CN102699925B - 柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器，抓持器安装了二个以串联弯曲柔性铰链为骨架的手指，串联弯曲柔性铰链骨架是弹簧钢材料，靠串联弯曲柔性铰链骨架的弹性回复力被动地抓取物体；二个手指由一个气缸驱动，经过注塑机上常用的五铰链斜排双曲肘增力机构放大气缸的作用力，驱动每根手指上的牵引绳，克服串联弯曲柔性铰链变形抗力，使被动抓持器张开；通过调整气缸压力可控制抓持器开度。此抓持器驱动力大，适用范围广泛，结构简单，控制对象少，维修方便，使用环境要求低；且具有自由度柔性和作用力缓冲性的特点，柔性自适应性好，能无反馈地抓取形状、大小变化的物体，属于机器人、机电一体化的应用技术领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种由气缸驱动绳牵引的、串联弯曲柔性铰链骨架的柔顺性被动抓持器，抓持器安装了二个以串联弯曲柔性铰链为骨架的手指，靠串联弯曲柔性铰链的弹性回复力被动地抓取物体；二个手指由一个气缸驱动，经过五铰链斜排双曲肘增力机构放大气缸的作用力，驱动每根手指上的牵引绳和作用于串联弯曲柔性铰链，使被动抓持器张开。该抓持器具有很好的柔性，能无反馈地抓取形状、大小变化的物体，属于机器人、机电一体化的应用技术领域。
背景技术：
随着自动化程度的不断提高，抓持器的用途越来越广泛，抓持要求也越来越高。就复杂对象：(a)易变形的软性物体(面包、软包装物品)；(b)易破碎的脆性物体(禽蛋)；(c)形状不规则的、尺寸差别大的物体(瓜果蔬菜)；(d)异形的物体(酒瓶、化妆品瓶)。工业机械手为夹钳式或平行移动式结构，只能抓取形状大小一致、不会破损的刚性工件。机电的仿人机械手，需感知复杂对象的形状、位置空间，需精确控制运动和抓取力，否则会损坏这些复杂对象或不能有效抓取，在抓取形状、大小变化的异形物体时，传统的刚性抓持器需要精确控制指关节位移和抓持力，否则会对抓持对象造成损伤。因成本和使用环境的限制，精确控制抓持器很难在农业、轻工业等行业广泛应用。因此对复杂抓取对象，具有一定自适应的柔顺性抓持器越来越受关注。
传统刚性机构是由运动副连接的刚性杆件组成的，进行运动、力或能量传递或转换的机械装置。柔顺机构(Compliant Mechanisms)也能传递或转换运动、力或能量，但与刚性机构不同，柔顺机构不仅由运动副传递运动，还至少从其柔性部件的变形中获得一部分运动。柔顺机构的两大优越性：降低成本(减少零件数目、减少装配、简化制造、减轻质量)和提高性能(提高精度、增加可靠性、减少磨损、减少维护)。柔顺机构的系统研究才刚刚走完20年的历程，很多理论及方法还不完善，其最大的挑战是分析和设计方面的困难，尤其是柔性部件大变形造成的几何非线性问题。
抓持器的柔顺性主要取决于驱动部件和关节骨架，板弹簧作为一种同时具有力缓冲性和自由度柔性的零件，能很好的满足柔顺性抓持器的要求。专利CN200410065130.X和专利CN200420025274.8提出了以一种轴向膨胀人工肌肉作为驱动器的板弹簧骨架柔性关节，该关节通过膨胀肌肉伸长克服板弹簧阻力实现弯曲，可作为主动抓持器的手指部件，也具有一定的柔性自适应性。但是波纹管耐压有限，驱动力较小，使得板弹簧刚度不够大，被动抓取的物体重量有限。
发明内容：
本发明针对上述不足，提出一种柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器。串联弯曲柔性铰链骨架具有很好的柔性和很好的自适应性，串联弯曲柔性铰链骨架替代板弹簧骨架，制造抓持器用来抓取形状、大小变化较大的物体；串联弯曲柔性铰链骨架的变形检测简单，抓持器对控制精度要求不高；气缸驱动通过注射机上常用的五铰链斜排双曲肘增力机构放大后，牵引绳的张紧力大大增加，与波纹管人工肌肉相比可提供更大的驱动力，提高了抓取作用力，适用范围更加广泛；同时，两手指的二个牵引绳由一个气缸驱动，不但节约了成本、还减少了控制对象，简化了控制回路。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
如附图1、2、3、4、5所示，本发明抓持器有一个气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件和两个串联弯曲柔性铰链骨架手指部件组成。串联弯曲柔性铰链骨架手指部件通过手指尾节15固定在气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件的上板2上，串联弯曲柔性铰链骨架手指部件的牵引绳20的一端被固定在气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件的牵引绳固定座6上。
气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件：双作用气缸1的法兰盘通过螺栓固定在上板2上，上板2与下板7通过导柱3连接，上板2与下板7之间的滑动板5通过导套4在导柱3的导向下上下移动，导套4靠过盈配合固定在滑动压板5上，滑动板5上左右各装一个牵引绳固定座6；下板7上开孔，用于将此抓持器定位和固定在机械臂上；五铰链斜排双曲肘增力机构中，两个前支座8分别固定在滑动板5上，前支座8与前肘杆10的下端通过圆柱销9连接，前肘杆10的上端与后肘杆11的左下端(如附图4所示)通过圆柱销9连接，后肘杆11的上端与连杆13通过圆柱销9连接，后肘杆11的右下端与后支座14通过圆柱销9连接，左右各一个后支座14固定在上板2上；十字头12的左右两端分别与两个连杆13通过圆柱销9连接，双作用气缸1的活塞杆的螺纹部分旋在十字头12对称中部的螺纹孔里。
串联弯曲柔性铰链骨架手指部件：串联弯曲柔性铰链骨架手指部件通过手指尾节15固定在上板2上，手指尾节15、串联弯曲柔性铰链骨架19、手指头节21通过螺栓连接在一起；串联弯曲柔性铰链骨架19的材料是弹簧钢，所串联的弯曲柔性铰链数目可以是2-6个；导轮座16、导轮支架18安装在手指尾节15上，另一个导轮支架18、导槽座24安装在手指头节21上；小铰链22的小铰链支座23的导向部分在导槽座24的T形导槽中定向，小铰链支座23位置调整好后用内六角螺钉固定在导槽座24上；牵引绳20的一端固定在小铰链22上，经过安装在两个导轮支架18上和安装导轮座16上的三个导轮17导向，牵引绳20的另一端被固定在牵引绳固定座6上，牵引绳固定座6安装在滑动板5上。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
(1)气缸驱动力经过增力机构放大，然后通过牵引绳驱动抓持器，与现有的波纹管人工肌肉相比可提供更大的驱动力，因此可以增加弹性元件串联弯曲柔性铰链的刚度，用于抓取较大负载，有效解决了串联弯曲柔性铰链刚度太小不能提供大抓取力、刚度大变形困难而难以驱动的矛盾，适用范围更加广泛；
(2)串联弯曲柔性铰链骨架具有很好的柔性，可用来抓取形状、大小变化较大的对象，因而具有很好的柔性自适应，抓持器对控制精度要求低；
(3)两手指的两个牵引绳由一个气缸驱动，系统压力直接驱动，无反馈、无保压装置；机械手结构及其控制系统简单可靠，维护方便，成本低廉；
(4)调节气缸压力、控制抓持器的初始开度大小，减少了抓取工作时间。
附图说明：
图1为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最小开度时的结构图
图2为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最小开度时的结构图的A处局部放大图
图3为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最小开度时的结构图的B处局部放大图
图4为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最小开度时的五铰链斜排双曲肘增力机构部件装配图
图5为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最小开度时的串联弯曲柔性铰链骨架手指部件装配图
图6为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器的串联弯曲柔性铰链零件图
图7为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器的串联弯曲柔性铰链零件图的C处局部放大图
图8为柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器最大开度时的结构图
具体实施方式：
本发明柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器由双作用气缸1、上板2、导柱3、导套4、滑动板5、牵引绳固定座6、下板7、前支座8、圆柱销9、前肘杆10、后肘杆11、十字头12、连杆13、后支座14、手指尾节15、导轮座16、导轮17、导轮支架18、串联弯曲柔性铰链骨架19、牵引绳20、手指头节21、小铰链22、小铰链支座23、导槽座24构成。其中零件1-14构成了抓持器的气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件，零件15-24构成了抓持器的串联弯曲柔性铰链骨架手指部件，下板7上的孔用来将此抓持器定位和固定在机械臂上。
串联弯曲柔性铰链骨架19的材料是弹簧钢，弯曲柔性铰链串联的数目可以是2-6个(附图中只画了2个弯曲柔性铰链的串联作为代表，串联的数目越多，弯曲柔性铰链骨架的柔性越好，抓持器的自适应性也越好)。
下面为本发明的工作过程：
本发明抓持器采用被动抓取方式。(1)不工作时，如图1所示，气缸活塞杆完全处于缩回状态，串联弯曲柔性铰链(如附图6、7所示)呈自然弯曲状，抓持器手指的弯曲角度最大，抓持器的开度最小；(2)抓持前为初始状态，抓持器需要张开，双作用气缸1腔体内充气，使活塞杆推出，经过增力放大机构推动滑动板5向下滑动，带动牵引绳20张紧，克服串联弯曲柔性铰链骨架19的变形抗力，使串联弯曲柔性铰链骨架19的弯曲变小，手指张开，附图8所示为气缸活塞杆伸出最长位置、抓持器的开度最大位置；调节双作用气缸1压力，可调节抓持器开度；(3)抓持器夹紧时，双作用气缸1反向通气，使活塞杆回缩，滑动板5向上移动，牵引绳20松弛，在串联弯曲柔性铰链骨架19的弹性回复力作用下，手指被动夹紧物体；(4)通过控制气缸压力改变手指弯曲角度和抓取力，当抓持器对抓取对象的抓取力符合要求时，保持气缸压力不变，抓持器保持在抓持状态。
从上所见，本发明抓持器是一种由牵引绳主动驱动松开、串联弯曲柔性铰链弹性回复力作用而被动抓持的机械手，柔顺性表现为串联弯曲柔性铰链的弹性变形状态与被抓取对象的形状和尺寸有关。
Claims (1)
1.一种柔顺性气动绳牵引串联弯曲柔性铰链骨架被动抓持器，其特征是：此抓持器有一个气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件和两个串联弯曲柔性铰链骨架手指部件组成，串联弯曲柔性铰链骨架手指部件通过手指尾节(15)固定在气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件的上板(2)上，串联弯曲柔性铰链骨架手指部件的牵引绳(20)的一端被固定在气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件的牵引绳固定座(6)上；
其中，气缸驱动五铰链斜排双曲肘增力机构部件的组成是：
双作用气缸(1)的法兰盘通过螺栓固定在上板(2)上，上板(2)与下板(7)通过导柱(3)连接，上板(2)与下板(7)之间的滑动板(5)通过导套(4)在导柱(3)的导向下上下移动，导套(4)靠过盈配合固定在滑动板(5)上，滑动板(5)上左右各装一个牵引绳固定座(6)；下板(7)上开孔，用于将此抓持器定位和固定在机械臂上；五铰链斜排双曲肘增力机构中，两个前支座(8)分别固定在滑动板(5)上，前支座(8)与前肘杆(10)的下端通过圆柱销(9)连接，前肘杆(10)的上端与后肘杆(11)的左下端通过圆柱销(9)连接，后肘杆(11)的上端与连杆(13)通过圆柱销(9)连接，后肘杆(11)的右下端与后支座(14)通过圆柱销(9)连接，左右各一个后支座(14)固定在上板(2)上；十字头(12)的左右两端分别与两个连杆(13)通过圆柱销(9)连接，双作用气缸(1)的活塞杆的螺纹部分旋在十字头(12)对称中部的螺纹孔里；
其中，串联弯曲柔性铰链骨架手指部件的组成是：
手指尾节(15)、串联弯曲柔性铰链骨架(19)、手指头节(21)依次通过螺栓连接在一起；串联弯曲柔性铰链骨架(19)的材料是弹簧钢，所串联的弯曲柔性铰链数目可以是2-6个；导轮座(16)、导轮支架(18)安装在手指尾节(15)上，另一个导轮支架(18)、导槽座(24)安装在手指头节(21)上；小铰链(22)的小铰链支座(23)的导向部分在导槽座(24)的T形导槽中定向，小铰链支座(23)位置调整好后用内六角螺钉固定在导槽座(24)上；牵引绳(20)的另一端固定在小铰链(22)上，经过安装在两个导轮支架(18)上和安装导轮座(16)上的三个导轮(17)导向。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: WUXI JINZHEN AUTOMATION TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: JIANGNAN UNIVERSITY Effective date: 20150616 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150616 Address after: 214000 Jiangsu city of Wuxi province Hongqiao Tongyang Road No. 73 Room 102 Patentee after: Wuxi Jin Zhen Automation Technology Co., Ltd. Address before: 1800 No. 214122 Jiangsu city of Wuxi Province Li Lake Avenue Patentee before: Jiangnan University |
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Addressee: Wuxi Jin Zhen Automation Technology Co., Ltd. Document name: Notification to Pay the Fees |
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Addressee: Wuxi Jin Zhen Automation Technology Co., Ltd. Document name: Notification of Termination of Patent Right |
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Granted publication date: 20141231 Termination date: 20180529 |
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