CN107553523B - 一种柔性夹持装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性夹持装置，包括支架、驱动组件和夹持组件，驱动组件驱动夹持组件运动；夹持组件包括分别铰接于支架的两个驱动连杆，分别铰接于支架的两个内连杆，铰接于驱动连杆的外连杆，同时铰接于内连杆和外连杆的夹持杆外连杆设置为两个，两个外连杆分别铰接于对应的驱动连杆，夹持杆设置为两个，两个夹持杆分别铰接于对应的内连杆和外连杆；一种柔性夹持装置，由欠驱动连杆组成的，即添加驱动元件后，由任意一侧的驱动连杆、外连杆、内连杆以及夹持杆组成的单边连杆组仍然具有两个自由度，欠驱动连杆具有自适应性，在夹持物体，与物体接触过程中，受外力的作用能形成包络物体的形状。

Description

一种柔性夹持装置

技术领域

本发明涉及机械手领域，特别是涉及一种柔性夹持装置。

背景技术

在产品的生产过程中，自动机械手被广泛应用于流水生产线作业，其不仅可以提高生产效率，同时能够保证成品的质量。

多种类规格产品在一个生产线或者工作站生产，随之而来的问题就是机械手的自适应问题，传统的人工作业方式解决上述问题采用的方法是：一个机械手加上工装夹具夹持一种工件产品，产品种类和尺寸变化后，一般都要更换工装夹具，尤其是在一些定位精度要求较高，工件尺寸和姿态变化多的产品生产中，传统的固定式机械工装夹具一般需要人工调整，这种生产模式不仅具有复杂、庞大的夹具定位机构，同时对工人的操作要求也很高，并且这种传统的固定式机械夹具方式很难应用于自动化生产中，因此，适应多种类规格产品的自动化生产的机械手和工装夹具就成为自动化生产中亟待开发的产品。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种柔性夹持装置，在夹持过程中，该柔性夹持装置能够自动调整自身形状，从而适应不同物体的轮廓，实现包络夹持或精确抓取。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种柔性夹持装置，包括支架、驱动组件和夹持组件，驱动组件驱动夹持组件运动；

夹持组件包括分别铰接于支架的两个驱动连杆，分别铰接于支架的两个内连杆，铰接于驱动连杆的外连杆，同时铰接于内连杆和外连杆的夹持杆，外连杆设置为两个，两个外连杆分别铰接于对应的驱动连杆，夹持杆设置为两个，两个夹持杆分别铰接于对应的内连杆和外连杆；

驱动组件包括气缸，气缸的缸体与支架位置相对固定，与气缸的活塞固定连接的气缸连杆，气缸连杆的长度方向垂直于气缸的活塞的运动方向设置，分别与气缸连杆的两端铰接的两个连接杆，两个连接杆的一端分别铰接于气缸连杆，两个连接杆的另外一端分别铰接于两个驱动连杆；

两个驱动连杆、两个内连杆、两个外连杆、两个夹持杆、气缸连杆以及两个连接杆均呈轴对称设置，对称轴为气缸活塞沿其运动方向的中心轴，任意一侧的驱动连杆、外连杆、内连杆以及夹持杆组成单边连杆组；

驱动连杆与外连杆铰接处设有限位销，限位销用于限制驱动连杆和外连杆之间的角度，驱动连杆与外连杆之间的夹角为θ₁，θ₁小于180°，驱动连杆与外连杆之间设有拉伸弹簧，拉伸弹簧用于限制驱动连杆和外连杆之间的自由度，当限位销起限位作用时拉伸弹簧不受力。

其中，夹持杆包括连接部和夹持部，夹持部固接于连接部的一端，外连杆和内连杆均铰接于连接部。

其中，夹持部的长度方向与气缸活塞的运动方向相同。

其中，驱动连杆与支架的铰接点为A点，外连杆与连接部的铰接点为C点，连接部与与内连杆的铰接点为D点，内连杆与支架的铰接点为E点，当拉伸弹簧不受力时，A点到C点的距离、C点到D点的距离、D点到E点的距离、E点到A点的距离组成一个平行四边形。

其中，限位销固接于驱动连杆，限位销设置于外连杆与驱动连杆的铰接点附近位置。

其中，支架包括前片和后片，前片和后片固接在一起，驱动连杆与支架的铰接位置位于前片和后片之间。

其中，内连杆与支架连接的一端设有连接头，连接头由内连杆延伸而成，连接头包括第一分支和第二分支，第一分支与前片铰接，第二分支与后片铰接，且第一分支和第二分支位于支架的两侧。

其中，驱动连杆包括驱动连接部和夹持连接部，驱动连接部和夹持连接部一体成型，驱动连接部连接驱动组件，夹持连接部连接外连杆，驱动连接部的长度方向垂直于夹持连接部的长度方向，驱动连杆与支架的铰接点位于驱动连接部和夹持连接部的交点上。

其中，外连杆与夹持杆之间的夹角为θ₂，90°<θ₂<100°。

其中，拉伸弹簧为螺旋拉伸弹簧。

总的说来，本发明具有如下优点：

一种柔性夹持装置，由欠驱动连杆组成的，即添加驱动元件后，由任意一侧的驱动连杆、外连杆、内连杆以及夹持杆组成的单边连杆组仍然具有两个自由度，欠驱动连杆具有自适应性，在夹持物体，与物体接触过程中，受外力的作用能形成包络物体的形状；

包含伪刚体，在未接触物体前，为了保证欠驱动连杆具有确定的运动，因此在铰链等运动副中添加拉伸弹簧、限位销等元件进行对该处的自由度限制，当受到外力作用时候，该处被拉伸弹簧限制的自由度释放，从而形成包络物体的形状，因此可以夹持球状物体；

采用气缸驱动，比起电机驱动，气动虽然需要添加额外的传动机构，但自适性好、夹持力可调范围广、而且具有良好的过载保护性能；

在夹持过程中，该柔性夹持装置能够自动调整自身形状，从而适应不同物体的轮廓，实现包络夹持或精确抓取的抓取方式。

附图说明

图1为本发明一种柔性夹持装置的立体结构示意图。

图2为本发明一种柔性夹持装置拆掉前片后的立体结构示意图。

图3为本发明一种柔性夹持装置顶端抓取薄长物体的工作状态示意图。

图4为本发明一种柔性夹持装置顶端抓取小圆球的工作状态示意图。

图5为本发明一种柔性夹持装置顶端抓取方体的工作状态示意图。

图6为本发明一种柔性夹持装置的扩张抓取内孔物体的工作状态示意图。

图7为本发明一种柔性夹持装置的包络夹持大圆球的工作状态示意图。

图8为本发明一种柔性夹持装置的包络夹持不规则物块的工作状态示意图。

图9为本发明一种柔性夹持装置的机构简图.

图10为本发明一种柔性夹持装置的夹持部分连杆机构简图。

图11为本发明一种柔性夹持装置的捏抓连杆运动趋势分析图。

图12为本发明一种柔性夹持装置的扩张抓取受力分析图。

图13为本发明一种柔性夹持装置的包络抓取运动趋势分析图；

其中图13(a)为本发明一种柔性夹持装置的部分机构简图；

图13(b)为图13(a)的简化后的机构简图及运动趋势分析图；

图13(c)为图13(a)的顺心多边形图。

图14为本发明一种柔性夹持装置的驱动组件连杆机构图。

图15为本发明一种柔性夹持装置的驱动组件连杆运动趋势分析图；

其中图15(a)为驱动组件的机构简图及运动趋势分析图；

图15(b)为图15(a)的顺心多边形图。

其中图1至图15中包括有：

1.夹持杆、2.内连杆、21.第一分支、22.第二分支、3.外连杆、4.拉伸弹簧、5.限位销、6.驱动连杆、61.驱动连接部、62.夹持连接部、7.支架、71.前片、72.后片、8.连接杆、9.螺栓、10.气缸连杆、11.气缸、12.薄长物体、13.小圆球、14.方体、15.内孔物体、16.大圆球、17.不规则物块。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

实施例1、

如图1、图2、图9所示，一种柔性夹持装置，包括支架7、驱动组件和夹持组件，驱动组件驱动夹持组件运动；

夹持组件包括分别铰接于支架7的两个驱动连杆6，分别铰接于支架7的两个内连杆2，铰接于驱动连杆6的外连杆3，外连杆3设置为两个，两个外连杆3分别铰接于对应的驱动连杆6，同时铰接于内连杆2和外连杆3的夹持杆1，夹持杆1设置为两个，两个夹持杆1分别铰接于对应的内连杆2和外连杆3；

驱动组件包括气缸11，气缸11的缸体与支架7位置相对固定，与气缸11的活塞固定连接的气缸连杆10，气缸连杆10的长度方向垂直于气缸11的活塞的运动方向设置，分别与气缸连杆10的两端铰接的两个连接杆8，两个连接杆8的一端分别铰接于气缸连杆10，两个连接杆8的另外一端分别铰接于两个驱动连杆6；

两个驱动连杆6、两个内连杆2、两个外连杆3、两个夹持杆1、气缸连杆10以及两个连接杆8均呈轴对称设置，对称轴为气缸11的活塞沿其运动方向的中心轴，任意一侧的驱动连杆6、外连杆3、内连杆2以及夹持杆1组成单边连杆组；

驱动连杆6与外连杆3铰接处设有限位销5，限位销5用于限制驱动连杆6和外连杆3之间的角度，驱动连杆6与外连杆3之间的夹角为θ₁，θ₁小于180°，驱动连杆6与外连杆3之间设有拉伸弹簧4，拉伸弹簧4用于限制驱动连杆6和外连杆3之间的自由度，当限位销5起限位作用时拉伸弹簧4不受力。限位销与外连杆处于接触状态。

夹持杆1：夹持物体的连杆；内连杆2：连接作用；外连杆3，连接作用；拉伸弹簧4：释放自由度，如包络夹持时，夹持杆1包络物体动作是靠释放自由度实现的，直到夹持杆1接触物体时，物体限制连杆运动，自由度个数将减一；限位销5：限制某铰链夹角减小，从而使整个机构自由度减一；驱动连杆6：驱动夹持机构部分运动；支架7：固定其他构件作用；连接杆8：连接作用；螺栓9：用于气缸连杆10与气缸11的连接；气缸连杆10：连接气缸11，气缸11：驱动整个夹持器运动。本装置的夹持方式包括：顶端抓取、扩张夹持、包络夹夹持。

夹持杆1包括连接部和夹持部，夹持部固接于连接部的一端，外连杆3和内连杆2均铰接于连接部。

夹持部的长度方向与气缸11的活塞的运动方向相同。

驱动连杆6与支架7的铰接点为A点，外连杆3与连接部的铰接点为C点，连接部与与内连杆2的铰接点为D点，内连杆2与支架7的铰接点为E点，当拉伸弹簧4不受力时，限位销与外连杆处于接触状态，A点到C点的距离、C点到D点的距离、D点到E点的距离、E点到A点的距离组成一个平行四边形。

限位销5固接于驱动连杆6，限位销5设置于外连杆3与驱动连杆6的铰接点附近位置。

支架7包括前片71和后片72，前片71和后片72固接在一起，驱动连杆6与支架7的铰接位置位于前片71和后片72之间。

内连杆2与支架7连接的一端设有连接头，连接头由内连杆2延伸而成，连接头包括第一分支21和第二分支22，第一分支21与前片71铰接，第二分支22与后片72铰接，且第一分支21和第二分支22位于支架7的两侧。

驱动连杆6包括驱动连接部61和夹持连接部62，驱动连接部61和夹持连接部62一体成型，驱动连接部61连接驱动组件，夹持连接部62连接外连杆3，驱动连接部61的长度方向垂直于夹持连接部62的长度方向，驱动连杆6与支架7的铰接点位于驱动连接部61和夹持连接部62的交点上。

外连杆3与夹持杆1之间的夹角为θ₂，90°<θ₂<100°。

拉伸弹簧4为拉伸螺旋弹簧。

总的说来，本发明具有如下优点：

一种柔性夹持装置，由欠驱动连杆6组成的，即添加驱动元件后，连杆仍然具有两个以上自由度，欠驱动连杆具有自适应性，在夹持物体，与物体接触过程中，受外力的作用能形成包络物体的形状；

包含伪刚体，在未接触物体前，为了保证欠驱动连杆具有确定的运动，因此在铰链等运动副中添加拉伸弹簧4、限位销5等元件进行对该处的自由度限制，当受到外力作用时候，该处被拉伸弹簧4限制的自由度释放，从而形成包络物体的形状，因此可以夹持球状物体；

采用气缸11驱动，比起电机驱动，气动虽然需要添加额外的传动机构，但自适性好、夹持力可调范围广、而且具有良好的过载保护性能；在夹持过程中，该柔性夹持装置能够自动调整自身形状，从而适应不同物体的轮廓，实现包络夹持或精确抓取的抓取方式。

同时满足顶端捏抓、扩张抓取、包络夹持等杆长要求条件，即可实现一夹持器实现多种方式夹持，即需要满足如下条件：

①ACDE为平行四边形

②θ₂角大于90°，但不能过大，θ₂过大会影响到扩张夹持的能力，详见扩张夹取的受力分析图(扩张夹取)。

③θ₁必须小于180°(包络夹取)。

对于以上的θ角，都为初始夹角，即拉伸弹簧4不处于拉伸或压缩状态，限位机构处于接触状态。

驱动组件实际为曲柄滑块机构，将气缸11直线运动转化为驱动杆绕机架的旋转运动。

目的：验证驱动杆L沿垂直方向向上运动时，保证AB杆绕A点作逆时针运动。

分析过程：如图15所示，使用速度瞬心法对机构进行分析，该机构一共有四个构件，相应的瞬心多边形如图15(b)所示。

由瞬心多边形可知，代表P13的是△123与△143的公共边，即P13既应在P12与P23的连线上，也应在P14与P34的连线上，这两条连线的交点即为杆Ⅰ、杆Ⅲ的速度瞬心。瞬心位置如图15中的(a)所示，杆Ⅰ、杆Ⅲ的运动方向分别为v1、ω3。

P13点是杆Ⅰ与杆Ⅲ的等速重合点。显然，当瞬心P13位于点P34的右侧时，杆Ⅲ呈逆时针运动，达到所需的要求。

具体的，如图3、图4、图5所示为顶端捏抓，图3为顶端捏抓薄长物体12，图4为顶端捏抓小圆球13，图5为顶端捏抓方体14，实现顶端捏抓的必要条件：

1)如图10所示，保证任何状态下夹持杆1DF始终保持垂直状态。初始状态下AECD须为平行四边形。初始状态：拉伸弹簧4不拉伸、不压缩；限位销5接触为初始状态。保证DC在平面上不转动，即DF杆保持垂直状态。

2)保证捏抓时的稳定性，限位元件起限制作用，则θ1角必须呈减小趋势。θ2夹角必须大于90°，2杆的运动趋势分析如图11所示。若F2c要对2杆提供一个向左的分力，2杆相对于B点有逆时针的转动趋势。则θ2夹角应大于要90°。以保证当物体在顶端捏抓时，θ1角呈减小趋势。使用限位销5，限制θ1角度减小，对铰链副B的自由度进行限制，即AB与BC杆可以看作同一个构件，此时整个连杆机构的自由度为0，显然有确定的运动，实现稳定捏抓的功能。

3)验证该机构为双曲柄机构。双曲柄存在定理：①机架为最短杆；②最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和。显然该机构满足以上条件。双曲柄四杆机构：ED与AC杆不存在极限位置，验证单边夹持手没有自身的工作极限条件。

实施例2、

本实施例的主要结构与实施例1相同，相同之处在此不再赘述，不同之处在于：如图6所示，为扩张抓取内孔物体15，实现扩张抓取的必要条件为：保证任何状态下夹持杆1垂直。即初始状态AECD为平行四边形。保证DC在平面上不转动，即DF杆保持垂直状态。

为了达到最优化的稳定状态，对夹持装置提出如下要求：

如图12所示，若使用顶端捏抓状态下的模型，进行扩张抓取，F2c对杆Ⅱ提供一个向右的分力，杆Ⅱ相对于B点有顺时针的转动趋势。此时θ1角呈增加趋势，对铰链B起到限制作用的限位元件为拉伸弹簧4。

如图12所示，此时夹持的稳定性取决于在杆Ⅱ上，力F_2ct的力对B点的扭矩，F_2ct越小则扩张抓取越稳定。即θ₂角的大小，θ₂越接近90°，对增加扩张夹持的稳定性越有利。

承受BC杆受到的扭力取决于拉伸弹簧4的刚度系数，刚度系数越大，扩张夹持的稳定性就越好，但刚度系数越大，越不利于包络夹取。因此扩张夹持物体的质量大大受到限制。

实施例3、

本实施例的主要结构与实施例1或2相同，相同之处在此不再赘述，不同之处在于：如图7、图8所示，包络夹持大圆球16和不规则物块17，要实现包络夹持，则需要夹持杆1Ⅲ的运动趋势是绕D点做逆时针运动。杆Ⅲ的运动趋势如图13所示：当包络夹持物体时，杆Ⅳ被物块顶住，可以看作杆Ⅳ对于机架没有相对运动，可以从如图13(a)简化成如图13(b)的机构简图，该机构一共有四个构件，相应的瞬心多边形如图13(c)。

由瞬心多边形可知，代表P13的是△123与△153的公共边，即P13既应在P12与P23的连线上，也应在P14与P34的连线上，这两条连线的交点即为杆Ⅰ、杆Ⅲ的速度瞬心。瞬心位置如图13(b)所示，杆Ⅰ、杆Ⅲ的运动方向分别为ω1、ω3。显然当瞬心P13位于杆Ⅰ、杆Ⅲ的同一侧时(即θ1小于180°)，就能够实现包络夹持的动作。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性夹持装置，其特征在于：包括支架、驱动组件和夹持组件，驱动组件驱动夹持组件运动；

夹持组件包括分别铰接于支架的两个驱动连杆，分别铰接于支架的两个内连杆，铰接于驱动连杆的外连杆，同时铰接于内连杆和外连杆的夹持杆，外连杆设置为两个，两个外连杆分别铰接于对应的驱动连杆，夹持杆设置为两个，两个夹持杆分别铰接于对应的内连杆和外连杆；

驱动组件包括气缸，气缸的缸体与支架位置相对固定，与气缸的活塞固定连接的气缸连杆，气缸连杆的长度方向垂直于气缸的活塞的运动方向设置，分别与气缸连杆的两端铰接的两个连接杆，两个连接杆的一端分别铰接于气缸连杆，两个连接杆的另外一端分别铰接于两个驱动连杆；

两个驱动连杆、两个内连杆、两个外连杆、两个夹持杆、气缸连杆以及两个连接杆均呈轴对称设置，对称轴为气缸活塞沿其运动方向的中心轴，任意一侧的驱动连杆、外连杆、内连杆以及夹持杆组成单边连杆组；

驱动连杆与外连杆铰接处设有限位销，限位销用于限制驱动连杆和外连杆之间的角度，驱动连杆与外连杆之间的夹角为θ₁，θ₁小于180°，驱动连杆与外连杆之间设有拉伸弹簧，拉伸弹簧用于限制驱动连杆和外连杆之间的自由度，当限位销起限位作用时拉伸弹簧不受力。

2.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：夹持杆包括连接部和夹持部，夹持部固接于连接部的一端，外连杆和内连杆均铰接于连接部。

3.按照权利要求2所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：夹持部的长度方向与气缸活塞的运动方向相同。

4.按照权利要求3所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：驱动连杆与支架的铰接点为A点，外连杆与连接部的铰接点为C点，连接部与内连杆的铰接点为D点，内连杆与支架的铰接点为E点，当拉伸弹簧不受力时，A点到C点的距离、C点到D点的距离、D点到E点的距离、E点到A点的距离组成一个平行四边形。

5.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：限位销固接于驱动连杆，限位销设置于外连杆与驱动连杆的铰接点附近位置。

6.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：支架包括前片和后片，前片和后片固接在一起，驱动连杆与支架的铰接位置位于前片和后片之间。

7.按照权利要求6所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：内连杆与支架连接的一端设有连接头，连接头由内连杆延伸而成，连接头包括第一分支和第二分支，第一分支与前片铰接，第二分支与后片铰接，且第一分支和第二分支位于支架的两侧。

8.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：驱动连杆包括驱动连接部和夹持连接部，驱动连接部和夹持连接部一体成型，驱动连接部连接驱动组件，夹持连接部连接外连杆，驱动连接部的长度方向垂直于夹持连接部的长度方向，驱动连杆与支架的铰接点位于驱动连接部和夹持连接部的交点上。

9.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：外连杆与夹持杆之间的夹角为θ₂，90°<θ₂<100°。

10.按照权利要求1所述的一种柔性夹持装置，其特征在于：拉伸弹簧为螺旋拉伸弹簧。