一种普适模块化的气吸式机器人手爪的制作方法

本发明属于机器人应用领域，特别涉及一种普适模块化的气吸式机器人手爪，该气吸式机器人手爪是一种利用气流负压原理的气吸式机器手爪。

背景技术：

如今，随着机器人在工业生产中需求量不断增大，以及机器人技术的不断发展，机器人已广泛地应用在装配、搬运、喷漆等大批量作业上，用来替代或帮助人来进行重复琐碎的任务。作为机器人末端的执行器，机器人手爪是一个高度集成、具有感知功能和智能化的机电一体化系统，它主要用来抓取物体或握持工具，其性能的优劣在很大程度上决定了机器人的功能和性能。

目前，用于吸取物体的机器人手爪，可分为磁吸和气吸两种。磁吸式手爪，利用电磁力和袋装可变形式磁粉，可吸住具有磁性的物体，但不适用于不具有磁性的物体，且被吸附的物体有剩磁问题。气吸式手爪，是依靠负压吸附物体的，按形成负压的方式可分为挤气式，喷气式和真空式。目前广泛应用的气吸式手爪结构复杂、功能单一。

由于物体的形状、尺寸和重量的不同，经常需要针对某种物体而设计不同的机器人手爪。而且，研发专用的机器人手爪周期长，成本较高。在实际应用中，迫切需要一种结构简单，成本低，且能够处理不同形状物体的机器人手爪。

中国公开专利号：CN2584315，名称：一种曲面抓取手爪。该发明设计了一种可抓取曲面物体的手爪，由接触力控制装置及其控制系统、柔性定位装置及其控制系统、无间隙刚性定位装置及其控制系统组成。该发明的有益效果是实现了可靠、安全地抓取曲面物体，而且能有效地保持物体抓取和放置后的位姿始终不变。但该发明机械设计过于复杂，制造成本和维护成本高；工作程序冗长，无法保证较高的抓取效率，而且某一步骤出错，将影响整个抓取过程无法正常进行。

中国公开专利号：CN100999077，名称：一种多用途形状自适应机器人手爪及工作方法。该发明提供了一种多用途形状自适应机器人手爪及工作方法，它主要包括框架和与之机械联接的手指机构、驱动分路传动机构和手指位置调整机构，三个力矩电机和一个步进电机。该机器人手爪具有较高的智能性，负载能力强，自适应性好。但该发明结构复杂，成本较高，适用于空间机器人，而无法普及到制造生产中的工业机器人。

技术实现要素：

本发明的目的是：克服现有的机器人手爪结构复杂，研发与制造的成本高，通用性和适应性不强等方面的问题，提供一种基于气流负压原理的气吸式机器人手爪，它可根据不同的曲面调整吸管的形状，抓取不同的物体。该气吸式机器人手爪广泛应用于吸附板材，玻璃等非金属材料和不可有剩磁的材料。

本发明的技术方案可以是：一种普适模块化的气吸式机器人手爪，所述气吸式机器人手爪具有普适化和模块化的特点，包括：吸管、负压气腔、连通气管和排气管，所述吸管的下端具有球关节的吸盘，其中：

负压气腔的上端与排气管相连，排气管的上端与外部的气泵相连，为负压气腔提供稳定的气源；

负压气腔的四周分别与一个连通气管相连。连通气管的末端设置有一个气阀，能够控制连通气管的关闭与开启，分别实现两种工作方式：单个气吸式机器人手爪独立工作；多个气吸式机器人手爪配合工作；

负压气腔的下端与n×m根吸管相连。每个吸管都具有一个自由度，即能够上下移动。吸管下端与一个设置有球关节的吸盘相连；

吸盘用于与要吸取的物体表面直接接触，由球关节提供吸盘角度调整的功能，能根据物体表面的凹凸度调整相应的姿态；

所述的气吸式机器人手爪在吸取物体时，首先根据物体的表面凹凸度,吸管上下移动调整到相应的位置，同时吸盘调整相应的姿态；然后排气管连接能产生气源的气泵，为机器人手爪的内部腔室提供从下到上的稳定气流。气流的方向是：吸管下端吸盘——吸管上端——气腔内部——排气管，从而在气流高速喷射时即可形成一定的负压，使吸管吸住物体；最后需要释放物体时，气泵将缓慢减少气流量，以让机器人手爪吸管下端的吸盘稳定地释放物体。

所述的吸管呈均匀分布状，所述的吸管一共有n×m根，呈n行m列的矩阵式排列。保证了被吸附物体表面有较大的面积吸附力，且受力均匀，不会对物体有较大的损伤。

所述的吸管具有一个自由度，吸管的下端用于吸附物体，每一根吸管都根据所吸附物体表面凹凸的不同，独立地自适应上下移动，以减少与表面之间的间隙，从而增大吸附力。

所述球关节可以旋转带动下面的倒立漏斗状吸盘旋转；当与物体表面接触时，使球关节做出相应的旋转角度，调整到合适的姿态，以让吸盘的下端与物体的表面尽可能地吻合，因此极大地减少了它们之间的间隙，有利于增强吸附力。

所述的吸管与气腔连接部位，所述气腔下端与吸管相连的部位为一个比吸管直径略大的圆孔，使得气腔与吸管之间存在着极小的间隙，可保证吸管的移动性与气腔的密闭性。

所述吸管的上端呈丁字形，所述丁字形嵌在气腔里面，并与气腔的下端相连。由于丁字形的上端比气腔下端圆孔大，从而保证了吸管在任何情况下，都不会与气腔脱离。

所述的负压气腔的上端和下端分别与吸管和排气管相连，所述的负压气腔的四周各设有一个圆柱形的连通气管，所述连通气管的末端有控制其开通与闭锁的气阀；所述气吸式机器人手爪单独使用时，气阀关闭，实现单个气吸式机器人手爪独立工作；所述气吸式机器人手爪与其他气吸式机器人手爪相接时，气阀开启，与其他机器人手爪的气管相连，实现多个气吸式机器人手爪配合工作。方便快捷的组装方式实现了气吸式机器人手爪的模块化。

所述的排气管的下端与气腔相连，密闭性良好；所述的排气管的上端与气泵相连，用于产生稳定的气流，让气腔内的压力与大气压之间产生一定的压力差，吸附物体。当多个机器人手爪连接在一起使用时，使各个排气管只留有一个排气管与气泵相连，其余的由气阀控制关断，以保持连通的气密性。

本发明的技术方案也可以是：一种基于气流负压原理的气吸式机器手爪，主要包括吸管、负压气腔和排气管这三个部分。

各部分的组成和工作原理如下：

吸管一共有n×m根，呈横n根竖m根排列。每根吸管长度，直径都完全相同，且具有一个自由度，可根据曲面的特征上下移动。从而使得每根吸管都能够与物体表面良好地接触，增强了机器人手爪的通用性。

吸管的下端呈倒立的漏斗状，且设置有一个球关节。如图1d所示，球关节是可滚动的，它可使倒立漏斗状的吸盘旋转，从而使得吸盘能够适应于不同平面的物体。

如图2b所示，当遇到凸曲面的物体时，一方面，吸管的自由度会使其向上移动，以适应曲面的凸度；另一方面，吸管的球关节令吸盘旋转，更加贴近物体表面，大大减小了与物体表面之间的间隙。

吸管的上端，位于负压气腔中的一端呈丁字形，可保证吸管不会脱离气腔。吸管的数量保证了能够吸取一定质量的物体，吸管的自由度与吸盘的自由度保证了对物体形状的适应能力强。

负压气腔呈长方体形，它下端与吸管相接，上端与进排气管相接。其中，为保证吸管可上下移动，气腔与吸管之间有细小的间隙，一方面摩擦力极小，不阻碍吸管的运动，另一方面漏气极少，对吸取物体的重量可忽略不计。

为了能够更好地吸附质量更大的物体，负压气腔在四周分别设置有一个气管。单独使用时，每个气管的气阀关闭，排气管的气阀打开连接气泵。当需要吸附更大物体时，每个气管的气阀将打开，利用连接处的螺纹进行连接。而且只需要打开其中一个机器人手爪的排气管与气泵相接，其余的排气管关闭，即可吸附质量更大的物体。如图3a和图3b所示，吸附一个正方形大物体，使用2×2个机器人手爪相连接，即可吸附。

排气管连接着产生稳定气源的气泵，利用伯努利原理，让吸管入口处的气流速度提升到极快，在气流高速喷射时形成了所需要的负压，从而使得吸管吸住物体。

本发明的原理基于流体力学中的负压原理，需要计算出小直径管道的一个限制值--有多少空气可以流过它,以产生足够的压力差去吸取物体。为保证该发明是最优设计，下面将从三个方面去讨论本发明的参数：

(1)吸管管道的空气压降；

(2)吸管边界厚度的影响。

1.吸管管道的空气压降；

压降：吸管两端空气的压力差是使机器人手爪对物体产生吸附力的原因。根据达西公式，每一根吸管内的空气压降为：

式中，Δp是吸管两端的压降,ρ是吸管内空气密度,L是吸管的长度,v是粘度，D是直径，f为摩阻系数，在圆管层流运动中仅与流态有关。下面讨论摩阻系数f和吸管长度L。

1.1摩阻系数f；

由于管道内的气流为层流，因此气体摩擦系数可被以下的方程确定：

式中，R_e为雷诺数，可用来表征流体流动情况。可由以下方程确定：

式中，ρ是空气密度，υ是气体的流速,D为截面直径，μ是动力粘度，为与气体温度相关。

1.2吸管长度；

吸管由底部吸盘和上部圆柱形管道组成，因为它们的截面直径不相同，因此需分成两部分去计算。设底部吸盘的深度为L₁，它的直径取平均直径D₁。设上端吸管可旋转的部分长度为L₂，直径D₂。设上端吸管可上下移动的部分长度为L₃，直径D₃。

在这里，吸管的长度指的是吸管下端到气腔底部之间的长度。由于每一根吸管会根据物体表面的形状向上移动，将向上移动的长度设为ΔL,因此吸管的管压降长度为(L₃-ΔL)。这里分成三部分去计算整一根吸管的管压降，下列的式子中，ρ是吸管内空气密度,L是吸管的长度,v是粘度，D是直径，f为摩阻系数。

第一部分为吸盘的管压降Δp₁，L＝L₁，D＝D₁，代入方程(1)得：

第二部分为可转动吸管的管压降Δp₂，第二部分为吸管的管压降，L＝L₂，D＝D₂，如图所示设转动的角度为θ，则有效的管压降长度为L₂cosθ。

第三部分为可移动的吸管的管压降Δp₃，L＝(L₃-ΔL)，D＝D₃，代入方程(1)得：

因此整一根吸管的管压降Δp为：

综上所述，n根吸管提供的总管压降ΔP为：

在这部分的讨论中，得到了吸管两端气压变化与气压沿吸管深度变化之间的关系，由此可计算得吸管内部与外部之间的气压差。

2.吸管能吸附的最大质量；

腔室与大气之间的压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确定：

式中，m为能够吸附的物体最大质量，C为流量系数,A为流通面积,即吸管的平均横截面积，ρ为气体的密度，k为常数，可由实验测得，P₁为吸管下端气压，即大气的气压，P₂为吸管上端的气压,可由下式方程决定：

P₂＝P₁+ΔP，

其中，ΔP由方程(8)决定。

3.吸管边界厚度的影响；

根据伯努利方程可以充分地分析吸管直径对气流流动的影响，但由于吸管的直径较小，必须考虑边界层厚度在这个过程中的影响。然后根据边界层厚度可以计算有效直径管道。

边界层厚度可以根据普朗特方程计算：

式中，δ为边界层厚度，K是普朗特方程的常数，D取吸盘的平均直径，即D＝D₁。根据普朗特方程可以知道，空气和管表面之间的粘度影响第一个δ长度,之后气流只被空气本身的属性所限制，与管道之间的粘度无关。在这部分受影响的管道中，管道的有效直径为：

D₀＝D-2δ， (11)

式中，D₀为管道的有效直径，D为吸盘的平均直径，δ为边界层厚度。

由于δ＜＜D，所以边界层厚度对吸管的横截面积影响非常小。而且，在影响第一部分吸管后，之后的气流与边界厚度无关，只被空气本身的属性所限制，所以吸管边界厚度对吸管吸附重物的质量影响非常小。

综上三部分内容所示，第一部分讨论了吸管因气流流动产生的负压与摩擦系数，吸管的长度(包含吸管上下移动和旋转角度)等因素的关系，给出了吸附物体时腔室与大气之间(即吸管下端与腔室内部下端之间)的空气压降的计算公式；第二部分讨论了因空气压降产生的吸附力与所能吸附物体的最大质量之间的关系，得到了二者之间的定量关系；第三部分则讨论了吸管边界厚度对吸附重物的影响，得出了吸管边界厚度对吸管吸附重物影响极小的结论。

本发明利用一种负压原理而设计的气吸式机器人手爪，该气吸式机器人手爪主要包括n×m根吸管，负压气腔和排气管三部分组成。所述的吸管具有上下一个自由度，可适用于吸附不同曲面的物体。而且吸管下端设有可自由旋转的球关节，可控制与物体接触的吸盘更适应不同物体的表面。所述的气腔呈长方体形，内部中空，一方面能够暂时存储一定量的气体，另一方面能够提供满足需求的压力差。而且气腔四周各布有一可通可闭的气管，可通过气管与其他同样的机器人手爪相连接，从而实现机器人手爪的模块化。所述的排气管呈圆柱形，它连接着气腔和气泵，吸附物体时能够提供源源不断的稳定气流，保证吸附物体时的可靠性与稳定性。本发明结构简单紧凑，制造成本低，工作稳定可靠，通用性和互换性良好，可实现模块化，适用于吸取各种不同曲面的物体。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点与有益效果：

1、本发明的吸管可根据物体形状上下移动，吸盘也随之旋转，因此本发明通用性和适应性强，能够更安全有效地吸取曲面物体，且被吸附物体预定的位置精度要求不高。

2、本发明实现了模块化，可根据吸附物体的不同进行积木式的组装。气腔四周分别各有一个气管，可以根据吸附物体大小形状的不同，灵活简便地搭配多个同样的机器人手爪，以适用于吸附不同的物体。

3、本发明具有多个吸管，使得吸附力分部均匀，对物体表面不会造成较大的损伤。

4、本发明结构设计简单灵巧，重量轻，制造成本低，使用方便可靠，满足多种生产制造的要求。

附图说明

图1a为本发明的气吸式机器人手爪的正视图。

图1b为本发明的气吸式机器人手爪的左视图。

图1c为本发明的气吸式机器人手爪的俯视图。

图1d为本发明吸管下端球关节原理示意图。

图2a为本发明吸取平面物体的示意图。

图2b为本发明吸取凸面物体的示意图。

图3a为本发明模块化吸取大物体的正视图。

图3b为本发明模块化吸取大物体的俯视图。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明专利中的附图，对本发明专利中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

实施例

本发明的原理基于流体力学中的负压原理，即使吸管和物体表面之间存在着极小的间隙，但气流可通过小直径的管道可以产生足够的压力差，从而吸起物体。此外，机器人手爪的吸管具有一个自由度，下端吸盘设置有一个球关节，这使得它能够根据物体表面的凹凸度改变吸管的位置和吸盘的姿态，从而使得它适合应用于多种多样的件。同时，本发明通过负压气腔设置有可连通其他同类型机器人手爪的气管，实现了模块化设计。

如图1a所示，气吸式机器人手爪由排气管1，连通气管2，负压气腔4，吸管5，其中吸管的下端包括了球关节3和吸盘6，气吸式机器人手爪的结构如图1d所示。如图1b所示，为本发明的气吸式机器人手爪的左视图；如图1c所示，为本发明的气吸式机器人手爪的俯视图。所述的排气管连接着外部的气泵，为机器人手爪内产生较大的气压去吸取物体。所述的连通气管，当单个机器人手爪使用时，将关闭气阀，以形成封闭的气腔；当多个机器人手爪一起工作时，将开启气阀，用于机器人手爪之间的两两连接。所述的吸管具有上下移动的自由度，下端的吸盘可具有三个自由度，可调整自身的姿态。

如图2a所示，气吸式机器人手爪吸取接触面为平面的物体时，吸管下端与物体接触，使得吸管调整到一定的位置，而吸盘保持初始的姿态。此时，排气管连接着产生稳定气源的气泵，使得吸管产生足够的吸力，将物体吸取。当机器人手爪吸取物体，并由连接的机械臂移动到指定的位置时，气泵将逐渐减少气流，使得物体与吸管平稳地脱离。

如图2b所示，气吸式机器人手爪吸取接触面为凸面的物体时，吸管下端与物体接触时，具有球关节的吸盘将自适应地调整自身的姿态，使得吸盘的下端尽量地与物体表面接触，极大地扩大了接触面积并有效减少了吸盘与物体之间的间隙。其他的工作过程与吸取接触面为平面的物体的工作过程相同。

如图3a(正视图)和图3b(俯视图)所示，当吸取接触面积大、质量大的物体时，气吸式机器人手爪本身具有模块化的特点，能实现几个气吸式机器人手爪同时工作。示意图显示了2×2个机器人手爪吸取一个接触面积大的平面物体的工作原理。此时，机器人手爪通过负压气腔的连通气管相互连接，使得几个负压气腔有着同样的气压。根据吸取物体的质量大小可开启一个或一个以上的排气管去连接相应数量的气泵，以提供足够大的吸力。

综上所述，气吸式机器人手爪结构简单，且通用性和适用性强，能够吸取接触面为平面、凹凸面的物体，同时吸管的均匀分布使得对物体的吸力均匀分布，不会轻易对物体造成损坏。此外，气吸式机器人手爪本身具有模块化的特点，可进行积木式的组装，灵活简便地搭配多个同样的机器人手爪，以适用于吸附质量大、接触面积大的物体。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。