CN104175324A - 串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器 - Google Patents

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本发明涉及串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器，末端抓持器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、一个直线导轨(亦可直线轴承)和一个串联柔性铰链组成；串联柔性铰链的构型参数和构型综合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，此末端抓持器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。

Description

串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器
技术领域：
本发明涉及串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器，末端抓持器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、一个直线导轨(亦可直线轴承)和一个串联柔性铰链组成；串联柔性铰链的构型参数和构型综合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，此末端抓持器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，需要物流抓取末端抓持器。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。传统工业末端抓持器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(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)。
本发明末端抓持器的柔性手指就是一种柔顺机构，串联柔性铰链是柔顺机构的变形元件，本发明末端抓持器的特点是：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。
本发明末端抓持器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、柔性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；②靠柔性铰链的弹性作用，回复到初始伸直状态；③驱动力作用于柔性铰链骨架的方向不能调节，抓取物体的通用性不够好；④柔性铰链的受力状态不好，人工肌肉输出力相当部分作用于柔性铰链、使之变形，从而减小了柔性关节输出的抓取力，随着柔性铰链的变形角度越大，花费在柔性铰链变形的力占比越大；⑤尤其受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大，需要增大柔性铰链截面面积才能满足强度要求，而增大柔性铰链截面积的同时又会使柔性铰链角变形的难度增加，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，本发明末端抓持器有三个柔性手指，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)、串联柔性铰链4a的三个杆(上杆、中杆、下杆和直线导轨滑槽5a组成的滑动杆)、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)和与二力杆协调的初始位置可调的支座杆(直线导轨滑块6a、铰链支座7a组成)。
驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸1a活塞杆的直线运动。通过调节二力杆长度，可以设定二力杆与串联柔性铰链4a的初始夹角，二力杆越短、初始夹角越大，二力杆越长、初始夹角越小；该初始角度直接影响串联柔性铰链4a的受力情况，继而决定其弯曲效果；内导向气缸1a启动时，随着其活塞杆的伸长，直线导轨滑块6a一方面沿导轨滑槽5a滑动，另一方面推动串联柔性铰链4a弯曲；直线导轨的存在使得串联柔性铰链4a不受拉应力，更容易弯曲；抓取段8a接触到被抓物体后，直线导轨滑块6a基本不动，二力杆与导轨滑槽5a的最终夹角逐渐变大。
二力杆与串联柔性铰链4a的夹角越大，使串联柔性铰链4a产生弯曲的分力越大，增力效果越好。
根据被抓取物体，优化设计结构尺寸、两个扭弹簧弹性参数和预紧角，达到要求的抓持接触力时，内导向气缸1a内气压达到系统压力，二力杆与导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过摩擦角，产生自锁，内导向气缸1a不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
如附图1、2所示，本发明末端抓持器的一种结构：由三个柔性手指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，本发明末端抓持器的另一种结构：由三个柔性手指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。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，其结构是：内导向气缸1a的前端法兰用内六角螺栓固定在斜角板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，串联柔性铰链4a的上杆端被螺栓螺母固定在指根板2a和斜角板3a之间，串联柔性铰链4a的下杆端用螺栓螺母联接直线导轨滑槽5a，直线导轨滑槽5a的另一端螺栓固定了抓取段8a，抓取段8a的前端是曲面，便于接触被抓取物体；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7a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之间的距离增加或缩短，铰链支座7a用螺钉固定在直线导轨滑块6a上。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
(1)柔性手指采用内导向气缸1a代替橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器，承受的气体压强大，驱动力大、产生的抓取力大；靠内导向气缸1a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，再调节二力杆与串联柔性铰链4a上杆的初始夹角和直线导轨滑块6a在导轨滑槽5a上的初始位置，这样既保证了柔性自适应地可靠抓取、又不会损坏被抓物体，因此末端抓持器的通用性好。
(3)随着内导向气缸1a活塞杆不断伸长，二力杆与串联柔性铰链4a的夹角越大，使克服串联柔性铰链4a弹性作用力而产生弯曲的分力越大，花费在串联柔性铰链4a变形的力占比越小，增力效果越好；串联柔性铰链4a的受力状态好，内导向气缸1a输出力较少部分作用于串联柔性铰链4a、使之变形，从而增加了柔性关节输出的抓取力。
(4)根据被抓取物体，优化设计结构尺寸和两个板弹簧特性参数，达到要求的抓持接触力时，内导向气缸1a内气压达到系统压力，二力杆与直线导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上的摩擦角，产生自锁，内导向气缸1a不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
附图说明：
图1为矩形手掌的串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的A-A剖视图
图2为矩形手掌的串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的俯视图
图3为六边形手掌的串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的B-B剖视图
图4为六边形手掌的串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的俯视图
图5为串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器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，研究与分析过程：对长形、矩形的复杂对象，理论分析和实验研究后，根据被抓取物体形状、尺寸的变化范围和材质情况，确定抓取接触力的安全范围，优化设计结构尺寸和两个板弹簧特性参数，确定手掌尺寸，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。
优化目标是：达到要求的抓持接触力时，内导向气缸1a内气压达到系统压力，最终夹角超过直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上的摩擦角，产生自锁，内导向气缸1a不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
本发明的动作过程：内导向气缸活塞运动使二力杆推动铰链支座7a，并用带动直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上直线移动；当抓取段8a接触被抓取物体时，直线导轨滑块6a基本不再运动，二力杆与直线导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过摩擦角，产生自锁，保持安全抓持状态；此时抓持接触力的大小，既保证安全抓取，又不损坏被抓取物体。
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 (2)

1.本发明涉及串联活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器，其特征是：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，这是一种结构形式；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，这是另一种结构形式。
2.根据权利要求1所述的柔性手指，其特征是：内导向气缸(1a)的前端法兰用内六角螺栓固定在斜角板(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，串联柔性铰链(4a)的上杆端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和斜角板(3a)之间，串联柔性铰链(4a)的下杆端用螺栓螺母联接直线导轨滑槽(5a)，直线导轨滑槽(5a)的另一端螺栓固定了抓取段(8a)，抓取段(8a)的前端是曲面，便于接触被抓取物体；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(7a)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)之间的距离增加或缩短，铰链支座(7a)用螺钉固定在直线导轨滑块(6a)上。
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