CN109773819A - 一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，包括掌体和至少两个手指，所述手指包括导块、弧形件、弹簧片和阻尼器，所述导块与所述弧形件的一端连接，所述弧形件的另一端与弹簧片的一端固定连接，所述弹簧片的另一端穿过靠近弧形件一端的贯通孔；所述阻尼器包括导管、电磁线圈、活塞杆、磁流变液和套筒，所述弹簧片的中部与所述活塞杆一端连接，所述活塞杆的另一端伸入所述套筒内做直线运动，所述套筒与所述弧形件固定连接，所述套筒内腔充以磁流变液，所述套筒与导管接通，所述套筒外侧布置所述电磁线圈；各个手指的导块可滑动地套装在所述掌体内。本发明调节夹具的夹持刚度，提高了手指的适应性，使手指具有了主动柔顺性。

Description

一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具

技术领域

本发明涉及机器人、智能农业装备技术领域，具体地说，是一种基于磁流变液的柔顺夹具。

背景技术

关节型机器人已普遍应用于工农业生产、生活服务等方方面面，在夹持作业过程中，传统的机械工装夹具由于不具有柔顺性，没有主动的刚度适应性，容易夹伤操作对象表面，或者夹持不够稳定。为了防止夹伤操作对象，提高工装夹具的可靠性，要求夹具与被夹持对象接触表面具有一定的柔性，从而减小接触表面应力集中。现有技术中采用的方法主要是使用弹性材料，如橡胶、尼龙等弹性材料包覆接触表面，也有使用弹簧等弹性元件作为受力单元使工装夹具具有一定的柔性。

但这些现有的方法存在以下缺点：

(1)夹具使用弹性变形来拟合被夹持物外形时，由于被夹持物外表面受力不均匀，所以可能出现被夹持物表面损坏的现象；

(2)无论是使用弹性材料，还是使用普通的弹簧结构，其夹持表面的刚度都无法根据实际使用要求作任意的调节；

(3)夹具表面的变形是受挤压力作用产生的，当开始发生变形时，如果受到其它外力影响仍会改变形状，尤其是夹持过程中如果机械臂发生运动，因加速度及被夹物品自重等的影响，容易导致夹持过程不稳定，甚至导致被夹持物掉落等情况的发生。

发明内容

为了克服已有机械手夹具无法调节夹持刚度、适应性较差的不足，本发明提供了一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，调节夹具的夹持刚度，提高了手指的适应性，使手指具有了主动柔顺性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，包括掌体和至少两个手指，所述手指包括导块、弧形件、弹簧片和阻尼器，所述导块与所述弧形件的一端连接，所述弧形件的另一端与弹簧片的一端固定连接，所述弹簧片的另一端穿过靠近弧形件一端的贯通孔且可在一定范围内滑动；所述阻尼器包括导管、电磁线圈、活塞杆、磁流变液和套筒，所述弹簧片的中部与所述活塞杆一端连接，所述活塞杆的另一端伸入所述套筒内做直线运动，所述套筒与所述弧形件固定连接，所述套筒内腔充以磁流变液，所述套筒与导管接通，所述套筒外侧布置所述电磁线圈；各个手指的导块可滑动地套装在所述掌体的滑槽内。

进一步，所述掌体包括步进电机、卡盘端盖、卡盘座、大锥齿轮和小锥齿轮，所述小锥齿轮与大锥齿轮均装配在卡盘主体内，所述小锥齿轮与大锥齿轮相互啮合，所述步进电机的输出轴与小锥齿轮通过键连接，所述大锥齿轮端面上设置有螺旋槽，所述卡盘座上设有滑槽，所述滑槽数量与手指数量相同，至少两个滑槽呈等圆弧间隔分布，导块上端侧面设有滑块，滑块可滑动地位于掌体滑槽内，导块上端面凸棱与所述大锥齿轮端面上的螺旋槽啮合。

再进一步，所述导块与弧形件上端通过螺钉固定连接，所述弹簧片与弧形件下端通过螺栓固定连接。

所述弹簧片的中部与所述活塞杆一端连接，由弹簧片的弹力和所述阻尼器活塞杆的阻力共同提供可变的夹持力。

所述导块的上端侧面设有滑块，所述滑块可滑动地位于柔顺夹具的掌体滑槽内，夹持作业时导块可在滑槽内作向心或离心运动。

本发明的技术构思为：磁流变液是一种智能材料，具有良好的磁致相变特性。无外加磁场作用时，表现为牛顿流体；而在外加磁场作用下，瞬间由自由流动的牛顿流体变为类固态的黏塑性体，呈现可控的剪切屈服强度，而且这种转变是可逆的。电磁线圈通电后，调节通入电磁线圈的电流大小，可以改变磁场强度，从而调节夹具的夹持刚度，提高了手指的适应性，使手指具有了主动柔顺性。

本发明的有益效果主要表现在：调节夹具的夹持刚度，提高了夹具的适应性，使夹具具有了主动柔顺性。

附图说明

图1是本发明的基于磁流变液的机械手二指柔顺夹具结构剖面图。

图2是本发明的基于磁流变液的机械手二指柔顺夹具斜视图。

图3是本发明的柔顺夹具手指阻尼器结构示意图。

图4是本发明的基于磁流变液的机械手柔顺夹具掌体结构示意图。

图5是本发明的基于磁流变液的机械手三指柔顺夹具结构斜视图。

图6是本发明的基于磁流变液的机械手四指柔顺夹具结构斜视图。

图中：1—步进电机，2—卡盘端盖，3—卡盘座，4—弧形件，5—导管，6—活塞杆，7—电磁线圈，8—弹簧片，9—导块，10—大锥齿轮，11—小锥齿轮，12-磁流变液，13-套筒。

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6，一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，包括一个柔顺夹具掌体和至少两个柔顺夹具手指。

所述柔顺夹具掌体包括步进电机1、卡盘端盖2、卡盘座3、大锥齿轮10和小锥齿轮11，所述小锥齿轮11与大锥齿轮10均装配在卡盘主体内，所述小锥齿轮11与大锥齿轮10相互啮合，所述步进电机1的输出轴与小锥齿轮11通过键连接，所述大锥齿轮10端面上设置有螺旋槽，所述卡盘座3上设有滑槽，所述滑槽设有至少两组，呈等圆弧间隔分布，所述导块9分别装配在至少两组滑槽内，所述导块上端凸棱与所述大锥齿轮10端面上的螺旋槽啮合。

所述柔顺夹具手指，导块9与弧形件4上端通过螺钉固定连接，所述弹簧片8与弧形件4下端通过螺栓固定连接，上端贯通并可在一定范围内滑动，所述导块9上端面有凸棱，可与柔顺夹具掌体内的螺旋槽啮合，夹持作业时所述导块9可在滑槽内作向心或离心运动。

所述导块9的上端侧面设有滑块，所述滑块可滑动地位于柔顺夹具的掌体滑槽内，夹持作业时导块可在滑槽内作向心或离心运动。

导管3、电磁线圈4、活塞杆5、磁流变液12、套筒13共同组成柔顺夹具手指阻尼器，所述电磁线圈4布置在套筒13外侧，所述导管3与套筒13接通，所述套筒13内充以磁流变液12，活塞杆5在套筒13内做直线运动。

所述弹簧片8的中部与所述活塞杆5一端连接，由弹簧片8的弹力和所述阻尼器活塞杆5的阻力共同提供可变的夹持力。

如图2所示，两个柔顺夹具手指安装在柔顺夹具掌体上，在电机的驱动作用下，手指导块在滑槽内作向心或离心运动。当需要夹持作业时，导块带动手指作向心运动，接触被夹持对象以后，通过改变电磁线圈中的电流来实时调整夹持力，尤其是当导块行程达到设定值以后，若出现夹持力超过设定的被夹对象承载安全阈值时，磁流变液黏塑性体会发生屈服，进一步增大包络接触面，减少被夹对象所受到的压强，从而充分保证了夹持作业的安全。当需要释放被夹持对象时，导块带动手指作离心运动，此时以一定的曲线特征减小励磁电流，在弹力作用下弹簧片可以逐步恢复至直线状态，恢复过程能够始终保持柔顺夹具与被夹持对象的适度接触，从而保证释放过程的安全。

基于磁流变液的机械手二指柔顺夹具工作原理如下：柔顺夹具手指由弧形件、导管、电磁线圈、活塞杆、弹簧片、套筒、磁流变液、导块、导管等组成。弹簧片的中间位置与活塞杆相连，磁流变液充于套筒内，通过调节电磁线圈的电流大小，从而可以改变磁流变液的黏度。当执行夹持作业时，弹簧片因夹持力的反作用力而发生变形，但是弹簧片的刚度是一个固定值，不能根据被夹持对象的属性而实时调整刚度，通过改变磁流变液的黏度，实时调节活塞杆伸缩过程中的阻尼，从而可以改变手指夹持的实时刚度，使手指具有了柔顺性。

基于磁流变液的机械手二指柔顺夹具由两个柔顺夹具手指、步进电机、卡盘端盖、卡盘座、大锥齿轮、小锥齿轮等组成，步进电机、卡盘端盖、卡盘座、大锥齿轮、小锥齿轮组成柔顺夹具掌体，柔顺夹具手指导块上端侧面的滑块嵌入柔顺夹具掌体的滑槽内，导块上端凸棱与柔顺夹具掌体内部的大锥齿轮螺旋槽啮合，步进电机驱动小锥齿轮、大锥齿轮旋转时，带动导块在滑槽内作离心或向心运动，从而实现柔顺夹具的夹持作业。通过综合调整导块行程及磁流变液黏塑性体的黏度，可以实时调整夹持刚度，从而使二指柔顺夹具也具有了柔顺性。

运动控制策略：机械手柔顺夹具手指中，所述弧形件上端与导块通过螺栓固定连接，所述弹簧片与弧形件下端通过螺栓固定连接，所述导块在柔顺夹具掌体内部大锥齿轮的作用下向夹具轴心滑动并夹取操作对象，所述弹簧片与被夹持对象之间互相接触时，弹簧片会由于反作用力而发生弯曲，通过改变磁流变液的黏度，实时调节活塞杆伸缩过程中的阻尼，从而可以改变手指夹持的实时刚度，使手指及夹具具有了柔顺性。运动控制策略分析如下：

1)夹取对象时，导块在柔顺夹具掌体内部大锥齿轮的带动下向夹具轴心滑动，手指向中心靠近，接触到夹取对象后，弹簧片在夹持力的反作用力的作用下发生弯曲，形成对被夹持对象的包络；

2)弹簧片弯曲时推动活塞杆运动，当电磁线圈中的励磁电流为零时，磁流变液宏观表现为牛顿流体，可随意流动的磁流变液在活塞杆的推动下会沿着导管流出活塞套筒。此时依靠弹簧片的弹力和活塞杆推动牛顿流体流动的反作用力来共同产生夹持力，夹持力大小不变。当活塞杆运动到底部时，磁流变液全部流出活塞套筒，活塞不能继续运动，此时表现为刚性夹具；

3)当电磁线圈中的励磁电流不为零时，磁流变液宏观表现为黏塑性体，励磁电流越大黏性越强，活塞杆将磁流变液挤压出套筒所需要的作用力也越大，此时的夹持力大小可调，即可通过调节励磁电流的大小来获取所需要的夹持力；

4)基于磁流变液设计的柔顺夹具在执行夹持作业时，可根据被夹持对象的特性、形状参数综合调整导块行程及励磁电流的大小，可以有效保证夹持的稳定性，当夹持力超过设定的被夹对象承载安全阈值时，也会由于磁流变液黏塑性体的屈服而使弹簧片的弯曲度增加，从而使夹具具有了柔顺性，充分保证了被夹持对象的安全；

5)当需要释放被夹持对象时，驱动导块向夹具轴心的外侧运动，同时将励磁电流逐步减小到零，在释放被夹持对象后，活塞杆在弹簧片的作用下退回到初始位置，弹簧片也恢复成直线。

参照图5，三个柔顺夹具手指安装在柔顺夹具掌体上；参照图6，四个柔顺夹具手指安装在柔顺夹具掌体上。其工作原理和运动控制策略与二指是相同的。

Claims (5)

1.一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，包括掌体和至少两个手指，所述手指包括导块、弧形件、弹簧片和阻尼器，所述导块与所述弧形件的一端连接，所述弧形件的另一端与弹簧片的一端固定连接，所述弹簧片的另一端穿过靠近弧形件一端的贯通孔；所述阻尼器包括导管、电磁线圈、活塞杆、磁流变液和套筒，所述弹簧片的中部与所述活塞杆一端连接，所述活塞杆的另一端伸入所述套筒内做直线运动，所述套筒与所述弧形件固定连接，所述套筒内腔充以磁流变液，所述套筒与导管接通，所述套筒外侧布置所述电磁线圈；各个手指的导块可滑动地套装在所述掌体内。

2.如权利要求1所述的一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，其特征在于，所述掌体包括步进电机、卡盘端盖、卡盘座、大锥齿轮和小锥齿轮，所述小锥齿轮与大锥齿轮均装配在卡盘主体内，所述小锥齿轮与大锥齿轮相互啮合，所述步进电机的输出轴与小锥齿轮通过键连接，所述大锥齿轮端面上设置有螺旋槽，所述卡盘座上设有滑槽，所述滑槽数量与手指数量相同，至少两个滑槽呈等圆弧间隔分布，导块分别装配在两组滑槽内，导块上端凸棱与所述大锥齿轮端面上的螺旋槽啮合。

3.如权利要求1或2所述的一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，其特征在于，所述导块与弧形件上端通过螺钉固定连接，所述弹簧片与弧形件下端通过螺栓固定连接。

4.如权利要求1所述的一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具手指，其特征在于，所述弹簧片的中部与所述活塞杆一端连接，由弹簧片的弹力和所述阻尼器活塞杆的阻力共同提供可变的夹持力。

5.如权利要求1或2所述的一种基于磁流变液的机械手柔顺夹具，其特征在于，所述导块的上端侧面设有滑块，所述滑块可滑动地位于柔顺夹具的掌体滑槽内，夹持作业时可在滑槽内作向心或离心运动。