CN103273498B - 一种可变刚度的柔性机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种可以调节刚度的柔性机械手，属于机械工程领域，该机械手包括柔索驱动模块、刚度调节模块和夹持手爪模块三部分，是一种单自由度的夹持机构；本发明依据作业任务要求可以调节刚度的柔性机械装置，适用于服务机器人与人的交互作业、农业果实的柔性采摘、机械零件或电子元器件的柔性装配等场合，适于推广应用。
Description
技术领域
本发明是一种可以调节刚度的柔性机械手，特别是一种实现人与机器人的安全交互作业，或者是机器人的作业对象需要柔性接触等工作环境的柔性机械手，完成机器人对残障人士服务、柔性装配、柔性采摘等工作过程。
背景技术
现有的机械手多为刚性结构，适用于工业生产线等结构化作业环境，在人类生活、农作物生产等非结构化环境中，因操作准确性等问题，易于造成对人的伤害、农作物的破坏等问题。一种可变刚度的柔性机械手旨在柔性接触对象以保证其安全，刚性夹持对象以实现精确操作。因此本发明的产品“一种可变刚度的机械手”具有广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种可变刚度的柔性机械手，目的是解决刚性机械手操作过程中的安全性问题，采用柔索驱动和弹簧片驱动等驱动方式使作业过程安全可靠。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种可变刚度的柔性机械手，是一种单自由度的夹持机械手机构；其特征在于：该机械手包括柔索驱动模块、刚度调节模块和夹持手爪模块三部分，柔索驱动模块通过刚度调节模块连接夹持手爪模块。
柔索驱动模块由手爪张开柔索、手爪闭合柔索、卷筒、卷筒支撑轴和卷筒支撑板组成；手爪张开柔索和手爪闭合柔索作为原动件，手爪张开柔索一端与原动机相连，另一端与卷筒相连，手爪闭合柔索一端与原动机相连，另一端与卷筒相连；第一卷筒通过第一卷筒支撑轴与卷筒支撑板相连，第二卷筒通过第二卷筒支撑轴与卷筒支撑板相连；手爪张开柔索和手爪闭合柔索驱动卷筒逆时针旋转或顺时针旋转构成力闭合驱动方式。
刚度调节模块主要由弹簧片、弹簧片夹板、滑块、转轮、弹簧片夹板、丝杠、螺母、丝杠支承轴承座、刚度调节旋钮组成；丝杠通过丝杠支承轴承座支承，丝杠支承轴承座固定在夹持手爪上，丝杠外侧设有刚度调节旋钮，内侧设有螺母，滑块与螺母通过螺钉连接且同步运动，弹簧片夹板通过螺钉与滑块连接且同步运动，弹簧片两端均设在弹簧片夹板夹槽中，弹簧片夹板通过螺钉与转轮连接且同步运动，转轮通过卷筒支撑轴与卷筒支撑板相连，转轮与卷筒通过螺钉连接同步运动，转轮通过弹簧片驱动夹持手爪运动。
夹持手爪模块由夹持手爪、转盘、滑动轴承组成；转盘通过滑动轴承与卷筒支撑板构成转动副，转盘通过螺钉连接夹持手爪同步运动，夹持手爪绕卷筒和转轮的轴心转动，完成夹持物体动作。
优点及效果：
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明这种可变刚度的柔性机械手，其柔索驱动模块采用力闭合驱动模式，提高了机器手的承载能力和运动稳定性；刚度调节模块通过丝杠螺母的位移控制，改变夹持手爪驱动弹簧片的长度，实现夹持机械手的刚度控制，简化了控制过程；机械手在作业过程中，由柔性到刚性的变换过程，实现了操作安全性和准确性的统一；
（2）本发明解决了机械手作业过程中的刚度调节问题，可根据任务需要，在机械手与任务对象刚接触中表现为低刚度的柔性状态和作业的容让性，在与任务对象接触过程后通过刚度的变化实现作业的准确性；
（3）本发明可以提高机器人的作业安全性，避免机器人作业过程中对协作对象的伤害。
附图说明：
图1为本发明结构示意图。
附图标记说明：
1、手爪张开柔索；2、手爪闭合柔索；3、第二刚度调节旋钮；4、第二丝杠支承轴承座；5、第二丝杠；6、第二卷筒支撑轴；7、第二螺母；8、第一丝杠支承轴承座；9、第一螺母；10、第一卷筒支撑轴；11、第一丝杠；12、第一刚度调节旋钮；13、第一夹持手爪；14、第一弹簧片夹板；15、第一转轮；16、第一弹簧片；17、第一卷筒；18、第一滑块；19、第二弹簧片夹板；20、卷筒支撑板；21、第三弹簧片夹板；22、第二滑块；23、第二卷筒；24、第二弹簧片；25、第二转轮；26、第四弹簧片夹板；27、第二夹持手爪，28、第二滑动轴承；29、第二转盘；30、第一滑动轴承；31、第一转盘。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明加做进一步的说明：
本发明是一种可变刚度的柔性机械手，如图1中所示，是一种单自由度的夹持机械手机构；其特征在于：该机械手包括柔索驱动模块、刚度调节模块和夹持手爪模块三部分，柔索驱动模块通过刚度调节模块连接夹持手爪模块。
柔索驱动模块由手爪张开柔索1、手爪闭合柔索2、卷筒（包括第一卷筒17和第二卷筒23）、卷筒支撑轴（包括第一卷筒支撑轴10和第二卷筒支撑轴6）和卷筒支撑板20组成；手爪张开柔索1和手爪闭合柔索2作为原动件，手爪张开柔索1一端与原动机相连，另一端与卷筒相连，手爪闭合柔索2一端与原动机相连，另一端与卷筒相连；第一卷筒17通过第一卷筒支撑轴10与卷筒支撑板20相连，第二卷筒23通过第二卷筒支撑轴6与卷筒支撑板20相连；手爪张开柔索1和手爪闭合柔索2驱动卷筒逆时针旋转或顺时针旋转构成力闭合驱动方式，即手爪张开柔索1和手爪闭合柔索2驱动卷筒，手爪张开柔索1使第一卷筒17顺时针旋转、使第二卷筒23逆时针旋转，手爪张开柔索2使第一卷筒17逆时针旋转、使第二卷筒23顺时针旋转，构成力闭合驱动方式。
刚度调节模块主要由弹簧片、弹簧片夹板、滑块、转轮、弹簧片夹板、丝杠、螺母、丝杠支承轴承座、刚度调节旋钮组成；丝杠通过丝杠支承轴承座支承，丝杠支承轴承座固定在夹持手爪上，丝杠外侧设有刚度调节旋钮，内侧设有螺母，滑块与螺母通过螺钉连接且同步运动，弹簧片夹板通过螺钉与滑块连接且同步运动，弹簧片两端均设在弹簧片夹板夹槽中，弹簧片夹板通过螺钉与转轮连接且同步运动，转轮通过卷筒支撑轴与卷筒支撑板相连，转轮与卷筒通过螺钉连接同步运动，转轮通过弹簧片驱动夹持手爪运动。
弹簧片分为第一弹簧片16和第二弹簧片24，弹簧片夹板分为第一弹簧片夹板14和第二弹簧片夹板19、第三弹簧片夹板21和第四弹簧片夹板26，滑块分为第一滑块18和第二滑块22，转轮分为第一转轮15和第二转轮25，丝杠分为第二丝杠5和第一丝杠11，螺母分为第二螺母7和第一螺母9，丝杠支承轴承座分为第二丝杠支承轴承座4和第一丝杠支承轴承座8，刚度调节旋钮分为第二刚度调节旋钮3和第一刚度调节旋钮12。
第二丝杠5通过第二丝杠支承轴承座4支承，第一丝杠11通过第一丝杠支承轴承座8支承，第二丝杠支承轴承座4固定在第二夹持手爪27上，第一丝杠支承轴承座8固定在第一夹持手爪13上；第二刚度调节旋钮3驱动第二丝杠5运动，第一刚度调节旋钮12驱动第一丝杠11运动，第二丝杠5驱动第二螺母7运动，第一丝杠11驱动第一螺母9运动，第二滑块22与第二螺母7通过螺钉连接同步运动，第一滑块18与第一螺母9通过螺钉连接同步运动，第二弹簧片夹板19通过螺钉与第一滑块18连接同步运动，第三弹簧片夹板21通过螺钉与第二滑块22连接同步运动，第一弹簧片16一端在第二弹簧片夹板19夹槽中，另一端在第一弹簧片夹板14夹槽中，第二弹簧片24一端在第三弹簧片夹板21夹槽中，另一端在第四弹簧片夹板26夹槽中，第一弹簧片夹板14通过螺钉与第一转轮15连接同步运动，第四弹簧片夹板26通过螺钉与第二转轮25连接同步运动，第一转轮15通过第一卷筒支撑轴10与卷筒支撑板20相连，第二转轮25通过第二卷筒支撑轴6与卷筒支撑板20相连，第一转轮15与第一卷筒17通过螺钉连接同步运动，第二转轮25与第二卷筒23通过螺钉连接同步运动；第一转轮15驱动第一弹簧片16，第一弹簧片16驱动第一夹持手爪13运动，第二转轮25驱动第二弹簧片24，第二弹簧片24驱动夹第二持手爪27运动；机械手在夹持物体时，通过第二刚度调节旋钮3和第一刚度调节旋钮12驱动第一滑块18和第二滑块22，从而改变第二弹簧片夹板19、第三弹簧片夹板21、第一弹簧片夹板14、第四弹簧片夹板26之间的弹簧片长度，由于第一夹持手爪13第二夹持手爪27是由第一弹簧片16和第二弹簧片24驱动的，进而实现机械手的刚度调节过程。
夹持手爪模块由夹持手爪、转盘、滑动轴承组成；转盘通过滑动轴承与卷筒支撑板构成转动副，转盘通过螺钉连接夹持手爪同步运动，夹持手爪绕卷筒和转轮的轴心转动，完成夹持物体动作。
第二转盘29通过第二滑动轴承28与卷筒支撑板20构成转动副，第一转盘31通过第一滑动轴承30与卷筒支撑板20构成转动副，第二转盘29通过螺钉连接第二夹持手爪27同步运动，第一转盘31通过螺钉连接第一夹持手爪13同步运动，第一夹持手爪13绕第一卷筒17、第一转轮15的轴心转动，第二夹持手爪27绕第二卷筒23、第二转轮25的轴心转动，完成夹持物体动作。
本发明工作时：
工作中，手爪张开柔索1使第一卷筒17顺时针旋转、使第二卷筒23逆时针旋转，第一转轮15与第一卷筒17同步运动，第二转轮25与第二卷筒23同步运动；第一转轮15驱动第一弹簧片16，第一弹簧片16驱动第一夹持手爪13顺时针转动，第二转轮25驱动第二弹簧片24，第二弹簧片24驱动夹第二持手爪27逆时针转动；根据物体尺寸调节手爪开口大小。
手爪闭合柔索2使第一卷筒17逆时针旋转、使第二卷筒23顺时针旋转，第一转轮15与第一卷筒17同步运动，第二转轮25与第二卷筒23同步运动；第一转轮15驱动第一弹簧片16，第一弹簧片16驱动第一夹持手爪13逆时针转动，第二转轮25驱动第二弹簧片24，第二弹簧片24驱动夹第二持手爪27顺时针转动；完成夹持物体动作。
工作中，手爪张开柔索1，手爪闭合柔索2，始终处于张紧状态，构成力闭合驱动方式。
刚度调节过程是，第二刚度调节旋钮3驱动第二丝杠5运动，第一刚度调节旋钮12驱动第一丝杠11运动，第二丝杠5驱动第二螺母7运动，第一丝杠11驱动第一螺母9运动，第二滑块22与第二螺母7同步运动，第一滑块18与第一螺母9同步运动，第二弹簧片夹板19与第一滑块18同步运动，第三弹簧片夹板21与第二滑块22同步运动，第一弹簧片夹板14与第一转轮15同步运动，第四弹簧片夹板26与第二转轮25同步运动；机械手在夹持物体时，通过第二刚度调节旋钮3和第一刚度调节旋钮12驱动第一滑块18和第二滑块22，从而改变第二弹簧片夹板19、第三弹簧片夹板21、第一弹簧片夹板14、第四弹簧片夹板26之间的弹簧片长度，由于第一夹持手爪13第二夹持手爪27是由第一弹簧片16和第二弹簧片24驱动的，进而实现机械手的刚度调节过程。
本发明这种等可变刚度的柔性机械手可实现夹持机械手的刚度控制，简化了控制过程；机械手在作业过程中，由柔性到刚性的变换过程，实现了操作安全性和准确性的统一，适于推广应用。
Claims (3)
1.一种可变刚度的柔性机械手，是一种单自由度的夹持机械手机构；其特征在于：该机械手包括柔索驱动模块、刚度调节模块和夹持手爪模块三部分，柔索驱动模块通过刚度调节模块连接夹持手爪模块；柔索驱动模块由手爪张开柔索（1）、手爪闭合柔索（2）、卷筒、卷筒支撑轴和卷筒支撑板（20）组成；手爪张开柔索（1）和手爪闭合柔索（2）作为原动件，手爪张开柔索（1）一端与原动机相连，另一端与卷筒相连，手爪闭合柔索（2）一端与原动机相连，另一端与卷筒相连；第一卷筒（17）通过第一卷筒支撑轴（10）与卷筒支撑板（20）相连，第二卷筒（23）通过第二卷筒支撑轴（6）与卷筒支撑板（20）相连；手爪张开柔索（1）和手爪闭合柔索（2）驱动卷筒逆时针旋转或顺时针旋转构成力闭合驱动方式。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的柔性机械手，其特征在于：刚度调节模块主要由弹簧片、弹簧片夹板、滑块、转轮、弹簧片夹板、丝杠、螺母、丝杠支承轴承座、刚度调节旋钮组成；丝杠通过丝杠支承轴承座支承，丝杠支承轴承座固定在夹持手爪上，丝杠外侧设有刚度调节旋钮，内侧设有螺母，滑块与螺母通过螺钉连接且同步运动，弹簧片夹板通过螺钉与滑块连接且同步运动，弹簧片两端均设在弹簧片夹板夹槽中，弹簧片夹板通过螺钉与转轮连接且同步运动，转轮通过卷筒支撑轴与卷筒支撑板相连，转轮与卷筒通过螺钉连接同步运动，转轮通过弹簧片驱动夹持手爪运动。
3.根据权利要求1所述的可变刚度的柔性机械手，其特征在于：夹持手爪模块由夹持手爪、转盘、滑动轴承组成；转盘通过滑动轴承与卷筒支撑板构成转动副，转盘通过螺钉连接夹持手爪同步运动，夹持手爪绕卷筒和转轮的轴心转动，完成夹持物体动作。
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