CN107139199A - 一种小型软体气吸式抓手装置 - Google Patents

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张立彬
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J15/06—Gripping heads and other end effectors with vacuum or magnetic holding means
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

一种小型软体气吸式抓手装置，包括吸盘及连接件部分和气动形变控制部分，所述吸盘及连接件部分包括吸盘和气管，所述吸盘通过连接件与所述气管的前端连接，所述气管的末端设有与真空发生器连接的连接端；所述气动形变控制部分包括弹性关节和硬质塑料垫片，所述弹性关节套装在所述连接件与连接端之间的气管上，相邻的两个弹性关节之间通过所述硬质塑料垫片连接，所述弹性关节包括弹性材料制作的关节本体，所述关节本体中央开有供所述气管穿过的通孔，所述关节本体的侧边一圈设有气室，所述气室与连通到关节本体外壁的气道连通，所述气道与微气流驱动器连通。本发明运动方式丰富、灵活性较好、有效适用于小零件装配。

Description

一种小型软体气吸式抓手装置
技术领域
本发明涉及软体吸盘装置，尤其涉及一种小空间装配的弹性弯曲关节的抓手装置。
背景技术
真空吸盘，又称真空吊具，是真空设备执行器之一。一般来说，利用真空吸盘抓取制品是最廉价的一种方法，因而在工业领域被广泛使用。常用的真空吸盘包括扁平吸盘、波纹吸盘、椭圆吸盘和特殊吸盘。扁平吸盘小巧的设计和小的内部容积能使抓取时间最小化，抓取工件时，具有良好的稳定性。用于搬运表面平整或稍微粗糙的扁平或轻微碟形的工件，如：金属板,纸箱,玻璃板,塑料件和木板。波纹吸盘对不平整的表面有良好的适应性，能够轻柔地抓取易损工件。用于搬运碟形的不平整的工件，如：汽车金属板，纸箱，塑料件，铝箔/热塑包装的产品，电子零件。椭圆吸盘能够最佳的利用可吸取面，适用于长的凸面工件。椭圆吸盘的典型的应用区域:搬运狭长而且抓取面很小的工件：如管件，几何形工件，木条，窗架，纸箱，锡箔/热塑包装产品。特殊吸盘因为吸盘材料和形状的特殊性，使其可用于特定应用区域，如易碎的、多孔的、易变形的表面结构。虽然真空吸盘根据吸盘的不同设计可以应用于多种领域，但是一般来说，其抓取方式单一，抓取后的运动完全取决于机器人的运动。
在小零件电子产品的装配领域，因零件尺寸小，且装配空间狭小易与其他零件干涉，夹钳式执行器的应用范围有限。所以考虑使用气吸式抓手进行小零件的装配，该种抓取方式只接触零件的一个面，便于装配，又因为小零件的质量轻，对真空发生器要求不高。但是普通吸盘设备只能在垂直方向运动，无法完成小零件在倾斜方向上的推、扣动作。
发明内容
为了克服已有吸盘设备的运动方式单一、灵活性较差、无法适用于小零件装配的不足，本发明提供一种运动方式丰富、灵活性较好、有效适用于小零件装配的小型软体气吸式抓手装置，该气吸式抓手杆件部分基于弹性材料形变原理设计而成，使用微流气体驱动和控制，相对于电机驱动的转动关节更加节省空间，能够高度灵活地在小空间中运动，实现机器人无法进入环境的装配作业
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种小型软体气吸式抓手装置，包括吸盘及连接件部分和气动形变控制部分，所述吸盘及连接件部分包括吸盘和气管，所述吸盘通过连接件与所述气管的前端连接，所述气管的末端设有与真空发生器连接的连接端；所述气动形变控制部分包括弹性关节和硬质塑料垫片，所述弹性关节套装在所述连接件与连接端之间的气管上，相邻的两个弹性关节之间通过所述硬质塑料垫片连接，所述弹性关节包括弹性材料制作的关节本体，所述关节本体中央开有供所述气管穿过的通孔，所述关节本体的侧边一圈设有气室，所述气室与连通到关节本体外壁的气道连通，所述气道与微气流驱动器连通。
进一步，所述气室的横截面呈腰形。
再进一步，所述气室等圆弧间隔设置在所述关节本体的一圈。
所述吸盘为微型波纹吸盘。
所述气管为PU管。
本发明的技术构思为：所述吸盘及连接件部分包括：吸盘类型的选择，考虑小型零件，如低压电器塑料零件等，质量轻、平面光滑便于吸附，采用市场上通用的微型波纹吸盘。为使该装置能够弯曲，且因零件质量轻对低压要求不高，采用塑料软管取代普通吸盘的刚性杆件。吸盘与软管、真空发生器与软管的连接均采用标准连接件，保证气密性和连接的稳定性。
所述气动形变控制部分包括：考虑到气体质量轻、反应迅速，采用微气流驱动方式。首先根据使用需求和加工难度设计单个弹性关节内部气室的形状和排布方式，在此基础上，建立气室群气压变化与该关节弯曲程度的物理模型。然后设计多个连续弹性关节如何配合，来完成整体弯曲一定角度的动作。因每一个气室对应独立的微管控制，可同时控制多段弯曲。
本发明的有益效果主要表现在：
1)该气吸式抓手装置采用微流控制技术，通过对每一个弹性关节内每个气室压强的精确控制，能够灵活地实现任意方向任意角度的多段弯曲；
2)该气吸式抓手装置能够通过计算补偿自身重力造成的弯曲，保证水平段的直线度，增加了定位精度；
3)该气吸式抓手装置配合机器人，使其弯曲的传递速度与机器人运动速度一致，在吸盘不断前进的同时能够保证某一段的水平高度不变，适用于复杂小环境的装配任务。
附图说明
图1是本发明气吸式抓手装置局部剖视图；
图2是弹性关节及内部气室结构示意图；
图3是本发明的弯曲示意图；
图4是图3弯曲段弹性关节受力分析图；
图5是图3水平段弹性关节受力分析图；
图6是应用本发明在复杂环境作业的流程示意图。
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6，一种小型软体气吸式抓手装置，包括吸盘及连接件部分和气动形变控制部分，所述吸盘及连接件部分包括吸盘2和气管1，所述吸盘2通过连接件3与所述气管1的前端连接，所述气管1的末端设有与真空发生器连接的连接端4；所述气动形变控制部分包括弹性关节5和硬质塑料垫片6，所述弹性关节5套装在所述连接件与连接端之间的气管上，相邻的两个弹性关节5之间通过所述硬质塑料垫片6连接，所述弹性关节5包括弹性材料制作的关节本体，所述关节本体中央开有供所述气管穿过的通孔，所述关节本体的侧边一圈设有气室51，所述气室51与连通到关节本体外壁的气道52连通，所述气道52与微气流驱动器连通。
进一步，所述气室51的横截面呈腰形。
再进一步，所述气室51等圆弧间隔设置在所述关节本体的一圈。
所述吸盘2为微型波纹吸盘。
所述气管1为PU管。
图1是本发明气吸式抓手装置局部剖视图。如图所示，该装置由吸盘及气管等吸气组件，和安装于柔软气管上的弹性关节两部分组成。该吸盘2采用微型波纹吸盘，最大直径15mm。该气管1采用与金属连接件3和金属连接端4匹配的PU管，既能够承受一定的程度的低压又具有极高的柔韧度。该弹性关节5由弹性材料，如弹性聚酯材料制造而成，通过内部气室膨胀或收缩驱动关节发生弯曲形变，带动气管随之弯曲。弹性关节之间用硬质塑料垫片6连接，控制每一个弹性关节的形变方式。
为了合理设计吸盘吸附面积等参数，根据理论力学原理，建立水平吸取及垂直起吊情况下吸附面积与起吊力之间的数学公式。计算如下：
当水平吸取时，根据真空压力计算起吊力。
F＝0.1×A×P...........................................(1)
F：理论起吊力(N)A：吸盘的吸附面积(cm2)P：真空压力(kPa)。
当垂直起吊时，真空压力的吸附力与吸附物和吸盘的吸附面的摩擦力即为维持物体的力(吸附力)。
F＝μ×0.1×A×P........................................(2)
F：理论起吊力(N)μ：摩擦系数
A：吸盘的吸附面积(cm2)P：真空压力(-kPa)
实际作业中还需要考虑运动的加速度等因素，但因为小零件质量轻，普通真空发生器产生的真空压力远大于其重力，所以不予考虑。
弹性关节的设计如图2所示，该关节主体部分为圆柱体，中心开孔用于安装在柔软气管上。如剖视图A所示，每个气室通过侧面的小孔与对应的外部微管连接，微管另一端连接气动控制器，该类微管直径在1mm以内，为保持作图整洁，所有附图中均未画出。该关节内部气室形状设计便于膨胀时关节弯曲。考虑到设计的气室越多，对弯曲方向的控制就越精确，而同时也增加了微管数量和控制难度，权衡之下，采用六个形状相同、相对于轴心阵列的气室，这样六个气室将该平面划分为六块，通过控制某几个连续气室的膨胀和与之对称气室的收缩，能够在该平面内精确地向某方向弯曲，通过气压强度来控制弯曲程度。
单个弹性关节内部气室压强与其弯曲形变的关系分析如下：
首先，因硬质塑料垫圈的限制，每个弹性关节与两个垫圈的接触面均为平面。进一步，为了合理设计弹性关节直径、长度等参数，根据理论力学、弹性力学原理，建立单个弹性关节的弯曲角度与其内部施加的压力之间的数学公式。如图4(1)所示，两侧气室体积的不同形成了该关节的弯曲，将该关节简化为弹性体受力分析，如图4(2)所示，该弹性关节受到的内部两侧的切应力q1>q2，下端面对该关节的应力为FN，建立坐标系并写出弯矩平衡方程
令
应用位移边界条件求积分方常数
EIf″＝-M(x)＝FP(L-x)
得出
写出弹性曲线方程
最大挠度及最大转角
这样就建立了弹性关节内部受力与弯曲形变的关系。通过上述力学可行性分析，可以得到弹性关节尺寸与弯曲角度之间的关系，据此设计该弹性关节直径、长度等参数。
具体实施案例如图3所示，控制两个弹性关节配合完成软管在竖直平面上弯曲90°的动作，理想状态下下端两个弹性关节保持水平，但因为气管和关节自身的柔性，在水平状态下由于重力无法保持原来的形状，需对这两段关节进行气动补偿，即根据受力情况分别对这两个关节进行弯曲补偿，使得水平段保证直线度，提高定位精度。为了合理设计弹性材料密度等参数，根据理论力学、材料力学原理，建立不同位置的弹性关节弯曲90°时内部压力与该装置水平段重量之间的数学公式。根据该弯曲补偿的力学平衡计算健全对弹性关节的设计。分析图3中水平段弹性关节受力如图5所示，该关节受到左边吸盘等的重力造成的应力F1，右端受到右边关节的提拉力F2，通过增加内部切应力q1，q2来抵消F造成的扭矩，即满足扭矩平衡方程：
在以上受力分析的基础上，通过该气吸式抓手装置弯曲与机器人运动的配合，能够完成在小环境内多次弯曲前进的特殊作业，如图6所示，机器人持续向下运动，该气吸式抓手装置通过多次弯曲进入普通机器人吸盘无法进入的区域进行作业，且根据机器人下降速度控制弯曲的传递，使得中间水平段的高度始终不变，避免与该环境内部发生干涉。
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 (5)

1.一种小型软体气吸式抓手装置，其特征在于：所述抓手装置包括吸盘及连接件部分和气动形变控制部分，所述吸盘及连接件部分包括吸盘和气管，所述吸盘通过连接件与所述气管的前端连接，所述气管的末端设有与真空发生器连接的连接端；所述气动形变控制部分包括弹性关节和硬质塑料垫片，所述弹性关节套装在所述连接件与连接端之间的气管上，相邻的两个弹性关节之间通过所述硬质塑料垫片连接，所述弹性关节包括弹性材料制作的关节本体，所述关节本体中央开有供所述气管穿过的通孔，所述关节本体的侧边一圈设有气室，所述气室与连通到关节本体外壁的气道连通，所述气道与微气流驱动器连通。
2.如权利要求1所述的一种小型软体气吸式抓手装置，其特征在于：所述气室的横截面呈腰形。
3.如权利要求2所述的一种小型软体气吸式抓手装置，其特征在于：所述气室等圆弧间隔设置在所述关节本体的一圈。
4.如权利要求1～3之一所述的一种小型软体气吸式抓手装置，其特征在于：所述吸盘为微型波纹吸盘。
5.如权利要求1～3之一所述的一种小型软体气吸式抓手装置，其特征在于：所述气管为PU管。
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