CN110480670A - 一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置 - Google Patents

Abstract

一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，包括电机安装面、升降台面以及仿生柔性机械爪。电机安装在电机安装面上，电机的输出轴上连接有外表带螺纹联轴器，升降台面与联轴器螺纹连接。升降台面的外围均匀布置有多个连杆。各连杆的顶端活动连接在升降台面上，各连杆的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪。仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿活动安装在电机安装面的下端面上。通过控制电机正反转，实现升降台面降或升。升降台面下降，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向下运动闭合，仿生柔性机械爪根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作。升降台面上升，各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向上运动张开，完成释放动作。

Description

一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置

技术领域

本发明是涉及机械爪设计技术领域，特别是涉及一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置。

背景技术

机械爪能够模仿人手和臂膀的某些功能和动作，可以用于抓取、夹持、转移及搬运物体，可以取代人工操作进行危险或者繁重作业，是一种自动化操作装置，在医疗器械、物流运送等领域应用广泛。

目前，常见的机械爪多为夹持式，通常为刚性结构且具有比较复杂的构型，一般用于抓取外部坚硬、形状规则的物体。然而，当抓取的物体易碎、易变形或者形状不规则时，这种刚性结构的机械爪就容易对物体造成损伤破坏，或者难以适应复杂外形物体，导致抓取效果不好。鉴于现有机械爪在抓取易碎、易变形或者形状不规则物体时所存在的局限与不足，须探索新的设计思路与方法。

“仿生”是人类最早、最朴素的学习方式和生存手段，也是研究者从自然界汲取知识和获取灵感的重要方法。经过千百年的自然演变和优化选择，生物体获得了高超的生存技能和极强的环境适应能力，为科技创新提供了取之不竭的知识宝库和学习源泉。

龙凤鲤鱼有着独特的外型——龙头凤尾，头形似龙头，尾鳍长似凤凰尾。龙凤锦鲤是日本锦鲤的台湾衍生品种，其祖先是日本两尾进口到台湾的茶鲤，这两条荼鲤在台湾收到地理水土或者气候的影响，发生鳍变，鱼鳍变得长且大，尤其尾鳍。其尾鳍在水中的摆动是一种被动运动过程，由尾椎的平移运动以及尾鳍鳍面绕尾椎的转动运动复合而成，鳍面形状在运动过程中受到流体反作用力的作用而产生被动形变，所形成的鳍面形状被动地由流体特性决定。龙凤锦鲤尾鳍的形态结构和运动方式为机械爪设计提供了很好的仿生启示。

发明内容

针对现有机械爪在抓取易碎、易变形或者形状不规则物体时所存在的局限与不足，本发明提供一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其以龙凤锦鲤的尾鳍为仿生对象，通过研究其形态结构和运动方式，按照仿生思路设计柔性机械爪，通过结构布局和步进电机驱动，形成一套完整可行的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，以解决易变形、易碎和形状不规则物体的抓取、夹持及搬运问题。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，包括电机安装面、升降台面以及仿生柔性机械爪。

电机安装面与升降台面相对设置，升降台面设置在电机安装面的上方，电机安装在电机安装面上，电机的输出轴上连接有外表带螺纹联轴器，升降台面的中心设置有带螺孔的安装座，升降台面通过安装座与联轴器螺纹连接。电机正转时，电机的输出轴顺时针旋转，进而带动联轴器顺时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下下降，电机反转时，电机的输出轴逆时针旋转，进而带动联轴器逆时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下上升。

升降台面的外围均匀布置有多个用于连接仿生柔性机械爪的连杆。各连杆的顶端活动连接在升降台面上，各连杆的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪，仿生柔性机械爪的上端面靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的连接座，连杆的末端与仿生柔性机械爪上的连接座活动连接。各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿活动安装在电机安装面的下端面上。电机正转，升降台面下降时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，仿生柔性机械爪可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作，从而实现稳定抓取。电机反转时，升降台面上升时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向上运动张开，完成释放动作。

作为本发明的优选方案，在电机安装面上设置有多根立杆。升降台面上的对应位置均开设有供各立杆穿过的通孔。立杆的底端与电机安装面连接，立杆穿过升降台面上通孔伸出升降台面之外。立杆的设置，具有很好的导向作用，保证升降台面在升降过程中能够顺着立杆上下运动。

作为本发明的优选技术方案，还包括机械爪安装面，机械爪安装面用于将整个龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置固定安装待安装龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的物体上。机械爪安装面设置在升降台面上方，各立杆的顶端连接在机械爪安装面上。进一步地，所述联轴器的上端与机械爪安装面抵接，这样机械爪安装面还具有限位作用，也就是升降台面的可上升高度可取决于机械爪安装面的安装高度。同时，机械安装面、立杆的设置也使得本发明的整体性、稳定性更好。

作为本发明的优选方案，本发明的立杆数目、连杆数目均与仿生柔性机械爪相同。各立杆的底端分别固定连接在连接有仿生柔性机械爪的电机安装面的相应位置处，各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿与电机安装面的下端面以及各立杆的底端活动连接在一起。电机正转，升降台面下降时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕立杆底端沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作。电机反转时，升降台面上升时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕立杆底端向上运动张开，完成释放动作。

作为本发明的优选技术方案，所述仿生柔性机械爪采用PVC柔性材料制成。仿生柔性机械爪包括外侧面、内侧面以及上端面，外侧面、内侧面以及上端面首尾相连形成一个整体呈三角形的仿生柔性机械爪外轮廓，其中内侧面作为承力面，用于与待抓取的目标物体直接接触。外侧面作为支撑面，上端面实现与连杆、电机安装面等的活动连接。在抓取目标物体时，所有仿生柔性机械爪可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成目标物体的抓取动作。进一步地，作为承力面的内侧面上均匀分布多个条状凸起，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性。内侧面与外侧面之间设置有多根鳍条，各鳍条长度不一，可以根据需要将各鳍条等间距平行设置，也可以非等间距设置。

作为本发明的优选技术方案，本发明所述电机为步进电机。如可选用型号为42BYGH47-401A电机，驱动电压为12V，尺寸为34*42*48mm，总量为300g，步距角为1.8度，额定转矩为28Kg·cm。

作为本发明的优选技术方案，本发明的电机安装面、升降台面以及机械爪安装面均为铝合金材质。其中电机安装面和机械爪安装面均为正六边形的铝合金板。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、布局紧凑，结构简单，安装方便，成本低廉。

2、只需要单一驱动，控制简单，操作维护便利。

3、仿生柔性机械爪的承力面表面均匀分布多个条状凸起，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性，抓取稳定性高，应用灵活性强。

该装置可用于战场排爆、炸弹精准投放、班组辅助作战、高空危险作业、应急救援以及工业生产等军事和民用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪的结构示意图；

图2是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪弯曲变形时的结构示意图

图3是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的上视图；

图4是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的正视图；

图5是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的立体图；

图6是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的抓取效果示意图；

图7是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置中的升降台面的结构示意图。

图8是本发明一实施例中所提供的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置中的电机安装面、机械爪安装面以及立杆的连接示意图。

图中标号：

1.1、仿生柔性机械爪；1.2外侧面；1.3、内侧面；1.4、上端面；1.5、第一连接座；1.6、第一连接座；1.7、凸起；1.8、鳍条；2.1、机械爪安装面；3.1、电机安装面；4.1、升降台面；4.2、安装座；4.3、通孔；5.1、连杆；6.1、步进电机；7.1、立杆；8.1联轴器。

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劳动前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1和图2，是本发明一实施例中所提供的单个仿生柔性机械爪的结构示意图。仿生柔性机械爪1.1采用PVC柔性材料制成。仿生柔性机械爪1.1包括外侧面1.2、内侧面1.3以及上端面1.4，外侧面1.2、内侧面1.3以及上端面1.4首尾相连形成一个整体呈三角形的仿生柔性机械爪外轮廓，其中内侧面1.3作为承力面，用于与待抓取的目标物体直接接触。外侧面1.2作为支撑面。上端面1.4实现与连杆、电机安装面等的活动连接。具体地，上端面1.4靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的第一连接座1.5。上端面1.4内侧边沿设置有用于与电机安装面的下端面活动连接的第二连接座1.6。

在抓取目标物体时，所有仿生柔性机械爪1.1可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成目标物体的抓取动作。作为承力面的内侧面1.3上均匀分布多个条状凸起1.7，可以增加与目标物体接触时的摩擦力和包络性。内侧面1.3与外侧面1.2之间设置有多根鳍条1.8，各鳍条1.8长度不一，可以根据需要将各鳍条1.8等间距平行设置，也可以非等间距设置。

参照图3至图8，本发明提供一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，包括仿生柔性机械爪1.1、机械爪安装面2.1、电机安装面3.1、升降台面4.1、连杆5.1、步进电机6.1以及立杆7.1。机械爪安装面2.1用于将整个龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置固定安装待安装龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的物体上。本实施例中，机械爪安装面2.1上均匀分布有6个螺纹孔，用于将整个龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置固定安装待安装龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的物体上。

电机安装面3.1、升降台面4.1以及机械爪安装面2.1均为铝合金材质。其中电机安装面3.1和机械爪安装面2.1均为正六边形的铝合金板。本实施例中，参照图7，升降台面4.1的形状为类三角形。机械爪安装面2.1、升降台面4.1、电机安装面3.1由上至下相对设置。机械爪安装面2.1设置在升降台面4.1的上方，升降台面4.1设置在电机安装面3.1的上方。

步进电机6.1安装在电机安装面3.1的中央位置上，步进电机6.1的输出轴上连接有外表带螺纹的联轴器8.1。联轴器8.1的材质可以为合金钢，形状为圆柱体，联轴器8.1的外表面设有螺纹。联轴器8.1的下端安装在步进电机6.1的输出轴上。升降台面4.1的中心设置有带螺孔的安装座4.2，升降台面4.1通过安装座4.2与联轴器8.1螺纹连接。联轴器8.1的上端与机械爪安装面2.1抵接。

本实施例中的立杆7.1数目、连杆5.1数目均与仿生柔性机械爪1.1数目相同，均为三个。

升降台面4.1的外围均匀布置有三个用于连接仿生柔性机械爪的连杆5.1。连杆5.1的截面形状不限，本实施例中为长方形。各连杆5.1的顶端活动连接在升降台面4.1上，各连杆5.1的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪1.1，仿生柔性机械爪1.1的上端面1.4靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的第一连接座1.5，连杆5.1的末端与仿生柔性机械爪1.1上的第一连接座1.5活动连接。本实施例中连杆5.1的顶端和末端均设置有通孔，用于安装销钉，分别用于与升降台面4.1、仿生柔性机械爪1.1活动铰接。仿生柔性机械爪1.1的上端面内侧边沿设置有用于与电机安装面3.1的下端面活动连接的第二连接座1.6。各仿生柔性机械爪1.1通过其上端面内侧边沿处的第二连接座1.6活动安装在电机安装面3.1的下端面上。

在电机安装面3.1上均匀设置有三根立杆7.1。立杆7.1的截面形状不限，本实施例中为长方形。升降台面4.1上的对应位置均开设有供各立杆7.1穿过的通孔4.3。各立杆7.1的底端分别固定连接在连接有仿生柔性机械爪1.1的电机安装面3.1的相应位置处，各仿生柔性机械爪1.1的上端面内侧边沿与电机安装面3.1的下端面以及各立杆7.1的底端活动连接在一起。本实施例中，各立杆7.1的底端设有通孔，可以安装销钉，用于与仿生柔性机械爪1.1活动铰接。立杆7.1穿过升降台面4.1上通孔4.3伸出升降台面4.1之外，各立杆7.1的顶端抵接在机械爪安装面2.1上。立杆的设置，具有很好的导向作用，保证升降台面在升降过程中能够顺着立杆上下运动。

参照图5和图6，步进电机6.1正转，电机的输出轴顺时针旋转，进而带动联轴器8.1顺时针旋转，升降台面4.1在联轴器8.1的螺纹带动下下降，通过各连杆5.1传动到各仿生柔性机械爪1.1，使各仿生柔性机械爪1.1绕立杆底端沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪1.1的承力面与目标物体接触时，可以根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作。步进电机6.1反转时，电机的输出轴逆时针旋转，进而带动联轴器8.1逆时针旋转，升降台面4.1在联轴器8.1的螺纹带动下上升，通过各连杆5.1传动到各仿生柔性机械爪1.1，使各仿生柔性机械爪1.1绕立杆底端向上运动张开，完成释放动作。

本发明所述电机为步进电机。如可选用型号为42BYGH47-401A电机，驱动电压为12V，尺寸为34*42*48mm，总量为300g，步距角为1.8度，额定转矩为28Kg·cm。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：包括电机安装面、升降台面以及仿生柔性机械爪；

电机安装面与升降台面相对设置，升降台面设置在电机安装面的上方，电机安装在电机安装面上，电机的输出轴上连接有外表带螺纹联轴器，升降台面的中心设置有带螺孔的安装座，升降台面通过安装座与联轴器螺纹连接；

升降台面的外围均匀布置有多个用于连接仿生柔性机械爪的连杆；各连杆的顶端活动连接在升降台面上，各连杆的末端分别活动连接一仿生柔性机械爪，仿生柔性机械爪的上端面靠近其外沿的位置设置有用于与连杆末端活动连接的连接座，连杆的末端与仿生柔性机械爪上的连接座活动连接；各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿活动安装在电机安装面的下端面上。

2.根据权利要求1所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：电机正转时，电机的输出轴顺时针旋转，进而带动联轴器顺时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下下降，电机反转时，电机的输出轴逆时针旋转，进而带动联轴器逆时针旋转，升降台面在联轴器的螺纹带动下上升。

3.根据权利要求2所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：电机正转，升降台面下降时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向下运动闭合，当仿生柔性机械爪的承力面与目标物体接触时，仿生柔性机械爪根据目标物体的形状产生变形，形成一个包络面，完成抓取动作；电机反转，升降台面上升时，通过各连杆传动到各仿生柔性机械爪，使各仿生柔性机械爪绕其上端面内侧边沿向上运动张开，完成释放动作。

4.根据权利要求1、2或3所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：在电机安装面上设置有多根立杆；升降台面上的对应位置均开设有供各立杆穿过的通孔；立杆的底端与电机安装面连接，立杆穿过升降台面上通孔伸出升降台面之外。

5.根据权利要求4所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：还包括机械爪安装面，机械爪安装面用于将整个龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置固定安装待安装龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置的物体上；机械爪安装面设置在升降台面上方，各立杆的顶端连接在机械爪安装面上；所述联轴器的上端与机械爪安装面抵接。

6.根据权利要求4所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：立杆数目、连杆数目均与仿生柔性机械爪相同；各立杆的底端分别固定连接在连接有仿生柔性机械爪的电机安装面的相应位置处，各仿生柔性机械爪的上端面内侧边沿与电机安装面的下端面以及各立杆的底端活动连接在一起。

7.根据权利要求1所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：所述仿生柔性机械爪采用PVC柔性材料制成；仿生柔性机械爪包括外侧面、内侧面以及上端面，外侧面、内侧面以及上端面首尾相连形成一个整体呈三角形的仿生柔性机械爪外轮廓，其中内侧面作为承力面，用于与待抓取的目标物体直接接触；外侧面作为支撑面，上端面实现与连杆、电机安装面等的活动连接。

8.根据权利要求7所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：作为承力面的内侧面上均匀分布多个条状凸起；内侧面与外侧面之间设置有多根鳍条。

9.根据权利要求1所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：所述电机为步进电机。

10.根据权利要求5所述的龙凤锦鲤尾鳍生物启发的仿生柔性爪装置，其特征在于：电机安装面、升降台面以及机械爪安装面均为铝合金材质，其中电机安装面和机械爪安装面均为正六边形的铝合金板。