CN104175325A - 串联活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及串联活页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)和一个串联活页铰链组成；串联活页铰链的铰链心轴上各安装一个扭弹簧，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

串联活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器

技术领域：

本发明涉及串联活页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)和一个串联活页铰链组成；串联活页铰链的铰链心轴上各安装一个扭弹簧，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。

本发明末端抓持器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、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，驱动力不够大；②靠扭弹簧作用，回复到初始伸直状态；③驱动力作用于活页铰链骨架的方向不能调节，抓取物体的通用性不够好；④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；⑤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。

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14a组成)、带大扭弹簧4a和小扭弹簧6a的串联活页铰链5a形成的三个活页杆(上活页杆、中活页杆、下活页和直线导轨滑槽7a组成的滑动活页杆)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆11a、螺纹套12a、右螺纹铰链杆13a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8a、铰链支座9a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活页铰链5a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活页铰链5a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8a一方面沿直线导轨滑槽7a滑动，另一方面推动串联活页铰链5a弯曲；直线导轨的存在使得串联活页铰链5a不受拉应力，更容易弯曲；抓取段10a接触到被抓物体后，直线导轨滑块8a基本不动，二力杆与直线导轨滑槽7a的最终夹角逐渐变大。

二力杆与串联活页铰链5a的夹角越大，使串联活页铰链5a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，二力杆与直线导轨滑槽7a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：

本发明末端抓持器的一种结构如附图1、2所示，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。

本发明末端抓持器的另一种结构如附图3、4所示，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14a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和斜角板3a之间，串联活页铰链5a的下活页用螺栓螺母联接直线导轨滑槽7a，直线导轨滑槽7a的另一端螺栓固定了抓取段10a，抓取段10a的前端是曲面，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14a与右螺纹铰链杆13a之间是铰链联接，铰链支座9a与左螺纹铰链杆11a之间铰链联接，左螺纹铰链杆11a和右螺纹铰链杆13a均旋在螺纹套12a内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套12a，可使左螺纹铰链杆11a和右螺纹铰链杆13a之间的距离增加或缩短；铰链支座9a用螺钉固定在直线导轨滑块8a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活页铰链5a上活页的初始夹角和直线导轨滑块8a在直线导轨滑槽7a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，二力杆与串联活页铰链5a的夹角越大，使串联活页铰链5a克服扭弹簧作用力而产生弯曲的分力越大，花费在扭弹簧变形的力占比越小，增力效果越好；串联活页铰链5a的受力状态好，内导向气缸1a输出力较少部分作用于扭弹簧、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、两个板弹簧特性参数和预紧角，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8a在直线导轨滑槽7a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为矩形手掌的串联活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的A-A剖视图

图2为矩形手掌的串联活页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活页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活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器的俯视图

图5为串联活页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、两个板弹簧特性参数和预紧角，确定手掌尺寸，调节二力杆(左螺纹铰链杆11a、螺纹套12a、右螺纹铰链杆13a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8a在直线导轨滑槽7a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9a，并用带动直线导轨滑块8a在直线导轨滑槽7a上直线移动；当抓取段10a接触被抓取物体时，直线导轨滑块8a基本不再运动，二力杆与直线导轨滑槽7a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(14a)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)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)和斜角板(3a)之间，串联活页铰链(5a)的下活页用螺栓螺母联接直线导轨滑槽(7a)，直线导轨滑槽(7a)的另一端螺栓固定了抓取段(10a)，抓取段(10a)的前端是曲面，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(14a)与右螺纹铰链杆(13a)之间是铰链联接，铰链支座(9a)与左螺纹铰链杆(11a)之间铰链联接，左螺纹铰链杆(11a)和右螺纹铰链杆(13a)均旋在螺纹套(12a)内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套(12a)，可使左螺纹铰链杆(11a)和右螺纹铰链杆(13a)之间的距离增加或缩短；铰链支座(9a)用螺钉固定在直线导轨滑块(8a)上。