CN103213139B - 气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪，多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，手掌有矩形和六边形两种结构；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个串联活页铰链组成；串联活页铰链的铰链心轴上均安装一个扭弹簧，扭弹簧的特性参数和预紧角根据被抓取对象的特点而优化设计出；靠气缸驱动产生抓持力，此多指手爪应用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持；多指手爪的柔性手指的特点是：对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，柔性自适应性好。本发明属于机器人、机电一体化的应用技术领域；与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流领域。

Description

气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪

技术领域：

本发明涉及气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪，多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，手掌有矩形和六边形两种结构；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个串联活页铰链组成；串联活页铰链的铰链心轴上均安装一个扭弹簧，扭弹簧的特性参数和预紧角根据被抓取对象的特点而优化设计出；靠气缸驱动产生抓持力，此多指手爪应用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持，属于机器人、机电一体化的应用技术领域；与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流领域。

背景技术：

针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取多指手爪。就抓取的复杂对象的种类：①易变形的软性物体(面包、软包装物品)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；④异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。传统工业多指手爪为夹钳式或平行移动式结构，只能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空间位置和形状，需要精确控制运动和抓取力，否则会损坏复杂对象或不能可靠抓取，但目前仿人灵巧手尚处在实验室研究阶段。

本发明多指手爪的柔性手指的特点是：对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，因此抓取复杂对象时，柔性自适应性好。

本发明多指手爪的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本发明之前，专利申请(一种多关节柔性机械手，200810023616.5)提出了一种橡胶波纹管膨胀加载式气动人工肌肉驱动器驱动的、活页铰链骨架的柔性弯曲关节，其缺点是：①橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器的内腔压强不够大，靠扭弹簧作用，回复到初始伸直状态；②驱动力作用于活页铰链骨架的位置不能调节，抓取物体的通用性不够好；③活页铰链的受力状态不好，人工肌肉输出力相当部分作用于扭弹簧、使之变形，从而减小了柔性关节输出的抓取力，随着活页铰链的角位移越大，花费在扭弹簧变形的力占比越大；④尤其是人工肌肉驱动下，随着活页铰链的角位移越大，角位移的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，活页铰链越难弯曲，亦即柔性手指活页铰链的角位移-气压的曲线斜率越来越小，甚至气压增大也不能继续产生角位移、反而减小了角位移。

发明内容：

本发明克服了上述不足，本发明多指手爪有三个柔性手指，每个柔性手指结构相同，柔性手指采用六杆机构，六杆分别是：驱动杆(内导向气缸1a的活塞杆和活塞杆铰链座12a组成)、带大扭弹簧4a和小扭弹簧6a的串联活页铰链5a的三个活页杆(上活页、中活页、下活页)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆9a、螺纹套10a、右螺纹铰链杆11a组成)和位置可调的支座杆(压板7a、铰链支座8a组成)。

驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸活塞杆的直线运动。通过调节二力杆长度，使串联活页铰链的活页长度可以调节；二力杆长度越短，活页长度越短；二力杆长度越短，气缸行程越短，初始状态时二力杆与串联活页铰链的夹角越大，串联活页铰链的弯曲效果越好。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

如附图1、2所示，本发明多指手爪的一种结构：有三个柔性手指1和一个矩形手掌2组成。一个柔性手指1被安装在矩形手掌2的左侧对称中心处，另外二个柔性手指1分别被安装在矩形手掌2右侧对称中心的两侧。

如附图3、4所示，本发明多指手爪的另一种结构：有三个柔性手指1和一个六边形手掌3组成。三个柔性手指1分别被安装在六边形手掌3的三个对应边处。其中三个对应边的内切圆半径较大，适合大直径物体抓取；三个对应边的内切圆半径较小，适合小直径物体抓取。

如附图5所示，前述的柔性手指1是一个部件，其安装结构是：内导向气缸1a的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板3a上，活塞杆铰链座12a螺纹安装在内导向气缸1a的活塞杆端部、并用螺母旋紧防松；指根板2a被螺钉固定在矩形手掌2或六边形手掌3上，串联活页铰链5a的上活页被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之间，串联活页铰链5a的下活页被螺栓螺母固定在压板7a和铰链支座8a之间，串联活页铰链5a的下活页的最下端是曲面段、便于接触被抓取物体，串联活页铰链5a的两个心轴上分别装有大扭弹簧4a和小扭弹簧6a；活塞杆铰链座12a与右螺纹铰链杆11a之间是铰链联接，铰链支座8a与左螺纹铰链杆9a之间铰链联接，左螺纹铰链杆9a和右螺纹铰链杆11a均旋在螺纹套10a内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套10a，可使左螺纹铰链杆9a和右螺纹铰链杆11a之间的相对距离增加或缩短。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

(1)柔性手指采用气缸代替橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器，承受的气体压强大，产生的驱动力大、产生的抓取力大；靠气缸活塞杆反向作用，而不靠扭弹簧作用，回复到初始伸直状态。

(2)对材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大的复杂对象，通过抓取实验和分析计算，再调节二力杆作用于串联活页铰链的下活页上的位置，这样既保证了柔性自适应地可靠抓取、又不会损坏，因此多指手爪的通用性好。

(3)活页铰链的受力状态好，气缸输出力较少部分作用于扭弹簧、使之变形，从而减少了柔性关节输出的抓取力，随着活页铰链的角位移越大，花费在扭弹簧变形的力占比越小。

(4)尤其是由于本发明增力机构的作用，随着气缸活塞杆不断伸长，由于二力杆与串联活页铰链的夹角不断增大，使串联活页铰链弯曲的分力不断增加，串联活页铰链越易弯曲；串联活页铰链扭弹簧的变形量越大，变形量的单位增量所需的气缸内压强增量越小，亦即柔性手指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越大。

附图说明：

图1为矩形手掌的气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪的A-A剖视图

图2为矩形手掌的气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪的俯视图

图3为六边形手掌的气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪的B-B剖视图

图4为六边形手掌的气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪的俯视图

图5为气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪的柔性手指的主视图

具体实施方式：

下面为本发明的工作原理及工作过程：

如图1、2所示，根据长形、矩形的复杂对象，实验研究和理论分析后，调节二力杆(左螺纹铰链杆9a、螺纹套10a、右螺纹铰链杆11a组成)的长度，再调整压板7a和铰链支座8a固定在串联活页铰链5a下活页的适当位置。串联活页铰链5a的下活页的最下端是曲面段，复杂对象的抓取就接触处在串联活页铰链5a下活页的曲面段。大扭弹簧4a和小扭弹簧6a的特性参数和预紧角优化后，两个铰链(支座)、串联活页铰链5a的两个铰链处的共四个角位移的协调，为柔性自适应抓取提供了基础。

如图3、4所示，圆形、短圆柱形的复杂对象，同样按照上述步骤，实验研究和理论分析后进行调节。

Claims (1)

1.一种气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪，其特征是：柔性多指手爪的柔性手指(1)包括内导向气缸(1a)、指根板(2a)、直角板(3a)、大扭弹簧(4a)、串联活页铰链(5a)、小扭弹簧(6a)、压板(7a)、铰链支座(8a)、左螺纹铰链杆(9a)、螺纹套(10a)、右螺纹铰链杆(11a)、活塞杆铰链座(12a)；柔性手指(1)的具体结构为：内导向气缸(1a)的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板(3a)上，活塞杆铰链座(12a)螺纹安装在内导向气缸(1a)的活塞杆端部、并用螺母旋紧防松；指根板(2a)被螺钉固定在矩形手掌(2)或六边形手掌(3)上，串联活页铰链(5a)的上活页被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之间，串联活页铰链(5a)的下活页被螺栓螺母固定在压板(7a)和铰链支座(8a)之间，串联活页铰链(5a)的下活页的最下端是曲面段、便于接触被抓取物体，串联活页铰链(5a)的两个心轴上分别装有大扭弹簧(4a)和小扭弹簧(6a)；活塞杆铰链座(12a)与右螺纹铰链杆(11a)之间是铰链联接，铰链支座(8a)与左螺纹铰链杆(9a)之间铰链联接，左螺纹铰链杆(9a)和右螺纹铰链杆(11a)均旋在螺纹套(10a)内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套(10a)，可使左螺纹铰链杆(9a)和右螺纹铰链杆(11a)之间的相对距离增加或缩短。