CN103213140B - 一种气动刚性可调的双柔性多指手爪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气动刚性可调的双柔性多指手爪,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板弹簧组成;作为骨架的板弹簧被分为变形段和抓取段,两段长度可相对调节,故称双柔性;靠气缸驱动产生抓持力,此多指手爪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就是一种柔顺机构,板弹簧是柔顺机构的变形元件,其特点是: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
技术领域:
本发明涉及一种气动刚性可调的双柔性多指手爪,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板弹簧组成;作为骨架的板弹簧被分为变形段和抓取段,两段长度可相对调节,故称双柔性;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。
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(CompliantMechanisms)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)。
本发明多指手爪的柔性手指就是一种柔顺机构,板弹簧是柔顺机构的变形元件,其特点是: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,授权专利(板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节,ZL200410065130.X)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、板弹簧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,靠板弹簧作用,回复到初始伸直状态;②板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度不能调节,抓取物体的通用性不够好;③随着板弹簧的变形量越大,变形量的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大,板弹簧越难弯曲,亦即柔性手指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越小;④尤其是人工肌肉驱动下,板弹簧受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大,需要增大板弹簧截面面积才能满足强度要求,而增大板弹簧截面积的同时又会使板弹簧大变形的难度增加,人工肌肉输出力增加了使板弹簧变形的作用力,减小了柔性关节输出的抓取力。
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,柔性手指采用柔顺四杆机构,四杆分别是:驱动杆(内导向气缸1a的活塞杆和活塞杆铰链座5a组成)、柔性杆(即板弹簧4a)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆8a、螺纹套9a、右螺纹铰链杆10a组成)和位置可调的支座杆(压板6a、铰链支座7a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,使板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度可以调节;二力杆长度越短,板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度越短;二力杆长度越短,气缸行程越短,初始状态时二力杆与板弹簧的夹角越大,板弹簧的弯曲效果越好。
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5a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,板弹簧4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之间,板弹簧4a的中间被螺栓螺母固定在压板6a和铰链支座7a之间,板弹簧4a的最下端是曲面、便于接触被抓取物体;活塞杆铰链座5a与右螺纹铰链杆10a之间是铰链联接,铰链支座7a与左螺纹铰链杆8a之间铰链联接,左螺纹铰链杆8a和右螺纹铰链杆10a均旋在螺纹套9a内、并用螺母旋紧防松;顺、逆时针旋转螺纹套9a,可使左螺纹铰链杆8a和右螺纹铰链杆10a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,而不靠板弹簧作用,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,再调节板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度,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)随着气缸活塞杆不断伸长,由于二力杆与板弹簧的夹角不断增大,使板弹簧弯曲的分力不断增加,板弹簧越易弯曲;板弹簧的变形量越大,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。
(4)尤其是板弹簧受到的拉应力随气缸内腔压强增大而减少,可在满足强度要求的同时减小板弹簧截面积,而减小板弹簧截面积的同时又易于使板弹簧大变形,减小了气缸输出力使板弹簧变形的作用力,从而增加了柔性关节输出的抓取力。
附图说明:
图1为矩形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的A-A剖视图
图2为矩形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的俯视图
图3为六边形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的B-B剖视图
图4为六边形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的俯视图
图5为气动刚性可调的双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8a、螺纹套9a、右螺纹铰链杆10a组成)的长度,再调整压板6a和铰链支座7a固定在板弹簧4a中间的位置。板弹簧4a的一段(指根板2a和直角板3a夹紧处以下到压板6a和铰链支座7a夹紧处以上)是变形段,抓取承受气缸驱动而产生大变形、释放时提供弹性回复力使手指伸直并弹性回复;压板6a和铰链支座7a夹紧的板弹簧4a下侧一段是抓取段(最下端是曲面),复杂对象的抓取接触部位就在板弹簧4a抓取段。
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)
1.一种气动刚性可调的双柔性多指手爪,其特征是:三个柔性手指(1)分别被安装在六边形手掌(3)的内切圆半径相等的三个对应边处,三个对应边相互不连接,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;柔性手指(1)由内导向气缸(1a)、指根板(2a)、直角板(3a)、板弹簧(4a)、活塞杆铰链座(5a)、压板(6a)、铰链支座(7a)、左螺纹铰链杆(8a)、螺纹套(9a)、右螺纹铰链杆(10a)零件构成;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(5a)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)被螺钉固定在六边形手掌(3)上,板弹簧(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之间,板弹簧(4a)的中间被螺栓螺母固定在压板(6a)和铰链支座(7a)之间,板弹簧(4a)的最下端是曲面、便于接触被抓取物体;活塞杆铰链座(5a)与右螺纹铰链杆(10a)之间是铰链联接,铰链支座(7a)与左螺纹铰链杆(8a)之间铰链联接,左螺纹铰链杆(8a)和右螺纹铰链杆(10a)均旋在螺纹套(9a)内、并用螺母旋紧防松;顺、逆时针旋转螺纹套(9a),可使左螺纹铰链杆(8a)和右螺纹铰链杆(10a)之间的相对距离增加或缩短。
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