CN108673541B - 一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，包括丝杠轴电机、上座板、导向联结杆、直线轴承、驱动板、推板、短推杆、连杆、底座板、柔性手指、转动手指座长推杆、小支座、拉弹簧、单头波纹管肌肉和带脊推板，所述柔性手指的骨架是根据等强度原理设计的厚度异形板弹簧。本发明通过电机的控制，可以调整根指节与被抓物体的角度，实现了接触点位置的调整，对被抓物体接触点位置的调整，可以根据情况选择接触力的作用点，以及作用力的方向，抓取更精确可靠；同时，调整根指节与被抓物体的角度，可以适应抓取物体尺寸的较大变化；本发明气动系统增益大，气动波纹管肌肉轻巧，从而反应敏捷、缓冲性好。

Description

一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手
技术领域
本发明属于机器人、机电一体化技术领域，具体涉及一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手。
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，需要物流抓取的末端抓持器。就抓取的复杂对象的种类：①形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③易变形的软性物体(面包、软包装物品)；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(末端抓持器)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。
现有技术存在以下问题：目前，欠驱动机械手的手指部分为刚性变约束结构，每根手指共三个自由度。在单电机驱动下，未接触被抓取物体时手指任意点的运动轨迹是固定不变的、会对小的被抓取物体的支撑面(如输送带)产生干涉。接触被抓取物体时需要克服两个扭弹簧作用，其作用点、作用力的大小方向不可改变。既不能适应前述被抓持复杂对象的形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂对象的特殊性要求，同时还会对被抓持复杂对象产生较大冲击。因此，刚性结构的欠驱动机械手适应性不好，不能有效地抓持前述的复杂对象。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，具有抓取效果广，柔性自适应效果的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，包括丝杠轴电机、上座板、导向联结杆、直线轴承、驱动板、推板、短推杆、连杆、底座板、柔性手指、转动手指座长推杆、小支座、拉弹簧、单头波纹管肌肉和带脊推板，所述丝杠轴电机安装在上座板的上端，所述上座板和底座板靠两根导向联结杆固定成整体，两根所述导向联结杆的两端均有圆柱段分别与上座板和底座板上的孔间隙配合，所述底座板的中间位置设置有带座轴承，所述丝杠轴电机带动的丝杠螺母座固定在驱动板上，所述驱动板上安装有两个直线轴承，两个所述直线轴承靠对应的导向联结杆导向，所述驱动板上下直线运动；所述固定手指座通过螺钉安装在底座板上，左边的柔性手指的指根节的上端通过铰链连接在固定手指座下端，所述推板固定安装在驱动板上，右边中间的转动手指座的指根上端通过铰链安装在固定手指座下端，所述长推杆固定在驱动板上，所述长推杆和推板的外侧均安装有短推杆，所述短推杆与连杆的一端铰链连接，所述柔性手指连接的连杆的另一端与柔性手指上的铰链固定座通过铰链连接，所述转动手指座连接的连杆的另一端与转动手指座上的铰链固定座通过铰链连接，所述驱动板带动长推杆上下直线运动，所述单头波纹管肌肉的中间位置设置有带脊推板，所述带脊推板的两端设置有圆压板；
右边的外侧的两个所述柔性手指的指根节的上端均与转动手指座铰链连接，右边的外侧的两个柔性手指随转动手指座与转动驱动板是同轴心线地、整体地转动，驱动来自两个单头波纹管肌肉，所述转动手指座上部的轴段套进轴套，所述轴套顶住底座板的小带座轴承的转动内圈，转动手指座上部的轴段的螺纹部分用螺母旋紧，将转动手指座的轴向固定在底座板上的小带座轴承上，底座板上的小带座轴承通过螺钉固定在底座板上，所述单头波纹管肌肉靠卡箍固定在密封头的波状卡口上，带气管接头的密封头固定在小支座上，所述小支座固定在驱动板上，两根所述拉弹簧的一端钩进带脊推板的背脊上的孔中，所述拉弹簧的另一端钩进小支座上的孔中，所述驱动板的外侧安装的短推杆的连杆的另一端与柔性手指上的铰链固定座通过铰链连接；
所述柔性手指包括厚度异形板弹簧、铰链座、铰链支座、支架、厚密封头、气管接头、固定卡箍、双头波纹管肌肉和薄密封头，所述铰链座固定安装在厚度异形板弹簧上，所述双头波纹管肌肉的上端靠卡箍固定在厚密封头的波状卡口上，所述气管接头通过螺纹旋装在厚密封头上，所述双头波纹管肌肉的下端靠卡箍固定在薄密封头的波状卡口上，所述厚密封头、薄密封头均固定在支架，所述铰链支座固定在厚度异形板弹簧上，所述铰链芯轴上套有粗扭簧。
优选的，所述推板驱动短推杆、连杆用来调节柔性手指指根与底座板间的夹角，所述带脊推板驱动短推杆、连杆用来调节柔性手指指根与底座板间的夹角。
优选的，所述转动推板的厚度与驱动板外侧的导槽的宽度间隙配合，靠圆柱销铰链连接而转动。
优选的，所述单头波纹管肌肉的平面端夹紧固定在带脊推板的背脊上。
优选的，所述单头波纹管肌肉充气膨胀驱动小支座、右边的外侧的柔性手指转动。
优选的，所述驱动板带动长推杆上下直线运动，所述长推杆驱动短推杆、连杆从而调节指根与底座板间的夹角。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过电机的控制，可以调整根指节与被抓物体的角度，实现了接触点位置的调整，对被抓物体接触点位置的调整，可以根据情况选择接触力的作用点，以及作用力的方向，使抓取过程不对物体造成形变以及损伤，抓取更精确可靠；同时，调整根指节与被抓物体的角度，可以适应抓取物体尺寸的较大变化。
2、本发明通过高速开关阀控制，精确控制气动单头波纹管肌肉驱动压强，精确控制指根转位角度，从而实现了手指转位角度的精确控制，满足垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平抓取球形、圆柱形、方形物体，适应抓取物体形状、竖横放置的变化。
3、本发明通过高速开关阀控制，精确控制气动双头波纹管肌肉驱动压强，实现抓取力的精确控制，以及抓取力作用点和大小的柔性自适应性。
4、本发明气动系统增益大，气动波纹管肌肉轻巧，从而反应敏捷、缓冲性好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的D-D结构示意图；
图3为本发明的C-C结构示意图；
图4为本发明的B-B结构示意图；
图5为本发明的E-E结构示意图；
图6为本发明的柔性手指部件结构图结构示意图；
图7为本发明的厚度异形板弹簧结构示意图；
图8为本发明的厚度异形板弹簧左视结构示意图；
图9为本发明的转动手指座主视结构示意图；
图10为本发明的转动手指座侧视结构示意图；
图11为本发明的小支座主视结构示意图；
图12为本发明的小支座侧视结构示意图；
图13为本发明的带脊推板主视结构示意图；
图14为本发明的带脊推板俯视结构示意图；
图15为本发明的单头波纹管肌肉结构示意图；
图中：1、丝杠轴电机；2、上座板；3、导向联结杆；4、丝杠螺母座；5、直线轴承；6、驱动板；7、推板；8、短推杆；9、固定手指座；10、连杆；11、带座轴承；12、底座板；13、柔性手指；13a、厚度异形板弹簧；13b、铰链座；13c、铰链支座；13d、支架；13e、厚密封头；13f、气管接头；13g、固定卡箍；13h、双头波纹管肌肉；13i、薄密封头；14、转动手指座；15、轴套；16、长推杆；17、转动推板；18、密封头；19、小支座；20、拉弹簧；21、单头波纹管肌肉；22、带脊推板；23、圆压板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-15，本发明提供以下技术方案：一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，包括丝杠轴电机1、上座板2、导向联结杆3、直线轴承5、驱动板6、推板7、短推杆8、连杆10、底座板12、柔性手指13、转动手指座14长推杆16、小支座19、拉弹簧20、单头波纹管肌肉21和带脊推板22，丝杠轴电机1安装在上座板2的上端，上座板2和底座板12靠两根导向联结杆3固定成整体，两根导向联结杆3的两端均有圆柱段分别与上座板2和底座板12上的孔间隙配合，底座板12的中间位置设置有带座轴承11，丝杠轴电机1带动的丝杠螺母座4固定在驱动板6上，驱动板6上安装有两个直线轴承5，两个直线轴承5靠对应的导向联结杆3导向，驱动板6上下直线运动；转动推板17的厚度与驱动板6外侧的导槽的宽度间隙配合，靠圆柱销铰链连接而转动，固定手指座9通过螺钉安装在底座板12上，左边的柔性手指13的指根节的上端通过铰链连接在固定手指座9下端，推板7固定安装在驱动板6上，右边中间的转动手指座14的指根上端通过铰链安装在固定手指座9下端，长推杆16固定在驱动板6上，长推杆16和推板7的外侧均安装有短推杆8，驱动板6带动长推杆16上下直线运动，长推杆16驱动短推杆8、连杆10从而调节指根与底座板12间的夹角，短推杆8与连杆10的一端铰链连接，推板7驱动短推杆8、连杆10用来调节柔性手指13指根与底座板12间的夹角，带脊推板22驱动短推杆8、连杆10用来调节柔性手指13指根与底座板12间的夹角，柔性手指13连接的连杆10的另一端与柔性手指13上的铰链固定座通过铰链连接，转动手指座14连接的连杆10的另一端与转动手指座14上的铰链固定座通过铰链连接，驱动板6带动长推杆16上下直线运动，单头波纹管肌肉21的中间位置设置有带脊推板22，单头波纹管肌肉21的平面端夹紧固定在带脊推板22的背脊上，单头波纹管肌肉21充气膨胀驱动小支座19、右边的外侧的柔性手指13转动，带脊推板22的两端设置有圆压板23；
右边的外侧的两个柔性手指13的指根节的上端均与转动手指座14铰链连接，右边的外侧的两个柔性手指13随转动手指座14与转动驱动板6是同轴心线地、整体地转动，驱动来自两个单头波纹管肌肉21，转动手指座14上部的轴段套进轴套15，轴套15顶住底座板12的小带座轴承的转动内圈，转动手指座14上部的轴段的螺纹部分用螺母旋紧，将转动手指座14的轴向固定在底座板12上的小带座轴承上，底座板12上的小带座轴承通过螺钉固定在底座板12上，单头波纹管肌肉21靠卡箍固定在密封头18的波状卡口上，带气管接头的密封头18固定在小支座19上，小支座19固定在驱动板6上，两根拉弹簧20的一端钩进带脊推板22的背脊上的孔中，拉弹簧20的另一端钩进小支座19上的孔中，驱动板6的外侧安装的短推杆8的连杆10的另一端与柔性手指13上的铰链固定座通过铰链连接；
柔性手指13包括厚度异形板弹簧13a铰链座13b、铰链支座13c、支架13d、厚密封头13e、气管接头13f、固定卡箍13g、双头波纹管肌肉13h和薄密封头13i，铰链座13b固定安装在厚度异形板弹簧13a上，双头波纹管肌肉13h的上端靠卡箍固定在厚密封头13e的波状卡口上，气管接头13f通过螺纹旋装在厚密封头13e上，双头波纹管肌肉13h的下端靠卡箍固定在薄密封头13i的波状卡口上，厚密封头13e、薄密封头13i均固定在支架13d，铰链支座13c固定在厚度异形板弹簧13a上，铰链芯轴上套有粗扭簧。
因为双头波纹管肌肉13h驱动力在变厚度部分的上端、下端横截面上产生应力最大、中间横截面产生应力最小，作用在悬臂端(指尖处)的抓持力在变厚度部分的上端产生应力最大、下端产生应力最小，抓持状态下是驱动力和抓持力产生的应力叠加，所以根据驱动力和抓持力，从等强度设计角度得出，如附图7-8所示，厚度异形板弹簧13a的中间部分壁厚是变厚度的，即变厚度部分的上端壁厚大、下端壁厚小，中间段偏下方(指尖方向)壁厚最小；厚度异形板弹簧13a为弹簧钢材料，其等厚度段壁厚大、弹性变形小，且厚度方向加工了沉头孔。
本发明的工作原理及使用流程：本发明使用时，针对具体被抓取对象进行优化计算后，可以计算出所需抓取力所对应的抓取姿态和接触点位置，抓取姿态和接触点位置由电机转动角度和各波纹管肌肉内部压力的精确协同控制。具体是：①抓取同种类的(如苹果)、形状尺寸不一致的复杂对象时，能够通过选择适当的扭弹簧参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持此种类的复杂对象；②抓取同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形，或大小方盒等四方体)、形状尺寸变化大的同形状复杂对象时，能够通过选择适当的扭弹簧参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持同形状的复杂对象；③同时抓取不同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形和小方盒等四方体)、形状尺寸不相同的复杂对象时，能够通过适当选择扭弹簧参数和手指结构尺寸，和精确单头波纹管肌肉21的内部压力、克服拉弹簧20的拉力调节手指转位后，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持不同形状的复杂对象。
本发明仿鹰爪物流包装机械手，通过手指转位角度的精确控制，可垂直地抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平地抓取球形、圆柱形、方形物体，从而既适应抓取物体形状、又满足竖横放置变化的需求。
根据对象形状(如圆柱形、长方形等)尺寸和材料物理特性，通过ADAMS软件对机械手手指的各种构形状态进行了仿真，确定各构形的适应形状尺寸范围和不损坏且可靠抓持(不脱落)的适应条件，确定仿鹰爪物流包装机械手最终抓持构型、接触点位置和接触力的大小、方向。
由于柔性手指结构，机械手状态有：①未接触情况下手指的空载运动；②接触后接触力为零状态；③接触后物体未运动，但接触力增大，接触力的作用点位置、接触力方向变化；④接触后物体未运动，接触力最大状态；⑤物体与机械手同时加速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑥物体与机械手同时匀速位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑦物体与机械手同时减速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑧物体与机械手静止的悬停状态。
动态控制时，①在未接触情况下手指的空载运动时，确定避免与输送带或操作台桌面干涉的手指尖的路径规划，形成电机转动和波纹管肌肉压力驱动的动态控制策略；②接触后物体未运动、接触力最大状态时，物体被提起瞬间，接触力发生突变，可以通过压力变送器和高速开关阀控制，调整各个波纹管肌肉内部压力；③在物体与机械手同时加速度位移或减速度位移时，可以适应性调节各个波纹管肌肉内部压力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，包括丝杠轴电机(1)、上座板(2)、导向联结杆(3)、直线轴承(5)、驱动板(6)、推板(7)、短推杆(8)、连杆(10)、底座板(12)、柔性手指(13)、转动手指座(14)、长推杆(16)、小支座(19)、拉弹簧(20)、单头波纹管肌肉(21)和带脊推板(22)，其特征在于：所述丝杠轴电机(1)安装在上座板(2)的上端，所述上座板(2)和底座板(12)靠两根导向联结杆(3)固定成整体，两根所述导向联结杆(3)的两端均有圆柱段分别与上座板(2)和底座板(12)上的孔间隙配合，所述底座板(12)的中间位置设置有带座轴承(11)，所述丝杠轴电机(1)带动的丝杠螺母座(4)固定在驱动板(6)上，所述驱动板(6)上安装有两个直线轴承(5)，两个所述直线轴承(5)靠对应的导向联结杆(3)导向，所述驱动板(6)上下直线运动；固定手指座(9)通过螺钉安装在底座板(12)上，左边的柔性手指(13)的指根节的上端通过铰链连接在固定手指座(9)下端，所述推板(7)固定安装在驱动板(6)上，右边的柔性手指(13)的指根上端通过铰链安装在转动手指座(14)下端，所述长推杆(16)固定在驱动板(6)上，所述推板(7)的外侧安装有短推杆(8)，转动推板(17)的外侧安装有长推杆(16)，所述短推杆(8)与所述长推杆(16)均分别与一根连杆(10)的一端铰链连接，所述柔性手指(13)连接的连杆(10)的另一端与柔性手指(13)上的铰链固定座通过铰链连接，所述转动手指座(14)连接的连杆(10)的另一端与转动手指座(14)上的铰链固定座通过铰链连接，所述驱动板(6)带动长推杆(16)上下直线运动，所述单头波纹管肌肉(21)的中间位置设置有带脊推板(22)，所述带脊推板(22)的两端设置有圆压板(23)；
右边的外侧的两个所述柔性手指(13)的指根节的上端均与转动手指座(14)铰链连接，右边的外侧的两个柔性手指(13)随转动手指座(14)与转动驱动板(6)是同轴心线地、整体地转动，驱动来自两个单头波纹管肌肉(21)，所述转动手指座(14)上部的轴段套进轴套(15)，所述轴套(15)顶住底座板(12)的小带座轴承的转动内圈，转动手指座(14)上部的轴段的螺纹部分用螺母旋紧，将转动手指座(14)的轴向固定在底座板(12)上的小带座轴承上，底座板(12)上的小带座轴承通过螺钉固定在底座板(12)上，所述单头波纹管肌肉(21)靠卡箍固定在密封头(18)的波状卡口上，带气管接头的密封头(18)固定在小支座(19)上，所述小支座(19)固定在驱动板(6)上，两根所述拉弹簧(20)的一端钩进带脊推板(22)的背脊上的孔中，所述拉弹簧(20)的另一端钩进小支座(19)上的孔中，所述驱动板(6)的外侧安装的短推杆(8)的连杆(10)的另一端与柔性手指(13)上的铰链固定座通过铰链连接；
所述柔性手指(13)包括厚度异形板弹簧(13a)、铰链座(13b)、铰链支座(13c)、支架(13d)、厚密封头(13e)、气管接头(13f)、固定卡箍(13g)、双头波纹管肌肉(13h)和薄密封头(13i)，所述铰链座(13b)固定安装在厚度异形板弹簧(13a)上，所述双头波纹管肌肉(13h)的上端靠卡箍固定在厚密封头(13e)的波状卡口上，所述气管接头(13f)通过螺纹旋装在厚密封头(13e)上，所述双头波纹管肌肉(13h)的下端靠卡箍固定在薄密封头(13i)的波状卡口上，所述厚密封头(13e)、薄密封头(13i)均固定在支架(13d)，所述铰链支座(13c)固定在厚度异形板弹簧(13a)上，铰链芯轴上套有粗扭簧；所述厚度异形板弹簧(13a)的中间部分具有加厚部，所述加厚部的上端壁厚大、下端壁厚小；所述厚度异形板弹簧(13a)为弹簧钢材料，其厚度方向加工了沉头孔。
2.根据权利要求1所述的一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，其特征在于：所述推板(7)驱动短推杆(8)、连杆(10)用来调节柔性手指(13)指根与底座板(12)间的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，其特征在于：所述转动推板(17)的厚度与驱动板(6)外侧的导槽的宽度间隙配合，靠圆柱销铰链连接而转动。
4.根据权利要求1所述的一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，其特征在于：所述单头波纹管肌肉(21)的平面端夹紧固定在带脊推板(22)的背脊上。
5.根据权利要求1所述的一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，其特征在于：所述单头波纹管肌肉(21)充气膨胀驱动小支座(19)、右边的外侧的柔性手指(13)转动。
6.根据权利要求1所述的一种电气复合驱动厚度异形板弹簧骨架柔性机械手，其特征在于：所述驱动板(6)带动长推杆(16)上下直线运动，所述长推杆(16)驱动连杆(10)从而调节柔性手指(13)指根与底座板(12)间的夹角。
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