本發明屬于機器人應用領域，特別涉及一種普適模塊化的氣吸式機器人手爪，該氣吸式機器人手爪是一種利用氣流負壓原理的氣吸式機器手爪。

背景技術：

如今，隨著機器人在工業生產中需求量不斷增大，以及機器人技術的不斷發展，機器人已廣泛地應用在裝配、搬運、噴漆等大批量作業上，用來替代或幫助人來進行重復瑣碎的任務。作為機器人末端的執行器，機器人手爪是一個高度集成、具有感知功能和智能化的機電一體化系統，它主要用來抓取物體或握持工具，其性能的優劣在很大程度上決定了機器人的功能和性能。

目前，用于吸取物體的機器人手爪，可分為磁吸和氣吸兩種。磁吸式手爪，利用電磁力和袋裝可變形式磁粉，可吸住具有磁性的物體，但不適用于不具有磁性的物體，且被吸附的物體有剩磁問題。氣吸式手爪，是依靠負壓吸附物體的，按形成負壓的方式可分為擠氣式，噴氣式和真空式。目前廣泛應用的氣吸式手爪結構復雜、功能單一。

由于物體的形狀、尺寸和重量的不同，經常需要針對某種物體而設計不同的機器人手爪。而且，研發專用的機器人手爪周期長，成本較高。在實際應用中，迫切需要一種結構簡單，成本低，且能夠處理不同形狀物體的機器人手爪。

中國公開專利號：CN2584315，名稱：一種曲面抓取手爪。該發明設計了一種可抓取曲面物體的手爪，由接觸力控制裝置及其控制系統、柔性定位裝置及其控制系統、無間隙剛性定位裝置及其控制系統組成。該發明的有益效果是實現了可靠、安全地抓取曲面物體，而且能有效地保持物體抓取和放置后的位姿始終不變。但該發明機械設計過于復雜，制造成本和維護成本高；工作程序冗長，無法保證較高的抓取效率，而且某一步驟出錯，將影響整個抓取過程無法正常進行。

中國公開專利號：CN100999077，名稱：一種多用途形狀自適應機器人手爪及工作方法。該發明提供了一種多用途形狀自適應機器人手爪及工作方法，它主要包括框架和與之機械聯接的手指機構、驅動分路傳動機構和手指位置調整機構，三個力矩電機和一個步進電機。該機器人手爪具有較高的智能性，負載能力強，自適應性好。但該發明結構復雜，成本較高，適用于空間機器人，而無法普及到制造生產中的工業機器人。

技術實現要素：

本發明的目的是：克服現有的機器人手爪結構復雜，研發與制造的成本高，通用性和適應性不強等方面的問題，提供一種基于氣流負壓原理的氣吸式機器人手爪，它可根據不同的曲面調整吸管的形狀，抓取不同的物體。該氣吸式機器人手爪廣泛應用于吸附板材，玻璃等非金屬材料和不可有剩磁的材料。

本發明的技術方案可以是：一種普適模塊化的氣吸式機器人手爪，所述氣吸式機器人手爪具有普適化和模塊化的特點，包括：吸管、負壓氣腔、連通氣管和排氣管，所述吸管的下端具有球關節的吸盤，其中：

負壓氣腔的上端與排氣管相連，排氣管的上端與外部的氣泵相連，為負壓氣腔提供穩定的氣源；

負壓氣腔的四周分別與一個連通氣管相連。連通氣管的末端設置有一個氣閥，能夠控制連通氣管的關閉與開啟，分別實現兩種工作方式：單個氣吸式機器人手爪獨立工作；多個氣吸式機器人手爪配合工作；

負壓氣腔的下端與n×m根吸管相連。每個吸管都具有一個自由度，即能夠上下移動。吸管下端與一個設置有球關節的吸盤相連；

吸盤用于與要吸取的物體表面直接接觸，由球關節提供吸盤角度調整的功能，能根據物體表面的凹凸度調整相應的姿態；

所述的氣吸式機器人手爪在吸取物體時，首先根據物體的表面凹凸度,吸管上下移動調整到相應的位置，同時吸盤調整相應的姿態；然后排氣管連接能產生氣源的氣泵，為機器人手爪的內部腔室提供從下到上的穩定氣流。氣流的方向是：吸管下端吸盤——吸管上端——氣腔內部——排氣管，從而在氣流高速噴射時即可形成一定的負壓，使吸管吸住物體；最后需要釋放物體時，氣泵將緩慢減少氣流量，以讓機器人手爪吸管下端的吸盤穩定地釋放物體。

所述的吸管呈均勻分布狀，所述的吸管一共有n×m根，呈n行m列的矩陣式排列。保證了被吸附物體表面有較大的面積吸附力，且受力均勻，不會對物體有較大的損傷。

所述的吸管具有一個自由度，吸管的下端用于吸附物體，每一根吸管都根據所吸附物體表面凹凸的不同，獨立地自適應上下移動，以減少與表面之間的間隙，從而增大吸附力。

所述球關節可以旋轉帶動下面的倒立漏斗狀吸盤旋轉；當與物體表面接觸時，使球關節做出相應的旋轉角度，調整到合適的姿態，以讓吸盤的下端與物體的表面盡可能地吻合，因此極大地減少了它們之間的間隙，有利于增強吸附力。

所述的吸管與氣腔連接部位，所述氣腔下端與吸管相連的部位為一個比吸管直徑略大的圓孔，使得氣腔與吸管之間存在著極小的間隙，可保證吸管的移動性與氣腔的密閉性。

所述吸管的上端呈丁字形，所述丁字形嵌在氣腔里面，并與氣腔的下端相連。由于丁字形的上端比氣腔下端圓孔大，從而保證了吸管在任何情況下，都不會與氣腔脫離。

所述的負壓氣腔的上端和下端分別與吸管和排氣管相連，所述的負壓氣腔的四周各設有一個圓柱形的連通氣管，所述連通氣管的末端有控制其開通與閉鎖的氣閥；所述氣吸式機器人手爪單獨使用時，氣閥關閉，實現單個氣吸式機器人手爪獨立工作；所述氣吸式機器人手爪與其他氣吸式機器人手爪相接時，氣閥開啟，與其他機器人手爪的氣管相連，實現多個氣吸式機器人手爪配合工作。方便快捷的組裝方式實現了氣吸式機器人手爪的模塊化。

所述的排氣管的下端與氣腔相連，密閉性良好；所述的排氣管的上端與氣泵相連，用于產生穩定的氣流，讓氣腔內的壓力與大氣壓之間產生一定的壓力差，吸附物體。當多個機器人手爪連接在一起使用時，使各個排氣管只留有一個排氣管與氣泵相連，其余的由氣閥控制關斷，以保持連通的氣密性。

本發明的技術方案也可以是：一種基于氣流負壓原理的氣吸式機器手爪，主要包括吸管、負壓氣腔和排氣管這三個部分。

各部分的組成和工作原理如下：

吸管一共有n×m根，呈橫n根豎m根排列。每根吸管長度，直徑都完全相同，且具有一個自由度，可根據曲面的特征上下移動。從而使得每根吸管都能夠與物體表面良好地接觸，增強了機器人手爪的通用性。

吸管的下端呈倒立的漏斗狀，且設置有一個球關節。如圖1d所示，球關節是可滾動的，它可使倒立漏斗狀的吸盤旋轉，從而使得吸盤能夠適應于不同平面的物體。

如圖2b所示，當遇到凸曲面的物體時，一方面，吸管的自由度會使其向上移動，以適應曲面的凸度；另一方面，吸管的球關節令吸盤旋轉，更加貼近物體表面，大大減小了與物體表面之間的間隙。

吸管的上端，位于負壓氣腔中的一端呈丁字形，可保證吸管不會脫離氣腔。吸管的數量保證了能夠吸取一定質量的物體，吸管的自由度與吸盤的自由度保證了對物體形狀的適應能力強。

負壓氣腔呈長方體形，它下端與吸管相接，上端與進排氣管相接。其中，為保證吸管可上下移動，氣腔與吸管之間有細小的間隙，一方面摩擦力極小，不阻礙吸管的運動，另一方面漏氣極少，對吸取物體的重量可忽略不計。

為了能夠更好地吸附質量更大的物體，負壓氣腔在四周分別設置有一個氣管。單獨使用時，每個氣管的氣閥關閉，排氣管的氣閥打開連接氣泵。當需要吸附更大物體時，每個氣管的氣閥將打開，利用連接處的螺紋進行連接。而且只需要打開其中一個機器人手爪的排氣管與氣泵相接，其余的排氣管關閉，即可吸附質量更大的物體。如圖3a和圖3b所示，吸附一個正方形大物體，使用2×2個機器人手爪相連接，即可吸附。

排氣管連接著產生穩定氣源的氣泵，利用伯努利原理，讓吸管入口處的氣流速度提升到極快，在氣流高速噴射時形成了所需要的負壓，從而使得吸管吸住物體。

本發明的原理基于流體力學中的負壓原理，需要計算出小直徑管道的一個限制值--有多少空氣可以流過它,以產生足夠的壓力差去吸取物體。為保證該發明是最優設計，下面將從三個方面去討論本發明的參數：

(1)吸管管道的空氣壓降；

(2)吸管邊界厚度的影響。

1.吸管管道的空氣壓降；

壓降：吸管兩端空氣的壓力差是使機器人手爪對物體產生吸附力的原因。根據達西公式，每一根吸管內的空氣壓降為：

式中，Δp是吸管兩端的壓降,ρ是吸管內空氣密度,L是吸管的長度,v是粘度，D是直徑，f為摩阻系數，在圓管層流運動中僅與流態有關。下面討論摩阻系數f和吸管長度L。

1.1摩阻系數f；

由于管道內的氣流為層流，因此氣體摩擦系數可被以下的方程確定：

式中，R_e為雷諾數，可用來表征流體流動情況。可由以下方程確定：

式中，ρ是空氣密度，υ是氣體的流速,D為截面直徑，μ是動力粘度，為與氣體溫度相關。

1.2吸管長度；

吸管由底部吸盤和上部圓柱形管道組成，因為它們的截面直徑不相同，因此需分成兩部分去計算。設底部吸盤的深度為L₁，它的直徑取平均直徑D₁。設上端吸管可旋轉的部分長度為L₂，直徑D₂。設上端吸管可上下移動的部分長度為L₃，直徑D₃。

在這里，吸管的長度指的是吸管下端到氣腔底部之間的長度。由于每一根吸管會根據物體表面的形狀向上移動，將向上移動的長度設為ΔL,因此吸管的管壓降長度為(L₃-ΔL)。這里分成三部分去計算整一根吸管的管壓降，下列的式子中，ρ是吸管內空氣密度,L是吸管的長度,v是粘度，D是直徑，f為摩阻系數。

第一部分為吸盤的管壓降Δp₁，L＝L₁，D＝D₁，代入方程(1)得：

第二部分為可轉動吸管的管壓降Δp₂，第二部分為吸管的管壓降，L＝L₂，D＝D₂，如圖所示設轉動的角度為θ，則有效的管壓降長度為L₂cosθ。

第三部分為可移動的吸管的管壓降Δp₃，L＝(L₃-ΔL)，D＝D₃，代入方程(1)得：

因此整一根吸管的管壓降Δp為：

綜上所述，n根吸管提供的總管壓降ΔP為：

在這部分的討論中，得到了吸管兩端氣壓變化與氣壓沿吸管深度變化之間的關系，由此可計算得吸管內部與外部之間的氣壓差。

2.吸管能吸附的最大質量；

腔室與大氣之間的壓力差是吸起重物的主要因素，吸取的重物重量可由下列方程確定：

式中，m為能夠吸附的物體最大質量，C為流量系數,A為流通面積,即吸管的平均橫截面積，ρ為氣體的密度，k為常數，可由實驗測得，P₁為吸管下端氣壓，即大氣的氣壓，P₂為吸管上端的氣壓,可由下式方程決定：

P₂＝P₁+ΔP，

其中，ΔP由方程(8)決定。

3.吸管邊界厚度的影響；

根據伯努利方程可以充分地分析吸管直徑對氣流流動的影響，但由于吸管的直徑較小，必須考慮邊界層厚度在這個過程中的影響。然后根據邊界層厚度可以計算有效直徑管道。

邊界層厚度可以根據普朗特方程計算：

式中，δ為邊界層厚度，K是普朗特方程的常數，D取吸盤的平均直徑，即D＝D₁。根據普朗特方程可以知道，空氣和管表面之間的粘度影響第一個δ長度,之后氣流只被空氣本身的屬性所限制，與管道之間的粘度無關。在這部分受影響的管道中，管道的有效直徑為：

D₀＝D-2δ， (11)

式中，D₀為管道的有效直徑，D為吸盤的平均直徑，δ為邊界層厚度。

由于δ＜＜D，所以邊界層厚度對吸管的橫截面積影響非常小。而且，在影響第一部分吸管后，之后的氣流與邊界厚度無關，只被空氣本身的屬性所限制，所以吸管邊界厚度對吸管吸附重物的質量影響非常小。

綜上三部分內容所示，第一部分討論了吸管因氣流流動產生的負壓與摩擦系數，吸管的長度(包含吸管上下移動和旋轉角度)等因素的關系，給出了吸附物體時腔室與大氣之間(即吸管下端與腔室內部下端之間)的空氣壓降的計算公式；第二部分討論了因空氣壓降產生的吸附力與所能吸附物體的最大質量之間的關系，得到了二者之間的定量關系；第三部分則討論了吸管邊界厚度對吸附重物的影響，得出了吸管邊界厚度對吸管吸附重物影響極小的結論。

本發明利用一種負壓原理而設計的氣吸式機器人手爪，該氣吸式機器人手爪主要包括n×m根吸管，負壓氣腔和排氣管三部分組成。所述的吸管具有上下一個自由度，可適用于吸附不同曲面的物體。而且吸管下端設有可自由旋轉的球關節，可控制與物體接觸的吸盤更適應不同物體的表面。所述的氣腔呈長方體形，內部中空，一方面能夠暫時存儲一定量的氣體，另一方面能夠提供滿足需求的壓力差。而且氣腔四周各布有一可通可閉的氣管，可通過氣管與其他同樣的機器人手爪相連接，從而實現機器人手爪的模塊化。所述的排氣管呈圓柱形，它連接著氣腔和氣泵，吸附物體時能夠提供源源不斷的穩定氣流，保證吸附物體時的可靠性與穩定性。本發明結構簡單緊湊，制造成本低，工作穩定可靠，通用性和互換性良好，可實現模塊化，適用于吸取各種不同曲面的物體。

相對于現有技術，本發明具有如下的優點與有益效果：

1、本發明的吸管可根據物體形狀上下移動，吸盤也隨之旋轉，因此本發明通用性和適應性強，能夠更安全有效地吸取曲面物體，且被吸附物體預定的位置精度要求不高。

2、本發明實現了模塊化，可根據吸附物體的不同進行積木式的組裝。氣腔四周分別各有一個氣管，可以根據吸附物體大小形狀的不同，靈活簡便地搭配多個同樣的機器人手爪，以適用于吸附不同的物體。

3、本發明具有多個吸管，使得吸附力分部均勻，對物體表面不會造成較大的損傷。

4、本發明結構設計簡單靈巧，重量輕，制造成本低，使用方便可靠，滿足多種生產制造的要求。

附圖說明

圖1a為本發明的氣吸式機器人手爪的正視圖。

圖1b為本發明的氣吸式機器人手爪的左視圖。

圖1c為本發明的氣吸式機器人手爪的俯視圖。

圖1d為本發明吸管下端球關節原理示意圖。

圖2a為本發明吸取平面物體的示意圖。

圖2b為本發明吸取凸面物體的示意圖。

圖3a為本發明模塊化吸取大物體的正視圖。

圖3b為本發明模塊化吸取大物體的俯視圖。

具體實施方式

為使本發明專利的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明專利中的附圖，對本發明專利中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例是本發明專利一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明專利中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明專利保護的范圍。

實施例

本發明的原理基于流體力學中的負壓原理，即使吸管和物體表面之間存在著極小的間隙，但氣流可通過小直徑的管道可以產生足夠的壓力差，從而吸起物體。此外，機器人手爪的吸管具有一個自由度，下端吸盤設置有一個球關節，這使得它能夠根據物體表面的凹凸度改變吸管的位置和吸盤的姿態，從而使得它適合應用于多種多樣的件。同時，本發明通過負壓氣腔設置有可連通其他同類型機器人手爪的氣管，實現了模塊化設計。

如圖1a所示，氣吸式機器人手爪由排氣管1，連通氣管2，負壓氣腔4，吸管5，其中吸管的下端包括了球關節3和吸盤6，氣吸式機器人手爪的結構如圖1d所示。如圖1b所示，為本發明的氣吸式機器人手爪的左視圖；如圖1c所示，為本發明的氣吸式機器人手爪的俯視圖。所述的排氣管連接著外部的氣泵，為機器人手爪內產生較大的氣壓去吸取物體。所述的連通氣管，當單個機器人手爪使用時，將關閉氣閥，以形成封閉的氣腔；當多個機器人手爪一起工作時，將開啟氣閥，用于機器人手爪之間的兩兩連接。所述的吸管具有上下移動的自由度，下端的吸盤可具有三個自由度，可調整自身的姿態。

如圖2a所示，氣吸式機器人手爪吸取接觸面為平面的物體時，吸管下端與物體接觸，使得吸管調整到一定的位置，而吸盤保持初始的姿態。此時，排氣管連接著產生穩定氣源的氣泵，使得吸管產生足夠的吸力，將物體吸取。當機器人手爪吸取物體，并由連接的機械臂移動到指定的位置時，氣泵將逐漸減少氣流，使得物體與吸管平穩地脫離。

如圖2b所示，氣吸式機器人手爪吸取接觸面為凸面的物體時，吸管下端與物體接觸時，具有球關節的吸盤將自適應地調整自身的姿態，使得吸盤的下端盡量地與物體表面接觸，極大地擴大了接觸面積并有效減少了吸盤與物體之間的間隙。其他的工作過程與吸取接觸面為平面的物體的工作過程相同。

如圖3a(正視圖)和圖3b(俯視圖)所示，當吸取接觸面積大、質量大的物體時，氣吸式機器人手爪本身具有模塊化的特點，能實現幾個氣吸式機器人手爪同時工作。示意圖顯示了2×2個機器人手爪吸取一個接觸面積大的平面物體的工作原理。此時，機器人手爪通過負壓氣腔的連通氣管相互連接，使得幾個負壓氣腔有著同樣的氣壓。根據吸取物體的質量大小可開啟一個或一個以上的排氣管去連接相應數量的氣泵，以提供足夠大的吸力。

綜上所述，氣吸式機器人手爪結構簡單，且通用性和適用性強，能夠吸取接觸面為平面、凹凸面的物體，同時吸管的均勻分布使得對物體的吸力均勻分布，不會輕易對物體造成損壞。此外，氣吸式機器人手爪本身具有模塊化的特點，可進行積木式的組裝，靈活簡便地搭配多個同樣的機器人手爪，以適用于吸附質量大、接觸面積大的物體。

本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。