基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂及分拣系统

技术领域

本发明涉及一种柔性臂及分拣系统，具体涉及一种基于嵌入式剪纸结构的拥有自感知的模块化连续体柔性臂及分拣系统，属于软体机器人驱动及传感领域。

背景技术

现如今正处于物流行业飞速发展的时代，商业上对于物流仓储的分拣工作需求量也在日益增加，众所周知，最初的物流货物分拣是通过人工完成的，不仅需要投入人力与财力，且难以保证分拣工作的工作效率，并且工作人员可能因为工作存在的安全隐患而受伤，从而造成不良影响。后来随着科技的发展，机械挡板分流及机械臂抓取渐渐投入了使用，然而目前普遍的机械分拣只能依靠物品的形状机器尺寸大小进行粗略的分拣，投入机械臂的使用将使得物流分拣变得智能化与高效率化，大大提高物流分拣的速率与准确性。

随着机械臂投入物品抓取及分拣的领域，人工分拣逐渐被取代，然而传统的机械臂存在诸多不足：传统机械臂价格昂贵、投资较大、成本回收期较长，难以大批量投入使用，且其尺寸较大、重量较大、噪声较大、在工作时存在安全隐患，其分拣货物时由于刚性运动，可能会对物品包装造成损坏，若碰触到易碎物品还可能会造成物品的损坏。相反的，模块化柔性臂依靠其模块化结构，可实现按需装配，容易根据工作环境的不同作出相应变化，具有较强的环境适应性；模块化柔性臂结构简单、易于装配、运动安全，能够依靠相对简单的结构实现多自由度运动，提高了机械臂的灵活性；模块化柔性臂柔性运动，避免了抓取工作中的碰撞现象，保护了捕获目标，避免损坏，且其制作装配成本低，控制系统简单，适合投入批量生产。

传统柔性臂的控制需要安装较多传感器，这些传感器成本较高、尺寸较大，装配于柔性臂表面会阻碍柔性臂的运动，且传感器普遍为无密封状态，容易受到潮湿环境与多尘环境的影响，从而造成精度的下降。叉指电容剪纸结构传感器采用覆铜PET材料制成，材料成本低、结构尺寸小、检测精度高，能够完成对目标的位移检测，且剪纸结构可以嵌入模块化柔性臂驱动单元内部，使得检测环境稳定可靠，保证了检测精度。

综上所述，目前迫切需要对传统机械臂的结构及其抓取方式进行创新改进，来解决其价格昂贵、占用空间大、传感器数量多、传感器易受到环境影响、抓取方式易造成目标包装破损及物件损坏等亟待解决的问题，需要设计一款成本较低的、集成化的、精度较高的、具有柔性抓取功能的新型机械臂。

发明内容

本发明为解决为解决需要设计一款成本低廉、结构简单、易于装配、控制简单的，搭载材料成本低、结构尺寸小、检测精度高的传感器的模块化柔性臂，来满足目前物流分拣领域对分拣高效化、装备低成本化、控制智能化的需求的技术问题，提出了一种基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂及分拣系统。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂，它包括连续体柔性臂单元、模块顶端连接件、模块底端连接件、负压式抓取吸盘和模块化柔性臂支架，连续体柔性臂单元包括多个直线驱动器、叉指电容、挡圈结构、上压板和下压板，叉指电容嵌入在直线驱动器内，挡圈结构固定安装在多个直线驱动器上与多个直线驱动器相适形，上压板安装在多个直线驱动器的顶端与多个直线驱动器相适形，下压板安装在多个直线驱动器的底端与多个直线驱动器相适形，多个直线驱动器以上压板和下压板的中心为圆心的同一圆周均匀分布，模块顶端连接件的下表面与上压板的上表面固定连接，负压式抓取吸盘固定安装在模块顶端连接件的上表面，模块底端连接件的上表面与下压板的下表面固定连接，模块化柔性臂支架固定安装在模块底端连接件的下表面。

进一步的，连续体柔性臂单元的数量为若干个，若干个连续体柔性臂单元由下至上依次堆叠安装，下方连续体柔性臂单元的上压板与下一个连续体柔性臂单元的下压板相连。

进一步的，两个连续体柔性臂单元下方连续体柔性臂单元的上压板与上方连续体柔性臂单元的下压板之间设有模块中间连接件，模块中间连接件的下表面与下方连续体柔性臂单元的上压板相适形，模块中间连接件的上表面与上方连续体柔性臂单元的下压板相适形。

进一步的，直线驱动器包括气动肌肉主体、限位圈安装槽、硅胶上堵头和硅胶下堵头，气动肌肉主体呈空心柱状，叉指电容安装在气动肌肉主体内壁上，限位圈安装槽环绕安装在气动肌肉主体外壁上，硅胶上堵头安装于气动肌肉主体上侧并与上压板相连，硅胶下堵头安装于气动肌肉主体下侧并与下压板相连。

进一步的，限位圈安装槽的数量为若干个，若干个限位圈安装槽在气动肌肉主体外壁上等间距设置。

进一步的，挡圈结构包括多个限位圈和限位圈连接结构，限位圈的数量与直线驱动器的数量一致，挡圈结构的数量与一个直线驱动器上的限位圈安装槽的数量一致。

进一步的，叉指电容包括叉指剪纸电极、测量引脚和覆铜叉指电容，叉指剪纸电极镶嵌在直线驱动器内壁，覆铜叉指电容覆凃于叉指剪纸电极表面，测量引脚一侧与叉指剪纸电极相连，另一侧伸出于直线驱动器外侧。

进一步的，负压式抓取吸盘包括吸盘支架、柔性吸盘和负压气管，吸盘支架固定安装在模块顶端连接件的上表面，柔性吸盘安装在吸盘支架顶部，负压气管与柔性吸盘中央位置连通。

进一步的，模块化柔性臂支架的数量为若干个，若干个模块化柔性臂支架沿以模块底端连接件的中心为圆心的同一圆周均匀分布。

一种分拣系统，包括分拣实验台和所述的基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂，所述基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂通过模块化柔性臂支架固定安装在分拣实验台上。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过叉指电容的设置，当连续体柔性臂静止时，其呈现完全平整的、不存在任何延展与展开的剪纸结构，当连续体柔性臂开始工作时，每个模块化柔性臂单元将根据三根给入不同驱动气压而产生不同伸长量的直线驱动器，产生一定的角度偏转。每支直线驱动器产生的位移伸长量均由其内部的叉指电容检测与反馈控制；叉指电容轴向可随气动肌肉的伸长而伸长，由于其叉指剪纸电极结构的特性，当剪纸结构发生延展时，叉指电极的间距会发生变化，从而造成传感器电容值的变化，因此可以通过测量传感器电容变化值来检测每支直线驱动器的伸长量，进而控制连续体柔性臂单元的偏转角度与伸长量。所述叉指电容具有制造成本低、质量极轻、结构紧凑、精度较高等优点。

2.本发明通过模块化柔性臂的设置，采用模块化设计，可实现按需装配，容易根据工作环境的不同作出相应变化，具有较强的环境适应性；模块化柔性臂结构简单、易于装配、运动安全，能够依靠相对简单的结构实现多自由度运动，提高了机械臂的灵活性；模块化柔性臂柔性运动，避免了抓取工作中的碰撞现象，保护了捕获目标，避免损坏，且其制作装配成本低，控制系统简单，适合投入批量生产，解决了需要一款成本低廉、易于集成、精度较高、工作可靠且具有柔性抓取功能的新型机械臂来满足目前物流分拣领域对分拣高效化、装备低成本化、控制智能化的需求的技术问题，适合投入大规模商业生产。

附图说明

图1是本发明基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂的一种实施方式的结构示意图。

图2是本发明模块化连续体柔性臂的一种实施方式的结构示意图。

图3是本发明搭载了叉指电容的直线驱动器的一种实施方式的结构示意图。

图4是本发明叉指电容的一种实施方式的结构示意图。

图5是本发明直线驱动器伸长位移与叉指电容传感信号的近似线性关系示意图。

图6是本发明直线驱动器传感信号与弯曲角度的近似线性关系示意图。

图7是本发明直线驱动器伸缩实验伸长位移进行耐久性试验的结果图。

图8是本发明直线驱动器伸缩实验传感信号进行耐久性试验的结果图。

图9是本发明分拣系统的一种实施方式的结构示意图。

图中：1、叉指电容；11、叉指剪纸电极；12、测量引脚；13、覆铜叉指电容；211、上压板；212、下压板；22、挡圈结构；221、限位圈；222、限位圈连接结构；231、模块顶端连接件；232、模块中部连接件；233、模块底端连接件；3、直线驱动器；31、气动肌肉主体；32、限位圈安装槽；33、硅胶上堵头；34、硅胶下堵头；4、负压式抓取吸盘；41、柔性吸盘；42、负压气管；43、吸盘支架；5、模块化柔性臂支架；6、分拣实验台；7、待分拣物品。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，所有方向性指示(例如上、下等)为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

具体实施方式一：结合图1-9说明本实施方式，如图1-8所示，本实施方式所述一种基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂，它包括连续体柔性臂单元、模块顶端连接件231、模块底端连接件233、负压式抓取吸盘4和模块化柔性臂支架5，连续体柔性臂单元包括多个直线驱动器3、叉指电容1、挡圈结构22、上压板211和下压板212，叉指电容1嵌入在直线驱动器3内，体现为剪纸结构，随直线驱动器3长度变化产生对应形变，从而产生电容变化值，为整体装置的传感构件，完成对直线驱动器3的长度检测，为连续体柔性臂的传感反馈单元。挡圈结构22固定安装在多个直线驱动器3上与多个直线驱动器3相适形，用于多个直线驱动器3间的相互连接，上压板211安装在多个直线驱动器3的顶端与多个直线驱动器3相适形，下压板212安装在多个直线驱动器3的底端与多个直线驱动器3相适形，上压板211和下压板212用于安装与连接直线驱动器3，限制直线驱动器3的位置，使直线驱动器3轴向距离稳定。多个直线驱动器3以上压板211和下压板212的中心为圆心的同一圆周均匀分布，直线驱动器3为连续体柔性臂的驱动单元。优选的，直线驱动器3的数量为三个，三个直线驱动器3即可根据伸长量的不同使连续体机械臂单元产生水平面内任意方向的偏转以及竖直方向的伸长与缩短，保证了整体机械臂的自由度数量。

直线驱动器3可通过气压驱动实现轴向伸长功能，在对其分别给入不同气压时，由于其伸长长度的不同从而实现连续体柔性臂单元的角度偏转，即柔性臂的弯曲，可通过控制多个直线驱动器3的不同伸长量使得连续体柔性臂单元向任意方向进行偏转，并通过叉指电容1测得直线驱动器3的长度，从而计算得到柔性臂的弯曲角度及位置信息。模块顶端连接件231的下表面与上压板211的上表面固定连接，负压式抓取吸盘4固定安装在模块顶端连接件231的上表面，负压式抓取吸盘4可通过抽气产生压强差，对待分拣物品7实现抓取功能，为连续体柔性臂的执行单元，用于完成对待分拣物品7体的柔性捕获。模块底端连接件233的上表面与下压板212的下表面固定连接，模块化柔性臂支架5固定安装在模块底端连接件233的下表面，优选的，模块化柔性臂支架5的数量为若干个，若干个模块化柔性臂支架5沿以模块底端连接件233的中心为圆心的同一圆周均匀分布。模块化柔性臂支架5用于将该基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂与分拣实验台6安装连接。优选的，连续体柔性臂单元的数量为若干个，若干个连续体柔性臂单元由下至上依次堆叠安装，下方连续体柔性臂单元的上压板211与下一个连续体柔性臂单元的下压板212相连，构成模块化连续体柔性臂，两个连续体柔性臂单元下方连续体柔性臂单元的上压板211与上方连续体柔性臂单元的下压板212之间设有模块中部连接件232，模块中部连接件232的下表面与下方连续体柔性臂单元的上压板211相适形，模块中部连接件232的上表面与上方连续体柔性臂单元的下压板212相适形。模块顶端连接件231、模块中部连接件232和模块底端连接件233用于安装与连接连续体柔性臂单元，限制连续体柔性臂单元的位置。该基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂采用多模块化设计，基于连续体柔性臂单元组装而成，可根据任务要求进行按需安装。具有易于制造装配、加工成本低、柔性工作、可定制化、高度可控性、控制精度高、控制系统简单等优点。可将本发明主要应用于物流分拣领域及空间抓取领域。

如图3所示，直线驱动器3包括气动肌肉主体31、限位圈安装槽32、硅胶上堵头33和硅胶下堵头34，气动肌肉主体31呈空心柱状，叉指电容1安装在气动肌肉主体31内壁上。优选的气动肌肉主体31为浇铸成型的硅胶套筒形结构，叉指电容1通过粘接安装于圆柱形内壁上，直线驱动器3设计为空心柱形结构，便于叉指电容1的安装，并得益于其圆柱形内壁，使得在入式叉指电容1安装后对各个方向的力均等，不会发生内力形变。限位圈安装槽32环绕安装在气动肌肉主体31外壁上，优选的，限位圈安装槽32呈环状凸起状与气动肌肉主体31共同浇注成型，用于连接挡圈结构22。限位圈安装槽32的数量为若干个，若干个限位圈安装槽32在气动肌肉主体31外壁上等间距设置。挡圈结构22包括多个限位圈221和限位圈连接结构222，限位圈221的数量与直线驱动器3的数量一致，限位圈安装槽32与挡圈限位圈221实现装配，挡圈结构22的数量与一个直线驱动器3上的限位圈安装槽32的数量一致。挡圈结构22使得多个直线驱动器3的径向相对位置保持静止，保证气动肌肉之间的径向位置相对固定。硅胶上堵头33安装于气动肌肉主体31上侧并与上压板211相连，硅胶下堵头34安装于气动肌肉主体31下侧并与下压板212相连，硅胶上堵头33和硅胶下堵头34起到密封作用。直线驱动器3两端采用硅胶堵头进行封装，在安装叉指电容1后，通过硅胶块对气动肌肉两端的开孔进行封装，从而保证叉指剪纸电极11的工作环境保持恒定，增加气动肌肉末端刚度，提高其稳定性。

如图4所示，叉指电容1包括叉指剪纸电极11、测量引脚12和覆铜叉指电容13，叉指剪纸电极11镶嵌在直线驱动器3内壁，覆铜叉指电容13覆凃于叉指剪纸电极11表面，测量引脚12一侧与叉指剪纸电极11相连，另一侧伸出于直线驱动器3外侧。优选的，叉指剪纸电极11是受剪纸启发的、通过柔性电路刻蚀成型的覆铜PET材料，叉指剪纸电极11其结构为中部切口剪纸结构，此类剪纸结构可以满足传感器横向延展的任务需求，且在延展时会产生相对较小的纵向凸起，应用于软体结构内将不会对结构产生任何影响。叉指剪纸电极11镶嵌在直线驱动器3内壁，覆铜叉指电容13，其材质为铜，通过电镀方式覆凃于叉指剪纸电极11表面。从而使得传感器不会受到外部环境的影响，延长了传感器的寿命，提高了传感器的精度。叉指电容1通过测量叉指剪纸电极11的电容变化量即可得知传感器自身的延展位移量。测量引脚12伸出于直线驱动器3外侧，与外部静电仪表相连，用于完成测试工作。叉指电容1安装位置为连续体机械臂肌肉内壁，通过测量引脚12将电信号传输至气动肌肉外，从而使得传感器叉指剪纸电极11工作环境恒定，不会受到湿度与灰尘的影响，保证传感器精度只受到自身位移量影响，分工明确。

负压式抓取吸盘4包括吸盘支架43、柔性吸盘41和负压气管42，吸盘支架43固定安装在模块顶端连接件231的上表面，柔性吸盘41安装在吸盘支架43顶部，为完成抓取工作的主要部件，负压气管42与柔性吸盘41中央位置连通，负压气管42一端连接柔性吸盘41，另一端连接抽气泵。负压气管42在工作状态下将对柔性吸盘41的凹面进行持续抽气，从而保证在抓取目标表面不平整时也能完成抓取工作，并且通过气压进行抓取将不会与待分拣物品7产生碰撞，避免了抓取工作造成的包装与商品损坏现象，进一步增加本发明的工作可靠性。优选的，所述吸盘支架43通过铰链安装于连续体柔性臂末端关节，其在不工作状态下可以旋转收回，用于节省空间，便于装箱托运。其为柔性吸盘41提供了一个旋转自由度，从而使其能够更好地寻找适配抓取面，增加本发明的工作稳定性。当抓取工作进行时，柔性吸盘41贴紧被抓物体表面，负压气管42抽气使得柔性吸盘41被压紧于被抓物体表面，实现目标抓取功能。受到吸盘紧贴于墙壁的启发，设计吸盘结构作为物品抓取功能的执行部件，柔性吸盘41能够对方形包装、圆形包装、柱形包装等具有任意规则表面的物体进行抓取。

如图5所示，分别测试了一个直线驱动器3至三个直线驱动器3产生弯曲的传感特性，当直线驱动器3为三个时，三个驱动器伸长位移ΔS与传感信号ΔC近似线性关系，驱动器单元具有良好的一致性和可重复性，这对柔性臂整体性能的稳定性至关重要。

如图6所示，分别测试了两个直线驱动器3和三个直线驱动器3产生弯曲的传感特性，传感信号ΔC随着弯曲角度θ的增大而增大，且近似成线性关系。由于三个直线驱动器3沿同一圆周均匀分布，因此，测量的数据与适合的曲线双方的拟合曲线近似重合。

如图7所示，在气压为30kPa时对直线驱动器3进行了1000次的循环伸缩实验，伸长位移ΔS介于0-10mm之间无明显变化，表明剪纸结构和传感器拥有良好的稳定性和耐久性。

如图8所示，在气压为30kPa时对直线驱动器3进行了1000次的循环伸缩实验，传感信号ΔC介于0-6pF之间无明显变化，表明剪纸结构和传感器拥有良好的稳定性和耐久性。

如图9所示，一种分拣系统，包括分拣实验台6和所述的基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂，所述基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂通过模块化柔性臂支架5固定安装在分拣实验台6上。分拣实验台6用于固定该基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂，通过连续体柔性臂模块化单元的弯曲偏转，带动负压式抓取吸盘4移动至抓取目标处，通过负压式抓取吸盘4的作用实现对抓取目标的牢固抓取，并依靠机械臂自身的运动将抓取目标移动至指定位置，完成对目标的分拣工作。

工作原理：

连续体柔性臂单元的叉指电容1嵌入在直线驱动器3内，完成对直线驱动器3的长度检测。挡圈结构22固定安装在多个直线驱动器3上与多个直线驱动器3相适形，用于多个直线驱动器3间的相互连接，上压板211安装在多个直线驱动器3的顶端与多个直线驱动器3相适形，下压板212安装在多个直线驱动器3的底端与多个直线驱动器3相适形，使直线驱动器3轴向距离稳定。多个直线驱动器3以上压板211和下压板212的中心为圆心的同一圆周均匀分布。具体的，直线驱动器3的数量为三个，三个直线驱动器3即可根据伸长量的不同使连续体机械臂单元产生水平面内任意方向的偏转以及竖直方向的伸长与缩短，保证了整体机械臂的自由度数量。模块顶端连接件231的下表面与上压板211的上表面固定连接，负压式抓取吸盘4固定安装在模块顶端连接件231的上表面，对待分拣物品7实现抓取功能。模块底端连接件233的上表面与下压板212的下表面固定连接，模块化柔性臂支架5固定安装在模块底端连接件233的下表面，模块化柔性臂支架5用于将该基于嵌入式剪纸结构的自感知的连续体柔性臂与分拣实验台6安装连接。优选的，连续体柔性臂单元的数量为若干个，若干个连续体柔性臂单元由下至上依次堆叠安装，下方连续体柔性臂单元的上压板211与下一个连续体柔性臂单元的下压板212相连，构成模块化连续体柔性臂。解决了传统机械臂噪声较大、制造成本高、体积较大、重量较大、工作空间受限等问题；解决了传统传感器自由度受限、结构非均匀性、易受到外界环境干扰、易受到灰尘与湿度的影响而损坏等问题；解决了传统机械臂刚性运动与刚性捕获易造成被抓物体损坏等问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。