CN104802178A - 弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手 - Google Patents

弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手 Download PDF

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Abstract

本发明涉及弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手，此机械手由一个手掌和二个柔性手指，或一个手掌和三个柔性手指组成；每个柔性手指结构相同，主要由一个弹性波纹管单作用气缸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；机械手靠弹性波纹管单作用气缸驱动产生抓持力。此机械手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

弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手
技术领域：
本发明涉及弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手，此机械手由一个手掌和二个柔性手指，或一个手掌和三个柔性手指组成；每个柔性手指结构相同，主要由一个弹性波纹管单作用气缸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；机械手靠弹性波纹管单作用气缸驱动产生抓持力。此机械手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，需要物流抓取机械手。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。传统工业机械手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，且成本高、对使用环境要求高。
本发明弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的特点是：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；同时，由于没有气缸活塞和活塞杆上橡胶密封的摩擦力，弹性波纹管单作用气缸运行平稳、反应灵敏。
本发明机械手的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本发明之前，专利(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结构上没有径向力放大作用，在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，亦即柔性手指串联活页铰链的二个角位移-气压的曲线斜率均越来越小；②驱动力作用于活页铰链骨架的位置不能调节，抓取物体的通用性不够好。专利申请(气动增力式串联活页铰链柔性多指手爪，201310123157.9)是一种采用气缸驱动的机械手，其缺点是：①由于存在气缸活塞和活塞杆上橡胶密封的这两个滑动摩擦力，其动、静摩擦系数相差较大，且滑动摩擦力大小还与活塞杆的受力状况相关，摩擦力变化大，因此三个手指气缸活塞运动的同步性控制较复杂，位置伺服控制难度大；②机械手柔性手指是垂直安装，仅仅适用于“指尖接触”的捏取抓取方式，不能采用“手指和手掌多处接触”的包络抓取方式，应用范围较小。
发明内容：
本发明克服了上述不足，本发明机械手有二个柔性手指或三个柔性手指，每个柔性手指结构相同。原理上柔性手指为四铰链的五杆机构，五杆分别是：驱动杆(弹性波纹管单作用气缸10)、带大扭弹簧5和小扭弹簧6的串联活页铰链4形成的三个活页杆(上活页和弯板3的组合、中活页、下活页和铰链座8的组合)、二力杆9；四铰链分别是：带大扭弹簧5和小扭弹簧6的串联活页铰链4的二个铰链、二力杆9两端的二个铰链。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
本发明机械手的一种结构如附图1、2所示，由二个相同的柔性手指和一个手掌盘1组成，二个相同的柔性手指左右对称地安装在手掌盘1的导向槽中，靠手掌盘1上的中心孔定位中心距。柔性手指由指根2、弯板3、串联活页铰链4、大扭弹簧5、小扭弹簧6、压板7、铰链座8、二力杆9、弹性波纹管单作用气缸10组成。本发明机械手的特征是：指根2在手掌盘1的导向槽中导向，螺钉穿过指根2上的腰形槽，将指根2固定在手掌盘1上，指根2上的腰形槽可以调节柔性手指的中心距，螺钉将串联活页铰链4的上活页夹紧在弯板3和指根2之间；大扭弹簧5和小扭弹簧6分别安装在串联活页铰链4的二个铰链芯轴上，串联活页铰链4的中活页两端上有凸起边，保证初始状态时串联活页铰链4呈平直状态，因此串联活页铰链4初始状态时有大扭弹簧5和小扭弹簧6的预紧力，但没有角位移；压板7上有四个螺钉的螺纹孔，用四个螺钉穿过铰链座8将串联活页铰链4的下活页夹紧固定在压板7上，串联活页铰链4的下活页上没有孔，便于调节铰链座8在串联活页铰链4的下活页上的安装位置，串联活页铰链4的下活页最下端是曲面；二力杆9的两端均为铰链，分别与铰链座8和弹性波纹管单作用气缸10上的铰链支座11a形成铰链联结。
本发明机械手的另一种结构如附图3所示，由三个相同的柔性手指和一个手掌盘1组成，三个相同的柔性手指120°均布地安装在手掌盘1的导向槽中，靠手掌盘1上的中心孔定位中心距。柔性手指的结构与前面所述完全相同，由指根2、弯板3、串联活页铰链4、大扭弹簧5、小扭弹簧6、压板7、铰链座8、二力杆9、弹性波纹管单作用气缸10组成。
如附图4、5所示，弹性波纹管单作用气缸10由底盖1a、橡胶垫2a、气缸座3a、卡箍4a、弹性波纹管5a、导套6a、直线轴承7a、螺纹盖8a、导杆9a、导杆座10a、铰链支座11a、压缩弹簧12a、尼龙调节片13a、弹簧盖14a、内六角螺钉15a、密封圈16a、直角管接头17a组成。其特征是：底盖1a、橡胶垫2a、气缸座3a通过螺钉固定在一起，导套6a上端的法兰被气缸座3a压紧在橡胶垫2a上，导套6a法兰下面的圆柱与气缸座3a的最小孔间隙配合，保证导套6a与气缸座3a的同轴度；橡胶的弹性波纹管5a用卡箍4a固定在气缸座3a和导杆座10a上；为导杆9a导向的直线轴承7a安装在导套6a内，螺纹盖8a旋在导套6a，轴向固定直线轴承7a；导杆9a安装在导杆座10a上，压缩弹簧12a在导套6a内，内六角螺钉15a将尼龙调节片13a和弹簧盖14a固定在导杆9a，弹簧盖14a压着压缩弹簧12a，更换不同厚度的尼龙调节片13a，可以调节压缩弹簧12a的预紧力，并可调节弹性波纹管单作用气缸10的行程；铰链支座11a安装在导杆座10a的对称中心上，调整弹性波纹管5a在导杆座10a上的相位角，保证铰链支座11a与铰链座8、二力杆9共在一个平面上；直角管接头17a螺纹安装在气缸座3a上，直角管接头17a螺纹和气缸座3a之间有密封圈16a。
如附图6、7所示，手掌盘1上有四个导向槽，左边的导向槽与右边的导向槽左右对称，左边的导向槽与右边的上下二个导向槽120°均布，四个导向槽上有四个螺纹孔，四个螺纹孔的中心距相同。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
(1)弹性波纹管单作用气缸10没有橡胶密封产生的滑动摩擦力，因此三个手指气缸活塞运动的同步性控制较简单，位置伺服控制难度小。
(2)弹性波纹管单作用气缸8没有橡胶密封产生的滑动摩擦力，且采用直线轴承的滚动摩擦的导向形式，因此能耗小，反应快，无低速爬行现象。
(3)机械手柔性手指是斜向安装，不仅适用于“指尖接触”的捏取抓取方式，也能采用“手指和手掌多处接触”的包络抓取方式，应用范围较大。
(4)弹性波纹管单作用气缸10的橡胶波纹管受力均匀，寿命长。
(5)弹性波纹管单作用气缸10的橡胶波纹管和卡箍即使脱开，还套在导套6a和导杆9a上，因此结构安全可靠。
附图说明：
图1为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的主视图
图2为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手二手指安装的俯视图
图3为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手三手指安装的俯视图
图4为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的弹性波纹管单作用气缸的主视图
图5为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的弹性波纹管单作用气缸的俯视图
图6为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的手掌盘的仰视图
图7为弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手的手掌盘的主视图
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和4-5所示，本发明的工作原理：
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，优化设计机械手结构尺寸、大扭弹簧5和小扭弹簧6的特性参数和预紧角、压缩弹簧12a的特性参数和预紧力，从而也确定柔性手指在手掌盘1上的安装位置尺寸，并确定铰链座8在串联活页铰链4的下活页上的安装位置尺寸。
同时，根据具体抓取对象，综合设计串联活页铰链骨架机械手结构尺寸、大扭弹簧5、小扭弹簧6和压缩弹簧12a的弹性参数时，确保回复时三个弹簧力在导杆9a上产生的合力和合力矩不会形成自锁(为防止自锁，采用了直线轴承7a，以增大压力角，)，从而弹性波纹管单作用气缸10的导杆9a能回退到原位，机械手的串联活页铰链4回复到平直的初始状态。
并且，弹性波纹管原始形状为“U”形，装配成弹性波纹管单作用气缸10时，弹性波纹管初始状态为“Ω”形，这样可以得到较大的行程。
如图1-2和4-5所示，本发明的工作过程：①弹性波纹管单作用气缸10内的气压为设定压力时，克服大扭弹簧5、小扭弹簧6和弹性波纹管单作用气缸10内的压缩弹簧12a的弹性力，达到要求的抓持接触力，并保持抓取状态；抓取状态时，大扭弹簧5、小扭弹簧6的弹性力的协同作用，产生了串联的二个铰链自由度的柔性，因此对抓取物体有自适应性。②释放弹性波纹管单作用气缸10内的气压时，在大扭弹簧5、小扭弹簧6和弹性波纹管单作用气缸10内的压缩弹簧12a的共同作用下，串联活页铰链骨架机械手回复初始状态。
如图1、3和4-5所示，对圆球形、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设计和调节。

Claims (3)

1.弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手，其特征是：二个相同的柔性手指左右对称地安装在手掌盘(1)的导向槽中，靠手掌盘(1)上的中心孔定位中心距，这是机械手一种结构；三个相同的柔性手指120°均布地安装在手掌盘(1)的导向槽中，靠手掌盘(1)上的中心孔定位中心距，这是机械手另一种结构；柔性手指由指根(2)、弯板(3)、串联活页铰链(4)、大扭弹簧(5)、小扭弹簧(6)、压板(7)、铰链座(8)、二力杆(9)、弹性波纹管单作用气缸(10)组成，具体是：指根(2)在手掌盘(1)的导向槽中导向，螺钉穿过指根(2)上的腰形槽，将指根(2)固定在手掌盘(1)上，指根(2)上的腰形槽可以调节柔性手指的中心距，螺钉将串联活页铰链(4)的上活页夹紧在弯板(3)和指根(2)之间；大扭弹簧(5)和小扭弹簧(6)分别安装在串联活页铰链(4)的二个铰链芯轴上，串联活页铰链(4)的中活页两端上有凸起边，保证初始状态时串联活页铰链(4)呈平直状态，因此串联活页铰链(4)初始状态时有大扭弹簧(5)和小扭弹簧(6)的预紧力，但没有角位移；压板(7)上有四个螺钉的螺纹孔，用四个螺钉穿过铰链座(8)将串联活页铰链(4)的下活页夹紧固定在压板(7)上，串联活页铰链(4)的下活页上没有孔，便于调节铰链座(8)在串联活页铰链(4)的下活页上的安装位置，串联活页铰链(4)的下活页最下端是曲面；二力杆(9)的两端均为铰链，分别与铰链座(8)和弹性波纹管单作用气缸(10)上的铰链支座(11a)形成铰链联结。
2.根据权利要求1所述的弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手，其特征是：弹性波纹管单作用气缸(10)由底盖(1a)、橡胶垫(2a)、气缸座(3a)、卡箍(4a)、弹性波纹管(5a)、导套(6a)、直线轴承(7a)、螺纹盖(8a)、导杆(9a)、导杆座(10a)、铰链支座(11a)、压缩弹簧(12a)、尼龙调节片(13a)、弹簧盖(14a)、内六角螺钉(15a)、密封圈(16a)、直角管接头(17a)组成；具体是：底盖(1a)、橡胶垫(2a)、气缸座(3a)通过螺钉固定在一起，导套(6a)上端的法兰被气缸座(3a)压紧在橡胶垫(2a)上，导套(6a)法兰下面的圆柱与气缸座(3a)的最小孔间隙配合，保证导套(6a)与气缸座(3a)的同轴度；橡胶的弹性波纹管(5a)用卡箍(4a)固定在气缸座(3a)和导杆座(10a)上；为导杆(9a)导向的直线轴承(7a)安装在导套(6a)内，螺纹盖(8a)旋在导套(6a)，轴向固定直线轴承(7a)；导杆(9a)安装在导杆座(10a)上，压缩弹簧(12a)在导套(6a)内，内六角螺钉(15a)将尼龙调节片(13a)和弹簧盖(14a)固定在导杆(9a)，弹簧盖(14a)压着压缩弹簧(12a)，更换不同厚度的尼龙调节片(13a)，可以调节压缩弹簧(12a)的预紧力，并可调节弹性波纹管单作用气缸(10)的行程；铰链支座(11a)安装在导杆座(10a)的对称中心上，调整弹性波纹管(5a)在导杆座(10a)上的相位角，保证铰链支座(11a)与铰链座(8)、二力杆(9)共在一个平面上；直角管接头(17a)螺纹安装在气缸座(3a)上，直角管接头(17a)螺纹和气缸座(3a)之间有密封圈(16a)。
3.根据权利要求1所述的弹性波纹管单作用气缸驱动串联活页铰链骨架机械手，其特征是：手掌盘(1)上有四个导向槽，左边的导向槽与右边的导向槽左右对称，左边的导向槽与右边的上下二个导向槽120°均布，四个导向槽上有四个螺纹孔，四个螺纹孔的中心距相同。
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