[发明专利]一种具备人工触觉的变刚度柔性夹爪

说明书

本发明公开了一种具备人工触觉的变刚度柔性夹爪，包括作为夹爪主体的弹性软囊，所述软囊用于装载固体颗粒和可抽取的填充介质，其特征在于：所述填充介质为透明液体，所述固体颗粒为透明颗粒，且所述透明颗粒置于所述透明液体中时为不可见；所述软囊内设有形状探测装置，在抓取过程中，所述软囊及其内部固体颗粒逐渐包裹被抓物体，致使软囊随被抓物体的形状发生自适应形变，所述形状探测装置根据软囊的所述形变获取被抓物体的形状，实现人工触觉。

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种具备人工触觉的变刚度柔性夹爪。

背景技术

随着城市河流环境治理的发展、海洋资源的开发，水下机器人技术成为机器人技术领域的重点研究方向，其中水下抓取作为水下机器人的关键技术，并以其较高的实施难度，成为研究难点。水下抓取的一大应用环境为浑浊液体环境，如非流动的自然水体、水下泥浆环境、水下油气环境等。比如目前建筑行业地下打桩时可能出现钻头断在地下的情况，由于钻眼往往通过地下水层且无法对钻眼壁进行加固，钻眼为泥浆环境，无法通过机器将钻头打捞出，目前的常用方法是潜水员潜入通过触觉判断钻头位置并套绳打捞，该方法对实施人员危险较大。该类问题在矿业开采、油气开采等很多行业都存在，因此在浑浊液体中能具备触觉是水下抓取/打捞领域的重要课题。

水下抓取通常面向大小、形状、重量等无法精确确定的物品，且物品通常表面较滑，材质软硬变化范围较大，比空气中的物品具有更复杂的表面特性，不利于抓取。水下的水压、水流运动、导电性等特性不利于精密传感器与驱动器的应用，难以形成复杂的抓取控制闭环。目前水下抓取的主流方案，一种是传统机器人抓取，其面临上述技术问题且效果不理想；另一种是用网捕捞、吸水等水下特定的技术方案，难以实现精确抓取。

柔性夹爪因其能柔性形变，被广泛应用于对外形变化范围较大的多种物品进行夹取，比如纸片、芯片、小零件、电子器件等。其夹取的原理是，在一软囊内填充(不填充满，通常填充至半满)大量的小颗粒，并向软囊内注入气体或液体使软囊内的颗粒处于疏松状态，具备流体的流动特性，在疏松状态下，下方夹爪时软囊和颗粒包裹住物体，然后抽取软内的气体或液体使软囊内呈现负压，软囊内的颗粒受气压压紧为紧密状态，紧紧裹住物体，此时上拉夹爪便可夹取物体。此类柔性夹爪相对于传统气动夹爪的优势在于，不仅可以抓取更重的物体，而且对较软材质物体、表面较滑的物体也都可以进行夹持，比较适合于进行水下夹取。然而，利用此类柔性夹爪进行水下夹取尤其是浑浊液体环境中，仍然面临无法看清物体导致夹取难以进行，无法准确、快速夹取物体的问题。

发明内容

本发明针对目前水下(尤其是浑浊液体环境)夹取所存在的抓取困难、无法判断物体形状导致抓取不准确等一系列问题，提出一种具备人工触觉的变刚度柔性夹爪，利用全透明的固液混合物，通过内置形状探测装置获知物体形状，实现人工触觉，并同时对大小、形状、重量等物理量变化范围较大的物体进行抓取。

本发明技术方案如下：

一种具备人工触觉的变刚度柔性夹爪，包括作为夹爪主体的弹性软囊，所述软囊用于装载固体颗粒和可抽取的填充介质，所述填充介质为透明液体，所述固体颗粒为透明颗粒，且所述透明颗粒置于所述透明液体中时为不可见；所述软囊内设有形状探测装置，在抓取过程中，所述软囊及其内部固体颗粒逐渐包裹被抓物体，致使软囊随被抓物体的形状发生自适应形变，所述形状探测装置根据软囊的所述形变获取被抓物体的形状，实现人工触觉。

进一步地，所述软囊的内侧表面具有标记点阵列，所述形状探测装置为设置在所述软囊内且视场覆盖所述标记点阵列的摄像模块，通过所述摄像模块识别由软囊形变所致的标记点位置变化来获取所述被抓物体的形状。

进一步地，所述形状探测装置为激光雷达、深度相机或ToF相机，通过激光雷达、深度相机或ToF相机获取软囊形变的三维信息，以获知所述被抓物体的形状。

进一步地，所述软囊的囊膜为不透明材质。