本實用新型屬于機器人手技術領域，特別涉及一種磁流變液桿簇自適應手裝置的結構設計。

背景技術：

機器人手在機器人領域中有廣泛的用途，用于將機器人與物體臨時的連接和固定起來，并能夠在適當的時候進行釋放，前者實現了抓取物體，后者實現了放開物體。一般的機器人手為了降低成本被制作成具有兩個相對運動的部分，以便于最簡單的實現抓取和釋放功能。也有許多模仿人手的結構，設計為具有更多的手指和手指上具有若干關節，但是那樣會帶來機械系統、傳感系統、控制系統和控制算法的復雜度和高昂的成本。部分機器人手具有適應性，即在抓取前并未知曉要抓取的物體是何種形狀與大小，在抓取中也未對抓取的物體進行傳感檢測，但是卻可以自適應地抓取，這種對于物體形狀、大小的自動適應性能使得機器人手在實現更為廣泛抓取不同物體的同時并不增加傳感與控制需求。

Peter B.Scott在文獻(Peter B.Scott,“The’Omnigripper’:a form of robot universal gripper”,Robotica,vol.3:pp 153-158,1985)中介紹了一種機械被動式適應物體形狀的通用夾持器Omnigripper。該夾持器具有兩組桿簇集合，每組桿簇集合有多個相互平行的長桿，這些由待抓物體推動而自由上下滑動的長桿達到了適應物體形狀的目的，再結合驅動器驅動兩組桿簇靠攏或離開，實現對物體的抓持。舉例來說，當機器人的末端靠向放置在某個支持面(如桌面)上的物體時，物體擠壓長桿使其向基座內滑動，由于長桿數量較多，且長桿較細(直徑較小)，不同的長桿接觸到不同的物體表面點，各長桿向手掌內的滑動距離不同，這種距離與物體的局部形狀有關；之后，一左一右的兩組桿簇集合再合攏夾持住物體，利用長桿從側面夾持住物體，達到抓取目的。

該裝置的不足之處在于：

(1)無法做到多向抓持。該裝置對目標物體施加抓取力時，該抓取力只能沿著兩組桿簇集合合攏的方向，相當于二指夾持器，產生的僅僅是一維夾持模式，夾持效果差。

(2)對于特定方向放置的長條狀物體抓持失效。當目標物體與該方向平行且目標物體在該方向上長于該裝置，則目標物體不會因兩組伸縮桿合攏而受到抓持力，如抓取一個長條狀的物體。

(3)結構復雜、能耗大。該裝置有2組桿簇集合，需要2個相互運動的可運動支承件(或運動基座)、一套直線導軌、2個滑塊、驅動器、傳動機構等，結構較為復雜，且要讓一個具有許多長桿的笨重桿簇集合運動是比較耗能的。

(4)長期使用的可靠性差。所有長桿及滑槽均暴露在工作環境中，在充滿粉塵、飛絮的工廠車間環境中，長桿之間易夾入小的異物，滑槽中會因為積滿塵絮纖維而無法滑動，各種影響和減小使用壽命的因素很多，在多粉塵的食品、紡織、礦業開采等工廠車間中，塵土吸附集聚在長桿及滑槽中，大大影響長桿在基座中滑動效果，甚至產生故障。

(5)抓持穩定性有待提高。該裝置對目標物體的抓持力僅由兩組桿簇集合合攏而產生， 僅能采用抓持力的力封閉抓取物體，而缺少較好的包絡式形封閉抓取效果，因為，力封閉抓取物體未必一定會產生形封閉抓取，但是形封閉抓取一定包括了力封閉抓取，因此抓取穩定性已達到形封閉為最好。

Eric Brown等人在文獻(Eric Brown,Nicholas Rodenberga,John Amendb,Annan Mozeikac,Erik Steltzc,Mitchell R.Zakind,Hod Lipsonb,Heinrich M.Jaegera.Universal robotic gripper based on the jamming of granular material.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS),vol.107,no.44:18809–18814,doi:10.1073/pnas.1003250107,Sept.17,2010)中介紹了一種基于顆粒阻塞固化原理的通用機器人手。該機器人手包括可變形的彈性薄膜、一個端口、濾網、放置在膜皮內流體(如氣體)和大量顆粒材料(如咖啡顆粒)和流體源(例如泵或可排空容器)。

該裝置的工作原理為：膜皮中的顆粒可在膜皮內自由運動，當機器人的末端靠向放置在某個支持面的物體時，物體可以擠壓膜皮，使膜皮內的顆粒受到擠壓而運動，不同顆粒在膜皮內的運動程度不同，這種運動程度與物體的形狀有關，達到自適應物體形狀的效果。之后，膜皮內的流體被吸走，顆粒由于濾網的存在留在膜皮內，顆粒由于相互擠壓摩擦產生阻塞固化效果，利用固化的顆粒群體隔著膜皮對物體產生接觸點，造成多指多點接觸抓取的效果，此外局部可能產生密封的低壓區域以獲得大氣壓力輔助抓取效果。

該裝置的不足之處在于：

(1)該裝置采用大量的顆粒材料，顆粒材料的磨損會較大地減弱該裝置的使用壽命；

(2)該裝置在抓取不同的物體時需要調節裝置內顆粒的多少以更好地抓取不同的物體，極大地減小了其通用性；

(3)該裝置需要將膜皮內的流體幾乎全部抽吸走，能耗大，流體源(如泵)成本高，可排空容器體積大或可排空容器的壓力大。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了克服已有技術的不足之處，提供一種磁流變液桿簇自適應手裝置。該裝置用于抓取物體，對物體大小和形狀具有自適應性；達到對物體的多向抓持效果：能夠在多個方向對物體提供抓持力，對不同方向放置的各種形狀物體均可有效抓持；適合在較多粉塵和飛絮等惡劣工作環境中使用，長期使用的可靠性好；結構簡單，抓持穩定性高。

本實用新型采用如下技術方案：

本實用新型設計的一種磁流變液桿簇自適應手裝置，包括基座和K個滑動推桿；每個所述滑動推桿的一端滑動鑲嵌在基座中且滑動方向與該滑動推桿的中心線平行，所有所述滑動推桿的中心線相互平行；其特征在于：該磁流變液桿簇自適應手裝置還包括彈性薄膜、線圈、磁流變液和K個簧件；所述基座包括K個通孔；部分或全部所述滑動推桿采用有彎曲彈性的柔性桿，所述柔性桿受力可彎曲且不受力時可復原；所述第i個簧件的兩端分別連接基座與第i個滑動推桿；所有所述滑動推桿的一端均從基座的同一側伸出；所述彈性薄膜可變形，所述彈性薄膜具有開口，所述彈性薄膜包裹所有滑動推桿伸出基座的部分，所述彈性薄膜的開口密封固接在基座上；所述彈性薄膜與基座構成一個對磁流變液密封的腔室，磁流變液密 封在所述腔室中；所述線圈可導電，纏繞在基座周圍；其中，K為大于3的自然數；i＝1,2,…,K；i為自然數。

本實用新型所述的磁流變液桿簇自適應手裝置，其特征在于：所述彈性薄膜由柔性可排空的材料制成。

本實用新型所述的磁流變液桿簇自適應手裝置，其特征在于：所述滑動推桿包括至少一個桿件和至少一個可彎曲的彈性件；所述桿件和彈性件串聯在一起。

本實用新型與現有技術相比，具有以下突出特點：

本實用新型裝置采用多個滑動推桿、彈性薄膜、線圈、磁流變液和簧件等綜合實現離散空間自適應抓取功能，利用多個滑動推桿實現對物體大小和形狀的自適應功能，不需要根據物體的形狀、大小調整該裝置，利用線圈通電產生磁場，使磁流變液體固化，進而多個滑動推桿向裝置的中心彎曲變形，達到對物體的多點多向穩定抓持效果；該裝置對不同方向放置的各種形狀物體(如長條狀物體)均可有效抓持；該裝置中，所有的滑動推桿與通孔等較好地封閉在了裝置內部，因此該裝置適合在比較惡劣(如存在較多粉塵、飛絮)的工作環境中使用；由于實現了多向抓取，能夠在多個方向對目標物體提供抓持力。該裝置結構簡單，可靠性好，適用范圍廣。

附圖說明

圖1是本實用新型提供的磁流變液桿簇自適應手裝置的一種實施例的剖視圖。

圖2是圖1所示實施例的軸側剖視圖。

圖3是圖1所示實施例的一種三維外觀圖。

圖4是圖1所示實施例的另一種三維外觀圖。

圖5是圖1所示實施例的下基座的通孔分布示意圖。

圖6、圖7和圖8是圖1所示實施例抓取球狀目標物體的過程示意圖。

圖9和圖10是圖1所示實施例抓取球狀目標物體的原理示意圖。

圖11是圖1所示實施例在該實施例抓取球狀目標物體時的部分結構正視圖。

圖12是圖1所示實施例在該實施例抓取球狀目標物體時部分結構的三維示意圖。

圖13是在圖1所示實施例對球狀目標物體施加夾持力前該實施例與球狀目標物體的三維外觀圖。

圖14是在圖1所示實施例對球狀目標物體施加夾持力后該實施例與球狀目標物體的三維外觀圖。

圖15、16和圖17是圖1所示實施例抓取長條狀目標物體的過程示意圖。

圖18是圖1所示實施例在該實施例抓取長條狀目標物體的部分結構正視圖。

圖19是圖1所示實施例在該實施例抓取長條狀目標物體的部分結構三維示意圖。

圖20是在圖1所示實施例對長條狀目標物體施加夾持力前該實施例與長條狀目標物體的三維外觀圖。

圖21是在圖1所示實施例對長條狀目標物體施加夾持力后該實施例與長條狀目標物體的三維外觀圖。

圖22是本實用新型的又一種實施例的滑動推桿的示意圖。

在圖1至圖22中：

1-基座， 11-通孔， 12-上基座， 13-中間基座， 14-下基座，

15-第一端口， 16-第二端口， 2-滑動推桿， 21-桿件， 22-彈性件，

3-簧件， 4-彈性薄膜， 5-線圈， 6-夾緊圈， 7-磁流變液，

8-導管， 91-球狀目標物體， 92-長條狀目標物體，

10-支承面。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例進一步詳細說明本實用新型的具體結構、工作原理及工作過程。

本實用新型設計的一種磁流變液桿簇自適應手裝置，包括基座和K個滑動推桿；每個所述滑動推桿的一端滑動鑲嵌在基座中且滑動方向與該滑動推桿的中心線平行，所有所述滑動推桿的中心線相互平行；其特征在于：該磁流變液桿簇自適應手裝置還包括彈性薄膜、線圈、磁流變液和K個簧件；所述基座包括K個通孔；部分或全部所述滑動推桿采用有彎曲彈性的柔性桿，所述柔性桿受力可彎曲且不受力時可復原；所述第i個簧件的兩端分別連接基座與第i個滑動推桿；所有所述滑動推桿的一端均從基座的同一側伸出；所述彈性薄膜可變形，所述彈性薄膜具有開口，所述彈性薄膜包裹所有滑動推桿伸出基座的部分，所述彈性薄膜的開口密封固接在基座上；所述彈性薄膜與基座構成一個對磁流變液密封的腔室，磁流變液密封在所述腔室中；所述線圈可導電，纏繞在基座周圍；其中，K為大于3的自然數；i＝1,2,…,K；i為自然數。

取K＝40，則本實用新型所述的磁流變液桿簇自適應手裝置的一種實施例，如圖1、圖2、圖3和圖4所示。該實施例包括基座1和K個滑動推桿2；每個所述滑動推桿2的一端滑動鑲嵌在基座1中且滑動方向與該滑動推桿(2)的中心線平行，所有所述滑動推桿2的中心線相互平行；其特征在于：該磁流變液桿簇自適應手裝置還包括彈性薄膜4、線圈5、磁流變液7和K個簧件3；所述基座1包括K個通孔11；部分或全部所述滑動推桿2采用有彎曲彈性的柔性桿，所述柔性桿受力可彎曲且不受力時可復原；所述第i個簧件3的兩端分別連接基座1與第i個滑動推桿2；所有所述滑動推桿2的一端均從基座1的同一側伸出；所述彈性薄膜(4)可變形，所述彈性薄膜4具有開口，所述彈性薄膜4包裹所有滑動推桿2伸出基座1的部分，所述彈性薄膜4的開口密封固接在基座1上；所述彈性薄膜4與基座1構成一個對磁流變液7密封的腔室，磁流變液7密封在所述腔室中；所述線圈5可導電，纏繞在基座1周圍；其中，K為大于3的自然數；i＝1,2,…,40；i為自然數。

本實施例中，所述彈性薄膜4由柔性可排空的材料制成。

本實用新型所述的磁流變液桿簇自適應手裝置，其特征在于：所述滑動推桿包括至少一個桿件和至少一個可彎曲的彈性件；所述桿件和彈性件串聯在一起。在另一種實施例中，所述滑動推桿2如圖22所示，包括至少一個不可彎曲、不可壓縮的桿件21和至少一個可彎曲、可壓縮的彈性件22；所述桿件21和彈性件22串聯在一起。

盡管較軟的彈性薄膜4起到了軟指面抓持的效果，不過，另一種實施例中，所述滑動推 桿2的末端可以采用彈性材料，這樣有利于實現更好的軟指面抓取效果，推桿末端與彈性薄膜4的局部接觸點擴展為接觸區域，接觸范圍更大，抓取效果更好。

本實施例中，所述基座1包括上基座12、中間基座13、和下基座14；所述中間基座13、下基座14均設有40個通孔，且中間基座13的第j個通孔所與下基座14的第j個通孔同軸心，下基座的通孔示意圖如圖5所示。j＝1,2,…,40；j為自然數。

本實施例中，所述傳動機構包括聯軸器102和繞線筒103；所述聯軸器連接繞線筒103與驅動器103，所述繞線筒套103設在基座1上，所述拉膜件9一端固接在繞線筒上，另一端固接在彈性薄膜4上。

本實施例還包括夾緊圈6，所述夾緊圈6將彈性薄膜4固接在基座1上。

本實施例中，所述基座還設有第一端口15和第二端口16。

本實施例還包括導管8，所述導管8連接第一端口15、第二端口16和下基座14與彈性薄膜4構成的腔室。

下面結合附圖介紹圖1所示實施例的工作原理。

本實施例的初始狀態如圖1、圖2、圖3和圖4所示，此時第一端口15和第二端口16均關閉，下基座14與彈性薄膜4構成的腔室充滿磁流變液。第i個滑動推桿2在第i個簧件3的作用下，第i個滑動推桿2的大部分伸出下基座14并處在下基座14與彈性薄膜4構成的腔室內；此時驅動器101未啟動，拉膜件9處于松弛狀態；其中，i＝1,2,…,40；i為自然數。

在該實施例對目標物體實施抓取時。該實施例在機械臂的帶動下靠近放在支承面上的物體并對物體產生擠壓。若裝置內的滑動推桿2下方對應的彈性薄膜4的區域碰觸到了物體，則該滑動推桿2會在目標物體的反作用力下相對于抓持裝置向上滑動；而若滑動推桿2下方對應的彈性薄膜4的區域未碰觸到目標物體，該滑動推桿2不會相對于抓持裝置運動；由于不同的滑動推桿2在目標物體的擠壓反作用力下產生了不同的滑動距離，故彈性薄膜4自適應地包裹住目標物體，如圖9所示。

之后，線圈5通電，產生磁場，進而使磁流變液7固化；而由于滑動推桿2具有可彎曲的彈性，故滑動推桿2會受到彈性薄膜4的擠壓而向該裝置中部有一定程度的聚攏彎曲變形，進而在目標物體的側面對目標物體產生了擠壓力——即抓持力；在抓取過程中原理圖如圖9和圖10所示；滑動推桿2的彎曲情況如圖11、圖12、圖18和圖19所示，在施加抓取力前時該裝置與物體的三維外觀如圖13和圖20所示；在施加抓取力后時該裝置與物體的三維外觀如圖14和圖21所示；整個抓取過程如圖6至圖8和圖15至圖17所示。

在該實施例與目標物體間產生局部低壓區域和該實施例對目標物體產生了側面擠壓力后，該抓持裝置在機械臂的運動下實現了對目標物體的抓取。

在釋放物體時，停止線圈5導通，磁流變液7停止固化，恢復為液態；滑動推桿2可自由滑動，而后移開機器人手裝置，第i個滑動推桿2在第i個簧件3的作用下也回復到伸出基座1最長的初始狀態，并且由于滑動推桿2不再受到彈性薄膜4擠壓，滑動推桿2恢復伸直的初始狀態，進而對目標物體的抓取力消失，實現了對目標物體的釋放。其中，i＝1,2,…,36；i為自然數。

在需要加入或更換磁流變液時，通過第一端口15、第二端口16和導管8從裝置外部對密封于下基座14和彈性薄膜4間的磁流變液完成。

本實用新型裝置采用多個滑動推桿、彈性薄膜、線圈、磁流變液和簧件等綜合實現離散空間自適應抓取功能，利用多個滑動推桿實現對物體大小和形狀的自適應功能，不需要根據物體的形狀、大小調整該裝置；利用線圈通電，使磁流變液固化，進而使多個滑動推桿向裝置的中心彎曲變形，達到對物體的多點多向穩定抓持效果；該裝置對不同方向放置的各種形狀物體(如長條狀物體)均可有效抓持；該裝置中，所有的滑動推桿與通孔等較好地封閉在了裝置內部，因此該裝置適合在比較惡劣(如存在較多粉塵、飛絮)的工作環境中使用；由于實現了多向抓取，能夠在多個方向對目標物體提供抓持力，因此抓持穩定性高。該裝置結構簡單，可靠性好，適用范圍廣。