CN110315560B - 一种夹具系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种夹具系统，本发明解决了不能对工件进行精确夹持的难题，该夹具系统包括气压动作轴，整个夹具机构具有可控轴向收缩的特性，进一步利用运动分析来建构一并联式四轴柔性夹具机构。此外，本发明还具备两项特点，第一是通过单一陀螺仪传感器来进行四支气压动作轴的个别闭回路控制，其二是简化利用两个比例方向阀来控制四支气压动作轴的气压压力值，使其具有结构简单、成本降低以及控制容易的特点，进而达到良好的定位效果。

Description

一种夹具系统及其使用方法

技术领域

本发明工装领域，更具体地讲，涉及一种夹具系统。

背景技术

众所皆知，柔性夹具在工业机器人、医疗器械等领域具有相当广泛的应用潜力，而随着现今计算器技术、机器人技术以及控制理论的快速发展，柔性夹具的应用也将越来越普遍，柔性夹具可以仿真真实的行为模式，以减少操作人员在作业中所产生的危险。然而目前的柔性夹具仍然具有很多的不足，例如不具有高刚性、高负载能力，而且成本非常高，因此针对这个现状，非常迫切需要开发一种操控精度高、结构简单、成本低的夹具。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，该夹具系统包括夹具机构和控制系统。

进一步的，夹具机构包括底座，底座固定在支持装置上而保持静止，底座上设有若干个连接套，每个连接套内均连接有气压动作轴；气压动作轴包括一个硅胶材料制成的软管，软管由玻璃纤织网包覆，软管的端部连接有进气管，进气管至于连接套中并穿出底座而与通气管道相连，当气压动作轴充气时，软管开始膨胀，玻璃纤织网会对软管的径向膨胀产生拘束力，进而使软管的径向膨胀力转换为轴向膨胀力，从而实现收缩，软管和玻璃纤织网一侧之间还设有一片硬性材料的薄片，薄片覆盖软管，供给气压时，气压动作轴会朝放置硬性薄片的方向产生偏转，从而实现弯曲；气压动作轴的端部设有万向转接头；夹具机构还包括刚性平台，刚性平台上设有夹爪，夹爪的数量与气压动作轴的数量一致，夹爪穿过刚性平台与万向转接头相连；刚性平台的中心位置设有载台，载台上设有一个陀螺仪；气压动作轴上还穿设有定位板；

进一步的，控制系统包括控制终端和控制管路，控制管路上设有二位五通电磁阀，控制管路上还设有至少两个比例方向阀，其中，一个比例方向阀能够用于控制两个气压动作轴，比例方向阀具有A、B两个控制孔位，通气管道与A、B两个控制孔位以交叉的方式进行接通，比例方向阀为三位五通阀，控制管路上还设有模糊控制器。

进一步的，控制终端下达动作姿态口令并进行转换计算出各个气压动作轴的预期伸缩量，通过模糊控制器计算所需的控制量，经由D/A 卡输出模拟讯号输入至两个比例方向阀，两个比例方向阀来控制气压量使得各个气压动作轴得以进行伸缩控制，当各个气压动作轴动作时，陀螺仪采集倾斜角度位置并进行转换计算出各个气压动作轴实际伸缩量，将实际伸缩量与预期伸缩量进行比较，偏移误差讯号在有效范围内时则停止控制，否则再次输出下一次的控制量，依此循环至控制结束，偏移误差讯号为预期伸缩量减去实际伸缩量的位移差值。

进一步的，气压动作轴会根据通入气压的大小而成比例的进行收缩变化，气压动作轴的弯曲角度能够达到30°。

进一步的，夹爪具有柔性，并且夹爪的外表面包覆有保护套。

进一步的，夹具系统还包括储物装置，储物装置设有四个储物格。

进一步的，夹具系统还包括推动气缸，推动气缸用于推动被夹持工件。

进一步的，连接套的数量为四个，比例方向阀数量为两个。

本发明解决了不能对工件进行精确夹持的难题，该夹具系统包括气压动作轴，整个夹具机构具有可控轴向收缩的特性，进一步利用运动分析来建构一并联式四轴柔性夹具机构。此外，本发明还具备两项特点，第一是通过单一陀螺仪传感器来进行四支气压动作轴的个别闭回路控制，其二是简化利用两个比例方向阀来控制四支气压动作轴的气压压力值，使其具有结构简单、成本降低以及控制容易的特点，进而达到良好的定位效果。

附图说明

图1为本发明的夹具机构示意图。

图2为本发明的夹具系统示意图。

图3为本发明的夹具机构局部示意图。

图4为本发明的角度关系示意图。

图5为本发明的夹具机构工作状态示意图。

图6为本发明的具有伸缩功能的气压动作轴示意图。

图7为气压动作轴伸缩状态示意图。

图8为本发明的具有弯曲功能的气压动作轴示意图。

图9为本发明的气压动作轴弯曲状态示意图。

图10为本发明的底座和刚性平台空间坐标定义示意图。

图11为本发明的底座和刚性平台向量示意图。

图12为本发明的控制过程示意图。

图13为本发明的储物装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明所涉及的机构为并联式气压挠性夹具，具体的为一封闭并联式连杆机构，其机构为：主体由两刚体所组成，其中固定的刚体为底座1，可动的刚体为刚性平台5，通过四个几何拘束件所连接，整个夹具平台的姿态由四个几何拘束件所驱动。本发明所研究的并联式气压挠性夹具示意图，如图1所示，包含上下两平板，即底座1和刚性平台5，连接两平板的四个几何拘束件为四根可收缩的气压动作轴3，形成四面体的机构，其上平台的接头为万向接头，接头间的角度关系如图3所示。

另外，底座1上设有若干个（优选的数量为四个）连接套2，四个气压动作轴3连接在对应的连接套2内。

刚性平台5上设有夹爪6，夹爪6的数量与气压动作轴3的数量一致，夹爪6穿过刚性平台5与万向转接头4相连。

本夹具机构为电控比例气压式，当夹具机构经过气压动作使气气压动作轴3作来回伸缩时，气压动作轴3的相互牵制与各个接点的旋转效果使夹爪6做出各种姿态，如：上下、左右、俯仰等。

本发明的气压动作轴3包括一个硅胶材料的软管，再利用玻璃纤织网包覆硅胶软管。当气压动作轴3充气时，则硅胶软管会开始膨胀，由于外围所包覆的玻璃纤织网会对硅胶软管的径向膨胀产生拘束力，进而使硅胶软管的径向膨胀力被转换为轴向膨胀力，因气压动作轴3将具有伸缩特性的效果。本发明所涉及的气压动作轴3长度为180-200 mm、内部硅胶软管直径为10-12 mm，整体来讲，其作动原理为，在通入气压后，气压动作轴3会产生轴向收缩变形，且会根据输入气压的大小，而其收缩量也会以比例式来进行变化。

本发明的气压动作轴3还具有弯曲功能，在上述所提及的具有轴向伸缩功能的气压动作轴3的基础上实现调弯功能，其不同之处是在具有轴向伸缩功能的气压动作轴3中放入一片硬性材料的薄片，设置在硅胶软软管和玻璃纤织网一侧之间。当供给气压时，气压动作轴3会因不同的材料特性而有所变化，其动作会朝放置硬性薄片的方向产生自由度偏转，进而达到弯曲特性效果，而发明的具有弯曲型的夹具弯曲角度可达到30°，本发明将利用伸缩型与弯曲型功能的夹具来设计制作出仿人类手臂运动并同时具备类似手掌抓取对象的功能。

本发明的并联式气压夹具机构是由四根气压动作轴3支撑一刚性平台5，在气压动作轴3的控制部分，若要控制单一轴的气压动作轴3一般需要配置一个相对应的比例压力阀来进行控制，然而，由于本发明是由四根气压动作轴3来组成的一个集成化平台，如果全部配置的话，则整体结构会变得相当庞大，且成本也会相对提高。为改善这个问题，本发明利用两个比例方向阀来取代四个比例压力阀的配置方式，其所使用的比例方向阀是三位五通阀，此比例方向阀体组件具有A、B 孔位的控制，相当适合本夹具机构以一个阀体组件来控制2 个气压动作轴3的架构，除了能有效控制四根气压动作轴3的作动，使其作动方式更近似于人类手臂运动状态之外，也能减少整体机构复杂度，并能降低成本，接法为交叉此方式的接法才可进行单轴倾斜控制，且四轴在进行运动控制时皆不会相互干涉。

如图2所示为并联式气压夹具系统的架构图，在系统平台传感器的部分，本文发明的气压动作轴3的动作方式为具有直线收缩的功能，一般而言需要装置位移传感器来量测其收缩量，但若每根轴上皆装置传感器时，整体机构与成本亦会相对增加，而且在控制上也将较为复杂，为了克服此缺点，本发明利用芯片式陀螺仪 (型号：MMA7361) 来取代原本必须装置在四根气压动作轴3的四件位移传感器，如此可以大幅简化系统的复杂度，陀螺仪装置点的位置在并联式气压夹具机构刚性平台5的中心点，可比拟于人类手掌的中心点，具体为刚性平台5的中心位置设有载台7，载台7上设有一个陀螺仪，其作动原理为：当终端下达夹具机构的运动姿态模式时，通过陀螺仪输出 (X、Y、Z) 坐标点讯号，此即是机构对应的平台倾斜角度值，再将倾斜角度值通过本文反向运动学分析与运算，可获得四根气压动作轴3的实际收缩量，即可得到夹具机构的动作姿态。

夹具机构的运动位置和方向皆由其四根气压动作轴3所决定，因此要使整个机构完成所要求的姿态，就必需知道其位置所对应的气压动作轴3的伸长量，本发明利用陀螺仪来取代每个气压动作轴3上都必须装置位移传感器的功能，此方式既可节省成本也能减少整体重量，但为了获得每个气压动作轴3的角度变化量，则需通过反向运动学来推导夹具机构的4 根气压动作轴3的位移量。

为了明确气压动作轴所构成的空间，首先定义二个坐标位置。使用笛卡尔坐标，基座坐标{B}和上刚性平台坐标{P}。基座坐标{B} 的原点在基座中心O _B ，上平台坐标{P}的原点在上平台中心O _P ，如图10所示，根据坐标定义，通过姿态转换矩阵来推导出平台坐标{P}与基座坐标{B}之间的转换关系。由图11定义空间各向量之关系，B _d = [x y z] ^T 为坐标{P}原点 (即平台中心点) 相对于坐标 {B} 的向量，依据反向运动学，这样可推导出气压动作轴长度的向量B _qi =[q _ix q _iy q _iz ] ^T 。

本发明利用模糊控制在非线性系统控制上的优点，来控制比例方向阀的输出气压压力值，并进而有效控制气压动作轴3的收缩量，以提升响应速度。本发明使用模糊控制系统为模仿PID 控制器的操作方式，一方面建立PID控制模式的数据库并植入模糊控制器内，另一方面则利用模糊控制规则来调整所需的控制参数，以提升线性化控制效果。

如图12 所示为气压挠性手臂Fuzzy 控制系统图，综合模糊控制系统设计、系统特性、操作经验及控制目的，制定出描述系统动作之控制推论法则，并经过定义的归属函数及模糊集合，将系统输入位移量参考值来表示位置，产生相对之归属值，其动作原理如下：控制终端9下达动作姿态口令并进行转换计算出各个气压动作轴3的预期伸缩量，通过模糊控制器12计算所需的控制量，经由D/A 卡输出模拟讯号输入至两个比例方向阀11，两个比例方向阀11来控制气压量使得各个气压动作轴3得以进行伸缩控制，当各个气压动作轴3动作时，陀螺仪采集倾斜角度位置并进行转换计算出各个气压动作轴3实际伸缩量，将实际伸缩量与预期伸缩量进行比较，偏移误差讯号在有效范围内时则停止控制，否则再次输出下一次的控制量，依此循环至控制结束，偏移误差讯号为预期伸缩量减去实际伸缩量的位移差值。

该夹具系统的使用步骤如下：

A．使用推动气缸将被夹持件向夹爪方向持续推动；

B．当被夹持件距离夹爪距离3-5cm时，停止推动，开启压力源，使得气压动作轴开始进气；

C．继续使用推动气缸将被夹持件向夹爪方向持续推动，同时操作控制终端下达动作姿态口令，使得夹爪通过控制系统的操控下将被夹持件夹住并直至夹紧，并停止操控推动气缸运作；

D．将推动气缸撤离，然后将夹具机构搬运至指定区域；

E．操作控制终端下达动作姿态口令，使得夹爪通过控制系统的操控下将被夹持件松开并放置指定地点。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种夹具系统的使用方法，所述的夹具系统包括夹具机构和控制系统；

所述的夹具机构包括底座（1），所述的底座（1）固定在支持装置上而保持静止，所述的底座（1）上设有若干个连接套（2），每个所述的连接套（2）内均连接有气压动作轴（3）；所述的气压动作轴（3）包括一个硅胶材料制成的软管，所述的软管由玻璃纤织网包覆，所述的软管的端部连接有进气管，所述的进气管置于所述的连接套（2）中并穿出所述的底座（1）而与通气管道相连，当所述的气压动作轴（3）充气时，所述的软管开始膨胀，所述的玻璃纤织网会对所述的软管的径向膨胀产生拘束力，进而使所述的软管的径向膨胀力转换为轴向膨胀力，从而实现收缩，所述的软管和所述的玻璃纤织网一侧之间还设有一片硬性材料的薄片，所述的薄片覆盖所述的软管，供给气压时，所述的气压动作轴（3）会朝放置硬性薄片的方向产生偏转，从而实现弯曲；所述的气压动作轴（3）的端部设有万向转接头（4）；所述的夹具机构还包括刚性平台（5），所述的刚性平台（5）上设有夹爪（6），所述的夹爪（6）的数量与所述的气压动作轴（3）的数量一致，所述的夹爪（6）穿过所述的刚性平台（5）与所述的万向转接头（4）相连；所述的刚性平台（5）的中心位置设有载台（7），所述的载台（7）上设有一个陀螺仪；所述的气压动作轴（3）上还穿设有定位板（8），所述的气压动作轴（3）会根据通入气压的大小而成比例的进行收缩变化，所述的气压动作轴（3）的弯曲角度能够达到30°；

所述的控制系统包括控制终端（9）和控制管路，所述的控制管路上设有二位五通电磁阀（10），所述的控制管路上还设有两个比例方向阀（11），其中，一个所述的比例方向阀（11）能够用于控制两个所述的气压动作轴（3），所述的比例方向阀具有A、B两个控制孔位，所述的通气管道与所述的A、B两个控制孔位以交叉的方式进行接通，所述的比例方向阀（11）为三位五通阀，所述的控制管路上还设有模糊控制器（12）；

所述的控制终端（9）下达动作姿态口令并进行转换计算出各个所述的气压动作轴（3）的预期伸缩量，通过所述的模糊控制器（12）计算所需的控制量，经由D/A 卡输出模拟讯号输入至两个所述的比例方向阀（11），两个所述的比例方向阀（11）来控制气压量使得各个所述的气压动作轴（3）得以进行伸缩控制，当各个所述的气压动作轴（3）动作时，所述的陀螺仪采集倾斜角度位置并进行转换计算出各个所述的气压动作轴（3）实际伸缩量，将所述的实际伸缩量与所述的预期伸缩量进行比较，偏移误差讯号在有效范围内时则停止控制，否则再次输出下一次的控制量，依此循环至控制结束，所述的偏移误差讯号为所述的预期伸缩量减去所述的实际伸缩量的位移差值；

所述的夹具系统还包括推动气缸，所述的推动气缸用于推动被夹持工件，其特征在于，

所述的夹具系统的使用步骤如下：

A．使用推动气缸将被夹持件向夹爪方向持续推动；

B．当被夹持件距离夹爪3-5cm时，停止推动，开启压力源，使得气压动作轴开始进气；

C．继续使用推动气缸将被夹持件向夹爪方向持续推动，同时操作控制终端下达动作姿态口令，使得夹爪通过控制系统的操控将被夹持件夹住并直至夹紧，并停止操控推动气缸运作；

D．将推动气缸撤离，然后将夹具机构搬运至指定区域；

E．操作控制终端下达动作姿态口令，使得夹爪通过控制系统的操控将被夹持件松开并放置指定地点。

2.根据权利要求1所述的一种夹具系统的使用方法，其特征在于，所述的夹爪（6）具有柔性，并且所述的夹爪（6）的外表面包覆有保护套。

3.根据权利要求1所述的一种夹具系统的使用方法，其特征在于，所述的夹具系统还包括储物装置，所述的储物装置设有四个储物格。

4.根据权利要求1所述的一种夹具系统的使用方法，其特征在于，所述的连接套（2）的数量为四个。

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