CN108202338A - 一种柔性机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手，具体地说是一种柔性机械手。包括支撑架、瓣形手、瓣形手驱动机构、柔性吸头组件及柔性吸头驱动机构，其中柔性吸头驱动机构和瓣形手驱动机构均设置于支撑架上，柔性吸头组件与柔性吸头驱动机构的输出端连接，瓣形手设置于柔性吸头组件的外侧、并且通过瓣形手驱动机构与柔性吸头组件连接；柔性吸头驱动机构驱动柔性吸头组件伸出或缩回，同时带动瓣形手驱动机构动作，从而驱动瓣形手张开或闭合；当瓣形手闭合时，将柔性吸头组件包含于其手掌内。本发明可大大降低机械手对目标物定位精度的要求，提高了夹取和移动过程的稳定性和可靠性，同时柔性包裹不会对目标物体造成损伤。

Description

一种柔性机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，具体地说是一种柔性机械手。

背景技术

随着机器人技术的迅猛发展，对于能在复杂环境执行任务的特种机械手需求也日益增加，在水下打捞、海生物捕捉等领域该类型机械手的需求也极为迫切。现阶段水下机械手普遍采用夹取式，且通常为关节结构，这种结构的机械手作业范围受到很大的限制，尤其是在深海打捞，海底捕捉等方面，而且工作效率较低。主要原因有三点：1、由于水流和海底复杂的作业环境，夹取式机械手在工作中很难对目标物实现准确的定位，即使成功抓取也容易出现移动过程中夹取物脱落；2、当目标物的尺寸，形状和类型发生改变时，由于机械手不能随目标物体发生自适应变形导致其工作稳定性将进一步下降；3、夹取式机械手夹取力大小的控制极为不便，容易对目标物体造成挤压伤害。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性机械手。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性机械手，包括支撑架、瓣形手、瓣形手驱动机构、柔性吸头组件及柔性吸头驱动机构，其中柔性吸头驱动机构和瓣形手驱动机构均设置于所述支撑架上，所述柔性吸头组件与所述柔性吸头驱动机构的输出端连接，所述瓣形手设置于所述柔性吸头组件的外侧、并且通过所述瓣形手驱动机构与所述柔性吸头组件连接；所述柔性吸头驱动机构驱动柔性吸头组件伸出或缩回，同时带动所述瓣形手驱动机构动作，从而驱动所述瓣形手张开或闭合；当所述瓣形手闭合时，将所述柔性吸头组件包含于其手掌内。

所述支撑架包括安装板I、安装板II及支撑杆，其中安装板I和安装板II平行设置、并且通过多组支撑杆连接。

所述柔性吸头驱动机构包括减速电机、驱动丝杆、气缸、输出杆及活塞，其中减速电机安装在所述安装板I上，所述气缸安装在所述安装板II上，所述驱动丝杆的一端与所述减速电机的输出轴固定连接，另一端与所述气缸内的活塞螺纹副连接，所述输出杆的一端插设于气缸的腔体内、并且与所述活塞固定连接，另一端穿过所述安装板II、并且与所述柔性吸头组件固定连接，所述输出杆为中空结构、并且位于气缸腔体内的一端沿径向设有侧孔。

所述减速电机的前端通过电机固定盘安装在所述安装板I上、并且输出轴通过深沟球轴承与所述安装板I连接，所述气缸通过气缸固定盘安装在所述安装板II上。

所述柔性吸头组件包括柔性吸头、固定盖、定形件及微型吸盘，其中柔性吸头的上端穿过定形件的内通孔、并且外翻包裹于定形件的上端外圆柱面上，所述固定盖通过环氧树脂与柔性吸头的外翻部分固定连接，所述柔性吸头的下端面布设有多个微型吸盘，所述瓣形手驱动机构与固定盖铰接。

所述瓣形手包括沿周向均布且呈花瓣式结构的多跟手指，各手指分别与一组所述瓣形手驱动机构连接。

所述瓣形手驱动机构包括拉杆、主动推杆、内侧四连杆机构及外侧四连杆机构，其中内侧四连杆机构和外侧四连杆机构分别与所述支撑架铰接，所述主动推杆的两端分别与内侧四连杆机构及外侧四连杆机构铰接，所述拉杆的一端与所述内侧四连杆机构铰接，另一端与所述柔性吸头组件铰接，所述外侧四连杆机构与所述瓣形手中的一手指固定连接。

所述内侧四连杆机构包括内侧连杆I、内侧连杆II及两个连接杆，其中内侧连杆II的两端与所述支撑架铰接、并且与所述柔性吸头驱动机构的驱动方向垂直，所述内侧连杆I通过两个连接杆与内侧连杆II铰接，并且所述内侧连杆I与内侧连杆II平行，所述内侧连杆I与拉杆和主动推杆铰接。

所述外侧四连杆机构包括外侧连接块、外侧连杆及两个被动推杆，其中外侧连接块与所述支撑架固定连接，所述外侧连杆的两端分别通过两个被动推杆与外侧连接块铰接，所述外侧连杆与外侧连接块平行，所述外侧连杆与所述主动推杆铰接，两个被动推杆与所述瓣形手中的一手指固定连接。

所述主动推杆为两个、并且相互平行。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明中采用减速电机驱动，避免了额外液压源，有利于该型机械手进行便携是和轻化式设计。

2.本发明设计理念来源于蜥蜴捕食，将通常采用的夹取式抓取方式改为类似蜥蜴捕食中的吸取和包裹式。其通过减速电机和气缸控制柔性吸头对目标物的吸附包裹和瓣形手的开合包裹。

3.本发明可大大降低机械手对目标物定位精度的要求，提高了夹取和移动过程的稳定性和可靠性，同时柔性包裹不会对目标物体造成损伤。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明中瓣形手驱动机构的结构示意图；

图4为本发明中瓣形手驱动机构的轴测图；

图5为本发明中柔性吸头组件的外部结构示意图；

图6为本发明中柔性吸头组件的内部结构示意图。

图中：1为减速电机，2为安装板I，3为内侧连杆I，4为主动推杆，5为外侧连接块，6为瓣形手，7为柔性吸头，8为安装板II，9为连接杆，10为内侧连杆II，11为支撑杆，12为电机固定盘，13为驱动丝杆，14为气缸，15为气缸固定盘，16为紧固螺母，17为拉杆，18为固定盖，19为定形件，20为销轴，21为连接板，22为输出杆，23为活塞，24为深沟球轴承，25为轴承挡圈，26为被动推杆，27为微型吸盘，28为环氧树脂，29为外侧连杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1-2所示，本发明提供的一种柔性机械手，包括支撑架、瓣形手6、瓣形手驱动机构、柔性吸头组件及柔性吸头驱动机构，其中柔性吸头驱动机构和瓣形手驱动机构均设置于所述支撑架上，所述柔性吸头组件与所述柔性吸头驱动机构的输出端连接，所述瓣形手6设置于所述柔性吸头组件的外侧、并且通过所述瓣形手驱动机构与所述柔性吸头组件连接；当所述柔性吸头驱动机构驱动柔性吸头组件伸出时，带动所述瓣形手驱动机构动作，从而驱动所述瓣形手6张开；当所述柔性吸头驱动机构驱动柔性吸头组件缩回时，带动所述瓣形手驱动机构动作，从而驱动所述瓣形手6闭合、并且将所述柔性吸头组件包含于其手掌内。

所述支撑架包括安装板I 2、安装板II 8及支撑杆11，其中安装板I 2和安装板II8平行设置、并且通过多组支撑杆11连接。

本发明的一实施例中，安装板I 2和安装板II 8通过三组周向成120度分布的支撑杆11(每组有两个支撑杆)连接固定。

所述柔性吸头驱动机构包括减速电机1、驱动丝杆13、气缸14、输出杆22及活塞23，其中减速电机1安装在所述安装板I 2上，所述气缸14安装在所述安装板II 8上，所述驱动丝杆13的一端与所述减速电机1的输出轴固定连接，另一端与所述气缸14内的活塞23螺纹副连接，所述输出杆22的一端插设于气缸14的腔体内、并且与所述活塞23固定连接，另一端穿过所述安装板II 8、并且与所述柔性吸头组件固定连接，所述输出杆22为中空结构、并且位于气缸14腔体内的一端沿径向设有侧孔。

进一步地，所述减速电机1的前端通过电机固定盘12安装在所述安装板I 2的外侧、并且输出轴通过深沟球轴承24和轴承挡圈25与所述安装板I 2连接，深沟球轴承24和轴承挡圈25安装于所述安装板I 2中央内孔中。利用紧固螺母16将气缸固定盘15固定在气缸14前端面上，并通过螺钉将气缸固定盘15固定在所述安装板II 8上。

本发明中采用减速电机驱动，避免了额外液压源，有利于该型机械手进行便携是和轻化式设计。

如图5-6所示，所述柔性吸头组件包括柔性吸头7、固定盖18、定形件19及微型吸盘27，其中柔性吸头7为中空结构，其上端薄型橡胶穿过定形件19的内通孔、并且外翻包裹于定形件19的上端外圆柱面上，所述固定盖18通过环氧树脂与柔性吸头7的外翻部分固定连接，所述柔性吸头7的下端面布设有多个微型吸盘27。所述瓣形手驱动机构与固定盖18的外圆周铰接，所述输出杆22的另一端与固定盖18端面设有的螺纹孔螺纹连接。

所述瓣形手6包括沿周向均布且呈花瓣式结构的多跟手指，各手指分别与一组所述瓣形手驱动机构连接。

本发明的一实施例中，所述瓣形手6包括沿周向120度角分布的三根手指，与三根手指连接的三组所述瓣形手驱动机构为沿周向120度角分布的对称空间并联机构。

如图3-4所示，所述瓣形手驱动机构包括拉杆17、主动推杆4、内侧四连杆机构及外侧四连杆机构，其中内侧四连杆机构和外侧四连杆机构分别与所述支撑架铰接，所述主动推杆4的两端分别与内侧四连杆机构及外侧四连杆机构铰接，所述拉杆17的一端与所述内侧四连杆机构铰接，另一端通过销轴20与所述柔性吸头组件的固定盖18铰接，所述外侧四连杆机构与所述瓣形手6中的一手指固定连接。

所述内侧四连杆机构包括内侧连杆I 3、内侧连杆II 10及两个连接杆9，其中内侧连杆II 10的两端通过轴承与一组支撑杆11中部设有的通孔铰接、并且与所述柔性吸头驱动机构的驱动方向垂直，所述内侧连杆I3的通过两个相互平行的连接杆9与内侧连杆II 10铰接，即连接杆9的两端分别与内侧连杆I 3和内侧连杆II 10铰接，同时所述内侧连杆I 3与内侧连杆II 10平行，所述内侧连杆I 3与拉杆17和主动推杆4铰接。

进一步地，所述拉杆17与内侧连杆I 3的中部铰接，所述主动推杆4为两个、并且分别与内侧连杆I 3的两端铰接，两个连接杆9位于两个主动推杆4的内侧。

所述外侧四连杆机构包括外侧连接块5、外侧连杆29及两个被动推杆26，其中外侧连接块5通过螺钉与所述支撑架端部的安装板II 8固定连接，所述外侧连杆29的两端分别通过两个相互平行的被动推杆26与外侧连接块5铰接，即被动推杆26的两端分别与外侧连接块5和外侧连杆29铰接。所述外侧连杆29与外侧连接块5平行，所述外侧连杆29与所述主动推杆4铰接，两个被动推杆26与所述瓣形手6中的一手指固定连接。

本发明的一实施例中，柔性吸头7和瓣形手6采用软性橡胶材料制成。柔性吸头7的吸头部分橡胶厚度为0.5-1mm，其它部分为0.2-0.4mm。柔性吸头7内充有直径1-2mm的球形塑料颗粒，用以吸头包裹时提供包裹抓取力。柔性吸头7下端面圆形区域内均匀分布有直径2-3mm的微型吸盘27，其中微型吸盘27由大直径盲孔和小直径通孔叠加形成。瓣形手6包裹部分橡胶厚度2-3mm，前端安装固定部分厚度为4-5mm。

本发明的工作原理是：

所述减速电机1驱动驱动丝杆13旋转，驱动丝杆13转动带动活塞23沿直线运动，活塞23通过输出杆22带动所述柔性吸头组件伸出或缩回，即带动固定盖18做直线往复运动。固定盖18带动与其连接的拉杆17进行驱动，进而通过主动推杆4推动瓣形手6张开或闭合。

根据蜥蜴捕捉猎物时第一步是飞出舌头吸住猎物，第二部将食物拉向长舌深处同时应用舌头周围的软肉进行包裹，一方面使捕获的猎物窒息，另外一方面猎物挣扎时不易逃脱。因此本柔性机械手工作过程可分为三个阶段：

第一阶段为准备阶段，由于柔性吸头7为整机薄弱零件，为保护其在停机状态下的安全性，将本机初始状态设置为瓣形手6闭合状态；第二个阶段是吸取包裹阶段，该阶段可细分为两个同时工作的过程：1)柔性吸头7一次吸紧包裹过程，由于采用的是水下吸取形式的作业过程，对目标的定位精度要求大大减低；2)瓣形手6二次包裹过程，在目标物体不断被柔性吸头7吸紧包裹的同时，外部瓣形手机构逐渐对目标物体形成二次包裹，该包裹可以防止抓取和搬运过程中的由于水流作用目标物的脱落；第三个阶段为物体释放过程。

第一阶段(准备阶段)：本机初始状态为瓣形手6闭合状态，当柔性机械手开始工作时，控制器控制减速电机1运转带动固接在其输出轴上的驱动丝杆13转动，由于驱动丝杆13下端与活塞23上端通过螺纹副连接，在驱动丝杆13的驱动下活塞23开始向下运动。该过程中一方面，储存在气缸下腔的液体通过与活塞23下端连接的输出杆22上端侧孔流入输出杆22，经输出杆22内孔、固定盖18、过滤板(图中未标出)、定形盖进入装有球状颗粒的柔性吸头7内，最后经柔性吸头7下端微型吸盘口流出；另一方面，向下运动的固定盖18经销轴20带动拉杆17向下运动，在中心拉杆17的拉动下三组并联空间四连杆机构同时向下运动，推动固定在被动推杆26底部的瓣形手6向上转动，防止其干扰柔性吸头7抓取过程的正常进行，到此为止完成整个准备过程。

第二阶段(吸取包裹阶段)：当柔性吸头接触到不同形状的目标物体后，通过外在机械臂施加适当大小的力挤压目标物体，通过柔性吸头7自适应变形来完成对不同形状目标物体的包裹。在目标物体形成一定包裹后，在控制器控制下减速电机1反转带动固接在其输出轴上的驱动丝杆13转动，在驱动丝杆13的驱动下活塞23运动，带动固定盖18、定形件19、柔性吸头7以及目标物体向上运动。该过程中一方面，柔性吸头7内部液体以及通过柔性吸头7下端微型吸盘口吸入的目标物体与柔性吸头7包裹层间的液体，经柔性吸头、过滤板、固定盖、输出杆内孔和上侧孔吸入气缸下腔中，由于目标物体与柔性吸头包裹层间液体的减速微型吸头对目标物体表面的吸附力显著增加，同时柔性吸头内部球形颗粒间的液体缺失大大增加了柔性吸头包裹面对目标物体的包裹力；另一方面，固定盖18通过销轴20驱动在中心拉杆运动，在周向成120度的拉杆推动下三组并联空间四连杆机构同时运动，拉动固定在被动推杆26底部的瓣形手6向下转动，形成对目的物体的二次包裹，防止机械手在搬运过程中目标物体在暗流作用或振动下脱落。

第三阶段(目标物体释放阶段)：当机械手将目标物体搬运到指定位置后，在控制器控制下减速电机1转动，带动固接在其输出轴上的驱动丝杆13转动，在驱动丝杆13的驱动下活塞23运动，推动输出杆22、固定盖18、定形件19、柔性吸头7以及目标物体向下运动。该过程中储存在气缸下腔的液体在活塞23挤压推动下，通过与活塞23下端连接的输出杆22上端侧孔流入输出杆内孔，经输出杆内孔、固定盖18、过滤板(图中未标出)、定形盖充入装有球状颗粒的柔性吸头7内，最后从柔性吸头7下端微型吸盘口喷出，解除柔性吸头包裹力和微型吸头吸附力；于此同时，向下运动的固定盖18经销轴20带动拉杆17向下运动，在中心拉杆的拉动下三组并联空间四杆机构同时向下运动，推动固定在被动推杆26底部的瓣形手6向上转动，解除瓣形手防对目标物体的二次包裹，释放目标物体，到此为止完成整个操作过程结束。

本发明通过安装连接件，可安装在各种机械臂上使用。本发明设计理念来源于蜥蜴捕食，将通常采用的夹取式抓取方式改为类似蜥蜴捕食中的吸取和包裹式。其通过减速电机和气缸控制柔性吸头对目标物的吸附包裹和瓣形手的开合包裹。本发明可大大降低机械手对目标物定位精度的要求，提高了夹取和移动过程的稳定性和可靠性，同时柔性包裹不会对目标物体造成损伤。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性机械手，其特征在于，包括支撑架、瓣形手(6)、瓣形手驱动机构、柔性吸头组件及柔性吸头驱动机构，其中柔性吸头驱动机构和瓣形手驱动机构均设置于所述支撑架上，所述柔性吸头组件与所述柔性吸头驱动机构的输出端连接，所述瓣形手(6)设置于所述柔性吸头组件的外侧、并且通过所述瓣形手驱动机构与所述柔性吸头组件连接；所述柔性吸头驱动机构驱动柔性吸头组件伸出或缩回，同时带动所述瓣形手驱动机构动作，从而驱动所述瓣形手(6)张开或闭合；当所述瓣形手(6)闭合时，将所述柔性吸头组件包含于其手掌内。

2.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述支撑架包括安装板I(2)、安装板II(8)及支撑杆(11)，其中安装板I(2)和安装板II(8)平行设置、并且通过多组支撑杆(11)连接。

3.根据权利要求2所述的柔性机械手，其特征在于，所述柔性吸头驱动机构包括减速电机(1)、驱动丝杆(13)、气缸(14)、输出杆(22)及活塞(23)，其中减速电机(1)安装在所述安装板I(2)上，所述气缸(14)安装在所述安装板II(8)上，所述驱动丝杆(13)的一端与所述减速电机(1)的输出轴固定连接，另一端与所述气缸(14)内的活塞(23)螺纹副连接，所述输出杆(22)的一端插设于气缸(14)的腔体内、并且与所述活塞(23)固定连接，另一端穿过所述安装板II(8)、并且与所述柔性吸头组件固定连接，所述输出杆(22)为中空结构、并且位于气缸(14)腔体内的一端沿径向设有侧孔。

4.根据权利要求3所述的柔性机械手，其特征在于，所述减速电机(1)的前端通过电机固定盘(12)安装在所述安装板I(2)上、并且输出轴通过深沟球轴承(24)与所述安装板I(2)连接，所述气缸(14)通过气缸固定盘(15)安装在所述安装板II(8)上。

5.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述柔性吸头组件包括柔性吸头(7)、固定盖(18)、定形件(19)及微型吸盘(27)，其中柔性吸头(7)的上端穿过定形件(19)的内通孔、并且外翻包裹于定形件(19)的上端外圆柱面上，所述固定盖(18)通过环氧树脂与柔性吸头(7)的外翻部分固定连接，所述柔性吸头(7)的下端面布设有多个微型吸盘(27)，所述瓣形手驱动机构与固定盖(18)铰接。

6.根据权利要求1所述的柔性机械手，其特征在于，所述瓣形手(6)包括沿周向均布且呈花瓣式结构的多跟手指，各手指分别与一组所述瓣形手驱动机构连接。

7.根据权利要求6所述的柔性机械手，其特征在于，所述瓣形手驱动机构包括拉杆(17)、主动推杆(4)、内侧四连杆机构及外侧四连杆机构，其中内侧四连杆机构和外侧四连杆机构分别与所述支撑架铰接，所述主动推杆(4)的两端分别与内侧四连杆机构及外侧四连杆机构铰接，所述拉杆(17)的一端与所述内侧四连杆机构铰接，另一端与所述柔性吸头组件铰接，所述外侧四连杆机构与所述瓣形手(6)中的一手指固定连接。

8.根据权利要求7所述的柔性机械手，其特征在于，所述内侧四连杆机构包括内侧连杆I(3)、内侧连杆II(10)及两个连接杆(9)，其中内侧连杆II(10)的两端与所述支撑架铰接、并且与所述柔性吸头驱动机构的驱动方向垂直，所述内侧连杆I(3)通过两个连接杆(9)与内侧连杆II(10)铰接，并且所述内侧连杆I(3)与内侧连杆II(10)平行，所述内侧连杆I(3)与拉杆(17)和主动推杆(4)铰接。

9.根据权利要求7所述的柔性机械手，其特征在于，所述外侧四连杆机构包括外侧连接块(5)、外侧连杆(29)及两个被动推杆(26)，其中外侧连接块(5)与所述支撑架固定连接，所述外侧连杆(29)的两端分别通过两个被动推杆(26)与外侧连接块(5)铰接，所述外侧连杆(29)与外侧连接块(5)平行，所述外侧连杆(29)与所述主动推杆(4)铰接，两个被动推杆(26)与所述瓣形手(6)中的一手指固定连接。

10.根据权利要求7-9任一项所述的柔性机械手，其特征在于，所述主动推杆(4)为两个、并且相互平行。