CN107030727B - 一种微管道的软体两手指夹持装置 - Google Patents

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Abstract

一种微管道的软体两手指夹持装置,包括对称设置的两个弹性手指,所述弹性手指包括手指主体、塑形条和微管,所述手指主体为弹性材料制作的主体,所述手指主体的纵向布置所述塑形条和微管,在所述塑形条的上下分别设置微管,所述微管中心线的纵向切面上看,所述微管从进气口开始横截面先增大后减少,所述微管的进气口与微气流驱动器连通。本发明提供一种有效避免机械冲击、夹持方式丰富、有效适用于复杂形状被夹持场合的微管道的软体两手指夹持装置,该夹持器基于弹性材料形变原理设计而成,使用气体驱动微管的收缩,使其能够在空间中进行多自由度的弯曲,同时由于是柔软的弹性材料,作用于被夹件上的力无刚性冲击。

Description

一种微管道的软体两手指夹持装置
技术领域
本发明涉及软体两手指夹持装置,尤其是一种气体驱动的、完全柔性的二指夹持装置。
背景技术
工业领域的机器人大多基于刚性结构,包括金属骨架、电机、传统的机械夹持器,和机械关节等。可以高效执行需要高精度、快速运动、或高强度的任务。然而,这些刚性机器人往往重量大、价格昂贵、控制方式复杂。虽然近年来出现了一些轻量化的机器人夹持器设计,且能够进行精细的操作,但是仍然易使被夹件受到冲击或挤压损伤。不论是机械关节的研发,还是传感器的高效应用,都不能从根本上解决刚性夹持方式易造成机械损伤的问题。
常见的机械手夹持器应用十分广泛,种类繁多,精巧的机构设计能使其结构简单、紧凑,重量轻,效率高。一般的工业产品可以使用该种夹持器进行抓取作业。而对于极易破碎的产品,或价格昂贵的工艺品,使用普通机械手夹持器不可避免的会对该类物品造成损伤,且对于不同复杂形状的被夹件,机械手夹持器往往需要对应的特殊设计,否则,夹持接触面太小造成应力集中。
发明内容
为了克服已有机械夹持方式的存在机械冲击、夹持方式单一、不适用于复杂形状被夹持场合的不足,本发明提供一种有效避免机械冲击、夹持方式丰富、有效适用于复杂形状被夹持场合的微管道的软体两手指夹持装置,该夹持器基于弹性材料形变原理设计而成,使用气体驱动微管的收缩,使其能够在空间中进行多自由度的弯曲,同时由于是柔软的弹性材料,作用于被夹件上的力无刚性冲击。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种微管道的软体两手指夹持装置,包括对称设置的两个弹性手指,所述弹性手指包括手指主体、塑形条和微管,所述手指主体为弹性材料制作的主体,所述手指主体的纵向布置所述塑形条和微管,在所述塑形条的上下分别设置微管,所述微管中心线的纵向切面上看,所述微管从进气口开始横截面先增大后减少,所述微管的进气口与微气流驱动器连通。
进一步,所述塑形条并排设置在所述手指主体内。
再进一步,所述塑形条包括至少三个横截面呈腰型弧形槽的塑料条,所述塑料条呈等圆弧间隔布置在一圈上。
更进一步,所述手指本体为扁平状的长方体。
本发明的技术构思为:所述弹性手指部分包括:主体形变材料及塑形材料的选择,考虑到在微管内压强变化的驱动下,该手指需要产生足够的形变来保证夹持力,主体部分采用聚酯材料。同时采用具有一定弯曲能力但是不会严重形变的材料来塑形,避免自身扭结及过度形变影响初始形状的恢复。其次,微管形状及排布方式的设计,为了增大接触面积,将弹性手指设计为扁平状的长方体,由内部的微管排布决定其弯曲的灵活程度。考虑到实际作业中主要提拉力在竖直方向上,所以在该手指主要受力区域要保证有足够的形变。
所述平衡部分包括:首先考虑到两个手指都为弹性手指,在夹起物体进行位移时不可避免地会产生一定的晃动,在确定该软体夹持装置的最大负载时,除了考虑静态的夹持力大小外,还需考虑动态搬运过程中对夹持稳定性的影响。其次,因为该夹持装置的弹性手指是通过弯曲变形来夹紧物体的,所以对圆弧形物体有很好的适应性,但某些非圆弧形的易碎零件与两手指的接触可能不是圆弧面,此时若两手指使用同样的气动控制策略,当弯曲量过大时,零件易发生倾斜甚至脱落。需对不同接触面类型的气动控制进行一定的调整,使两个手指对物体的作用效果趋于一致,增强对接触面为非圆弧面的适应。
本发明的有益效果主要表现在:
1)该夹持装置全部使用柔性材料,对被夹件无任何刚性冲击;
2)该夹持装置弹性手指内部微管的特殊形状设计保证了足够的夹持力,同时由于塑形条的设计,能够在运动时减少因手指柔性产生的不利晃动;
3)该夹持装置两个弹性手指对称设计,其内部微管能够单独控制,可通过不同的控制适应形状复杂的零件。
附图说明
图1是本发明弹性手指示意图;
图2是微管形状示意图,(a)是截面图,(b)是(a)的A-A截面图,(c)是(b)的B-B截面图;
图3是微管横截面上内部压强增大与其形状变化示意图,(a)是初始状态;(b)是变化后的状态;
图4是实施例的夹紧一瓷瓶的示意图;
图5是图4的剖视图及细节图;
图6是主要受力段弹性手指的受力分析图。
图7是实施夹紧不规则形状物品的示意图,(1)~(3)是三种不同的示意。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1~图7,一种微管道的软体两手指夹持装置,包括对称设置的两个弹性手指,所述弹性手指包括手指主体1、塑形条2和微管3,所述手指主体1为弹性材料制作的主体,所述手指主体1的纵向布置所述塑形条2和微管3,在所述塑形条2的上下分别设置微管3,所述微管3中心线的纵向切面上看,所述微管3从进气口开始横截面先增大后减少,所述微管3的进气口与微气流驱动器连通。
进一步,所述塑形条2并排设置在所述手指主体内。
再进一步,所述塑形条2包括至少三个横截面呈腰型弧形槽的塑料条,所述塑料条呈等圆弧间隔布置在一圈上。
更进一步,所述手指本体1为扁平状的长方体。
图1是本发明弹性手指示意图。如图所示,该手指由手指主体1、塑形条2和微管3三部分组成。该手指主体部分由弹性材料,如硅胶,弹性聚酯材料等制造而成,该类材料柔软,自身对非平面接触面有很强的形状适应能力,且此类材料摩擦系数大,直接接触被夹件不易滑脱。采用对称设计,使得该手指在抓取前可向外弯曲而不发生干涉。图2中塑形条2使用弹性较小的材料,设计为每四个为一组的结构,保证手指结构的稳定性和防止该手指自身扭结,而且,如图3所示,假设该微管内气体压强为P,当P增大时,由于内侧塑形条相对弹性小,气室向外侧扩大,使得手指外壁弧长大于内壁弧长,形成弯曲。具体制造工艺这里不做介绍。
微管形状设计如图2所示,在该手指的一处过微管中心线的纵向切面上,微管从进气口开始横截面积先增大后减小,考虑到主要提拉区域一般在该手指下部,所以将图2中截面B处微管的横截面设计的最大,以提供足够的夹持力。
具体实施案例(省略进气装置)如图4所示。本夹持装置使用两个弹性手指,在夹持一瓷瓶时,外侧微管增压,内侧微管减压。理想夹紧情况下弹性手指随瓶身凸起最显著的部分弯曲,随着微管横截面积的增大,该处弹性手指弯曲形变越显著,手指形状也会随之发生变化。如图5所示,在俯视平面上,为使弹性手指紧贴圆形瓶身,控制中间微管的气压大于两边,使得该夹持装置在这个平面也能弯曲。在局部视图B的主要提拉区域中,单个手指对物品的压力分解为与曲面相切的摩擦力和垂直于曲面的夹紧力,在夹持该类对称物品时,两个气动手指使用相同的控制策略,使得两手指对物品产生的水平方向上的总力大小相同方向相反。该种情况下的负载能力计算需保证两手指对垂直于接触面切线方向上的压力FN'大于负载重力G在该方向上的分力FN,切线方向上的摩擦力Ff大于负载重力G在该方向上的分力FS。再根据机器运动速度乘以一定的系数δ,保证运动的稳定。
为了合理设计弹性手指主要受力段长度及接触面摩擦系数参数,根据理论力学、弹性力学和材料力学原理,建立单个手指的形状弯曲角度与其施加的压力之间的数学公式。假设忽略弹性材料自身重力引起的形状变化,且手指以常曲率弯曲。如图6所示,将弹性手指视为一个直梁体,建立坐标系并写出对点O的弯矩方程,将其内部的两侧切应力q1,q2等效转换为压力FN'。
M(X)=F′NL=f(q1,q2).................................(1)
其中L为压力FN'与O点的距离,即主要受力段长度;
M(X)、f(q1,q2)为所有切应力对于O点的力矩之和。
因为摩擦力与压力FN'的关系为
Ff=uFN′................................(2)
u为摩擦系数
验证FN'>FN,Ff>FS。得到负载重力G,乘以稳定系数δ(0<δ<1),即可得到最大稳定负载量。通过上述力学可行性分析,可以得到弹性手指尺寸与其能够提供的夹持力之间的关系,据此设计该弹性手指主要受力段长度及摩擦系数。
当被夹件的接触面为非光滑圆弧形,如带有凸起图案的工艺品时,因手指自身具有柔性,能够适应一定程度的复杂凸起,避免应力集中于凸起部位。当两个接触面不为圆弧形时,如图7(1)所示,被夹件为长方体,因该夹持装置通过弯曲变形来提供夹持力,弯曲过大时易发生倾斜,如图7(2)所示。为达到普通平行夹钳的定位精度,需对两个弹性手指进行对应的调整,使得对该种形状的零件为4点接触,如图7(3)所示,调整两手指固定端距离和弯曲角度,使图7(1)中的两点接触变为多点接触,又因该夹持装置的手指本身具有柔性,在夹紧时,弹性材料发生形变,点接触变为面接触,增加稳定性。
本领域技术人员应该理解,本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例,在此不予赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容,在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例,这并不影响本发明的实质内容。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化以及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种微管道的软体两手指夹持装置,其特征在于:包括对称设置的两个弹性手指,所述弹性手指包括手指主体、塑形条和微管,所述手指主体为弹性材料制作的主体,所述手指主体的纵向布置所述塑形条和微管,在所述塑形条的上下分别设置微管,所述微管中心线的纵向切面上看,所述微管从进气口开始横截面先增大后减少,所述微管的进气口与微气流驱动器连通:
根据理论力学、弹性力学和材料力学原理,建立单个手指的形状弯曲角度与其施加的压力之间的数学公式,假设忽略弹性材料自身重力引起的形状变化,且手指以常曲率弯曲;将弹性手指视为一个直梁体,建立坐标系并写出对点O的弯矩方程,将其内部的两侧切应力q1,q2等效转换为压力FN';
M(X)=F′NL=f(q1,q2)....................................(1)
其中L为压力FN'与O点的距离,即主要受力段长度;
M(X)、f(q1,q2)为所有切应力对于O点的力矩之和;
因为摩擦力与压力FN'的关系为
Ff=uFN′..................................(2)
u为摩擦系数,Ff为切线方向上的摩擦力;
验证FN'>FN,Ff>FS,FN为负载重力G在垂直于接触面切线方向上的分力;FS为负载重力G在切线方向上的分力;得到负载重力G,乘以稳定系数δ得到最大稳定负载量,0<δ<1;通过上述力学可行性分析,得到弹性手指尺寸与其能够提供的夹持力之间的关系,据此设计该弹性手指主要受力段长度及摩擦系数。
2.如权利要求1所述的微管道的软体两手指夹持装置,其特征在于:所述塑形条并排设置在所述手指主体内。
3.如权利要求2所述的微管道的软体两手指夹持装置,其特征在于:所述塑形条包括至少三个横截面呈腰型弧形槽的塑料条,所述塑料条呈等圆弧间隔布置在一圈上。
4.如权利要求1~3之一所述的微管道的软体两手指夹持装置,其特征在于:所述手指本体为扁平状的长方体。
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