CN111409094A - 捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手及方法，属于机器人、自动化领域，适用轻工食品、农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的手指组成，所述手指有二种，包括：平动夹持手指，裹包抓取手指。指根转位功能：四指抓取直立圆柱、球体、正方体，或电机驱动下，左右手指顺时针转位45度、前后手指逆时针转位45度，四指抓取水平圆柱、长方体。手指平动捏取功能：电机或短行程气缸，使四个手指以相同指根角度转动，由平行四边形机构产生手指平动捏取。裹包抓取功能：电机或叶片式转动气缸驱动齿形带、通过四根软轴传递，使编织物橡胶带的卷筒张弛有度，靠这四根带子裹包抓取物体。

Description

捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手及方法

技术领域

本发明涉及一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，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，软体手指通常是用弹性橡胶材料气囊类结构手指。

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

本申请针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，既可捏取、又可裹包抓取，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。

本发明不同于气动软体手指的包裹抓取，是采用编织物橡胶带的四指参与的裹包式抓取，具有捆绑作用，可靠性高、接触特性好；同时，本发明复合机械手还具有捏取抓取的技术效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，所述复合机械手由手掌和四个结构相同、均布安装的手指部件组成；所述手指部件共有二种，包括：平动夹持手指、裹包抓取手指；

所述复合机械手的安装结构及功能：

①提供指根转位功能：四个手指的中心距相等，四个手指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在转位电机驱动下，采用回转中心偏心的转位结构，左右手指偏心地顺时针转位45度、前后手指偏心地逆时针转位45度，从而抓取水平放置圆柱、长方体；

②提供平动捏取功能：结构设计优化后，夹持电机或短行程气缸二种选择一种，在不同位置安装，用来直接驱动推动板、推动杆，从而使平动夹持手指捏取物体；

③提供裹包抓取功能：裹包抓取手指是在平动夹持手指基础上加装了七种零件，并在叶片式转动气缸或卷带电机二种选择一种，在相同位置替换安装，用来驱动齿形带、圆柱齿轮、锥孔转轴、软轴部件、锥孔卷筒轴，进而张弛编织物橡胶带从而裹包抓取物体；还可用可调指甲尖捏取物体；

④采用平动夹持手指时，指根转动驱动选择夹持电机或短行程气缸之中的任一种，指根转位驱动为转位电机，没有裹包驱动的叶片式转动气缸和卷带电机；

⑤采用裹包抓取手指时，指根转动驱动选择夹持电机或短行程气缸之中的任一种，指根转位驱动为转位电机，裹包驱动选择叶片式转动气缸或卷带电机之中的任一种，指根转动驱动和裹包驱动协同控制，驱动的组合方式有：夹持电机与叶片式转动气缸、或夹持电机与卷带电机，或短行程气缸与叶片式转动气缸、或短行程气缸与卷带电机；

⑥软轴部件通过圆锥销压头的圆锥面接触与传递运动，便于调整相位角、使四个卷绕筒初始张紧力调节一致；

所述复合机械手具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板上面的沉孔与机械臂的定位圆环外圈定位后，用螺钉将复合机械手固定到机械臂上，导杆双头配合螺柱的两端分别与机械臂安装板、上板上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根导杆双头配合螺柱将机械臂安装板和上板联结成整体；同样，两根小双头配合螺柱的两端分别与上板、下板上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根小双头配合螺柱(23)将上板和下板联结成整体；

指根转位结构：

①转位支撑结构：指根转位传动在上板与下板之间，四个叉形转位板分别装在四根转位粗轴上，叉形转位板与转位粗轴之间有平键传动，叉形转位板与转位粗轴下端的大菱形带座轴承内圈之间有套筒轴向限位，转位粗轴上下端分别采用大菱形带座轴承支撑，二个大菱形带座轴承分别固定在上板和下板，安装在上板和下板的下面，大菱形带座轴承的轴承座上定位止口与上板和下板对应孔采用间隙配合定位；

②转位驱动结构：转位电机安装在上板上，小伞齿轮固定在转位电机的输出轴上，用平头紧定螺钉压紧在转位电机的输出轴上平面、以传递动力，与小伞齿轮啮合的大伞齿轮用尖头紧定螺钉固定在正反双向螺纹杆中段的径向锥形凹坑中，用平键传递动力；正反双向螺纹杆两端有螺纹杆支架提供旋转支撑，二个螺纹杆支架固定在上板的下面，正反双向螺纹杆最右端有一段方头、便于扳手调节转动，正反双向螺纹杆的左右螺纹段分别装有左旋螺母销座和右旋螺母销座，转动正反双向螺纹杆使左旋螺母销座和右旋螺母销座反向移动，增加或减少相对距离；利用转位电机上带有的角位移传感器反馈，间接控制正反双向螺纹杆转动角位移，从而控制叉形转位板的转位角度；

③转位机构结构：左侧、后侧的二个叉形转位板分别与二个弯曲杆的一端铰链联结，上面的弯曲杆与下面的叉形转位板之间有耐磨垫片，右侧、前侧的二个叉形转位板分别与二个弯曲杆一端铰链联结，上面的弯曲杆与下面的叉形转位板之间有耐磨隔套，耐磨隔套的厚度等于弯曲杆厚度与耐磨垫片厚度之和；前侧的弯曲杆、左侧的弯曲杆、左旋螺母销座三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片减少摩擦，在左旋螺母销座的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；同样，后侧的弯曲杆、右侧的弯曲杆、右旋螺母销座三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片减少摩擦，在右旋螺母销座的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；左旋螺母销座和右旋螺母销座之间距离长，则抓取直立圆柱体、球体、正方体；左旋螺母销座和右旋螺母销座之间距离短，则左侧、右侧的二个叉形转位板沿各自回转中心、顺时针转动45度，前侧、后侧的二个叉形转位板沿各自回转中心、逆时针转动45度，从而抓取水平放置圆柱体、长方体；

平动捏取传动结构：推动板上装有一个丝杠螺母和两个直线轴承，两个直线轴承分别套在两根导杆双头配合螺柱上，从而为推动板上下直线移动提供导向；不同安装位置的夹持电机和短行程气缸中，有且只有一种被固定在机械臂安装板上，夹持电机过丝杠螺母驱动推动板上下移动，或者短行程气缸的活塞杆用两个螺母并紧固定在推动板上、驱动推动板上下移动；四个均布的条形转位板分别与相应的推动板铰链联结，推动板上的平头紧定螺钉压紧在铰链销轴的平面上；四个条形转位板与相应的叉形转位板的回转中心是同轴的，从而实现可转位；用二个螺钉将平装双耳座固定在条形转位板上，平装双耳座与推动杆上端单耳铰链联结，推动杆的下端单耳与平动夹持手指上的直角双耳座铰链联结；

裹包抓取传动结构：转动驱动器有叶片式转动气缸和卷带电机两种，相同安装位置的叶片式转动气缸和卷带电机中，有且只有一种被固定在机械臂安装板上；用平头紧定螺钉将圆柱齿轮压紧在叶片式转动气缸或卷带电机输出轴的平面上，另外四个圆柱齿轮分别用平头紧定螺钉压紧在锥孔转轴上段的平面上，锥孔转轴上下段各装配一个小菱形带座轴承，二个小菱形带座轴承背靠背地固定在机械臂安装板上，第六个圆柱齿轮用平头紧定螺钉固定在张紧带轮轴上段的平面上，张紧带轮轴可在机械臂安装板上的腰形槽中移动，张紧了齿形带后用螺钉、垫片紧固；齿形带围绕着六个圆柱齿轮，驱动四根锥孔转轴转动；软轴部件上下端的两个圆锥销压头分别塞进锥孔转轴、及裹包抓取手指的锥孔卷筒轴的锥孔内，再用滚花内螺纹套拧紧，靠圆锥面接触传递动力，锥孔卷筒轴带动卷绕筒，从而张弛编织物橡胶带。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述软轴部件由一根弹性软轴、二个滚花内螺纹套和二个圆锥销压头组成，其弹性软轴两端先各套有一个滚花内螺纹套，滚花内螺纹套的螺纹段均在外端，再将二个圆锥销压头分别压装在弹性软轴两端、形成一体。

所述平动夹持手指结构中，方头双孔双耳座、手指节、双孔指根节、链节板构成了平行四边形机构，双孔指根节的转动使得手指节平动、从而捏取物体；方头双孔双耳座在叉形转位板的槽内沿机械手径向调节，并用螺钉、垫片固定；双孔指根节上端靠一根指根销轴与方头双孔双耳座铰链联结，指根销轴靠铜套减少摩擦，指根销轴两端用轴用弹簧卡环限制轴向移动，在方头双孔双耳座外侧两个链节板上端，分别靠二个指节销轴也与方头双孔双耳座铰链联结，指节销轴的一端是台阶、另一端用轴用弹簧卡环限制轴向移动；手指节靠一个短销、一个长销分别与双孔指根节和链节板铰链的下端联结，直角双耳座靠螺栓固定在双孔指根节上；

宽度上，直角双耳座和双孔指根节均可在方头双孔双耳座内侧的二个铜套之间、以及二个指节销轴之间自由转动，同时直角双耳座和双孔指根节均可在叉形转位板的槽内自由转动，此结构增大了直角双耳座和双孔指根节的转动范围：双孔指根节以指根销轴为转动中心，可逆时针转过指节销轴轴心线，增大了手指节平动的径向移动距离、从而增大了抓取尺寸范围，同时也增大了直角双耳座在叉形转位板的槽内的调节距离。

所述裹包抓取手指是在平动夹持手指所有零件的结构上加装七种零件：卷绕筒、卷筒座、锥孔卷筒轴、编织物橡胶带、张紧支架、弧面螺母压板、可调指甲尖；卷筒座靠螺钉固定在手指节上，锥孔卷筒轴将卷绕筒装配在卷筒座上，锥孔卷筒轴与卷绕筒靠平键传动，锥孔卷筒轴和卷筒座之间也靠铜套减少摩擦，锥孔卷筒轴两端分别靠台阶面和轴用弹簧卡环限制轴向位移；卷绕筒上卷绕了近一圈编织物橡胶带(涂黑部分)，编织物橡胶带上端最前部分用强力胶粘结在卷绕筒的径向槽一侧面、并用斜楔压紧；编织物橡胶带下端靠螺钉和弧面螺母压板压紧在张紧支架上，再用螺钉将张紧支架和可调指甲尖一同固定在手指节上，弧面螺母压板的左端上部是弧面、便于编织物橡胶带向内裹包被抓物体；可调指甲尖有腰形槽，可调节指甲尖的伸出长度，可调节指甲尖的伸出段可作为指甲捏取物体，或收紧编织物橡胶带可裹包抓取物体。

短行程气缸的气路结构为：换向阀一出口与高速开关阀一连接，高速开关阀一连接与短行程气缸的进口连接，短行程气缸的进口旁路连接了压力传感器一，短行程气缸的出口与换向阀一出口连接，换向阀一排气口上装有消声器、对大气排空；叶片式转动气缸的气路结构为：换向阀二出口与高速开关阀二连接，高速开关阀二连接与叶片式转动气缸的进口连接，叶片式转动气缸的进口旁路连接了压力传感器二，同时叶片式转动气缸的进口还旁路连接了单向阀，单向阀连接了普通开关阀，单向阀出口向普通开关阀，普通开关阀出口上装有消声器、对大气排空，叶片式转动气缸的出口与换向阀二出口连接，换向阀二出口上装有对大气排空的消声器。

所述夹持电机、转位电机、叶片式转动气缸、卷带电机均带有角位移传感器，所述短行程气缸带有位移传感器。

一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手的操作控制方法，采用平动夹持手指时，指根转动驱动选择夹持电机或短行程气缸之中的任一种；接触力大小是由接触位置尺寸和驱动力(扭矩)决定的，接触位置尺寸是与被抓物体尺寸和接触状态相关，建立由推动板、条形转位板、平装双耳座、推动杆、叉形转位板、平动夹持手指组成的连杆系的力学方程，根据这些力学方程得出夹持电机的角位移与输出扭矩、短行程气缸的位移与驱动力这些控制参数，控制方式：①选择夹持电机，其接触力大小是由夹持电机的输出扭矩控制；②选择短行程气缸，根据其内腔压力的压力传感器反馈，通过气动高速开关阀来精确控制气压大小，从而控制接触力大小；

采用裹包抓取手指时，可调指甲尖的捏取方式，与前述平动夹持手指的控制方式相同；裹包抓取方式用于抓取球体、水平放置圆柱体、椭球体、曲面构成的异形体、接触力复杂状态物体，可调指甲尖有腰形槽、需要时可缩回安装或直接去除；

夹持电机、卷带电机均可正反转控制、角位移的精确控制，但反应速度不如气动元件；而叶片式转动气缸可正反转控制、不能实现角位移精确控制，短行程气缸可往复运动控制、也不能实现行程的精确控制；

分布接触力(单位面积接触力)大小是由“接触状态”和驱动力(扭矩)决定的，所述“接触状态”是既要保证编织物橡胶带与被抓物体之间的接触长度尽可能长(分布接触力尽可能小)、但又不能被压迫过多、碰到可调指甲尖或手指节的状态，碰到就形成捏取状态、使接触力迅速增大；“抓持状态”是在“接触状态”前提下保证持续可靠抓持的状态，一旦脱离“接触状态”的参数，即编织物橡胶带与被抓物体的接触长度值，是双孔指根节角度，也就是推动板的位置，就进行实时调整；

裹包抓取方式控制策略：建立连杆系、裹包接触的力学方程，根据这些力学方程得出夹持电机、叶片式转动气缸、卷带电机的角位移与输出扭矩，及短行程气缸的位移与驱动力这些控制参数；裹包抓取是平动驱动和裹包驱动的协同控制，在以下四种驱动组合方式中任选一种：

①夹持电机与卷带电机：夹持电机先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指的手指节达到接触位置，此过程中卷绕筒是松卷反转，松卷反转阻尼是卷带电机短时的小输出扭矩、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机可断电节能，卷带电机再增大扭矩、编织物橡胶带张紧裹包抓取；夹持电机运动控制，决定编织物橡胶带与被抓物体的接触长度、接触力分布状况；控制卷带电机输出扭矩，确定编织物橡胶带的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

②夹持电机与叶片式转动气缸：夹持电机先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指的手指节达到接触位置，过程中卷绕筒是松卷反转、叶片式转动气缸是反转，此时普通开关阀通电、接通大气，松卷反转阻尼是叶片式转动气缸进口旁气路单向阀的背压作用、进口旁气路气体压缩性、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；然后普通开关阀断电、不通大气，因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机可断电节能，叶片式转动气缸驱动编织物橡胶带张紧裹包抓取；根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸进气压力，精确控制叶片式转动气缸输出扭矩，确定编织物橡胶带的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

③短行程气缸与卷带电机：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出卷带电机的角位移与输出扭矩、短行程气缸的位移与驱动力这些控制参数，卷带电机先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带预张紧；然后根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸进气压力，精确控制短行程气缸的输出力，使得编织物橡胶带的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸的位移传感器反馈，保证短行程气缸的位移不变(活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变)前提下，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸的输出力，同时精确控制卷带电机的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”；

④短行程气缸与叶片式转动气缸：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出驱动力(扭矩)控制参数，根据压力传感器二反馈，叶片式转动气缸高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法、控制先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带预张紧；然后据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸进气压力，精确控制短行程气缸的输出力，使得编织物橡胶带的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸的位移传感器反馈，保证短行程气缸的位移不变的前提下：即活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸的输出力，同时根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”。

前述四种驱动组合方式的动态过程中，夹持电机、短行程气缸驱动的推动板位置决定了“接触状态”，推动板位置是“接触状态”测量基准，叶片式转动气缸、卷带电机是决定“抓持状态”分布接触力的大小，“抓持状态”就是保证抓持过程中“接触状态”不变。

本发明的有益效果如下：

本发明的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，结构设计合理，控制方便，适用性强，既可捏取、又可包裹抓取，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。

本发明还具有如下优点：

手指部件根据安装结构的合理设计和驱动结构的合理选择，具备指根转位功能、平动捏取功能、裹包抓取功能，软轴部件通过圆锥销压头的圆锥面接触与传递运动，便于调整相位角、使四个卷绕筒初始张紧力调节一致；

裹包抓取手指结构中，编织物橡胶带下端靠螺钉和弧面螺母压板压紧在张紧支架上，再用螺钉将张紧支架和可调指甲尖一同固定在手指节上，弧面螺母压板的左端上部是弧面、便于编织物橡胶带向内裹包被抓物体；可调指甲尖有腰形槽，可调节指甲尖的伸出长度，可调节指甲尖的伸出段可作为指甲捏取物体，或收紧编织物橡胶带可裹包抓取物体。

平动夹持手指结构中，宽度上，直角双耳座和双孔指根节均可在方头双孔双耳座内侧的二个铜套之间、以及二个指节销轴之间自由转动，同时直角双耳座和双孔指根节均可在叉形转位板的槽内自由转动，此结构增大了直角双耳座和双孔指根节的转动范围：双孔指根节以指根销轴为转动中心，可逆时针转过指节销轴轴心线，增大了手指节平动的径向移动距离、从而增大了抓取尺寸范围，同时也增大了直角双耳座在叉形转位板的槽内的调节距离。

裹包抓取方式控制策略可在四种驱动组合方式中任选一种：

夹持电机与卷带电机协同控制从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

夹持电机与叶片式转动气缸协同控制从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

短行程气缸与卷带电机协同控制，保持“抓持状态”；

短行程气缸与叶片式转动气缸协同控制，保持“抓持状态”。

从而根据分布接触力具有不同精确要求、是否为可接触变形的被抓物体的特性实现精确度较高的不同形式的抓取功能。

附图说明

图1为本发明的A-A阶梯剖主视图。

图2为本发明的B-B剖俯视图。

图3为本发明的B-B剖俯视图的指根45度偏心转位图

图4为本发明的C向局部视图。

图5为本发明的D-D剖视图。

图6为本发明的俯视图。

图7为本发明的E-E剖视图。

图8为本发明的平动夹持手指部件的F-F剖视图。

图9为本发明的平动夹持手指部件的G-G剖主视图。

图10为本发明的平动夹持手指部件的俯视图。

图11为本发明的裹包抓取手指部件的H-H主剖视图。

图12为本发明的裹包抓取手指部件的I-I剖俯视图。

图13为本发明的裹包抓取手指部件可调指甲尖零件的主视图

图14本发明的裹包抓取手指部件卷筒座零件的主剖视图。

图15为本发明的裹包抓取手指部件卷筒座零件的俯视图。

图16为本发明的平动夹持手指部件手指节零件的主剖视图。

图17为本发明的平动夹持手指部件手指节零件的俯视图。

图18为本发明的裹包抓取手指部件张紧支架零件的主剖视图。

图19为本发明的裹包抓取手指部件张紧支架零件的俯视图。

图20为本发明的转位粗轴零件的主视图。

图21为本发明的导杆双头配合螺柱零件的主视图。

图22为本发明的叉形转位板零件的主视图。

图23为本发明的方头双孔双耳座零件的主视图。

图24为本发明的方头双孔双耳座零件的右剖视图。

图25为本发明的方头双孔双耳座零件的俯视图。

图26为本发明的右旋螺母销座零件的主剖视图。

图27为本发明的右旋螺母销座零件的右视图。

图28为本发明的正反双向螺纹杆零件的主视图。

图29为本发明的软轴部件放大结构图。

图30为本发明的锥孔转轴零件的放大主视图。

图31为本发明的锥孔卷筒轴零件的放大主视图。

图32为本发明的短行程气缸与叶片式转动气缸的气动原理图。

图中：1、机械臂安装板；2a、夹持电机；2b、短行程气缸；3、转动驱动器；3a、叶片式转动气缸；3b、卷带电机；4、推动板；5、条形转位板；6、平装双耳座；7、推动杆；8、叉形转位板；9、手指部件；9a、平动夹持手指；9b、裹包抓取手指；10、大菱形带座轴承；11、转位粗轴；12、套筒；13、耐磨垫片；14、弯曲杆；15、下板；16、耐磨隔套；17a、左旋螺母销座；17b、右旋螺母销座；18、大伞齿轮；19、正反双向螺纹杆；20、小伞齿轮；21、上板；22、转位电机；23、小双头配合螺柱；24、导杆双头配合螺柱；25、螺纹杆支架；26、丝杠螺母；27、直线轴承；28、软轴部件；29、锥孔转轴；30、小菱形带座轴承；31、圆柱齿轮；32、齿形带；33、张紧带轮轴；9a1、方头双孔双耳座；9a2、铜套；9a3、指根销轴；9a4、直角双耳座；9a5、双孔指根节；9a6、指节销轴；9a7、链节板；9a8、手指节；9b1、卷绕筒；9b2、卷筒座；9b3、锥孔卷筒轴；9b4、编织物橡胶带；9b5、张紧支架；9b6、弧面螺母压板；9b7、可调指甲尖；28a、弹性软轴；28b、滚花内螺纹套；28c、圆锥销压头。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，复合机械手的零部件有：机械臂安装板1、夹持电机2a或短行程气缸2b、转动驱动器3、推动板4、条形转位板5、平装双耳座6、推动杆7、叉形转位板8、手指部件9、大菱形带座轴承10、转位粗轴11、套筒12、耐磨垫片13、弯曲杆14、下板15、耐磨隔套16、左旋螺母销座17a、右旋螺母销座17b、大伞齿轮18、正反双向螺纹杆19、小伞齿轮20、上板21、转位电机22、小双头配合螺柱23、导杆双头配合螺柱24、螺纹杆支架25、丝杠螺母26、直线轴承27、软轴部件28、锥孔转轴29、小菱形带座轴承30、圆柱齿轮31、齿形带32、张紧带轮轴33；

所述夹持电机2a、短行程气缸2b之中只能选择一种安装，夹持电机2a、短行程气缸2b是在不同位置安装的；

所述转动驱动器3有二种选一种、在同一位置替换安装，包括：叶片式转动气缸3a或卷带电机3b；

所述手指部件9有二种选一种、在同一位置替换安装，包括：平动夹持手指9a、或裹包抓取手指9b；四个手指部件9须装配同种类的手指；

采用平动夹持手指9a时，指根转动驱动选择夹持电机2a或短行程气缸2b之中的任一种，指根转位驱动为转位电机22，没有裹包驱动的叶片式转动气缸3a和卷带电机3b；

采用裹包抓取手指9b时，指根转动驱动选择夹持电机2a或短行程气缸2b之中的任一种，指根转位驱动为转位电机22，裹包驱动选择叶片式转动气缸3a或卷带电机3b之中的任一种，驱动的组合方式有：夹持电机2a与叶片式转动气缸3a、或夹持电机2a与卷带电机3b，或短行程气缸2b与叶片式转动气缸3a、或短行程气缸2b与卷带电机3b；其中相应的控制方法详见实施例。

所述软轴部件28中有：弹性软轴28a、滚花内螺纹套28b、圆锥销压头28c；

所述平动夹持手指9a中有：方头双孔双耳座9a1、铜套9a2、指根销轴9a3、直角双耳座9a4、双孔指根节9a5、指节销轴9a6、链节板9a7、手指节9a8；

所述裹包抓取手指9b是在平动夹持手指9a所有零件与结构的基础上加装了七种零件，这七种零件分别是：卷绕筒9b1、卷筒座9b2、锥孔卷筒轴9b3、编织物橡胶带9b4、张紧支架9b5、弧面螺母压板9b6、可调指甲尖9b7；

所述复合机械手由手掌和四个结构相同、均布安装的手指部件9组成；所述手指部件9共有二种，包括：平动夹持手指9a、裹包抓取手指9b；

所述复合机械手的安装结构及功能：

①提供指根转位功能：四个手指的中心距相等，四个手指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在转位电机22驱动下，采用回转中心偏心的转位结构，左右手指偏心地顺时针转位45度、前后手指偏心地逆时针转位45度，从而抓取水平放置圆柱、长方体；

②提供平动捏取功能：结构设计优化后，夹持电机2a或短行程气缸2b二种选择一种，在不同位置安装，用来直接驱动推动板4、推动杆7，从而使平动夹持手指9a捏取物体；

③提供裹包抓取功能：裹包抓取手指9b是在平动夹持手指9a基础上加装了七种零件，并在叶片式转动气缸3a或卷带电机3b二种选择一种，在相同位置替换安装，用来驱动齿形带32、圆柱齿轮31、锥孔转轴29、软轴部件28、锥孔卷筒轴9b3，进而张弛编织物橡胶带9b4，从而裹包抓取物体；还可用可调指甲尖9b7捏取物体；

④采用平动夹持手指9a时，指根转动驱动选择夹持电机2a或短行程气缸2b之中的任一种，指根转位驱动为转位电机22，没有裹包驱动的叶片式转动气缸3a和卷带电机3b；

⑤采用裹包抓取手指9b时，指根转动驱动选择夹持电机2a或短行程气缸2b之中的任一种，指根转位驱动为转位电机22，裹包驱动选择叶片式转动气缸3a或卷带电机3b之中的任一种，指根转动驱动和裹包驱动协同控制，驱动的组合方式有：夹持电机2a与叶片式转动气缸3a、或夹持电机2a与卷带电机3b，或短行程气缸2b与叶片式转动气缸3a、或短行程气缸2b与卷带电机3b；

⑥软轴部件28通过圆锥销压头28c的圆锥面接触与传递运动，便于调整相位角、使四个卷绕筒9b1初始张紧力调节一致；

如附图1-7所示，复合机械手的具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板1上面的沉孔与机械臂的定位圆环外圈定位后，用螺钉将复合机械手固定到机械臂上，导杆双头配合螺柱24的两端分别与机械臂安装板1、上板21上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根导杆双头配合螺柱24将机械臂安装板1和上板21联结成整体；同样，两根小双头配合螺柱23的两端分别与上板21、下板15上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根小双头配合螺柱23将上板21和下板15联结成整体；其中导杆双头配合螺柱24的结构如附图24所示；

指根转位结构：

①转位支撑结构：如附图1、4所示，指根转位传动在上板21与下板15之间，四个叉形转位板8分别装在四根转位粗轴11上，叉形转位板8与转位粗轴11之间有平键传动，叉形转位板8与转位粗轴11下端的大菱形带座轴承10内圈之间有套筒12轴向限位，转位粗轴11上下端分别采用大菱形带座轴承10支撑，二个大菱形带座轴承10分别固定在上板21和下板15，安装在上板21和下板15的下面，大菱形带座轴承10的轴承座上定位止口与上板21和下板15对应孔采用间隙配合定位；其中转位粗轴11的结构如附图20所示；

②转位驱动结构：如附图1、5所示，转位电机22安装在上板21上，小伞齿轮20固定在转位电机22的输出轴上，用平头紧定螺钉压紧在转位电机22的输出轴上平面、以传递动力，与小伞齿轮20啮合的大伞齿轮18用尖头紧定螺钉固定在正反双向螺纹杆19中段的径向锥形凹坑中，用平键传递动力；正反双向螺纹杆19两端有螺纹杆支架25提供旋转支撑，二个螺纹杆支架25固定在上板21的下面，正反双向螺纹杆19最右端有一段方头、便于扳手调节转动，正反双向螺纹杆19的左右螺纹段分别装有左旋螺母销座17a和右旋螺母销座17b，转动正反双向螺纹杆19使左旋螺母销座17a和右旋螺母销座17b反向移动，增加或减少相对距离；利用转位电机22上带有的角位移传感器反馈，间接控制正反双向螺纹杆19转动角位移，从而控制叉形转位板8的转位角度；其中右旋螺母销座17b的结构如附图26、27所示，转动正反双向螺纹杆19的结构如附图28所示；

③转位机构：如附图2-3、5所示，左侧、后侧的二个叉形转位板8分别与二个弯曲杆14的一端铰链联结，上面的弯曲杆14与下面的叉形转位板8之间有耐磨垫片13，右侧、前侧的二个叉形转位板8分别与二个弯曲杆14一端铰链联结，上面的弯曲杆14与下面的叉形转位板8之间有耐磨隔套16，如附图5所示，耐磨隔套16的厚度等于弯曲杆14厚度与耐磨垫片13厚度之和；前侧的弯曲杆14、左侧的弯曲杆14、左旋螺母销座17a三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片13减少摩擦，在左旋螺母销座17a的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；同样，后侧的弯曲杆14、右侧的弯曲杆14、右旋螺母销座17b三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片13减少摩擦，在右旋螺母销座17b的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；如附图2所示，左旋螺母销座17a和右旋螺母销座17b之间距离长(箭头、尺寸线标识)，则抓取直立圆柱体、球体、正方体；如附图3所示，左旋螺母销座17a和右旋螺母销座17b之间距离短(箭头、尺寸线标识)，则左侧、右侧的二个叉形转位板8沿各自回转中心、顺时针转动45度，前侧、后侧的二个叉形转位板8沿各自回转中心、逆时针转动45度，从而抓取水平放置圆柱体、长方体；其中叉形转位板8的结构如附图22所示；

平动捏取传动结构：如附图7所述，推动板4上装有一个丝杠螺母26和两个直线轴承27，两个直线轴承27分别套在两根导杆双头配合螺柱24上，从而为推动板4上下直线移动提供导向；不同安装位置的夹持电机2a和短行程气缸2b中，有且只有一种被固定在机械臂安装板1上，夹持电机2a过丝杠螺母26驱动推动板4上下移动，或者短行程气缸2b的活塞杆用两个螺母并紧固定在推动板4上、驱动推动板4上下移动；四个均布的条形转位板5分别与相应的推动板4铰链联结，推动板4上的平头紧定螺钉压紧在铰链销轴的平面上；四个条形转位板5与相应的叉形转位板8的回转中心是同轴的，从而实现可转位；用二个螺钉将平装双耳座6固定在条形转位板5上，平装双耳座6与推动杆7上端单耳铰链联结，推动杆7的下端单耳与平动夹持手指9a上的直角双耳座9a4铰链联结；

裹包抓取传动结构：转动驱动器3有叶片式转动气缸3a和卷带电机3b两种，相同安装位置的叶片式转动气缸3a和卷带电机3b中，有且只有一种被固定在机械臂安装板1上；如附图5、6所示，用平头紧定螺钉将圆柱齿轮31压紧在叶片式转动气缸3a或卷带电机3b输出轴的平面上，另外四个圆柱齿轮31分别用平头紧定螺钉压紧在锥孔转轴29上段的平面上，锥孔转轴29上下段各装配一个小菱形带座轴承30，二个小菱形带座轴承30背靠背地固定在机械臂安装板1上，第六个圆柱齿轮31用平头紧定螺钉固定在张紧带轮轴33上段的平面上，张紧带轮轴33可在机械臂安装板1上的腰形槽中移动，张紧了齿形带32后用螺钉、垫片紧固；齿形带32围绕着六个圆柱齿轮31，驱动四根锥孔转轴29转动；软轴部件28上下端的两个圆锥销压头28c分别塞进锥孔转轴29、及裹包抓取手指9b的锥孔卷筒轴9b3的锥孔内，再用滚花内螺纹套28b拧紧，靠圆锥面接触传递动力，锥孔卷筒轴9b3带动卷绕筒9b1，从而张弛编织物橡胶带9b4；其中锥孔转轴29、锥孔卷筒轴9b3的结构如图30、31所示；

如附图1、12、29所示，所述软轴部件28由一根弹性软轴28a、二个滚花内螺纹套28b和二个圆锥销压头28c组成，其弹性软轴28a两端先各套有一个滚花内螺纹套28b，滚花内螺纹套28b的螺纹段均在外端，再将二个圆锥销压头28c分别压装在弹性软轴28a两端、形成一体。

如附图8-10所示，所述平动夹持手指9a结构中，方头双孔双耳座9a1、手指节9a8、双孔指根节9a5、链节板9a7构成了平行四边形机构，双孔指根节9a5的转动使得手指节9a8平动、从而捏取物体；方头双孔双耳座9a1在叉形转位板8的槽内沿机械手径向调节，并用螺钉、垫片固定；双孔指根节9a5上端靠一根指根销轴9a3与方头双孔双耳座9a1铰链联结，指根销轴9a3靠铜套9a2减少摩擦，指根销轴9a3两端用轴用弹簧卡环限制轴向移动，在方头双孔双耳座9a1外侧两个链节板9a7上端，分别靠二个指节销轴9a6也与方头双孔双耳座9a1铰链联结，指节销轴9a6的一端是台阶、另一端用轴用弹簧卡环限制轴向移动；手指节9a8靠一个短销、一个长销分别与双孔指根节9a5和链节板9a7铰链的下端联结，直角双耳座9a4靠螺栓固定在双孔指根节9a5上；

宽度上，直角双耳座9a4和双孔指根节9a5均可在方头双孔双耳座9a1内侧的二个铜套9a2之间、以及二个指节销轴9a6之间自由转动，同时直角双耳座9a4和双孔指根节9a5均可在叉形转位板8的槽内自由转动，此结构增大了直角双耳座9a4和双孔指根节9a5的转动范围(如附图9所示，双孔指根节9a5以指根销轴9a3为转动中心，可逆时针转过指节销轴9a6轴心线)，增大了手指节9a8平动的径向移动距离、从而增大了抓取尺寸范围，同时也增大了直角双耳座9a4在叉形转位板8的槽内的调节距离；其中手指节9a8的结构如附图16-17所示，方头双孔双耳座9a1的结构如附图23-25所示。

如附图11-12所示，所述裹包抓取手指9b是在平动夹持手指9a所有零件的结构上加装七种零件：卷绕筒9b1、卷筒座9b2、锥孔卷筒轴9b3、编织物橡胶带9b4、张紧支架9b5、弧面螺母压板9b6、可调指甲尖9b7；卷筒座9b2靠螺钉固定在手指节9a8上，锥孔卷筒轴9b3将卷绕筒9b1装配在卷筒座9b2上，锥孔卷筒轴9b3与卷绕筒9b1靠平键传动，锥孔卷筒轴9b3和卷筒座9b2之间也靠铜套9a2减少摩擦，锥孔卷筒轴9b3两端分别靠台阶面和轴用弹簧卡环限制轴向位移；卷绕筒9b1上卷绕了近一圈编织物橡胶带9b4(涂黑部分)，编织物橡胶带9b4上端最前部分用强力胶粘结在卷绕筒9b1的径向槽一侧面、并用斜楔压紧；编织物橡胶带9b4下端靠螺钉和弧面螺母压板9b6压紧在张紧支架9b5上，再用螺钉将张紧支架9b5和可调指甲尖9b7一同固定在手指节9a8上，弧面螺母压板9b6的左端上部是弧面、便于编织物橡胶带9b4向内裹包被抓物体；可调指甲尖9b7有腰形槽，可调节指甲尖9b7的伸出长度，可调节指甲尖9b7的伸出段可作为指甲捏取物体，或收紧编织物橡胶带9b4可裹包抓取物体；其中可调指甲尖9b7、卷筒座9b2的结构如附图13-15所示，张紧支架9b5的结构如附图18、19所示。

四个裹包抓取手指9b的编织物橡胶带9b4的初始张紧：软轴部件28下端的圆锥销压头28c塞进裹包抓取手指9b的锥孔卷筒轴9b3的锥孔内，手动卷绕筒9b1将编织物橡胶带9b4张紧后，再用滚花内螺纹套28b拧紧，四根编织物橡胶带9b4初始张紧力保证一致。

方头双孔双耳座9a1在叉形转位板8腰形槽内的距离调节，主要与推动杆7的角度相关，而靠里侧部分位置也与推动板4的高度相关，这需要手工转动夹持电机2a的输出轴或拉动短行程气缸2b的活塞杆。

如附图32所示，短行程气缸2b的气路图中，换向阀一出口与高速开关阀一连接，高速开关阀一连接与短行程气缸2b的进口连接，短行程气缸2b的进口旁路连接了压力传感器一，短行程气缸2b的出口与换向阀一出口连接，换向阀一排气口上装有消声器、对大气排空；叶片式转动气缸3a的气路图中，换向阀二出口与高速开关阀二连接，高速开关阀二连接与叶片式转动气缸3a的进口连接，叶片式转动气缸3a的进口旁路连接了压力传感器二，同时叶片式转动气缸3a的进口还旁路连接了单向阀，单向阀连接了普通开关阀，单向阀出口向普通开关阀，普通开关阀出口上装有消声器、对大气排空，叶片式转动气缸3ab的出口与换向阀二出口连接，换向阀二出口上装有消声器、对大气排空。

所述夹持电机2a、转位电机22、叶片式转动气缸3a、卷带电机3b均带有角位移传感器，所述短行程气缸2b带有位移传感器。

本发明的工作原理及使用流程：

手掌提供指根45度转位功能，适应形状变化；直角双耳座9a4和双孔指根节9a5的转动范围大，使得手指节9a8的平动径向距离大，因此平动夹持手指9a、裹包抓取手指9b适应尺寸范围大；平动夹持手指9a只能捏取物体，裹包抓取手指9b既可裹包抓取物体、又可用可调指甲尖9b7捏取物体。

实施例一

采用平动夹持手指9a时，指根转动驱动选择夹持电机2a或短行程气缸2b之中的任一种；接触力大小是由接触位置尺寸和驱动力(扭矩)决定的，接触位置尺寸是与被抓物体尺寸和接触状态相关，建立(由推动板4、条形转位板5、平装双耳座6、推动杆7、叉形转位板8、平动夹持手指9a组成的)连杆系的力学方程，可根据这些数学模型得出夹持电机2a的角位移与输出扭矩、短行程气缸2b的位移与驱动力这些控制参数，控制方式：①选择夹持电机2a，其接触力大小是由夹持电机2a的输出扭矩控制；②选择短行程气缸2b，根据其内腔压力的压力传感器反馈，通过气动高速开关阀来精确控制气压大小，从而控制接触力大小。

实施例二

采用裹包抓取手指9b时，可调指甲尖9b7的捏取方式，与前述平动夹持手指9a的控制方式相同；裹包抓取方式用于抓取球体、水平放置圆柱体、椭球体、曲面构成的异形体、接触力复杂状态物体(如水蜜桃、软包装货品)，可调指甲尖9b7有腰形槽、需要时可缩回安装或直接去除；

夹持电机2a、卷带电机3b均可正反转控制、角位移的精确控制，但反应速度不如气动元件；而叶片式转动气缸3a可正反转控制、不能实现角位移精确控制，短行程气缸2b可往复运动控制、也不能实现行程的精确控制；

分布接触力(单位面积接触力)大小是由“接触状态”和驱动力(扭矩)决定的，所述“接触状态”是既要保证编织物橡胶带9b4与被抓物体之间的接触长度尽可能长(分布接触力尽可能小)、但又不能被压迫过多、碰到可调指甲尖9b7或手指节9a8的状态，碰到就形成捏取状态、使接触力迅速增大；“抓持状态”是在“接触状态”前提下保证持续可靠抓持的状态，一旦脱离“接触状态”的参数(即编织物橡胶带9b4与被抓物体的接触长度值，是双孔指根节9a5角度，也就是推动板4的位置)就进行实时调整；

裹包抓取方式控制策略：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出夹持电机2a、叶片式转动气缸3a、卷带电机3b的角位移与输出扭矩，及短行程气缸2b的位移与驱动力这些控制参数；裹包抓取是平动驱动和裹包驱动的协同控制，在以下四种驱动组合方式中任选一种：

①夹持电机2a与卷带电机3b：夹持电机2a先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指9b的手指节9a8达到接触位置，此过程中卷绕筒9b1是松卷反转，松卷反转阻尼是卷带电机3b短时的小输出扭矩、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机2a可断电节能，卷带电机3b再增大扭矩、编织物橡胶带9b4张紧裹包抓取；夹持电机2a运动控制，决定编织物橡胶带9b4与被抓物体的接触长度、接触力分布状况；控制卷带电机3b输出扭矩，确定编织物橡胶带9b4的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

②夹持电机2a与叶片式转动气缸3a：夹持电机2a先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指9b的手指节9a8达到接触位置，过程中卷绕筒9b1是松卷反转、叶片式转动气缸3a是反转，如附图32所示，此时普通开关阀通电、接通大气，松卷反转阻尼是叶片式转动气缸3a进口旁气路单向阀的背压作用、进口旁气路气体压缩性、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；然后普通开关阀断电、不通大气，因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机2a可断电节能，叶片式转动气缸3a驱动编织物橡胶带9b4张紧裹包抓取；根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸3a进气压力，精确控制叶片式转动气缸3a输出扭矩，确定编织物橡胶带9b4的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

③短行程气缸2b与卷带电机3b：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出卷带电机3b的角位移与输出扭矩、短行程气缸2b的位移与驱动力这些控制参数，卷带电机3b先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带9b4预张紧；然后根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸2b进气压力，精确控制短行程气缸2b的输出力，使得编织物橡胶带9b4的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸2b的位移传感器反馈，保证短行程气缸2b的位移不变(活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变)前提下，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸2b的输出力，同时精确控制卷带电机3b的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”；

④短行程气缸2b与叶片式转动气缸3a：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出驱动力(扭矩)控制参数，根据压力传感器二反馈，叶片式转动气缸3a高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法、控制先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带9b4预张紧；然后据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸2b进气压力，精确控制短行程气缸2b的输出力，使得编织物橡胶带9b4的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸2b的位移传感器反馈，保证短行程气缸2b的位移不变(活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变)前提下，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸2b的输出力，同时根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸3a的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”。

前述四种驱动组合方式的动态过程中，夹持电机2a、短行程气缸2b驱动的推动板4位置决定了“接触状态”，推动板4位置是“接触状态”测量基准，叶片式转动气缸3a、卷带电机3b是决定“抓持状态”分布接触力的大小，“抓持状态”就是保证抓持过程中“接触状态”不变。

具体地，所述四种驱动组合方式的动态过程与实施特点：①夹持电机2a、短行程气缸2b驱动的推动板4位置决定了“接触状态”，推动板4位置是“接触状态”测量基准，叶片式转动气缸3a、卷带电机3b是决定“抓持状态”分布接触力的大小，“抓持状态”就是保证抓持过程中“接触状态”不变；②夹持电机2a与卷带电机3b，夹持电机2a与叶片式转动气缸3a，这两种方式是“阻尼松卷”，裹包过程分布接触力很小，然后编织物橡胶带9b4的张力增加，分布接触力逐步增加且均匀性好，初始接触状态(编织物橡胶带9b4接触长度)到最终抓持状态连续过渡；③短行程气缸2b与卷带电机3b，短行程气缸2b与叶片式转动气缸3a，为了防止短行程气缸2b驱动下编织物橡胶带9b4碰到可调指甲尖9b7或手指节9a8，这两种方式是编织物橡胶带9b4先预张紧到初始平衡的精确值，然后短行程气缸2b驱动下由被抓物体“压迫松卷”、直到初始平衡状态，最后卷带电机3b或叶片式转动气缸3a加载到抓持状态，从“压迫松卷”到初始平衡状态过程中瞬时接触特性是接触面积逐步增加、分布接触力大小逐步减少，然后再加载到抓持状态的分布接触力，分布接触力逐步减少、再逐步增加，初始接触状态到最终抓持状态为二个阶段；④对于分布接触力要求精确、不能接触变形的被抓物体(如水蜜桃)，对于易变形被抓物体(如软包装货品)，裹包抓取动态控制参数需要实测。

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 (7)

1.一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：

所述复合机械手由手掌和四个结构相同、均布安装的手指部件(9)组成；所述手指部件(9)共有二种，包括：平动夹持手指(9a)、裹包抓取手指(9b)；

所述复合机械手的安装结构及功能：

①提供指根转位功能：四个手指的中心距相等，四个手指抓取直立圆柱、球体、正方体，或在转位电机(22)驱动下，采用回转中心偏心的转位结构，左右手指偏心地顺时针转位45度、前后手指偏心地逆时针转位45度，从而抓取水平放置圆柱、长方体；

②提供平动捏取功能：结构设计优化后，夹持电机(2a)或短行程气缸(2b)二种选择一种，在不同位置安装，用来直接驱动推动板(4)、推动杆(7)，从而使平动夹持手指(9a)捏取物体；

③提供裹包抓取功能：裹包抓取手指(9b)是在平动夹持手指(9a)基础上加装了七种零件，并在叶片式转动气缸(3a)或卷带电机(3b)二种选择一种，在相同位置替换安装，用来驱动齿形带(32)、圆柱齿轮(31)、锥孔转轴(29)、软轴部件(28)、锥孔卷筒轴(9b3)，进而张弛编织物橡胶带(9b4，)从而裹包抓取物体；还可用可调指甲尖(9b7)捏取物体；

④采用平动夹持手指(9a)时，指根转动驱动选择夹持电机(2a)或短行程气缸(2b)之中的任一种，指根转位驱动为转位电机(22)，没有裹包驱动的叶片式转动气缸(3a)和卷带电机(3b)；

⑤采用裹包抓取手指(9b)时，指根转动驱动选择夹持电机(2a)或短行程气缸(2b)之中的任一种，指根转位驱动为转位电机(22)，裹包驱动选择叶片式转动气缸(3a)或卷带电机(3b)之中的任一种，指根转动驱动和裹包驱动协同控制，驱动的组合方式有：夹持电机(2a)与叶片式转动气缸(3a)、或夹持电机(2a)与卷带电机(3b)，或短行程气缸(2b)与叶片式转动气缸(3a)、或短行程气缸(2b)与卷带电机(3b)；

⑥软轴部件(28)通过圆锥销压头(28c)的圆锥面接触与传递运动，便于调整相位角、使四个卷绕筒(9b1)初始张紧力调节一致；

所述复合机械手具体结构是：

整体安装结构：通过机械臂安装板(1)上面的沉孔与机械臂的定位圆环外圈定位后，用螺钉将复合机械手固定到机械臂上，导杆双头配合螺柱(24)的两端分别与机械臂安装板(1)、上板(21)上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根导杆双头配合螺柱(24)将机械臂安装板(1)和上板(21)联结成整体；同样，两根小双头配合螺柱(23)的两端分别与上板(21)、下板(15)上的孔间隙配合，再通过螺母紧固后两根小双头配合螺柱(23)将上板(21)和下板(15)联结成整体；

指根转位结构：

①转位支撑结构：指根转位传动在上板(21)与下板(15)之间，四个叉形转位板(8)分别装在四根转位粗轴(11)上，叉形转位板(8)与转位粗轴(11)之间有平键传动，叉形转位板(8)与转位粗轴(11)下端的大菱形带座轴承(10)内圈之间有套筒(12)轴向限位，转位粗轴(11)上下端分别采用大菱形带座轴承(10)支撑，二个大菱形带座轴承(10)分别固定在上板(21)和下板(15)，安装在上板(21)和下板(15)的下面，大菱形带座轴承(10)的轴承座上定位止口与上板(21)和下板(15)对应孔采用间隙配合定位；

②转位驱动结构：转位电机(22)安装在上板(21)上，小伞齿轮(20)固定在转位电机(22)的输出轴上，用平头紧定螺钉压紧在转位电机(22)的输出轴上平面、以传递动力，与小伞齿轮(20)啮合的大伞齿轮18用尖头紧定螺钉固定在正反双向螺纹杆(19)中段的径向锥形凹坑中，用平键传递动力；正反双向螺纹杆(19)两端有螺纹杆支架(25)提供旋转支撑，二个螺纹杆支架(25)固定在上板(21)的下面，正反双向螺纹杆(19)最右端有一段方头、便于扳手调节转动，正反双向螺纹杆(19)的左右螺纹段分别装有左旋螺母销座(17a)和右旋螺母销座(17b)，转动正反双向螺纹杆(19)使左旋螺母销座(17a)和右旋螺母销座(17b)反向移动，增加或减少相对距离；利用转位电机(22)上带有的角位移传感器反馈，间接控制正反双向螺纹杆(19)转动角位移，从而控制叉形转位板(8)的转位角度；

③转位机构结构：左侧、后侧的二个叉形转位板(8)分别与二个弯曲杆(14)的一端铰链联结，上面的弯曲杆(14)与下面的叉形转位板(8)之间有耐磨垫片(13)，右侧、前侧的二个叉形转位板(8)分别与二个弯曲杆(14)一端铰链联结，上面的弯曲杆(14)与下面的叉形转位板(8)之间有耐磨隔套(16)，耐磨隔套(16)的厚度等于弯曲杆(14)厚度与耐磨垫片(13)厚度之和；前侧的弯曲杆(14)、左侧的弯曲杆(14)、左旋螺母销座(17a)三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片(13)减少摩擦，在左旋螺母销座(17a)的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；同样，后侧的弯曲杆(14)、右侧的弯曲杆(14)、右旋螺母销座(17b)三者铰链联结，相互之间均有耐磨垫片(13)减少摩擦，在右旋螺母销座(17b)的平头紧定螺钉压紧在此铰链销轴上的平面；左旋螺母销座(17a)和右旋螺母销座(17b)之间距离长，则抓取直立圆柱体、球体、正方体；左旋螺母销座(17a)和右旋螺母销座(17b)之间距离短，则左侧、右侧的二个叉形转位板(8)沿各自回转中心、顺时针转动45度，前侧、后侧的二个叉形转位板(8)沿各自回转中心、逆时针转动45度，从而抓取水平放置圆柱体、长方体；

平动捏取传动结构：推动板(4)上装有一个丝杠螺母(26)和两个直线轴承(27)，两个直线轴承(27)分别套在两根导杆双头配合螺柱24上，从而为推动板(4)上下直线移动提供导向；不同安装位置的夹持电机(2a)和短行程气缸(2b)中，有且只有一种被固定在机械臂安装板(1)上，夹持电机(2a)过丝杠螺母(26)驱动推动板(4)上下移动，或者短行程气缸(2b)的活塞杆用两个螺母并紧固定在推动板(4)上、驱动推动板(4)上下移动；四个均布的条形转位板(5)分别与相应的推动板(4)铰链联结，推动板(4)上的平头紧定螺钉压紧在铰链销轴的平面上；四个条形转位板(5)与相应的叉形转位板(8)的回转中心是同轴的，从而实现可转位；用二个螺钉将平装双耳座(6)固定在条形转位板(5)上，平装双耳座(6)与推动杆(7)上端单耳铰链联结，推动杆(7)的下端单耳与平动夹持手指(9a)上的直角双耳座(9a4)铰链联结；

裹包抓取传动结构：转动驱动器(3)有叶片式转动气缸(3a)和卷带电机(3b)两种，相同安装位置的叶片式转动气缸(3a)和卷带电机(3b)中，有且只有一种被固定在机械臂安装板(1)上；用平头紧定螺钉将圆柱齿轮(31)压紧在叶片式转动气缸(3a)或卷带电机(3b)输出轴的平面上，另外四个圆柱齿轮(31)分别用平头紧定螺钉压紧在锥孔转轴(29)上段的平面上，锥孔转轴(29)上下段各装配一个小菱形带座轴承(30)，二个小菱形带座轴承(30)背靠背地固定在机械臂安装板(1)上，第六个圆柱齿轮(31)用平头紧定螺钉固定在张紧带轮轴(33)上段的平面上，张紧带轮轴(33)可在机械臂安装板(1)上的腰形槽中移动，张紧了齿形带(32)后用螺钉、垫片紧固；齿形带(32)围绕着六个圆柱齿轮(31)，驱动四根锥孔转轴(29)转动；软轴部件(28)上下端的两个圆锥销压头(28c)分别塞进锥孔转轴(29)、及裹包抓取手指(9b)的锥孔卷筒轴(9b3)的锥孔内，再用滚花内螺纹套(28b)拧紧，靠圆锥面接触传递动力，锥孔卷筒轴(9b3)带动卷绕筒(9b1)，从而张弛编织物橡胶带(9b4)。

2.根据权利要求1所述的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：所述软轴部件(28)由一根弹性软轴(28a)、二个滚花内螺纹套(28b)和二个圆锥销压头(28c)组成，其弹性软轴(28a)两端先各套有一个滚花内螺纹套(28b)，滚花内螺纹套(28b)的螺纹段均在外端，再将二个圆锥销压头(28c)分别压装在弹性软轴(28a)两端、形成一体。

3.根据权利要求1所述的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：所述平动夹持手指(9a)结构中，方头双孔双耳座(9a1)、手指节(9a8)、双孔指根节(9a5)、链节板(9a7)构成了平行四边形机构，双孔指根节(9a5)的转动使得手指节(9a8)平动、从而捏取物体；方头双孔双耳座(9a1)在叉形转位板(8)的槽内沿机械手径向调节，并用螺钉、垫片固定；双孔指根节(9a5)上端靠一根指根销轴(9a3)与方头双孔双耳座(9a1)铰链联结，指根销轴(9a3)靠铜套(9a2)减少摩擦，指根销轴(9a3)两端用轴用弹簧卡环限制轴向移动，在方头双孔双耳座(9a1)外侧两个链节板(9a7)上端，分别靠二个指节销轴(9a6)也与方头双孔双耳座(9a1)铰链联结，指节销轴(9a6)的一端是台阶、另一端用轴用弹簧卡环限制轴向移动；手指节(9a8)靠一个短销、一个长销分别与双孔指根节(9a5)和链节板(9a7)铰链的下端联结，直角双耳座(9a4)靠螺栓固定在双孔指根节(9a5)上；

宽度上，直角双耳座(9a4)和双孔指根节(9a5)均可在方头双孔双耳座(9a1)内侧的二个铜套(9a2)之间、以及二个指节销轴(9a6)之间自由转动，同时直角双耳座(9a4)和双孔指根节(9a5)均可在叉形转位板(8)的槽内自由转动，此结构增大了直角双耳座(9a4)和双孔指根节(9a5)的转动范围：双孔指根节(9a5)以指根销轴(9a3)为转动中心，可逆时针转过指节销轴(9a6)轴心线，增大了手指节(9a8)平动的径向移动距离、从而增大了抓取尺寸范围，同时也增大了直角双耳座(9a4)在叉形转位板(8)的槽内的调节距离。

4.根据权利要求1所述的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：所述裹包抓取手指(9b)是在平动夹持手指(9a)所有零件的结构上加装七种零件：卷绕筒(9b1)、卷筒座(9b2)、锥孔卷筒轴(9b3)、编织物橡胶带(9b4)、张紧支架(9b5)、弧面螺母压板(9b6)、可调指甲尖(9b7)；卷筒座(9b2)靠螺钉固定在手指节(9a8)上，锥孔卷筒轴(9b3)将卷绕筒(9b1)装配在卷筒座(9b2)上，锥孔卷筒轴(9b3)与卷绕筒(9b1)靠平键传动，锥孔卷筒轴(9b3)和卷筒座(9b2)之间也靠铜套(9a2)减少摩擦，锥孔卷筒轴(9b3)两端分别靠台阶面和轴用弹簧卡环限制轴向位移；卷绕筒(9b1)上卷绕了近一圈编织物橡胶带(9b4)，编织物橡胶带(9b4)上端最前部分用强力胶粘结在卷绕筒(9b1)的径向槽一侧面、并用斜楔压紧；编织物橡胶带(9b4)下端靠螺钉和弧面螺母压板(9b6)压紧在张紧支架(9b5)上，再用螺钉将张紧支架(9b5)和可调指甲尖(9b7)一同固定在手指节(9a8)上，弧面螺母压板(9b6)的左端上部是弧面、便于编织物橡胶带(9b4)向内裹包被抓物体；可调指甲尖(9b7)有腰形槽，可调节指甲尖(9b7)的伸出长度，可调节指甲尖(9b7)的伸出段可作为指甲捏取物体，或收紧编织物橡胶带(9b4)可裹包抓取物体。

5.根据权利要求1所述的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：短行程气缸(2b)的气路结构为：换向阀一出口与高速开关阀一连接，高速开关阀一连接与短行程气缸(2b)的进口连接，短行程气缸(2b)的进口旁路连接了压力传感器一，短行程气缸(2b)的出口与换向阀一出口连接，换向阀一排气口上装有消声器、对大气排空；叶片式转动气缸(3a)的气路结构为：换向阀二出口与高速开关阀二连接，高速开关阀二连接与叶片式转动气缸(3a)的进口连接，叶片式转动气缸(3a)的进口旁路连接了压力传感器二，同时叶片式转动气缸(3a)的进口还旁路连接了单向阀，单向阀连接了普通开关阀，单向阀出口向普通开关阀，普通开关阀出口上装有消声器、对大气排空，叶片式转动气缸(3a)的出口与换向阀二出口连接，换向阀二出口上装有对大气排空的消声器。

6.根据权利要求1所述的捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手，其特征在于：所述夹持电机(2a)、转位电机(22)、叶片式转动气缸(3a)、卷带电机(3b)均带有角位移传感器，所述短行程气缸(2b)带有位移传感器。

7.一种捏取与软轴传动卷筒张紧带裹包抓取的复合机械手的操作控制方法，其特征在于：采用平动夹持手指(9a)时，指根转动驱动选择夹持电机(2a)或短行程气缸(2b)之中的任一种；接触力大小是由接触位置尺寸和驱动力(扭矩)决定的，接触位置尺寸是与被抓物体尺寸和接触状态相关，建立由推动板(4)、条形转位板(5)、平装双耳座(6)、推动杆(7)、叉形转位板(8)、平动夹持手指(9a)组成的连杆系的力学方程，根据这些力学方程得出夹持电机(2a)的角位移与输出扭矩、短行程气缸(2b)的位移与驱动力这些控制参数，控制方式：①选择夹持电机(2a)，其接触力大小是由夹持电机(2a)的输出扭矩控制；②选择短行程气缸(2b)，根据其内腔压力的压力传感器反馈，通过气动高速开关阀来精确控制气压大小，从而控制接触力大小；

采用裹包抓取手指(9b)时，可调指甲尖(9b7)的捏取方式，与前述平动夹持手指(9a)的控制方式相同；裹包抓取方式用于抓取球体、水平放置圆柱体、椭球体、曲面构成的异形体、接触力复杂状态物体，可调指甲尖(9b7)有腰形槽、需要时可缩回安装或直接去除；

夹持电机(2a)、卷带电机(3b)均可正反转控制、角位移的精确控制，但反应速度不如气动元件；而叶片式转动气缸(3a)可正反转控制、不能实现角位移精确控制，短行程气缸(2b)可往复运动控制、也不能实现行程的精确控制；

分布接触力(单位面积接触力)大小是由“接触状态”和驱动力(扭矩)决定的，所述“接触状态”是既要保证编织物橡胶带(9b4)与被抓物体之间的接触长度尽可能长，即分布接触力尽可能小、但又不能被压迫过多、碰到可调指甲尖(9b7)或手指节(9a8)的状态，碰到就形成捏取状态、使接触力迅速增大；“抓持状态”是在“接触状态”前提下保证持续可靠抓持的状态，一旦脱离“接触状态”的参数，即编织物橡胶带(9b4)与被抓物体的接触长度值，是双孔指根节(9a5)角度，也就是推动板(4)的位置，就进行实时调整；

裹包抓取方式控制策略：建立连杆系、裹包接触的力学方程，根据这些力学方程得出夹持电机(2a)、叶片式转动气缸(3a)、卷带电机(3b)的角位移与输出扭矩，及短行程气缸(2b)的位移与驱动力这些控制参数；裹包抓取是平动驱动和裹包驱动的协同控制，在以下四种驱动组合方式中任选一种：

①夹持电机(2a)与卷带电机(3b)：夹持电机(2a)先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指(9b)的手指节(9a8)达到接触位置，此过程中卷绕筒(9b1)是松卷反转，松卷反转阻尼是卷带电机(3b)短时的小输出扭矩、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机(2a)可断电节能，卷带电机(3b)再增大扭矩、编织物橡胶带(9b4)张紧裹包抓取；夹持电机(2a)运动控制，决定编织物橡胶带(9b4)与被抓物体的接触长度、接触力分布状况；控制卷带电机(3b)输出扭矩，确定编织物橡胶带(9b4)的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

②夹持电机(2a)与叶片式转动气缸(3a)：夹持电机(2a)先根据其角位移传感器控制角位移，使裹包抓取手指(9b)的手指节(9a8)达到接触位置，过程中卷绕筒(9b1)是松卷反转、叶片式转动气缸(3a)是反转，此时普通开关阀通电、接通大气，松卷反转阻尼是叶片式转动气缸(3a)进口旁气路单向阀的背压作用、进口旁气路气体压缩性、机械结构惯性与摩擦力，松卷到“接触状态”；然后普通开关阀断电、不通大气，因为丝杠螺母机构自锁、夹持电机(2a)可断电节能，叶片式转动气缸(3a)驱动编织物橡胶带(9b4)张紧裹包抓取；根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸(3a)进气压力，精确控制叶片式转动气缸(3a)输出扭矩，确定编织物橡胶带(9b4)的张力，从而达到“抓持状态”的分布接触力大小；

③短行程气缸(2b)与卷带电机(3b)：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出卷带电机(3b)的角位移与输出扭矩、短行程气缸(2b)的位移与驱动力这些控制参数，卷带电机(3b)先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带(9b4)预张紧；然后根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸(2b)进气压力，精确控制短行程气缸(2b)的输出力，使得编织物橡胶带(9b4)的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸(2b)的位移传感器反馈，保证短行程气缸(2b)的位移不变(活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变)前提下，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸(2b)的输出力，同时精确控制卷带电机(3b)的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”；

④短行程气缸(2b)与叶片式转动气缸(3a)：建立连杆系、裹包接触的力学方程，可根据这些数学模型得出驱动力(扭矩)控制参数，根据压力传感器二反馈，叶片式转动气缸(3a)高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法、控制先达到“接触状态”初始平衡的精确输出扭矩、进行编织物橡胶带(9b4)预张紧；然后据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸(2b)进气压力，精确控制短行程气缸(2b)的输出力，使得编织物橡胶带(9b4)的张力与接触力的拉力平衡，从而确定初始分布接触力大小、达到“接触状态”初始平衡；根据短行程气缸(2b)的位移传感器反馈，保证短行程气缸(2b)的位移不变的前提下：即活塞杆不得退回，“接触状态”始终不变，根据压力传感器一反馈，高速开关阀一采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制短行程气缸(2b)的输出力，同时根据压力传感器二反馈，高速开关阀二采用PWM脉冲宽度调制方法精确控制叶片式转动气缸(3a)的输出扭矩，动态调整的分布接触力，保持“抓持状态”；

前述四种驱动组合方式的动态过程中，夹持电机(2a)、短行程气缸(2b)驱动的推动板(4)位置决定了“接触状态”，推动板(4)位置是“接触状态”测量基准，叶片式转动气缸(3a)、卷带电机(3b)是决定“抓持状态”分布接触力的大小，“抓持状态”就是保证抓持过程中“接触状态”不变。

Images