CN103433932A - 一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪 - Google Patents

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马履中
陈修祥
费鹏
刘旭东
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Abstract

一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,支架与底座固定连接形成框形结构,气缸位于框形结构内与底座固定连接,手爪包括曲柄滑块机构和变胞机构,夹头与变胞机构固定连接,工件为抓取对象,夹头与工件接触面上设置接触力传感器;连杆通过转动副A连接在气缸活塞上,连杆与变胞机构活动连接,连杆、气缸活塞和变胞机构中的连杆1构成曲柄滑块机构;曲柄滑块机构的滑块为气缸活塞,连杆与气缸活塞活动连接,力反馈控制系统与接触力传感器相连、气缸相连,与现有技术相比,基于变胞机构的气动柔性抓取机械手爪实现了少驱动、控制简单、成本低、有一定柔性、可靠性高且具有自适应的抓取空间几何形状复杂物体或者是模拟人手的运动动作特点的目的。

Description

一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,属于机械手爪技术领域。
背景技术
[0002] 机械手爪广泛用于自动化装备或系统对特定对象的抓取、搬运和拿放。目前通用的机械手爪分为无关节、固定单关节和自由多关节3种,按手指的数量又可分为两指、三指、四指等,其中以两指用的最多。两指或三指无关节或固定单关节型,对空间几何形状简单物体的抓取、搬运和拿放比较方便,添加接触力传感器和力反馈控制系统后可以控制手指抓取力的大小,实现安全抓取。为了能够实现自适应安全抓取或高度仿人手运动,目前基本上都是采用自由多关节型的两指、三指或五指机械手爪,每个关节的驱动多采用电机和钢丝绳传动,结合接触力传感器由控制系统控制每个关节的独立运动来实现安全、可靠抓取物体。但对于空间几何形状复杂物体的抓取、搬运和拿放,或者是模拟人手的运动动作却不能够很好实现,目前的现有机械手爪具有驱动、控制系统复杂、成本高、可靠性低等问题。
[0003] 鉴于上述问题,有必要提供一种新型的自由多关节型机械手爪,以解决上述问题。
发明内容
[0004] 发明目的:针对现有技术的不足,提供一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,该机械手爪具有自适应、驱动少、控制简单,成本低,可靠性高等特点。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明的技术方案是这样实现的:
[0006] 一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,采用两指(或多指)结构,每指包括曲柄滑块机构、变胞机构、夹头、硅胶及接触力传感器、气缸、支架和底座,其中气缸、支架、底座为两指(或多指)共享,每指的主体机构为一曲柄滑块机构串联一变胞机构。所述变胞机构为其中一转动副采用扭簧(或拉簧)及定位块锁紧的变胞铰链四杆机构,该变胞铰链四杆机构位于曲柄上,与上述曲柄滑块机构相串联。两指(或多指)中的变胞铰链四杆机构关键部位有两个(或多个)变胞转动关节,他们左右(或周向均布)对称于气缸轴线,共享同一转动副(或周向均布多个转动副)安装于支架上,铰链四杆中的变胞转动关节组成夹持关节,该关节的两杆为采用扭簧(或拉簧)及定位块锁紧转动副连接的两杆,他们为机械手爪的两个夹持杆,其夹持表面上衬以硅胶并贴以接触力传感器。其中手指数及每个手指的变胞转动关节数可按需要增减。所述曲柄滑块机构的滑块为气缸活塞,曲柄为变胞机构中的非夹持关节杆中某一杆,由连杆通过转动副分别连接气缸活塞和曲柄,两指(或多指)中的曲柄滑块机构左右(或周向均布)对称于气缸轴线布置,气缸体固定于底座上与活塞组成移动副。所述支架固定安装于底座上。整个机械手各关节驱动都只需要同一个气缸活塞驱动,无需其它驱动源。变胞机构有关各运动副何时动作,与被夹持物何时与夹持杆相接触有关,具有自适性。力反馈控制系统与接触力传感器相连、气缸相连。
[0007] 本发明的有益效果是:相较于现有技术,本发明所述一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪实现了自适应、驱动少、控制简单,成本低,可靠性高的抓取空间几何形状复杂物体或者是模拟人手的运动动作的目的。
附图说明
[0008] 图1是本发明的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪两手指,每指两关节的结构简图。
[0009] 图中标号:1、连杆2、连杆3、连杆4、连杆5、连杆6、气缸活塞7、支架8、底座
9、夹头I'、连杆2'、连杆3'、连杆4'、连杆5'、连杆
具体实施方式
[0010] 如图1所示,本发明的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪包括变胞机构OB⑶、变胞机构OB' C1 D1、连杆5、连杆Y、气缸活塞6、支架7、底座8、夹头9、夹头9'、工件10。支架7与底座8固连,气缸体固定于底座上与活塞6组成移动副。所述变胞机构OB⑶为由连杆1、连杆2、连杆3、连杆4分别通过转动副B、C、D、O连接而成的铰链四杆机构;所述变胞机构OB' Ci Di为由连杆 、连杆2'、连杆3'、连杆4'分别通过转动副B'、C'、D'、O连接而成的铰链四杆机构;所述转动副D、D'带有扭簧及定位块;所述夹头9与连杆3固定连接,所述夹头9'与连杆3'固定连接,所述工件10为抓取对象;所述连杆4、连杆4'、夹头9、夹头9'与工件10接触面上衬以硅胶并贴以接触力传感器;当连杆4 (连杆V )没有遇到工件10时,转动副D (W )处扭簧所受连杆3 (连杆:V )与连杆4 (连杆4')的相对转动分离力矩小于扭簧的闭合力矩,连杆3 (连杆3')与连杆4(连杆4')无相对运动产生,此时变胞机构OB⑶(变胞机构OB' C' D')可视为一个刚性整体构件;当连杆4 (连杆4')遇到工件10时,连杆4 (连杆4')被工件10所阻挡,不能运动,变为机架,这时机构在气缸活塞6向上运动时,通过连杆5 (连杆5 ),连杆2 (连杆2 )推动连杆3 (连杆Y )。当转动副D (Di )处扭簧所受连杆3 (连杆Y )与连杆4(连杆4')的相对转动分离力矩大于扭簧的闭合力矩时,连杆3 (连杆3')相对于连杆
4 (连杆4')将产生相对转动,此时变胞机构OB⑶(变胞机构OB' C1 Di )变成为一个铰链四杆机构,连杆3 (连杆3')的运动是受工件10的位置变化而变化,具有自适应性。所述气缸体用螺钉固定于底座8上,与活塞6组成移动副。所述变胞机构0BCD、变胞机构OB' C1 Di以气缸活塞6中心线为中心,呈左右对称布置,且用复合铰链O固定于支架7上,所述支架7用螺钉固定于底座8上;所述连杆5、连杆5'以气缸活塞6中心线为中心呈左右对称布置,连杆5通过转动副A连接在气缸活塞6上,连杆5通过复合铰链B与变胞机构OB⑶连接,连杆5、气缸活塞6和变胞机构OB⑶中的连杆I构成曲柄滑块机构;连杆5'通过转动副V连接在气缸活塞6上,连杆5通过复合铰链K与变胞机构OB' Ci Di连接,连杆5'、气缸活塞6和变胞机构OB⑶中的连杆I'构成曲柄滑块机构。
[0011] 当气缸活塞6充气向上运动时,连杆5和连杆Y同时推动两个左右对称布置的变胞机构OB⑶、变胞机构OB' Ci Di做整体闭合运动,当连杆4和连杆4'同时夹到工件10后,被工件10挡住固定不动,此时连杆5和连杆Y继续运动,则连杆2和连杆W将推动连杆3和连杆3'克服转动副D和转动副D’处扭簧的闭合力矩,连杆3和连杆3'将继续运动,带动固定连接于连杆3和连杆3'上的夹头9和夹头9'运动,实现了工件10的多点夹紧,根据接触力传感器的检测数据,控制气缸活塞6的充气压力,使夹持力可在设定范围内进行调整。
[0012] 对夹持工件10而言,上述机械手二手指的每个手指其有效关节为O、D及O、D丨。整个机械手各关节驱动都只需要同一个气缸活塞6驱动,无需其它驱动源。变胞机构有关各运动副何时动作,与被夹持物何时与夹持杆相接触有关,具有自适性。
[0013] 特别需要指出,对于本领域的普通技术人员来说,在本发明的教导下所作的针对本发明的等效变化,变胞机构0BCD、变胞机构OB' C1 D'的串联多关节衍生,或者是由两指到多指的改变,仍应包含在本发明申请专利范围所主张的范围中。

Claims (9)

1.一种基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,包括气缸、支架(7)、底座(8)、接触力传感器、力反馈控制系统、手爪、夹头(9),支架(7)与底座(8)固定连接形成框形结构,气缸位于框形结构内与底座(8 )固定连接,手爪包括曲柄滑块机构和变胞机构OB⑶,夹头(9 )与变胞机构固定连接,工件(10 )为抓取对象,夹头(9 )与工件(10 )接触面上设置接触力传感器;连杆(5 )通过转动副A连接在气缸活塞(6 )上,连杆(5 )与变胞机构OB⑶活动连接,连杆(5)、气缸活塞(6)和变胞机构OB⑶中的连杆I构成曲柄滑块机构;曲柄滑块机构的滑块为气缸活塞(6),连杆(5)与气缸活塞(6)活动连接,力反馈控制系统与接触力传感器相连、气缸相连。
2.根据权利要求1所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,变胞机构OB⑶为由连杆(I)、连杆(2 )、连杆(3 )、连杆(4 )活动连接成四杆机构。
3.根据权利要求2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,变胞机构OB⑶为由连杆(I)、连杆(2 )、连杆(3 )、连杆(4 )分别通过转动副B、C、D、O连接而成的铰链四杆机构,铰链四杆中的变胞转动关节组成夹持关节,该关节的两杆为采用扭簧(或拉簧)及定位块锁紧转动副连接的两杆。
4.根据权利要求3所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,变胞转动关节可数量为多个。
5.根据权利要求1或2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,夹头(9)与工件(10)接触面上衬以硅胶并贴以接触力传感器。
6.根据权利要求或2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,连杆(5 )通过转动副A连接在气缸活塞(6 )上。
7.根据权利要求1或2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,连杆(5)通过复合铰链B与变胞机构OB⑶连接。
8.根据权利要求1或2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,手爪数量为两个或多个,两指或多指中的变胞铰链四杆机构关键部位有两个或多变胞转动关节,他们左右或周向均布对称于气缸轴线,共享同一转动副或周向均布多个转动副安装于支架上。
9.根据权利要求1或2所述的基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪,其特征在于,滑块的驱动源为气或液或电。
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