夹爪单元、手指单元、夹持装置以及机器人

技术领域

本申请涉及夹爪领域，特别涉及一种夹爪单元、手指单元、夹持装置以及机器人。

背景技术

夹爪是一种能够自动化位置控制、重新组合程序而波动的多功能机器。在各种环境中，为了完成任务，可以使用多个自由度来搬运物体。但是在太空环境中，采样需求复杂，需要夹爪能够适应不同出发位置、不同夹取姿态下对不同体积、外观形状的目标进行夹取，传统的夹爪不适用于上述工作需求。

发明内容

本申请的实施例提供了一种夹爪单元、手指单元、夹持装置以及机器人。

根据本申请中实施例的第一方面，提供了一种夹爪单元，所述夹爪单元包括：

柔性囊体，所述柔性囊体内填充有相变体，所述相变体的材料为磁流变材料；

底座，所述底座设置于所述柔性囊体一侧，包括容纳空间；

磁性件，所述磁性件至少部分设置于容纳空间；

弹性件，所述弹性件一端与所述柔性囊体相连接，另一端底座连接；

其中，当接触物向所述柔性囊体施加压力时，所述弹性件被压缩进而带动所述柔性囊体向靠近所述底座的方向移动，所述相变体受到磁性件的磁力加强，所述相变体由液态相转变为固态相；

当所述接触物向所述柔性囊体施加的压力消失或减小时，所述弹性件释放势能进而带动所述柔性囊体向背离所述底座的方向移动，所述柔性囊体受到磁性件的磁力减弱，所述相变体由固态相转变为液态相。

在一些实施例中，所述夹爪单元还包括过渡座，所述柔性囊体设置于所述过渡座上，且所述过渡座背离所述柔性囊体的面上设置有第一套筒，所述弹性件的部分结构设置于所述第一套筒内；

所述柔性囊体在接触物的压力作用下沿着所述第一套筒长度方向移动。

在一些实施例中，所述底座还包括第二套筒，所述第二套筒与所述第一套筒相配合设置，所述第一套筒可沿所述第二套筒长度方向移动。

在一些实施例中，所述第一套筒上设置有第一防脱部，所述第二套筒上设置有第二防脱部；

所述第一防脱部和第二防脱部相抵靠用于防止所述第一套筒和所述第二套筒分离。

在一些实施例中，所述柔性囊体包括弧形面，所述柔性囊体通过所述弧形面与接触物相接触。

在一些实施例中，所述柔性囊体还包括侧面，所述侧面设置于所述弧形面侧边，所述侧面上设置有加注孔，所述加注孔用于向所述柔性囊体添加所述磁流变液体。

根据本申请中实施例的第二方面，提供了一种手指单元，所述手指单元包括固定座以及上述实施例所述的夹爪单元，所述固定座具备安装空间，所述夹爪单元的数量为一个或者多个，每一所述夹爪单元的底座可拆卸连接于所述固定座的安装空间。

在一些实施例中，当所述夹爪单元为多个时；

相邻两个所述夹爪单元中的柔性囊体之间的最短距离为大于等于2mm，且小于等于5mm。

在一些实施例中，所述安装空间由多个固定侧面合围成，所述底座与所述安装空间对应设置有多个过渡侧面，每一相对应的所述固定侧面及所述过渡侧面都设置有相对应的定位孔，所述固定件通过所述定位孔将所述过渡座与所述固定座相互固定。

根据本申请中实施例的第三方面，提供了一种夹持装置，所述夹持装置包括夹持单元和上述实施例所述的手指单元，所述夹持单元包括夹爪臂，所述手指单元通过连接座固定于所述夹爪臂上。

根据本申请中实施例的第四方面，提供了一种机器人，包括如上述实施例所述的夹持装置。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

当接触物开始接触柔性囊体并施加压力时，由于柔性囊体距离磁性件较远，此时柔性囊体内部磁流变材料为液体。所以，在接触物的压力作用下柔性囊体向内凹陷以适配接触物的形状。于此同时，柔性囊体也会在接触物的压力作用下向靠近所述底座的方向移动，在这个移动过程中，磁性件的磁力逐步加强，从而使得柔性囊体内部磁流变材料由液体转变为固体。因此，当接触物向所述柔性囊体施加压力使柔性囊体距离磁性件足够近时，柔性囊体上就会存在一个与接触物外部形状相匹配的凹陷，且此时柔性囊体为固体，从而可以将接触物牢牢夹持住。

附图说明

图1是本申请一实施例中的夹爪单元的结构示意图。

图2是本申请一实施例中的夹爪单元的剖面结构示意图。

图3是本申请一实施例中的底座的结构示意图。

图4是本申请一实施例中的一种手指单元的结构示意图。

图5是本申请一实施例中的另一种手指单元的结构示意图。

图6是本申请一实施例中的一种固定座的结构示意图。

图7是本申请一实施例中的另一种固定座的结构示意图。

图8是本申请一实施例中的又一种固定座的结构示意图。

图9是本申请一实施例中的一种夹持装置的结构示意图。

图10是本申请一实施例中的另一种夹持装置的结构示意图。附图标记说明：

夹爪单元A

柔性囊体100

弧形面110

侧面120

加注孔121

相变体130

底座200

过渡侧面210

定位孔220

容纳空间230

磁性件300

弹性件400

过渡座500

第一套筒610

第二套筒620

第二防脱部640

固定座700

固定侧面710

连接座720

安装空间730

手指单元B

夹持单元C

夹爪臂800

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”表示两个或两个以上。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”和/或“下”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

“A、B和C中的至少一个”与“A、B或C中的至少一个”具有相同含义，均包括以下A、B和C的组合：仅A，仅B，仅C，A和B的组合，A和C的组合，B和C的组合，及A、B和C的组合。

“A和/或B”，包括以下三种组合：仅A，仅B，及A和B的组合。

本说明书中的“适用于”或“被配置为”的使用意味着开放和包容性的语言，其不排除适用于或被配置为执行额外任务或步骤的设备。

本申请说明书中以及权利要求书中使用的三角形、矩形、梯形、五边形或六边形等并非严格意义上的，可以是近似三角形、矩形、梯形、五边形或六边形等，可以存在公差导致的一些小变形，可以存在导角、弧边以及变形等。

本申请说明书以及权利要求书中使用的“约”，是指不严格限定界限，允许工艺和测量误差范围内的数值。

下面结合附图，对本申请实施例进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。

在轨捕获(On-Orbit-Capture)技术是指在有人或无人参与的情况下对空间目标实施抓捕的技术。目前世界各国在轨卫星的数量与日俱增，与之相应的，卫星的损坏、报废等情况也越来越多，在轨捕获、在轨维修、在轨回收等任务的市场也越来越大。常用的在轨捕获技术手段有两种：一是使用空间机械臂等刚性机构直接实现捕获，称为刚性捕获。二是使用柔性的飞网、网索等对目标进行缠绕包络实现捕获，称为柔性捕获。刚性捕获对于非合作目标(失效的卫星、碎片等)的捕获，需要进行严密的计算和控制，难度较大。柔性捕获会使网索等与目标缠绕，造成二次伤害，且捕获后的目标不再具备在轨运行的能力。

同时，在太空环境中，采样需求复杂，需要夹爪能够适应不同出发位置、不同夹取姿态下对不同体积、外观形状的目标进行夹取，传统的夹爪不适用于上述工作需求。

针对上述问题，如图1和图2以及图3所示，本申请提出一种夹爪单元A，该夹爪单元A应用于夹爪上，所述夹爪单元A包括柔性囊体100、底座200、磁性件300以及弹性件400。所述柔性囊体100内填充有相变体130，所述相变体130的材料为磁流变材料；所述底座200设置于所述柔性囊体100一侧，包括容纳空间230；所述磁性件300至少部分设置于容纳空间230；所述弹性件400一端与所述柔性囊体100相连接，另一端底座200连接；其中，当接触物向所述柔性囊体100施加压力时，所述弹性件400被压缩进而带动所述柔性囊体100向靠近所述底座200的方向移动，所述相变体130受到磁性件300的磁力加强，所述相变体130由液态相转变为固态相；当所述接触物向所述柔性囊体100施加的压力消失或减小时，所述弹性件400释放势能进而带动所述柔性囊体100向背离所述底座200的方向移动，所述柔性囊体100受到磁性件300的磁力减弱，所述相变体130由固态相转变为液态相。需要说明的是，柔性囊体100一般由氢化丁腈橡胶、聚氨酯等弹性材料制成。此处的磁性件300可以为永磁体，也可以根据需要设置电磁体。弹性件400一般采用尺寸、弹力系数适宜的弹簧，同时弹簧采用不具备铁磁性的材质制成，可采用铜合金、高强度尼龙材料等，确保不会被磁性件300影响。

还需要说明的是，上述磁流变材料是由微米或纳米级的软磁颗粒分散于载液中形成的随外加磁场变化而具有流变特性的特定的材料，在无磁场时呈现蒂尼奥杜的牛顿流体特性，表现为悬浮液体，也称为磁流变液；在外加磁场时成纤维高粘度、低流动性的流体。磁流变液一般由磁性颗粒、载液和稳定剂组成。

磁流变材料的力学性质是形成微观磁链的集中反映：无磁场作用时，粒子自由分散在载液中，在空间随机分布；当有磁场作用时，在流体中的粒子会发生极化效应形成偶极子，偶极子在磁场作用下相互吸引沿磁场方向形成呈纤维状的链状结构。一条极化链中，各相邻粒子间的吸引力随外加磁场强度增强而增加，当磁场继续加强，偶极子相互作用超过热运动，会呈现抗剪应力的固体特性。磁流变液体的粘度随磁场变化而连续变化，磁场越强，粒子间的联系越紧密，抗剪切能力越强，形成固体状态。当磁场移去之后，磁流变液的软磁性颗粒又立即恢复到自由流动的液体状态。即，磁流变材料在磁场大的时候会变成固体状态，在磁场小的时候会变成液体状态。

通过上述设置，当接触物开始接触柔性囊体100并施加压力时，由于柔性囊体100距离磁性件300较远，此时柔性囊体100内部磁流变材料为液体。所以，在接触物的压力作用下柔性囊体100向内凹陷以适配接触物的形状。于此同时，柔性囊体100也会在接触物的压力作用下向靠近所述底座200的方向移动，在这个移动过程中，柔性囊体100受到的磁性件300磁力逐步加强，从而使得柔性囊体100内部磁流变材料由液体转变为固体。因此，当接触物向所述柔性囊体100施加压力使柔性囊体100距离磁性件300足够近时，柔性囊体100上就会形成一个与接触物外部形状相匹配的凹陷，且此时柔性囊体100为固体，从而可以将接触物牢牢夹持住。

基于上述特性，该夹爪单元A可以对不同体积、外观形状的目标进行夹取，并且可以适用在采样需求复杂的太空环境中。

进一步的，参考图1和图2所示，所述柔性囊体100包括弧形面110，所述柔性囊体100通过所述弧形面110与接触物相接触。弧形面110最外侧会首先与接触物接接触，由于外侧的接触面小，因此更加容易被接触物挤压成凹陷从而匹配接触物的形状，进而可以对接触物形成更好的夹持。

参考图1和图2所示，所述柔性囊体100还包括侧面120，所述侧面120设置于所述弧形面110侧边，所述侧面120上设置有加注孔121，所述加注孔121用于向所述柔性囊体100添加所述磁流变液体。加注孔121设置在柔性囊体100侧面120可以避免加注孔121与接触物直接接触，从而避免因接触物直接接触产生的磁流变材料泄露问题，从而使柔性囊体100的稳定性变高。

在一实施例中，参考图1和图2所示，所述夹爪单元A还包括过渡座500，所述柔性囊体100设置于所述过渡座500上，且所述过渡座500背离所述柔性囊体100的面上设置有第一套筒610，所述弹性件400的部分结构设置于所述第一套筒610内；所述柔性囊体100在接触物的压力作用下沿着所述第一套筒610长度方向移动。过渡座500一方面可以用于连接柔性囊体100，另外一方面可以连接弹性件400，并且为柔性囊体100的移动提供方向。

进一步的，所述底座200还包括第二套筒620，所述第二套筒620与所述第一套筒610相配合设置，所述第一套筒610可沿所述第二套筒620长度方向移动。

第一套筒610和第二套筒620之间间隙配合，并且在接触物的压力作用下相互之间发生相对运动，从而使柔性囊体100靠近或者背离磁性件300。

在一实施例中，如图2和图3所示，所述第一套筒610上设置有第一防脱部(图中未示出)，所述第二套筒620上设置有第二防脱部640；所述第一防脱部和第二防脱部640相抵靠用于防止所述第一套筒610和所述第二套筒620分离。第一防脱部和第二防脱部640可以为两个环形凸起，设置在第一套筒610和第二套筒620上，以防止第一套筒610和第二套筒620之间发生分离，进而防止柔性囊体100脱离底座200。

参考图4、图5、图6、图7以及图8所示，其中图6、图7以及图8分别展示了一种不同尺寸的固定座700。本申请还提出一种手指单元B，所述手指单元B包括固定座700以及如上述实施例所述的夹爪单元A，所述固定座700具备安装空间730，所述夹爪单元A的数量为一个或者多个，每一所述夹爪单元A的底座200可拆卸连接于所述固定座700的安装空间730。夹爪单元A的数量可以为一个或者多个，因此可以根据接触物的形状和大小设置适合数量的夹爪单元A来进行捕获作业。

参考图6、图7、图8以及图9所示，当需要被夹取的接触物很小时，可以直接选用一个夹爪单元A来对接触物进行夹取，此时可以选择与其匹配的小固定座700来固定夹爪单元A。如此可以清晰的观察到接触物与夹爪单元A的柔性囊体100之间发生的接触和挤压，也可以在夹取过程中调整夹取位置从而让柔性囊体100与接触物更加好的匹配，进而实现更好的夹取操作。参考图10所示，当需要被夹取的接触物较大时，可以选用多个夹爪单元A来对接触物进行夹取，与其匹配可以选择较大的固定座700来固定夹爪单元A。如此可以使多个柔性囊体100同时对的接触物施加压力，来保证夹取的稳定性。

实验人员通过大量的实验发现，当所述夹爪单元A为多个时，若相邻两个所述夹爪单元A中的柔性囊体100之间的最短距离过大，捕获的接触物很容易卡在两个所述夹爪单元A中的柔性囊体100之间；当相邻两个所述夹爪单元A中的柔性囊体100之间的最短距离过小时，柔性囊体100受到挤压之后变形会对相邻的柔性囊体100产生影响。因此，本申请将相邻两个所述夹爪单元A中的柔性囊体100之间的最短距离设置为大于等于2mm，且小于等于5mm。一方面可以避免捕获的接触物卡在两个所述夹爪单元A中的柔性囊体100之间，另一方面可以避免柔性囊体100受到挤压之后变形会对相邻的柔性囊体100产生影响。

在一实施例中，如图3和图4所示，所述安装空间730由多个固定侧面710合围成，所述底座200与所述安装空间730对应设置有多个过渡侧面210，每一相对应的所述固定侧面710及所述过渡侧面210都设置有相对应的定位孔220，所述固定件通过所述定位孔220将所述过渡座500与所述固定座700相互固定。

定位孔220一方面可以使得底座200可以准确的与固定座700安装，另一方面固定件通过所述定位孔220将所述过渡座500与所述固定座700相互固定。并且本实施例在每一个固定侧面710及所述过渡侧面210都设置有相对应的定位孔220，可以保证当夹爪单元A受到接触物的压力时，各个侧面120的受力均匀。

本申请还提出一种夹持装置，如图9和图10所示，所述夹持装置包括夹持单元C和如上述实施例所述的手指单元B，所述夹持单元C包括夹爪臂800，所述夹爪单元A通过连接座720固定于所述夹爪臂800上。夹爪臂800通过运动带动手指单元B相向运动，从而夹持接触物。

参考图6、图7以及图8所示，固定座700的数量可以为多个，不同的固定座700之间的尺寸互不同，夹爪臂800一次仅可与一个固定座700配合，通过配合不同尺寸的固定座700以改变与接触物的接触面积，从而可以匹配不同尺寸的接触物。

本申请还提出一种机器人，包括如上述实施例所述的夹持装置。由于夹持装置包括上述实施例所述的夹持装置，因此夹持装置具备的优点和功能，该机器人都具备。

在本申请中，所述结构实施例与方法实施例在不冲突的情况下，可以互为补充。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本申请。这不应解释为一种不要求保护的申请的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本申请的主题可以少于特定的申请的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本申请的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

本申请参照作为理想化示例性附图的剖视图和/或平面图描述了示例性实施方式。在附图中，为了清楚，放大了层和区域的厚度。因此，可设想到由于例如制造技术和/或公差引起的相对于附图的形状的变动。因此，示例性实施方式不应解释为局限于本申请示出的区域的形状，而是包括因例如制造而引起的形状偏差。例如，示为矩形的蚀刻区域通常将具有弯曲的特征。因此，附图中所示的区域本质上是示意性的，且它们的形状并非旨在示出设备的区域的实际形状，并且并非旨在限制示例性实施方式的范围。

在描述一些实施例时，可能使用了“耦接”和“连接”及其衍伸的表达。例如，描述一些实施例时可能使用了术语“连接”以表明两个或两个以上部件彼此间有直接物理接触或电接触。又如，描述一些实施例时可能使用了术语“耦接”以表明两个或两个以上部件有直接物理接触或电接触。然而，术语“耦接”或“通信耦合(communicatively coupled)”也可能指两个或两个以上部件彼此间并无直接接触，但仍彼此协作或相互作用。这里所公开的实施例并不必然限制于本文内容。

在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”、“若干”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

本领域技术人员在考虑说明书及实践本申请的公开内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。