CN111300473A - 可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电‑气驱动柔顺爪，涉及机器人、自动化领域，适用于食品、农产品、轻工产品的分拣机器人，以及包装、物流行业机器人领域。本发明由手掌部件和四个结构相同、安装相同的手指部件组成；手掌提供指根转位功能，四指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在内导向笔形气缸驱动下，左右手指逆时针转位45度、前后手指顺时针转位45度，四指抓取水平圆柱、长方体；手掌提供指根转动功能，电机驱动使四个手指以相同指根角度转动，指根角度是指根节与手掌平面的夹角；同时手掌上转动气缸通过齿形带，驱动四根软轴、带动四根手指的指尖节相对于中指节转动，夹持物体；指根节和中指节之间是等宽度板弹簧的柔性关节。

Description

可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪

技术领域

本发明涉及一种可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，属于机器人、自动化领域，适用于食品、农产品、轻工产品的分拣机器人，以及包装、物流行业机器人领域。

背景技术

手爪，又称为机械手、末端执行器、末端抓持器，是机器人抓取物体的操作工具，由于抓取对象的复杂性：材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大：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)，同时，就形状尺寸的适应性看，不同尺寸的长方体、圆柱体、球体、椭球体、三棱柱体是最常见的形状。目前的末端执行器是不能通用地、可靠地抓持前述的复杂对象。就接触状态看，手指刚性骨架表面粘贴橡胶，末端执行器刚性骨架外橡胶与物体的接触是半柔性接触，接触力分布差别大；或者是软体手指，因为没有骨架所以不能承受较大接触力，且接触力分布也不均匀。

手指与物体的接触又分为捏取、包络抓取、软体包裹抓取。机械手设计涉及物形、物性、物态三种。其中物形是指形状、尺寸，机械手的适应性设计；物性是材质的软硬、韧脆，控制策略设计涉及接触力的大小、方向的精确控制；物态是物体的放置状态，如立、卧，分布整齐或混乱，相互距离紧密或稀疏，相互接触关系如袋装冷冻汤团、袋装液体、袋装颗粒等软包装，涉及手指各指节的路径规划、接触力的作用位置、接触冲击等运动过程的控制策略，同时涉及机械手与机械联合臂的操作协同控制。

目前生产中使用最多的是一种二指夹钳式、单指节手指、两点接触的气动卡爪，但是尺寸适应性小，也不能包络抓取，更没有形状适应性。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，既可捏取、又可包络抓取，抓取范围广，适应垂直、水平抓取各种形状复杂的物体，转位精度高、反应速度快，有柔性自适应效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，所述柔顺爪由手掌部件和四个结构相同、均布安装的手指部件组成；

所述柔顺爪的安装结构及功能：

①手掌部件提供指根节转位功能，四个手指部件抓取直立圆柱、球体、正方体，或在内导向笔形气缸驱动下，左右手指部件逆时针转位45度、前后手指部件顺时针转位45度，从而抓取水平圆柱、长方体；

②手掌部件提供指根节转动功能，电机驱动使四个手指部件以相同指根角度转动，指根角度是指根节与手掌平面的夹角；

③手掌部件提供指尖节捏取或向手掌内包络抓取的功能，手掌上转动气缸通过齿形带，驱动四根软轴、带动四根手指部件的指尖节相对于中指节转动；

④指根节和中指节之间是采用等宽度板弹簧联结的柔性关节，具有柔顺性；

其具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板上面的沉孔定位后螺钉将柔顺爪固定到机械臂上；导杆的两端分别与底板、机械臂安装板间隙配合，由两根导杆将平行间隔设置的底板和机械臂安装板联结成整体，通过螺母紧固；

指根转动结构：底板和机械臂安装板之间的指根转动推板上装有两个直线轴承，两个直线轴承分别套在两个导杆上，指根转动推板靠两个导杆导向而上下移动；四根转位小板各自通过开口销与指根转动推板铰链联结，转位小板上装有单耳推杆，单耳推杆下端的单耳与叉形二力杆上端的双耳铰链联结；带丝杠轴的电机安装在底板上，丝杠螺母固定在指根转动推板上，电机驱动指根转动推板上下移动，从而带动叉形二力杆，再驱使指根节转动；

指根转位结构：四个转位小板转动约束的开口销轴心线，分别与前面、后面、右面的三个相同的单曲柄转套，左面的具有两个曲柄的对称双曲柄转套的四个回转中心线同轴；

①右边手指部件正向转动结构：内导向笔形气缸活塞杆螺纹上固定的双耳座、滑块连杆、单曲柄转套形成曲柄滑块机构；内导向笔形气缸端部用螺母固定在L形气缸支座上，L形气缸支座固定在底板上；双耳座与滑块连杆一端铰链联结，长连杆的右端、滑块连杆另一端、右边的单曲柄转套的曲柄端三者靠销钉形成铰链联结；内导向笔形气缸驱动下将双耳座直线移动变为单曲柄转套的转动；

②左边手指部件正向转动结构：右边的单曲柄转套、长连杆、左边的对称双曲柄转套的后端曲柄形成平行四边形机构，右边的单曲柄转套与左边的对称双曲柄转套的转动方向相同、角位移大小相等；长连杆的左端、对称双曲柄转套的后端曲柄、后面的短连杆的一端三者靠销钉形成铰链联结；

③前面、后面手指部件的反向转动结构：对称双曲柄转套的前端曲柄、前面的短连杆的一端靠销钉形成铰链联结，对称双曲柄转套的前端曲柄、前面的短连杆、前面的单曲柄转套形成反摇杆机构；对称双曲柄转套的后端曲柄、后面的短连杆、后面的单曲柄转套也形成反摇杆机构；长连杆驱动下对称双曲柄转套转动，与前面的单曲柄转套、后面的单曲柄转套的转动方向相反、角位移大小相等；

④手指部件的安装结构：三个单曲柄转套、具有两个曲柄的对称双曲柄转套，共五个曲柄的偏心距相等，这四个转套的安装结构相同；四个铜套座均布地固定在底板上，单曲柄转套、对称双曲柄转套的外圆柱面均与铜套座内孔间隙配合，且在单曲柄转套、对称双曲柄转套的下部靠轴用弹性卡环轴向限位；单曲柄转套、对称双曲柄转套的下部台阶面以下圆柱面均与倒L形纵截面的指根支座上的孔间隙配合，再将四个指根支座调整好相位角、用两个开槽圆螺母防松固定，因此内导向笔形气缸就驱动三个单曲柄转套、对称双曲柄转套原地转位，实现指根支座、指根节、叉形二力杆、单耳推杆、转位小板一起转位；

指尖节转动的驱动结构：单曲柄转套、对称双曲柄转套的内孔与驱动轴外圆柱面之间是转动间隙配合，驱动轴的外圆柱面上有半圆弧截面形环槽，单曲柄转套、对称双曲柄转套的径向均有滚珠，球头紧定螺钉拧紧后限制滚珠径向移动，从而实现驱动轴的轴向限位；驱动轴最下端是外六角形，外套有相同六角形尺寸的内六角磁吸、并被吸住，软轴的压紧端头最外段也是外六角形，同样插进内六角磁吸、并被吸住；驱动轴的上端装有齿轮，螺钉通过圆盖将齿轮固定在驱动轴上，转动气缸安装在底板上，转动气缸输出轴上装有驱动齿轮，驱动齿轮通过齿形带、四个齿轮，分别将四根驱动轴转动、从而通过软轴驱动四个手指部件的指尖节转动，张紧带轮的轴安装在底板上，张紧带轮用来张紧齿形带；

手指部件的装配结构如下：

指根节与指根支座铰链联结、从而约束手指部件单自由度转动，软轴与驱动轴通过内六角磁吸联结、从而传递扭矩；叉形二力杆下端的叉形双耳与指根节侧面铰链联结、从而使指根节转动，软轴从叉形二力杆下端的叉形双耳中间、铰链销轴的外侧穿过；

等宽度板弹簧上段中间开有腰型孔，腰型孔的宽度、带孔压板上孔的直径、紧定螺钉的圆柱头直径三者相等，等宽度板弹簧上段宽度、带孔压板宽度、指根节下端纵向方槽的宽度相等，等宽度板弹簧和带孔压板塞进指根节下端平行于接触面的纵向方槽内，垂直方向上用紧定螺钉将带孔压板和等宽度板弹簧压紧在指根节上，紧定螺钉的圆柱头须穿过带孔压板上的孔和等宽度板弹簧上的腰型孔，这样既可调节等宽度板弹簧的实际工作长度、又安全防止等宽度板弹簧从指根节上脱离；等宽度板弹簧的下段宽度、方形螺母宽度、中指节内侧宽度三者相等，沉头螺钉、方形螺母将等宽度板弹簧下段固定在中指节上；

锥齿轮一体轴上段为外六角形，同样套有内六角磁吸，软轴下端的压紧端头最外的外六角形段也插进内六角磁吸；

锥齿轮传动的右半壳、左半壳将右半铜套、左半铜套套装在锥齿轮一体轴外面，右半铜套、左半铜套合起后形成的圆孔与锥齿轮一体轴之间是转动间隙配合、使锥齿轮一体轴滑动摩擦地转动，并靠右半铜套、左半铜套合起后形成的圆孔的上下两台阶面限制锥齿轮一体轴的轴向移动、保证锥齿轮副的齿侧间隙；小轴中间左侧台阶面处装有短键和锥齿轮，小轴中间右侧台阶面和锥齿轮左侧面各装了一个小铜套，两个小铜套外圆柱分别塞进右半壳、左半壳下端的左、右侧壁的沉孔中，右半壳、左半壳合并后塞进中指节槽口中，两个双头间隙配合螺柱穿过右半壳、左半壳的两个孔，将锥齿轮传动的右半壳、左半壳固定在中指节上；

L形横截面的右半指尖节、左半指尖节合并装在小轴的两端，小轴两端装配的两根长键分别驱动右半指尖节、左半指尖节转动，从而软轴驱动锥齿轮一体轴、锥齿轮、右半指尖节、左半指尖节转动，两个双头间隙配合螺柱将右半指尖节、左半指尖节固定在一起、形成指尖节。

作为上述技术方案的进一步改进：

四个手指部件的指根转位的角位移是相等的；内导向笔形气缸的最大行程确定了指根最大转位角度为45度；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，平衡单作用的内导向笔形气缸的压缩弹簧力，从而使指根转位角度在0-45度范围的任意角度。

四个手指部件的指根转动的初始角度、角位移是相等的；物体尺寸确定、柔顺爪高度确定、指根转动角度确定的情况下，随着转动气缸的压力变化，接触力的位置、大小和方向是变化的；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，控制接触力的位置、大小和方向。

手指部件的安装结构中，四个指根支座调整好相位角是指：内导向笔形气缸活塞杆退回原始位置时，任意相邻两个指根支座的内侧平面相互垂直，以抓取直立圆柱体、正方横截面四方体、圆球体。

指根转动推板处于最高位置时，四根手指部件初始的指根角度相同。

工作时，四根手指部件的等宽度板弹簧的实际工作长度调节相等。

通过调整锥齿轮和锥齿轮一体轴构成的锥齿轮传动副，装配时须保证四根手指部件的右半指尖节、左半指尖节合并而成的指尖节与中指节的初始角度均相等。

等宽度板弹簧上段中间开有腰型孔，等宽度板弹簧上段宽度大、下段宽度小，等宽度板弹簧在所有横截面上的实际工作宽度均相等。

本发明的有益效果如下：

本发明由手掌部件和四个结构相同、安装相同的手指部件组成；手掌提供指根转位功能，四指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在内导向笔形气缸驱动下，左右手指逆时针转位45度、前后手指顺时针转位45度，四指抓取水平圆柱、长方体；手掌提供指根转动功能，电机驱动使四个手指以相同指根角度转动，指根角度是指根节与手掌平面的夹角；同时手掌上转动气缸通过齿形带，驱动四根软轴、带动四根手指的指尖节相对于中指节转动，夹持物体；指根节和中指节之间是等宽度板弹簧的柔性关节。本发明既可捏取、又可包络抓取，抓取范围广，适应垂直、水平抓取各种形状复杂的物体，转位精度高、反应速度快，有柔性自适应效果。

附图说明

图1为本发明的A-A剖主视图。

图2为本发明的B-B剖俯视图。

图3为本发明的C-C局部剖仰视图。

图4为本发明的D-D剖仰视图。

图5为本发明的E-E剖仰视图。

图6为本发明的手指部件的F-F剖主视图。

图7为本发明的手指部件的H-H局部视图。

图8为本发明的手指部件的I-I局部视图。

图9为本发明的手指部件的G-G剖右视图。

图10为本发明的指根支座零件的仰视图。

图11为本发明的指根支座零件的主剖视图。

图12为本发明的单曲柄转套零件的主剖视图。

图13为本发明的单曲柄转套零件的俯视图。

图14为本发明的驱动轴零件的仰视图。

图15为本发明的驱动轴零件的主视图。

图16为本发明的对称双曲柄转套零件的主剖视图。

图17为本发明的对称双曲柄转套零件的俯视图。

图18为本发明的手指部件的叉形二力杆零件的主剖视图。

图19为本发明的手指部件的叉形二力杆零件的右视图。

图20为本发明柔顺爪以捏取方式抓取物体的示意图。

图21为本发明柔顺爪以包络方式抓取物体的示意图。

图中：1、电机；2、底板；3、内导向笔形气缸；4、L形气缸支座；5、导杆；6、双耳座；7、滑块连杆；8、长连杆；9、手指部件；10、内六角磁吸；11、指根支座；12、轴用弹性卡环；13、铜套座；14、单曲柄转套；15、驱动轴；16、滚珠；17、齿轮；18、圆盖；19、单耳推杆；20、转位小板；21、指根转动推板；22、直线轴承；23、机械臂安装板；24、丝杠螺母；25、对称双曲柄转套；26、短连杆；27、转动气缸；28、驱动齿轮；29、齿形带；30、张紧带轮；9a、指根节；9b、软轴；9c、叉形二力杆；9d、带孔压板；9e、等宽度板弹簧；9f、方形螺母；9g、中指节；9h、右半铜套；9i、左半铜套；9j、右半壳；9k、左半壳；9l、锥齿轮一体轴；9m、小轴；9n、右半指尖节；9o、左半指尖节；9p、长键；9q、小铜套；9r、短键；9s、锥齿轮；9t、双头间隙配合螺柱。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

本实施例的一种可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，由手掌部件和四个结构相同、均布安装的手指部件9组成；柔顺爪的零部件有：电机1、底板2、内导向笔形气缸3、L形气缸支座4、导杆5、双耳座6、滑块连杆7、长连杆8、手指部件9、内六角磁吸10、指根支座11、轴用弹性卡环12、铜套座13、单曲柄转套14、驱动轴15、滚珠16、齿轮17、圆盖18、单耳推杆19、转位小板20、指根转动推板21、直线轴承22、机械臂安装板23、丝杠螺母24、对称双曲柄转套25、短连杆26、转动气缸27、驱动齿轮28、齿形带29、张紧带轮30。

其中手指部件9的组成零件是：指根节9a、软轴9b、叉形二力杆9c、带孔压板9d、等宽度板弹簧9e、方形螺母9f、中指节9g、右半铜套9h、左半铜套9i、右半壳9j、左半壳9k、锥齿轮一体轴9l、小轴9m、右半指尖节9n、左半指尖节9o、长键9p、小铜套9q、短键9r、锥齿轮9s、双头间隙配合螺柱9t。

柔顺爪的功能特点：①手掌提供指根节9a转位功能，四指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在内导向笔形气缸3驱动下，左右手指逆时针转位45度、前后手指顺时针转位45度，从而四指抓取水平圆柱、长方体；②手掌提供指根节9a转动功能，电机1驱动使四个手指以相同指根角度转动，指根角度是指根节与手掌平面的夹角(指根转动推板21处于最高位置时，四根手指部件9初始的指根角度相同)；③手掌提供指尖节捏取或向手掌内包络抓取的功能，手掌上转动气缸27通过齿形带29，驱动四根软轴9b、带动四根手指的指尖节相对于中指节9g转动；④指根节9a和中指节9g之间是采用等宽度板弹簧9e联结的柔性关节，具有柔顺性。

如附图1-5所示，具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板23上面的沉孔定位后螺钉将柔顺爪固定到机械臂上，导杆5的两端分别与底板2、机械臂安装板23间隙配合，由两根导杆5将底板2和机械臂安装板23联结成整体，通过螺母紧固；

指根转动结构：指根转动推板21上装有两个直线轴承22，两个直线轴承22分别套在两个导杆5上，指根转动推板21靠两个导杆5导向而上下移动；四根转位小板20各自通过开口销与指根转动推板21铰链联结，转位小板20上装有单耳推杆19，单耳推杆19下端的单耳与叉形二力杆9c上端的双耳铰链联结；带丝杠轴的电机1安装在底板2上，丝杠螺母24固定在指根转动推板21上，电机1驱动指根转动推板21上下移动，从而带动叉形二力杆9c，驱使指根节9a转动；叉形二力杆9c的结构如图18、19所示；

指根转位结构：四个转位小板20转动约束的开口销轴心线，分别与前面、后面、右面的三个相同的单曲柄转套14，左面的对称双曲柄转套25的四个回转中心线同轴，单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的结构分别如图12、13以及图16、17所示；

①右边手指正向转动：内导向笔形气缸3活塞杆螺纹上固定的双耳座6、滑块连杆7、单曲柄转套14形成曲柄滑块机构；内导向笔形气缸3端部用螺母固定在L形气缸支座4上，L形气缸支座4固定在底板2；双耳座6与滑块连杆7一端铰链联结，长连杆8的右端、滑块连杆7另一端、右边的单曲柄转套14的曲柄端三者靠销钉形成铰链联结；内导向笔形气缸3驱动下将双耳座6直线移动变为单曲柄转套14的转动；

②左边手指正向转动：右边的单曲柄转套14、长连杆8、左边的对称双曲柄转套25的后端曲柄形成平行四边形机构，右边的单曲柄转套14与左边的对称双曲柄转套25的转动方向相同、角位移大小相等；长连杆8的左端、对称双曲柄转套25的后端曲柄、后面的短连杆26的一端三者靠销钉形成铰链联结；

③前面、后面手指的反向转动：对称双曲柄转套25的前端曲柄、前面的短连杆26的一端靠销钉形成铰链联结，对称双曲柄转套25的前端曲柄、前面的短连杆26、前面的单曲柄转套14形成反摇杆机构；对称双曲柄转套25的后端曲柄、后面的短连杆26、后面的单曲柄转套14也形成反摇杆机构；长连杆8驱动下对称双曲柄转套25转动，与前面的单曲柄转套14、后面的单曲柄转套14的转动方向相反、角位移大小相等；

④手指部件9的安装：三个单曲柄转套14、有两个曲柄的对称双曲柄转套25，共五个曲柄的偏心距相等，这四个转套的安装结构相同；四个铜套座13均布地固定在底板2上，单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的外圆柱面均与铜套座13内孔间隙配合，且在单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的下部靠轴用弹性卡环12轴向限位；单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的下部台阶面以下圆柱面均与倒L形纵截面的指根支座11上的孔间隙配合，指根支座11的结构如图10、11所示，再将四个指根支座11调整好相位角(内导向笔形气缸3活塞杆退回原始位置时，相邻两个指根支座11的内侧平面相互垂直，以抓取直立圆柱体、正方横截面四方体、圆球体)、用两个开槽圆螺母防松固定，因此内导向笔形气缸3就驱动三个单曲柄转套14、对称双曲柄转套25原地转位，实现指根支座11、指根节9a、叉形二力杆9c、单耳推杆19、转位小板20一起转位；

指尖节转动的驱动结构：单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的内孔与驱动轴15外圆柱面之间是转动间隙配合，驱动轴15的结构如图14、15所示，驱动轴15的外圆柱面上有半圆弧截面形环槽，单曲柄转套14、对称双曲柄转套25的径向均有滚珠16，球头紧定螺钉拧紧后限制滚珠16径向移动，从而实现驱动轴15的轴向限位；驱动轴15最下端是外六角形，外套有相同六角形尺寸的内六角磁吸10、并被吸住，软轴9b的压紧端头最外段也是外六角形，同样插进内六角磁吸10、并被吸住；驱动轴15的上端装有齿轮17，螺钉通过圆盖18将齿轮17固定在驱动轴15上，转动气缸27安装在底板2上，转动气缸27输出轴上装有驱动齿轮28，驱动齿轮28通过齿形带29、四个齿轮17，分别将四根驱动轴15转动、从而通过软轴9b驱动四个手指部件9的指尖节转动，张紧带轮30的轴安装在底板2上，张紧带轮30用来张紧齿形带29。

如附图6-9所示，手指部件9的装配结构如下：

指根节9a与指根支座11铰链联结、从而约束手指部件9单自由度转动，软轴9b与驱动轴15通过内六角磁吸10联结、从而传递扭矩；叉形二力杆9c下端的叉形双耳与指根节9a侧面铰链联结、从而使指根节9a转动，软轴9b从叉形二力杆9c下端的叉形双耳中间、铰链销轴的外侧穿过；

等宽度板弹簧9e上段中间开有腰型孔，腰型孔的宽度、带孔压板9d上孔的直径、紧定螺钉的圆柱头直径三者相等，等宽度板弹簧9e上段宽度、带孔压板9d宽度、指根节9a下端纵向方槽的宽度相等，等宽度板弹簧9e和带孔压板9d塞进指根节9a下端平行于接触面的纵向方槽内，垂直方向上用紧定螺钉将带孔压板9d和等宽度板弹簧9e压紧在指根节9a上，紧定螺钉的圆柱头须穿过带孔压板9d上的孔和等宽度板弹簧9e上的腰型孔，这样既可调节等宽度板弹簧9e的实际工作长度(四根手指部件9的等宽度板弹簧9e的实际工作长度须调节相等)、又安全防止等宽度板弹簧9e从指根节9a上脱离；等宽度板弹簧9e的下段宽度、方形螺母9f宽度、中指节9g内侧宽度三者相等，沉头螺钉、方形螺母9f将等宽度板弹簧9e下段固定在中指节9g上；

锥齿轮一体轴9l上段为外六角形，同样套有内六角磁吸10，软轴9b下端的压紧端头最外的外六角形段也插进内六角磁吸10；

锥齿轮传动的右半壳9j、左半壳9k将右半铜套9h、左半铜套9i套装在锥齿轮一体轴9l外面，右半铜套9h、左半铜套9i合起后形成的圆孔与锥齿轮一体轴9l之间是转动间隙配合、使锥齿轮一体轴9l滑动摩擦地转动，并靠右半铜套9h、左半铜套9i合起后形成的圆孔的上下两台阶面限制锥齿轮一体轴9l的轴向移动、保证锥齿轮副的齿侧间隙；小轴9m中间左侧台阶面处装有短键9r和锥齿轮9s，小轴9m中间右侧台阶面和锥齿轮9s左侧面各装了一个小铜套9q，两个小铜套9q外圆柱分别塞进右半壳9j、左半壳9k下端的左、右侧壁的沉孔中，右半壳9j、左半壳9k合并后塞进中指节9g槽口中，两个双头间隙配合螺柱9t穿过右半壳9j、左半壳9k的两个孔，将锥齿轮传动的右半壳9j、左半壳9k固定在中指节9g上；

L形横截面的右半指尖节9n、左半指尖节9o合并装在小轴9m的两端，小轴9m两端装配的两根长键9p分别驱动右半指尖节9n、左半指尖节9o转动，从而软轴9b驱动锥齿轮一体轴9l、锥齿轮9s、右半指尖节9n、左半指尖节9o转动，两个双头间隙配合螺柱9t将右半指尖节9n、左半指尖节9o固定在一起、形成指尖节。

通过调整锥齿轮传动副，装配时须保证四根手指部件9的右半指尖节9n、左半指尖节9o合并而成的指尖节与中指节9g的初始角度均相等。

等宽度板弹簧9e上段中间开有腰型孔，等宽度板弹簧9e上段宽度大、下段宽度小，等宽度板弹簧9e在所有横截面上的宽度均相等。

附图10-19分别给出了指根支座11、单曲柄转套14、驱动轴15、对称双曲柄转套25、手指部件9的叉形二力杆9c等五个零件图纸。

本发明的工作原理及使用流程：

手掌提供指根转位功能，适应形状变化：①内导向笔形气缸3在原位，柔顺爪四指抓取直立圆柱、球体、正方体，②或内导向笔形气缸3驱动曲柄滑块机构的滑块连杆7和单曲柄转套14，使右手指逆时针转位45度；再通过平行四边形机构的长连杆8使左手指逆时针转位45度；通过反摇杆机构，左手指上的对称双曲柄转套25，驱动短连杆26，使前后手指顺时针转位45度，从而四指抓取水平圆柱、长方体，③或内导向笔形气缸3更换为内有压缩弹簧的单作用的内导向笔形气缸3，通过精确控制气体压强，克服单作用的内导向笔形气缸3内的压缩弹簧力，实现抓取对称的椭球体、四棱柱体。

手掌提供指根转动功能，适应尺寸变化，电机驱动根转动推板21，通过四根单耳推杆19驱动叉形二力杆9c，使四个手指以相同指根角度转动，指根角度是指根节9a与手掌平面(即底板2)的夹角。

同时手掌上转动气缸27通过齿形带29，驱动四根软轴9b、带动四根手指的指尖节相对于中指节9g转动，快速夹持物体。

手指部件9的指根节和中指节之间是工作长度可调的等宽度板弹簧9e联结的柔性关节。电动的指根转动、等宽度板弹簧9e的柔性关节和转动气缸27驱动形成了电-气复合驱动的、刚柔耦合的、敏捷的柔顺机构机械手(柔顺爪)。

四个手指部件9的指根转位的角位移是相等的；内导向笔形气缸3的最大行程确定了指根最大转位角度为45度；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，平衡单作用的内导向笔形气缸3的压缩弹簧力，从而使指根转位角度在0-45度范围的任意角度。

四个手指部件9的指根转动的初始角度、角位移是相等的；物体尺寸确定、柔顺爪高度确定、指根转动角度确定的情况下，随着转动气缸27的压力变化，接触力的位置、大小和方向是变化的；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，控制接触力的位置、大小和方向。图20、图21分别为本发明柔顺爪以捏取方式、以包络方式抓取物体的示意图。

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)

1.一种可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：所述柔顺爪由手掌部件和四个结构相同、均布安装的手指部件(9)组成；

所述柔顺爪的安装结构及功能：

①手掌部件提供指根节(9a)转位功能，四个手指部件(9)抓取直立圆柱、球体、正方体，或在内导向笔形气缸(3)驱动下，左右手指部件(9)逆时针转位45度、前后手指部件(9)顺时针转位45度，从而抓取水平圆柱、长方体；

②手掌部件提供指根节(9a)转动功能，电机(1)驱动使四个手指部件(9)以相同指根角度转动，指根角度是指根节与手掌平面的夹角；

③手掌部件提供指尖节捏取或向手掌内包络抓取的功能，手掌上转动气缸(27)通过齿形带(29)，驱动四根软轴(9b)、带动四根手指部件(9)的指尖节相对于中指节(9g)转动；

④指根节(9a)和中指节(9g)之间是采用等宽度板弹簧(9e)联结的柔性关节，具有柔顺性；

其具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板(23)上面的沉孔定位后螺钉将柔顺爪固定到机械臂上；导杆(5)的两端分别与底板(2)、机械臂安装板(23)间隙配合，由两根导杆(5)将平行间隔设置的底板(2)和机械臂安装板(23)联结成整体，通过螺母紧固；

指根转动结构：底板(2)和机械臂安装板(23)之间的指根转动推板(21)上装有两个直线轴承(22)，两个直线轴承(22)分别套在两个导杆(5)上，指根转动推板(21)靠两个导杆(5)导向而上下移动；四根转位小板(20)各自通过开口销与指根转动推板(21)铰链联结，转位小板(20)上装有单耳推杆(19)，单耳推杆(19)下端的单耳与叉形二力杆(9c)上端的双耳铰链联结；带丝杠轴的电机(1)安装在底板(2)上，丝杠螺母(24)固定在指根转动推板(21)上，电机(1)驱动指根转动推板(21)上下移动，从而带动叉形二力杆(9c)，再驱使指根节(9a)转动；

指根转位结构：四个转位小板(20)转动约束的开口销轴心线，分别与前面、后面、右面的三个相同的单曲柄转套(14)，左面的具有两个曲柄的对称双曲柄转套(25)的四个回转中心线同轴；

①右边手指部件(9)正向转动结构：内导向笔形气缸(3)活塞杆螺纹上固定的双耳座(6)、滑块连杆(7)、单曲柄转套(14)形成曲柄滑块机构；内导向笔形气缸(3)端部用螺母固定在L形气缸支座(4)上，L形气缸支座(4)固定在底板(2)上；双耳座(6)与滑块连杆(7)一端铰链联结，长连杆(8)的右端、滑块连杆(7)另一端、右边的单曲柄转套(14)的曲柄端三者靠销钉形成铰链联结；内导向笔形气缸(3)驱动下将双耳座(6)直线移动变为单曲柄转套(14)的转动；

②左边手指部件(9)正向转动结构：右边的单曲柄转套(14)、长连杆(8)、左边的对称双曲柄转套(25)的后端曲柄形成平行四边形机构，右边的单曲柄转套(14)与左边的对称双曲柄转套(25)的转动方向相同、角位移大小相等；长连杆(8)的左端、对称双曲柄转套(25)的后端曲柄、后面的短连杆(26)的一端三者靠销钉形成铰链联结；

③前面、后面手指部件(9)的反向转动结构：对称双曲柄转套(25)的前端曲柄、前面的短连杆(26)的一端靠销钉形成铰链联结，对称双曲柄转套(25)的前端曲柄、前面的短连杆(26)、前面的单曲柄转套(14)形成反摇杆机构；对称双曲柄转套(25)的后端曲柄、后面的短连杆(26)、后面的单曲柄转套(14)也形成反摇杆机构；长连杆(8)驱动下对称双曲柄转套(25)转动，与前面的单曲柄转套(14)、后面的单曲柄转套(14)的转动方向相反、角位移大小相等；

④手指部件(9)的安装结构：三个单曲柄转套(14)、具有两个曲柄的对称双曲柄转套(25)，共五个曲柄的偏心距相等，这四个转套的安装结构相同；四个铜套座(13)均布地固定在底板(2)上，单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)的外圆柱面均与铜套座(13)内孔间隙配合，且在单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)的下部靠轴用弹性卡环(12)轴向限位；单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)的下部台阶面以下圆柱面均与倒L形纵截面的指根支座(11)上的孔间隙配合，再将四个指根支座(11)调整好相位角、用两个开槽圆螺母防松固定，因此内导向笔形气缸(3)就驱动三个单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)原地转位，实现指根支座(11)、指根节(9a)、叉形二力杆(9c)、单耳推杆(19)、转位小板(20)一起转位；

指尖节转动的驱动结构：单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)的内孔与驱动轴(15)外圆柱面之间是转动间隙配合，驱动轴(15)的外圆柱面上有半圆弧截面形环槽，单曲柄转套(14)、对称双曲柄转套(25)的径向均有滚珠(16)，球头紧定螺钉拧紧后限制滚珠(16)径向移动，从而实现驱动轴(15)的轴向限位；驱动轴(15)最下端是外六角形，外套有相同六角形尺寸的内六角磁吸(10)、并被吸住，软轴(9b)的压紧端头最外段也是外六角形，同样插进内六角磁吸(10)、并被吸住；驱动轴(15)的上端装有齿轮(17)，螺钉通过圆盖(18)将齿轮(17)固定在驱动轴(15)上，转动气缸(27)安装在底板(2)上，转动气缸(27)输出轴上装有驱动齿轮(28)，驱动齿轮(28)通过齿形带(29)、四个齿轮(17)，分别将四根驱动轴(15)转动、从而通过软轴(9b)驱动四个手指部件(9)的指尖节转动，张紧带轮(30)的轴安装在底板(2)上，张紧带轮(30)用来张紧齿形带(29)；

手指部件(9)的装配结构如下：

指根节(9a)与指根支座(11)铰链联结、从而约束手指部件(9)单自由度转动，软轴(9b)与驱动轴(15)通过内六角磁吸(10)联结、从而传递扭矩；叉形二力杆(9c)下端的叉形双耳与指根节(9a)侧面铰链联结、从而使指根节(9a)转动，软轴(9b)从叉形二力杆(9c)下端的叉形双耳中间、铰链销轴的外侧穿过；

等宽度板弹簧(9e)上段中间开有腰型孔，腰型孔的宽度、带孔压板(9d)上孔的直径、紧定螺钉的圆柱头直径三者相等，等宽度板弹簧(9e)上段宽度、带孔压板(9d)宽度、指根节(9a)下端纵向方槽的宽度相等，等宽度板弹簧(9e)和带孔压板(9d)塞进指根节(9a)下端平行于接触面的纵向方槽内，垂直方向上用紧定螺钉将带孔压板(9d)和等宽度板弹簧(9e)压紧在指根节(9a)上，紧定螺钉的圆柱头须穿过带孔压板(9d)上的孔和等宽度板弹簧(9e)上的腰型孔，这样既可调节等宽度板弹簧(9e)的实际工作长度、又安全防止等宽度板弹簧(9e)从指根节(9a)上脱离；等宽度板弹簧(9e)的下段宽度、方形螺母(9f)宽度、中指节(9g)内侧宽度三者相等，沉头螺钉、方形螺母(9f)将等宽度板弹簧(9e)下段固定在中指节(9g)上；

锥齿轮一体轴(9l)上段为外六角形，同样套有内六角磁吸(10)，软轴(9b)下端的压紧端头最外的外六角形段也插进内六角磁吸(10)；

锥齿轮传动的右半壳(9j)、左半壳(9k)将右半铜套(9h)、左半铜套(9i)套装在锥齿轮一体轴(9l)外面，右半铜套(9h)、左半铜套(9i)合起后形成的圆孔与锥齿轮一体轴(9l)之间是转动间隙配合、使锥齿轮一体轴(9l)滑动摩擦地转动，并靠右半铜套(9h)、左半铜套(9i)合起后形成的圆孔的上下两台阶面限制锥齿轮一体轴(9l)的轴向移动、保证锥齿轮副的齿侧间隙；小轴(9m)中间左侧台阶面处装有短键(9r)和锥齿轮(9s)，小轴(9m)中间右侧台阶面和锥齿轮(9s)左侧面各装了一个小铜套(9q)，两个小铜套(9q)外圆柱分别塞进右半壳(9j)、左半壳(9k)下端的左、右侧壁的沉孔中，右半壳(9j)、左半壳(9k)合并后塞进中指节(9g)槽口中，两个双头间隙配合螺柱(9t)穿过右半壳(9j)、左半壳(9k)的两个孔，将锥齿轮传动的右半壳(9j)、左半壳(9k)固定在中指节(9g)上；

L形横截面的右半指尖节(9n)、左半指尖节(9o)合并装在小轴(9m)的两端，小轴(9m)两端装配的两根长键(9p)分别驱动右半指尖节(9n)、左半指尖节(9o)转动，从而软轴(9b)驱动锥齿轮一体轴(9l)、锥齿轮(9s)、右半指尖节(9n)、左半指尖节(9o)转动，两个双头间隙配合螺柱(9t)将右半指尖节(9n)、左半指尖节(9o)固定在一起、形成指尖节。

2.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：四个手指部件(9)的指根转位的角位移是相等的；内导向笔形气缸(3)的最大行程确定了指根最大转位角度为45度；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，平衡单作用的内导向笔形气缸(3)的压缩弹簧力，从而使指根转位角度在0-45度范围的任意角度。

3.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：四个手指部件(9)的指根转动的初始角度、角位移是相等的；物体尺寸确定、柔顺爪高度确定、指根转动角度确定的情况下，随着转动气缸(27)的压力变化，接触力的位置、大小和方向是变化的；靠压力传感器反馈和高速开关阀气压的精确控制，控制接触力的位置、大小和方向。

4.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：手指部件(9)的安装结构中，四个指根支座(11)调整好相位角是指：内导向笔形气缸(3)活塞杆退回原始位置时，任意相邻两个指根支座(11)的内侧平面相互垂直，以抓取直立圆柱体、正方横截面四方体、圆球体。

5.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：指根转动推板(21)处于最高位置时，四根手指部件(9)初始的指根角度相同。

6.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：工作时，四根手指部件(9)的等宽度板弹簧(9e)的实际工作长度调节相等。

7.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：通过调整锥齿轮(9s)和锥齿轮一体轴(9l)构成的锥齿轮传动副，装配时须保证四根手指部件(9)的右半指尖节(9n)、左半指尖节(9o)合并而成的指尖节与中指节(9g)的初始角度均相等。

8.根据权利要求1所述的可转位可调刚度板弹簧骨架手指的电-气驱动柔顺爪，其特征在于：等宽度板弹簧(9e)上段中间开有腰型孔，等宽度板弹簧(9e)上段宽度大、下段宽度小，等宽度板弹簧(9e)在所有横截面上的实际工作宽度均相等。

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