[发明专利]一种实现无损抓取的气动软体机器人系统及方法

说明书

本发明提供一种实现无损抓取的气动软体机器人系统及方法。优点在于：设计了新颖的多腔体型气动软体机器人，其曲率均匀变化、应力集中减弱；制作过程采用先进的3D打印Polyjet技术，可以控制软体机器人的材料刚度，可靠性高，一体成型，便于重复制备。为了实现无损抓取，安装激光测距传感器检测机器人与抓取物体之间距离，使得机器人运动速度与距离成一定比例，既能防止因抓取瞬间碰撞力过大而损坏柔软易碎物体，还可以防止抓取过慢，兼具抓取效率；安装薄膜压力传感器测量接触力的大小，形成稳定的闭环控制，防止在抓取过程中损坏物体；还设计了一套控制电路及控制流程方案，以保证系统的稳定可靠运行，最终实现无损抓取柔软易碎物体。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种实现无损抓取的气动软体机器人系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人技术逐渐融入我们的日常并得到广泛应用。传统的刚性机器人由于灵活性欠缺、环境适应性差，在某些特殊用途方面具有很大局限性。相较于传统的刚性机器人，软体机器人是与目标对象交互的新型执行部件，具有柔软、自由度大、易变形等优点，使其得以适应不同形状的对象，降低了损伤柔软易碎物体的可能性。受到全世界科研机构和学者们的广泛关注。

然而目前气动软体机器人在抓取物体时，缺乏有效的信息感知能力，极大限制了无损抓取时的效果。经文献检索发现，申请号为201810679643.1的中国专利申请公开了一种安装多个压力传感器和弯曲传感器气动软体手指，该装置通过机器学习方法可以进行形状估计、抓持力反馈，进而控制抓持力的大小。申请号为201711432810.4的中国专利申请公开了一种可自主均衡接触力的软体机器人，意在针对因五指力不均衡而导致物体破损的情况。但是上述装置仍存在一些不足，主要有以下缺陷：

(1)上述装置只能在软体机器人(手指)接触到物体后进行力的感知，进而控制抓持力的大小，而对接触前软体机器人(手指)的运动速度无法适宜控制，若运动速度过慢，则会影响抓取效率；若运动速度过快，将会在接触瞬间具有较大碰撞力，造成对易碎物体的损伤。

(2)上述装置安装过多传感器以实现形状估计、抓持力反馈，势必会对软体机器人(手指)的柔软性造成一定影响，在一定程度上制约了软体机器人(手指)本身特性。

(3)上述装置采用注塑法制作软体机器人，制作流程复杂，制备可重复性差，且混合后的材料刚度难以准确控制。

发明内容

软体机器人(手指)的控制系统对于发挥软体机器人(手指)的优势是至关重要，但上述装置并未清晰明确的给出控制方案，增加了使用难度和不可靠性。针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种实现无损抓取的气动软体机器人系统及方法。

一种实现无损抓取的气动软体机器人系统包括：气动软体机器人，所述气动软体机器人具有两根气动手指；其中，两个气动手指的结构与形状均相同，且相对设置，共用一个气压源，构成所述气动软体机器人的夹持部，用于夹取物体；

每根所述气动手指包括：腔体层、应变限制层和传感器层；气动手指的最外层至最内层依次为腔体层、应变限制层和传感器层；最内层的传感器层直接与被夹持物体接触；

所述腔体层包括多个气腔；多个气腔沿着所述应变限制层竖直均匀设置；多个气腔之间依靠一个气道相互连通；气体通过所述气道充入各气腔中，各气腔随着充入气体的增多体积逐渐增大，相邻两个气腔之间由于体积增大产生挤压，使整个腔体层向所述气动手指的内侧弯曲；

所述应变限制层采用邵氏刚度65A的硅橡胶材料，其长度和宽度与腔体层长度、宽度相同；而所述腔体层采用邵氏刚度为50A的硅橡胶材料，当充气时，腔体层结构的气腔内壁发生膨胀产生较大变形，空腔之间互相挤压，而由于应变限制层(其材料比腔体层更厚也更硬一点)的弹性形变要小很多，因此能够限制整个气动柔性手指轴向变形，从而整个手指将向应变限制层一侧弯曲运动；