CN109262646A - 一种链板式柔性手指 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种链板式柔性手指，由链板式骨架、气动弹性波纹管人工肌肉、塑料环架等组成。弹性波纹管人工肌肉的轴向膨胀由于受到链板式骨架限制，克服拉弹簧的弹性力产生弯曲，使一个或多个链板与被抓取物体产生顺应性接触，并产生抓持状态接触力。通过高速开关阀控制，精确控制弹性波纹管人工肌肉内腔的气压，满足垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形等物体，或水平抓取球形、圆柱形、方形等物体。其柔性自适应性好，结构简单、使用可靠，适应抓取物体形状、竖横放置的变化。本发明机械手属于机器人、机电一体化的应用技术领域，与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣等生产和物流领域。
Description
技术领域
本发明涉及工业机器人技术领域，尤其是一种链板式柔性手指。
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。
目前，软体机器人结构大体可分为静水骨骼、肌肉性静水骨骼2种结构。大部分软体动物(如蠕虫、海葵)典型结构是肌肉构成封闭腔，内部充满体液，形成静水骨骼结构。肌肉性静水骨骼结构没有封闭的流体腔，典型的肌肉性静水骨骼结构由相互对抗的横肌和纵肌组成，当横肌收缩时身体向纵向伸展；当纵肌收缩时，身体向横向伸展，体积始终保持不变。动物的舌头、大象鼻子、章鱼触手都是肌肉性静水骨骼结构软体机器人模仿自然界中的软体动物，由可承受大应变的柔软材料制成，具有无限多自由度和连续变形能力，可在大范围内任意改变自身形状和尺寸，所以它能改变构型、使其形成的软体机械手到达工作空间内的任意一点。由于对压力的低阻抗，软体机械手可通过柔顺变形的方式与接触物体相容，从而大幅度降低接触力，使其在抓取柔软、易碎物体方面有很好的应用潜力。软体机器人(机械手)优点是具有良好的结构柔性和运动柔性、自由度大、适应强，缺点是载荷能力有限、手指容易发生侧弯或者扭转运动、手指内气囊非线性大变形不利于手指的力学建模分析。
发明内容
本发明针对上述现有生产技术中的缺点，着重针对上述复杂抓持对象，提供一种结构合理的链板式柔性手指，与工业机器人本体连接后使用，结合软体机器人和刚性灵巧机械手的优点，从而克服适用范围与适合抓取力矛盾的缺陷；可靠地以包络方式抓持物体，或者直接驱动异形超柔弹性骨架使末端弹性变形、从而可靠地捏取方式抓持物体；抓取复杂对象时，抓取范围更广，具有柔性自适应的抓取效果，能够适应物体尺寸的变化和形状的不同；适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣等生产和物流领域。
本发明所采用的技术方案如下：
一种链板式柔性手指，包括弹性波纹管人工肌肉，所述弹性波纹管人工肌肉为中部设有内腔的管状结构，其外壁呈波纹状，顶部为开口端，顶部开口端通过卡箍与波口管接头连接，波口管接头一侧面上安装气管接头，波口管接头顶面上通过螺钉固定有手指安装板；弹性波纹管人工肌肉波纹状外壁的波谷中安装有塑料环架，相邻两个塑料环架之间间隔处安装有一块链板，多块链板在弹性波纹管人工肌肉外壁一侧沿轴向顺次铰接；还包括拉弹簧，拉弹簧安装于链板内壁与弹性波纹管人工肌肉外壁之间，并通过所述塑料环架固定。
其进一步技术方案在于：
所述塑料环架的安装结构包括：环形段，环形段套置在弹性波纹管人工肌肉外壁的波谷内，环形段一侧向外延伸有侧板，侧板端部通过一根铰链芯轴同时与位于该侧板上部和下部两块链板铰接，侧板两端分别设有与所述拉弹簧两端的簧钩相连接的圆柱杆。
每个链板的上端和下端均设有两个铰链座，每个链板上端的两个铰链座之间间隔处卡接有侧板的端部，每个链板上端两个铰链座卡入位于其上方的链板下端的两个铰链座之间。
塑料环架等间距安装于弹性波纹管人工肌肉外壁的波谷中。
链板长度为弹性波纹管人工肌肉波纹波距的整数倍。
相邻两个塑料环架之间设有一个拉弹簧。
气管接头与波口管接头之间安装有密封圈。
弹性波纹管人工肌肉采用橡胶材质。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，使用可靠，柔性自适应性好，选择合适的原始状态下的弹性波纹管人工肌肉，选择合适长度的链板，调节塑料环架在弹性波纹管人工肌肉不同波谷的位置，选择合适拉弹簧，从而满足不同形状、尺寸以及材质的特殊抓取对象(如纸杯、水蜜桃等软性材质)的安全抓取需要。同时，本发明还具有如下优点：
1、具有链板骨架，符合关节型机械手的特点，所有关节仅在同一个平面内产生角位移，抓持接触力大、范围广。
2、通过高速开关阀控制，精确控制弹性波纹管人工肌肉内腔的气压，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、气动系统增益大，弹性气动波纹管肌肉轻巧、无气缸上活塞与缸筒、活塞杆与缸盖的密封摩擦阻尼，从而反应敏捷、缓冲性好。
附图说明
图1为本发明的主剖视图。
图2为本发明的左视图。
图3为本发明弹性波纹管人工肌肉的结构图。
图4为本发明塑料环架的主视图。
图5为图4中沿A-A截面的左剖视图。
图6为本发明链板的主视图。
图7为图6中沿B-B截面的左剖视图。
其中：1、弹性波纹管人工肌肉；2、塑料环架；3、铰链芯轴；4、链板；5、拉弹簧；6、卡箍；7、波口管接头；8、手指安装板；9、气管接头；10、密封圈。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2和图3所示，本实施例的链板式柔性手指，包括弹性波纹管人工肌肉1，弹性波纹管人工肌肉1为中部设有内腔的管状结构，其外壁呈波纹状，顶部为开口端，顶部开口端通过卡箍6与波口管接头7连接，波口管接头7一侧面上安装气管接头9，波口管接头7顶面上通过螺钉固定有手指安装板8；弹性波纹管人工肌肉1波纹状外壁的波谷中安装有塑料环架2，相邻两个塑料环架2之间间隔处安装有一块链板4，多个链板4在弹性波纹管人工肌肉1外壁一侧沿轴向顺次铰接；还包括拉弹簧5，拉弹簧5安装于链板4内壁与弹性波纹管人工肌肉1外壁之间，并通过塑料环架2固定。
如图4所和图5所示，塑料环架2的安装结构包括：环形段，环形段套置在弹性波纹管人工肌肉1外壁的波谷内，沿环形段径向外侧延伸有侧板，侧板端部通过一根铰链芯轴3同时与位于该侧板上部和下部的链板4铰接，侧板的两侧分别设有与拉弹簧5两段簧钩连接的圆柱杆。
如图6和图7所示，每个链板4的上端和下端均设有两个铰链座，每个链板4上端的两个铰链座之间间隔处卡接有与之连接的塑料环架2侧板的端部，每个链板4上端两个铰链座卡入位于其上方链板4下端的两个铰链座之间。
塑料环架2等间距或不等间距的安装于弹性波纹管人工肌肉1外壁的波谷中。
链板4长度为弹性波纹管人工肌肉1波纹波距的整数倍。
相邻的两个塑料环架2之间设有一个拉弹簧5。
气管接头9与波口管接头7之间安装有密封圈10。
弹性波纹管人工肌肉1采用橡胶材质。
本发明的实施原理和过程如下：
本发明由气压驱动，使用时由于控制体积小，根据压力变送器的反馈信号，每根柔性手指单独采用高速开关阀来控制弹性波纹管人工肌肉1内腔的压力、或者任意根柔性手指并联后采用高速开关阀来控制弹性波纹管人工肌肉1内腔的压力。
通大气时的原始状态下，柔性手指可以是伸直的、或与充气弯曲方向相同或相反的弯曲状态。
链板4可以是等节距或不等节距的，链板4的节距长度可以是、或不是弹性波纹管人工肌肉1原始状态或压缩后波距的整数倍。
任意相邻的两个塑料环架2之间有、或没有一个拉弹簧5。
弹性波纹管人工肌肉1是由橡胶材料制成的，其原始状态有以下四种情况：(1)等波距情况下，可以是如图3所示的”U”形状的纵截面、或可以是”Ω”形状或”V”形状的纵截面；(2)不等波距情况下，可以是上述三种纵截面形状中的任意一种；(3)等波距或不等波距情况下，可以是由这三种纵截面形状中的任意二种构成；(4)等波距或不等波距情况下，可以是由这三种纵截面形状构成。
拉弹簧5不是一种性能的拉弹簧，拉弹簧5是弹簧中径相同的一系列拉弹簧，拉弹簧5的螺距、自由长度，及其弹簧丝的材料和直径，这四种选择可以是任意三种、或任意两种、或一种不相同，从而得到不同弹性参数的拉弹簧，便于在不同使用状态时各处安装不同弹性参数、从而具有不同特性的拉弹簧。
如图1、图2所示，原始状态下等波距的”U”形状与”Ω”形状纵截面组合的弹性波纹管人工肌肉1，链板式柔性手指在此原始状态下拉弹簧5的预紧力为零。
弹性波纹管人工肌肉1的柔顺性好，可以在任意点、任意方向上整体性弹性弯曲变形，如在平面上“S”形状的整体性弹性变形，且弹性波纹管人工肌肉1弹性弯曲变形的变形抗力小、耗能少。
充气时，弹性波纹管人工肌肉1的轴向膨胀，推动塑料环架2运动，塑料环架2由于受到链板4骨架式限制，克服拉弹簧5的弹性力使链板式柔性手指产生弯曲，使一个或多个链板4与被抓取物体产生顺应性接触，并产生抓持状态接触力，此接触力的作用点和大小，均与充气压力、拉弹簧5性能(弹簧参数、预紧状态的影响)相关。
使用时，选择合适的原始状态下的弹性波纹管人工肌肉1，选择合适节距的链板4，调节塑料环架2在弹性波纹管人工肌肉1的波谷位置，选择合适拉弹簧5性能，从而满足不同形状、尺寸以及材质的特殊抓取对象(如纸杯、水蜜桃等软性材质)的安全抓取需要。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (8)
1.一种链板式柔性手指，其特征在于：包括弹性波纹管人工肌肉(1)，所述弹性波纹管人工肌肉(1)为中部设有内腔的管状结构，其外壁呈波纹状，顶部为开口端，顶部开口端通过卡箍(6)与波口管接头(7)连接，波口管接头(7)一侧面上安装气管接头(9)，波口管接头(7)顶面上通过螺钉固定有手指安装板(8)；弹性波纹管人工肌肉(1)波纹状外壁的波谷中安装有塑料环架(2)，相邻两个塑料环架(2)之间间隔处安装有一块链板(4)，多块链板(4)在弹性波纹管人工肌肉(1)外壁一侧沿轴向顺次铰接；还包括拉弹簧(5)，拉弹簧(5)安装于链板(4)内壁与弹性波纹管人工肌肉(1)外壁之间，并通过所述塑料环架(2)固定。
2.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：所述塑料环架(2)的安装结构包括：环形段，环形段套置在弹性波纹管人工肌肉(1)外壁的波谷内，环形段一侧向外延伸有侧板，侧板端部通过一根铰链芯轴(3)同时与位于该侧板上部和下部两块链板(4)铰接，侧板两端分别设有与所述拉弹簧(5)两端的簧钩相连接的圆柱杆。
3.如权利要求2所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：每个链板(4)的上端和下端均设有两个铰链座，每个链板(4)上端的两个铰链座之间间隔处卡接有侧板的端部，每个链板(4)上端两个铰链座卡入位于其上方的链板(4)下端的两个铰链座之间。
4.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：塑料环架(2)等间距安装于弹性波纹管人工肌肉(1)外壁的波谷中。
5.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：链板(4)长度为弹性波纹管人工肌肉(1)波纹波距的整数倍。
6.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：相邻两个塑料环架(2)之间设有一个拉弹簧(5)。
7.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：气管接头(9)与波口管接头(7)之间安装有密封圈(10)。
8.如权利要求1所述的一种链板式柔性手指，其特征在于：弹性波纹管人工肌肉(1)采用橡胶材质。
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