CN110238869B - 一种柔性磁力网式机械抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性磁力网式机械抓取装置，涉及机械抓取技术领域，能够适应不同形状物体的外形，并且能牢固的抓紧物体，同时结构更加简单，控制更加便捷。本发明包括：包括手臂和夹持结构，夹持结构设置在手臂末端，夹持结构包括两个夹持面，夹持面分别是磁铁板和柔性网，柔性网的边缘和定位磁铁块固定连接。本发明本发明不仅优化了机械爪与被抓取物体的接触方式，同时改进了抓取时施力的控制，实现了反馈施力控制，具有更好贴合被抓取物体、夹取不损坏物体、施力更加均匀、控制拥有反馈、装置简单、机械臂位置控制便捷精确、装置重心稳定等优点。

Description

一种柔性磁力网式机械抓取装置

技术领域

本发明涉及机械抓取技术领域，尤其涉及一种柔性磁力网式机械抓取装置。

背景技术

现代工业生产或日常生活中，为了减少人工机械化地不断进行对于物品的分拣的重复动作，经常需要机器人及其手爪完成对于物品的抓取和放置到其他位置的任务。机械手爪主要分为手臂和末端执行器两部分。末端执行器完成抓取动作常用的方式有用吸盘吸附和夹具夹取。其中，夹具夹取又分为刚性机械爪和柔性机械爪。而其夹取驱动方式又有气动和机械传动之分。刚性机械爪夹取牢固，却容易对所抓取物件及其表面造成损坏，且难以适应形状不同的物品，如球体类、立方体、曲面体及复合体等等；而柔性机械爪虽然自身柔顺性良好，易于适应各类形状的物体，但仍存在抓取不够牢固、承受负载能力小，变形过大，仅适用于抓取较轻物体的问题，同时其系统必须设计成闭式循环结构并配置压力补偿器，较为笨重复杂。同时，柔性机械爪常采用气动驱动为主，结构更加复杂，且压缩气体过程中需要消耗的能量也较大。

发明内容

本发明提供一种柔性磁力网式机械抓取装置，能够适应不同形状物体的外形，并且能牢固的抓紧物体，同时结构更加简单，控制更加便捷。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种柔性磁力网式机械抓取装置，包括手臂和夹持结构，夹持结构设置在手臂末端，夹持结构包括两个夹持面，夹持面分别是磁铁板和柔性网，柔性网的边缘和定位磁铁块固定连接。

定位磁铁块和磁铁板相互吸引配合，将柔性网和磁铁板紧密闭合。

进一步的，磁铁板包括电磁铁底板、电磁铁、盖板。电磁铁底板上设置凹槽，凹槽内设置若干个电磁铁，盖板在电磁铁上方，和电磁铁底板的边缘固定连接。

进一步的，盖板表面设置若干个压力传感器。

进一步的，盖板底面设置乳胶垫。

进一步的，柔性网包括网格乳胶空心薄垫、乳胶薄膜。网格乳胶空心薄垫上设置网格状凹槽，凹槽内设置铁粉，乳胶薄膜覆盖在网格乳胶空心薄垫表面。

进一步的，手臂包括两段骨节和三个关节，关节设置在骨节的末端骨节的连接处。

进一步的，骨节采用电机驱动，电机设置在手臂的尾部。

本发明的有益效果是：

本发明的抓取通过机械动作加磁力完成，抓取更牢固，同时装置较简洁；同时，机械爪使用柔性好高弹性摩擦大的材料，保证机械爪在抓取力不减小的同时，不对物品外表造成损坏。另外，本发明的磁力通过小型电磁铁和柔性薄膜压力传感器形成反馈式压力控制系统。再者，本发明通过在柔性网中内置铁粉，达到抓取装置很好贴合各种形状物品的表面，并均匀地产生压力，完成抓取。因此，本发明不仅优化了机械爪与被抓取物体的接触方式，同时改进了抓取时施力的控制，实现了反馈施力控制，具有更好贴合被抓取物体、夹取不损坏物体、施力更加均匀、控制拥有反馈、装置简单、机械臂位置控制便捷精确、装置重心稳定等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为磁力柔性网式机械抓取装置机构示意图；

图2为磁铁板结构示意图；

图3为柔性网结构示意图；

图4为左主动齿轮臂结构示意图；

图5为右从动齿轮臂结构示意图；

图6为左主动齿轮臂和右从动齿轮臂啮合的结构示意图；

图7为第一、二、三关节结构示意图。

其中，1-磁铁板、11-乳胶垫、12-盖板、13-柔性薄膜压力传感器、14-电磁铁底板、15-电磁铁、2-柔性网、21-网格乳胶空心薄垫、22-乳胶薄膜、23-网格、3-定位磁铁块、4-支撑架、5-齿轮臂组、51-左主动齿轮臂、52-右从动齿轮臂、6-电机、7-机械爪支架、8-第三关节、81-第三关节控制电机、82-第三关节传动轴、83-一级同步带、84-二级同步带、85-三级同步带、86-一级双联同步带传动轮、87-二级双联同步带传动轮、9-第二关节、91-第二关节控制电机、92-第二关节传动轴、93-小臂组、10-第一关节、101-第一关节控制电机、102-固定轴、103-第一关节传动轴、104-左大臂、105-右大臂、106-曲柄、107-摇杆。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种柔性磁力网式机械抓取装置，如图1所示，包括：磁铁板1、柔性网2、定位磁铁块3、支撑架4、齿轮臂组5、电机6、机械爪支架7、三关节带传动机械臂组成。其中，三关节带传动机械臂由第一关节10，第二关节9，第三关节8组成，如图7所示。

关于第一关节10，第一关节控制电机101通过法兰盘与左大臂104联结，第一关节传动轴103和左大臂104、右大臂105固定连接，左大臂104则通过第一关节传动轴103带动右大臂105运动。

关于第二关节9，第二关节控制电机91通过法兰盘与曲柄106联结，曲柄106与摇杆107联结，摇杆107则与第二关节传动轴92固定连接，第二关节传动轴92上还固连32小臂组。

关于第三关节8，第三关节控制电机81通过同步带轮带动一级同步带83运动，一级同步带83和二级同步带84同时连接一级双联同步带传动轮86，从而带动二级同步带84运动。二级同步带84和三级同步带85均连接通过二级双联同步带传动轮87，从而带动三级同步带85运动。三级同步带85通过同步带轮与第三关节传动轴82联结。

第三关节8的末端和机械爪支架7铰接，机械爪支架7上设置电机6，电机6的输出轴和传动齿轮臂组5，齿轮臂组5的两个齿轮臂运动方向相反。齿轮臂组5分别固定连接磁铁板1和支撑架4，支撑架4的两端分别连接定位磁铁块3，柔性网2的边缘和定位磁铁块3连接，并且在定位磁铁块3之间展开。

磁铁板1如图2所示，电磁铁底板14是固定电磁阵列的载体，电磁铁底板14为中间部分凹陷的长方形，凹陷部分固定了若干电磁铁15，电磁铁15为小型电磁铁。电磁铁底板14外侧连接一块亚克力材质的盖板12，盖板12外侧固定了若干柔性薄膜压力传感器13，柔性薄膜压力传感器均位于亚克力盖板下方的电磁铁的正上方，贴有柔性薄膜压力传感器的亚克力盖板12外表面覆盖乳胶垫11。

柔性网2如图3所示：柔性网2由乳胶等高弹性材料制成，其中，网格乳胶空心薄垫21的网格23内部填充铁粉，外部由乳胶薄膜22覆盖。柔性网2两侧由定位磁铁块3和支撑架4固定，但定位磁铁块3和支撑架4并未完全将柔性网2撑开，柔性网2呈松弛状态。

齿轮臂组5由左主动齿轮臂51及右从动齿轮臂52组成。左主动齿轮臂51如图4所示，齿轮部分模数为2，分度圆半径为28mm,压力角为5°，面宽5mm,齿轮臂上共有20个齿；外伸臂的最外端面宽度为18mm，距齿轮轴心64mm。其部分中心有一个直径8mm的孔供输出轴穿过，外面在直径14mm的圆上有四个直径2.5mm的安装孔，安装孔用四颗螺丝与法兰盘连接，法兰盘连接电机6的输出轴。

右从动齿轮臂52如图5所示，右从动齿轮臂52的齿轮部分的技术参数同左主动齿轮臂51参数相同，右从动齿轮臂52的外伸臂的最外端面宽度为18mm，距齿轮轴心69mm。右从动齿轮臂52部分的中心有一直径24mm的通孔，通过轴承固定在光杆上。

左主动齿轮臂51和右从动齿轮臂52的齿轮部分啮合，如图6所示，因此转动方向相反，从而带动磁铁板1和柔性网2闭合或张开。

本实施例的工作过程为：

装置启动后，电机6控制齿轮臂组5中的左主动齿轮臂51逆时针旋转一定角度，同时与其啮合的右从动齿轮臂52被带动进行顺时针转动同一角度，于是磁铁板1和柔性网2张开。此时控制使磁铁板1中的电磁铁15通电。第一关节控制电机101、第二关节控制电机91、第三关节控制电机81配合控制机械臂使机械爪移动到便于抓取的位置后，电机6控制齿轮臂组5中的左主动齿轮臂51顺时针旋转一定角度，同时与其啮合的右从动齿轮臂52被带动进行逆时针转动同一角度，磁铁板1和柔性网2闭合。此时由于电磁铁15通电，定位磁铁块3受磁铁吸力作用紧密贴合到磁铁板1上；柔性网2则被定位磁铁块带动，包裹住被夹取物品向磁铁板1靠近。同时由于柔性网2中填充铁粉受磁力吸附作用，柔性网2自身也向磁铁板1靠近，使柔性网2紧密贴附于被夹取物体表面，同时也给物体表面提供垂直于重力方向的压力。而柔性网2表层由乳胶薄膜22覆盖、磁铁板1表面也由乳胶垫11覆盖，摩擦力系数较大，所以柔性网2可以提供给被夹取物体较大的摩擦力使其被抓起而不落下。其中，柔性网2由于其弹性和柔性较好可以很好地适应不同形状的物，磁铁板1表面覆盖的乳胶垫11也具有一定柔性，可保护物体表面不受夹取力损坏。另外，由若干电磁铁15提供的电磁吸力可以通过磁铁板1中内层固定的若干柔性薄膜压力传感器反馈的压力情况进行调节，使柔性网更好地贴合被夹取物体的外表面，根据被夹取物体的形状特点更好地提供垂直于重力方向的压力。

对于第一关节控制电机101、第二关节控制电机91、第三关节控制电机81带动机械臂运动的说明如下：

第一关节控制电机101带动左大臂104绕固定轴102转动，左大臂104则通过第一关节传动轴103带动右大臂105运动，由此，第一关节控制电机101控制机械臂绕固定轴102转动。

第二关节控制电机91通过曲柄106与摇杆107带动第二关节传动轴92转动，因此第二关节传动轴92上固连的小臂组93被带动绕第二关节传动轴92转动。

第三关节控制电机81通过同步带轮带动一级同步带83运动，一级同步带83通过一级双联同步带传动轮36带动二级同步带84运动；二级同步带84通过二级双联同步带传动轮87带动三级同步带85运动；三级同步带85通过同步带轮与第三关节传动轴82联结，因此与第三关节传动轴82固连的机械爪被带动绕第三关节传动轴82转动。

本发明的有益效果是：

本发明的夹持机构是通过电磁力的配合完成抓取动作，其中，机械爪的一边为磁铁板，磁铁板由若干小型电磁铁组成；另一边的柔性网底层为网格乳胶空心薄垫，内置铁粉，铁粉受磁铁板电磁吸力作用在保证抓取柔性的同时，铁粉被电磁铁磁力吸附，使柔性网各点均匀地对物体产生垂直于重力方向的压力，电磁力夹取装置较气动装置更加简洁，同时承受负载能力也更大；

本发明的夹持机构在接触物品处均使用乳胶材料，柔性好、弹性高、摩擦大，以保证物品不受刚性夹取损坏。柔性网底层为网格乳胶空心薄垫，内置铁粉，外层由乳胶薄膜包裹，柔性很好；夹持机构中的磁力板接触物品部分也覆盖有乳胶垫，对于乳胶等柔性好、弹性高、摩擦大的材料的使用，可以在增大抓取时的摩擦力同时减小夹取时对物品的局部压力，不对表面造成损坏。

本发明中电磁力以点的形式较均匀分布于被抓取物品表面。电磁力是通过若干小型电磁铁产生，通过电磁力吸附柔性网中均匀分布的铁粉，铁粉再对被抓取物品产生均匀的垂直于重力方向的压力。

本发明中柔性网能够很好地适应各种不同形状的物体抓取。由于柔性网的柔软特性和高弹性，柔性网能够很好地贴合各类形状物体的表面，并不对表面造成损坏，同时由于其内置铁粉受磁铁板吸力作用，柔性网也能均匀地存在物体表面各点产生压力，均匀地施力完成物品的抓取。

本发明中的电磁力可以通过柔性薄膜压力传感器反馈进行调整。磁力板上安装了柔性薄膜压力传感器，可通过压力传感器的反馈单独控制各电磁铁电流以此达到控制各个小型电磁铁磁力，达到对物品局部加强抓力的目的。

本发明中的机械臂控制电机均后置。控制机械臂三级转动的控制电机均后置于机械臂尾部，有利于机械臂安装于运动载体时整体机构的稳定和平衡机械爪重量，减小运动载体重心的偏移。

本发明中机械臂由三个控制电机控制三级转动，能够使机械臂更精准地调整至合适机械爪工作的位置。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种柔性磁力网式机械抓取装置，包括手臂和夹持结构，所述夹持结构通过齿轮臂组（5）设置在手臂末端，经齿轮臂组（5）控制夹持结构开合；其特征在于，所述夹持结构包括两个夹持面，所述夹持面分别是磁铁板（1）和柔性网（2），柔性网（2）的边缘和定位磁铁块（3）固定连接；

磁铁板（1）包括电磁铁底板（14）、电磁铁（15）、盖板（12）；电磁铁底板（14）上设置凹槽，所述凹槽内设置若干个电磁铁（15），盖板（12）在电磁铁（15）上方，和电磁铁底板（14）的边缘固定连接；

柔性网（2）包括网格乳胶空心薄垫（21）、乳胶薄膜（22）；网格乳胶空心薄垫（21）上设置网格状凹槽，所述凹槽内设置铁粉，乳胶薄膜（22）覆盖在网格乳胶空心薄垫（21）表面；

当电磁铁（15）通电，定位磁铁块（3）和磁铁板（1）相互吸引配合，将柔性网（2）和磁铁板（1）紧密闭合；同时由于柔性网（2）中填充铁粉受磁力吸附作用，使柔性网（2）紧密贴附于被夹取物体表面。

2.根据权利要求1所述的柔性磁力网式机械抓取装置，其特征在于，盖板（12）表面设置若干个压力传感器。

3.根据权利要求2所述的柔性磁力网式机械抓取装置，其特征在于，盖板（12）底面设置乳胶垫（11）。

4.根据权利要求1、2或3所述的柔性磁力网式机械抓取装置，其特征在于，所述手臂包括两段骨节和三个关节，所述关节设置在所述骨节的末端、所述骨节的连接处。

5.根据权利要求4所述的柔性磁力网式机械抓取装置，其特征在于，所述骨节采用电机驱动，所述电机设置在所述手臂的尾部。