垂直方向滑动，在柔性抓手的实际抓取工作中，抓取物件与抓手抓取面之间产生相对滑动是一种常见现象，本发明将上述原本不利于抓取工作的滑动充分利用，即将上述滑动通过旋转方式转化为刚性抓取与柔性抓取之间的状态切换或者实现耦合两者的抓取功能。

与现有技术中通过分别设置两种控制单元对柔性部件(102)与刚性部件(101)进行单独控制的方式，本实施例中的发明一方面实现了在物件滑动时可以进行自适应调节的功能，不需要对物件抓取力进行预估，通过物件的重力与柔性部件(102)之间的相互作用带动所述的自适应调节件转动实现刚柔切换的功能；另一方面也避免了在外部控制系统进行切换操作时导致刚性部件(101)与柔性部件(102)切换困难的问题，本实施例中的发明可以实现平顺的转动切换。

实施例2

在实施例1的内容基础上，本实施例对具体实现自适应调节的原理在本实施例中进行详细的描述。

为了更好的理解，在本实施例中将抓取面与抓取物件的表面均选用平面进行说明，在实施例1中已经说明所述柔性部件(102)通过转轴(104)带动刚性部件(101)同步转动后自适应接触抓取物，则在所述自适应调节件发生转动后相对所述抓取物件的表面与刚性部件(101)、柔性部件(102)之间的垂直举例均发生改变，当所述刚性部件(101)的最高高度高于所述柔性部件(102)的最高高度时，抓手部件的接触方式由柔性抓取转变为刚性抓取，即所述柔性部件(102)通过转轴(104)带动刚性部件(101)同步转动后自适应接触抓取物。

参考图2中，a为柔性抓取力充足时，刚性部件(101)未产生作用的情况，b为柔性部件(102)带动刚性部件(101)旋转实现接触模式切换的情况。

实施例3

申请人在上述实施例的内容的基础上，进一步考虑到并不是所有的情况都只存在完全刚性接触与完全柔性接触两种情况，在上述两种情况中应当具备过渡的过程，为了实现上述的过渡过程，申请人针对所述限位调节件(103)进行设计。

所述柔性部件(102)和刚性部件(101)与抓取物接触切换取决于限位调节件(103)的支撑高度。

不难理解的是，所述的限位调节件(103)设在所述的柔性部件(102)的旋转方向上，则所述限位调节件(103)实际是限制所述柔性部件(102)的旋转角度，因此：

所述柔性部件(102)的支撑高度通过所述限位调节件(103)调节。

根据上述内容可知，在柔性部件(102)产生的旋转程度还不至于刚性部件(101)开始工作时，抓手部分产生的抓紧力源自于柔性部件(102)的摩擦力，而上述的摩擦力来源于所述限位调节件(103)产生的垂直方向的压力，可见所述限位调节件(103)在刚性部件(101)生效之前产生至关重要的作用，则所述的限位调节件(103)应当对应设有可以控制其支撑限位程度的组件，工作原理参考图7。

所述限位调节件(103)的支撑高度通过控制部件(301)控制，所述控制部件(301)调节限位调节件(103)内部压力改变支撑高度。

在一实施例中，所述限位部件选用气囊，所述控制部件(301)选用气道组件，并通过控制气压以实现对气囊凸起程度的控制。

在一实施例中，所述限位部件选用顶块，所述控制部件(301)选用液压组件，并通过控制液压以实现对顶块的顶起程度的控制。

在其他实施例中可以应用能实现目标功能的任何结构或者系统，应用这些系统或者结构实现功能都应当在本发明的保护范围之中。

实施例4

根据实施例3的内容可以得知所述限位调节件(103)可以限制所述柔性部件(102)的旋转程度进而控制刚性和柔性的切换，在此基础上实际抓取过程中其实还存在抓手部件的抓取力不足以抓取物件以及刚性抓取柔性抓取同时工作的情况。

在一实施例中，所述的限位调节件(103)选用气囊，在所述控制部件(301)的作用下所述气囊的充盈程度恰好保持所述柔性部件(102)与所述刚性部件(101)同时接触，在此情况中所述柔性部件(102)产生一定的柔性变形，在这种柔性变形下刚性部件(101)同时接触抓取物件，则所述的自适应调节件产生了耦合刚性与柔性抓取的功能。

在一实施例中，所述控制部件(301)分为多组，在所述限位调节件(103)无论是选用刚性部件(101)工作还是选用对柔性部件(102)施加压力都无法实现抓取功能，此时则调节所述控制部件(301)控制不同区域的限位调节件(103)工作，从而实现在一部分区域进行柔性抓取另一些区域为刚性抓取，由现有的研究可以得知(参考论文SONG Y,DAI Z,WANGZ,et al.The synergy between the insect-inspired claws and adhesive padsincreases the attachment ability on various rough surfaces[J].ScientificReports,2016,6:26219.)耦合两部分力的抓取方式能获得更大的抓取力。

在上述内容的基础上，装置还可以实现其他功能，即所述限位调节件(103)在充分顶起软性部件后，由于软性部件与刚性部件(101)通过转轴(104)连接，则刚性部件(101)被完全隐藏无法接触到夹取物件，则整体夹持结构为完全柔性夹持状态。

实施例5

根据上述实施例内容可以得知当所述柔性部件(102)完全失效时所述刚性部件(101)可以实现机械锁合的功能，上述的机械锁合即为在所述柔性部件(102)抵达可旋转的极限位置时所述的刚性部件(101)的旋转角度同样被限制，此时所述刚性部件(101)实现锁定并与抓取物件之间形成锁合。

为了更好的实现上述功能，在本实施例中所述的柔性部件(102)在靠近抓取面的一侧设有硬质板，当柔性部件(102)完全失效时所述硬质板贴合抓取面时能提供柔性部件(102)无法提供的支撑力。

机械锁合的具体工作原理参考图3

可见当所述柔性部件(102)完全失效后所述的柔性部件(102)完全贴合抓取面，此时柔性部件(102)与抓取面之间的夹角为0°，刚性部件(101)旋转角度为最大值。

实施例6

根据上述实施例内容，可见无论是要实现刚性部件(101)与柔性部件(102)的切换接触还是实现实施例5中提及的机械缩合功能，都需要对所述柔性部件(102)与刚性部件(101)之间的夹角进行限定。

为此申请人进行以下设计，参考图13进行理解：

所述的柔性部件(102)与刚性部件(101)之间可以通过粘合剂粘接在一起，且两部分之间形成的夹角为α。如图(a)所示，β为刚性部件(101)与抓手表面的夹角，θ为柔性部件(102)背面与抓手表面的夹角，xoy平面为抓取面，L

α+β+θ＝π(1)

h

h

由式(1)可得整体的极限转动角度为β

(b)为刚性部件(101)即将参与目标表面接触的整体状态图，这里我们忽略柔性部件(102)变形对整体转动的影响，刚性部件(101)能够与目标表面接触的条件为刚性部件(101)顶点B距离抓手表面的高度不低于柔性部件(102)的，即为h

根据式(4)可以得知，自适应调节件产生的旋转范围与α以及L

在上述理论基础上申请人选用多种设计尺寸进行设计，最后得出实现功能需要满足的角度尺寸(此处对于复杂的计算内容不再列出赘述)，即所述α范围在100°-160°内，所述刚性部件(101)整体长度小于所述柔性部件(102)的整体长度，在上述区间内的结构可以满足以下两点：

1、在满足h

2、在柔性失效时，即转角为图示β

实施例7

根据上述实施例的内容，已经可以充分阐明本发明的工作原理，在此基础上申请人进一步提出一类具体实施例。

在一实施例中，所述的柔性部件(102)可选用楔形体结构，所述刚性部件(101)可选用边缘设有微型锯齿状结构的片状结构，所述的楔形体可以在整体自适应调节件角度调节时改变自身对夹持部件的接触面积，带有微锯齿结构的刚性部件(101)可以适应不同的粗糙峰情况；所述柔性部件(102)也可以选用圆弧形结构，所述刚性部件(101)也可以选用带有多个锥面的结构，选用圆弧形结构可以使柔性部件(102)与夹取物件的接触面积始终相同，同理柔性部件(102)可以为对称布质的两个，刚性部件(101)的位置位于两个对称柔性部件(102)中间。

在一实施例中，刚性部件(101)的末端设有与刚性部件(101)旋转连接的矩形体，通过矩形体连接转轴(104)的形式可以确保刚性部件(101)与夹取物件之间的接触面积足够大，即所述的矩形体在接触夹取物件的一侧设有磨砂面或其他可以增加摩擦力的表面结构，在接触后所述转轴(104)的连接可以使刚性部件(101)能自适应不同的接触角度，在不同的接触角度保持接触面积。

申请人考虑到在具体实施过程中，夹取结构可能会由于操作臂进行不同空间方向的运动从而使夹取物件与夹取面之间产生不同方向的滑动，进一步对自适应调节件的结构进行了针对性的改进。

在一实施例中，自适应调节件3个一组形成环形结构，并均匀布质在抓取装置的夹取接触面，柔性部件(102)选用拱型结构，不难理解的是，在不同方向的滑动情况都可以带动不同设置方向的自适应调节件转动工作，并且由于柔性部件(102)为拱型结构，则产生不同方向的滑动情况下各个方向的自适应调节件并不会出现冲突。

另外，上述内容也并非应当限制在具体的描述情况中，简单的变换上述结构后实现不同方向调节功能的装置都应当在本发明的保护范围内，例如将3组换为4组或5组；例如将整体的自适应调节件均通过转轴(104)设置在抓取装置内，则在不同角度的抓取情况中，自适应调节件会产生不同角度的旋转以适应不同的夹取角度。

实施例8

为了更好理解本发明的工作原理，申请人设计了一种具体的结构形式，具体结构参考图9-12。

在本实施例中，柔性抓手主要由螺杆(201)、夹持柄(202)、夹持块(203)、导气管、致动层(305)、基底层(304)、密封层(303)、支撑架、刚性单元和黏附层组成。其中，螺杆(201)、夹持柄(202)和夹持块(203)起连接柔性抓取器和提供平动运动的作用，即提供给柔性抓取器张开和闭合运动的作用。柔性抓取器为实际参与抓取动作的部分，由致动层(305)、基底层(304)、密封层(303)、支撑架、取向刚性单元和黏附层组成。夹持块(203)通过销钉与夹持柄(202)相连接起来，同时通过螺栓与柔性抓取器连接在一起，并将运动从夹持柄(202)传递到柔性抓取器。致动层(305)、基底层(304)与密封层(303)通过粘合物依次粘接起来，支撑架则是以镶嵌的方式固定在基底层(304)中，取向刚性单元与支撑架之间形成旋转副，而黏附层中的楔形体与取向刚性单元粘接在一起形成双取向结构的刚柔结合单元，其余部分与密封层(303)粘接在一起。导气管固定在夹持块(203)上并与柔性抓取器粘接在一起，起到将柔性抓取器与外界气源连通的作用。

在柔性抓取器中，向致动层(305)中注入高压空气使其内部气压上升，各个气囊受压膨胀变形并与相邻的气囊相互挤压，此时致动层(305)外层的膨胀量大于内层，柔性抓取器产生一个向内弯曲的变形，即完成了一个抓取动作。反之，当将致动层(305)中的气体向外抽出时，柔性抓取器在致动层(305)负压状态下产生向外弯曲的变形，从而实现对抓取物体的释放。通常状态下密封层(303)与基底层(304)间的多个密封气腔处于膨胀状态，限制楔形体的转动自由度，同时也将取向刚性单元限制在弹性体内；需要用到取向刚性单元时，只要将气腔中的气体抽出使其侧壁处于未变形状态即可，这样刚柔结合单元的转动将不会受到限制。

以上仅是该申请的实施例部分，并非对该申请做任何形式上的限制。对以上实施例所做的任何简单的修改实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，仍属于该申请技术方案保护的范围内。