CN111590618A - 一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪 - Google Patents

Abstract

一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，属于机械夹具技术领域。它包括转接座，其特征在于所述转接座的下部对称设置有两组柔性夹爪组件，所述柔性夹爪组件包括柔性手指组件和调姿组件,所述柔性手指组件包括弯扭耦合柔性手指及与弯扭耦合柔性手指匹配固定连接的第一刚性座和第二刚性座。本发明通过左右对称倾斜设置的迷宫型气室，通过进气量的不同而使得夹爪内侧的平面形成弯曲变化的V型夹角，有利于物体的稳定抓持，特别是复杂曲面物体的抓取，该弯扭耦合的柔性夹爪也可以有效防止目标物体被破坏；通过设置的竖直方向的角度调姿机构和水平方向的位置调控机构，可以更好的匹配抓取不同大小、不同曲面形状的目标物体。

Description

一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪

技术领域

本发明属于机械夹具技术领域，具体涉及一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪。

背景技术

在自动化生产线上，传统的机械臂末端或其他外部设备大都采用刚性夹爪配合夹持物体，适用于外形规则便于刚性夹取的目标，但是对于一些不规则的物体或者无法进行刚性夹取的物体，则无法进行抓取；现有的技术中虽然也有采用柔性夹爪，但是，面对一些复杂曲面和不同大小的物体时，需要采用多指（不少于3指）或更换更大型号的夹爪夹取，夹取结构复杂，且当面对狭小空间的夹取环境时，不能容纳多指空间，无法满足抓取要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、适用于复杂曲面物体以及狭小空间内夹取的姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪。

本发明提供如下技术方案：一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，包括转接座；其特征在于所述转接座的下部对称设置有两组柔性夹爪组件，所述柔性夹爪组件包括柔性手指组件和调姿组件；

所述柔性手指组件包括弯扭耦合柔性手指及与弯扭耦合柔性手指匹配固定连接的第一刚性座和第二刚性座；

所述弯扭耦合柔性手指左右两侧对称设置有若干个第一气室、气室通道及连通左右两侧气室的第二气室，单侧若干个第一气室之间通过气室通道相连通，左右两侧的气室通道通过第二气室相连通，所述第一气室与第二气室之间、每两个第一气室之间均设有气室间距；

所述调姿组件包括竖直方向夹角独立调姿组件和水平方向间距独立调控组件，所述独立调姿组件包括固定安装在第一刚性座上部的U型连接架、固定安装在U型连接架两侧竖直段上的舵机盘、放置在U型连接架两侧竖直段之间的连接座和设置在连接座内部的舵机，所述舵机盘和舵机传动连接；

所述独立调控组件包括滑块、电机安装座、固定安装在电机安装座侧部的电机，所述滑块的下部与连接座固定连接，滑块的中部与电机安装座滑动连接，同时与电机的电机输出轴传动连接。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述弯扭耦合柔性手指两侧相对应的第一气室之间不直接连通，倾斜设置的第一气室与弯扭耦合柔性手指长度方向的侧面所构成的锐角倾斜角度θ为0-45°，所述左右两侧对称设置的若干个第一气室与弯扭耦合柔性手指宽度方向对称面之间夹角的角度为0-90°；所述第二气室上开设有第一进气口。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述第一刚性座固定在弯扭耦合柔性手指的上部，所述第一刚性座上设有与弯扭耦合柔性手指上部外侧形状相匹配的第一刚性座第一凹槽，所述第一刚性座第一凹槽内部设有中空的第一刚性座凸起，所述第一刚性座凸起与第一进气口之间可拆卸连接，所述第二刚性座通过螺钉固定安装在第一刚性座的侧部，所述第一刚性座和第二刚性座连接侧分别对应开设有便于螺钉安装的第一刚性座第三凹槽和第二刚性座凹槽。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述连接座内开设有连接座第三凹槽，连接座第三凹槽两侧侧壁上分别开设有连接座第一通孔和连接座第二凹槽，底部开设有连接座第一凹槽。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述舵机盘内侧设有中空的圆柱凸起，两侧舵机盘的外侧通过螺钉与U型连接架竖直段固定连接，内侧中空的圆柱凸起分别沿着连接座第一通孔和连接座第二凹槽穿过连接座第三凹槽两侧的侧壁，所述舵机匹配固定安装在连接座第三凹槽内，舵机输出轴与安装在连接座第二凹槽一侧舵机盘上中空的圆柱凸起传动连接。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述滑块与连接座之间通过螺钉匹配固定连接，所述连接座的上部设有与滑块下部形状相匹配的连接座第四凹槽，所述滑块沿长度方向开设有螺纹安装孔，沿宽度方向开设有滑块螺纹孔和滑块第四通孔，所述连接座上部开设有与螺纹安装孔相对应的连接座第二通孔。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述电机安装座为U型结构，两侧竖直段之间架设有与滑块第四通孔相匹配的第一固定轴，所述滑块与电机安装座通过第一固定轴与滑块第四通孔之间的配合结构滑动连接，所述滑块与电机通过电机输出轴与滑块螺纹孔之间的螺纹配合结构传动连接。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述转接座固定安装在电机安装座的上部，转接座上设有与外部装置匹配设计的转接座第二通孔及柔性夹爪组件的信号控制接口。

所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述舵机的控制线穿过连接座第一凹槽与信号控制接口匹配接合。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明通过左右对称倾斜设置的迷宫型第一气室，通过进气量的不同而实现弯扭耦合柔性手指沿着其长度内侧弯曲变形的同时也沿着其长度垂直方向的内侧扭转变形，使得弯扭耦合柔性手指内侧的平面在工作状态下自动形成弯曲变化的V型夹角，有利于物体的稳定抓持，特别是复杂曲面物体的抓取，该弯扭耦合的柔性夹爪也可以有效防止目标物体被破坏；

2）本发明通过设置的竖直方向的角度调姿组件，可以实现柔性手指在竖直方向的角度调节，可以匹配抓取不同大小不同曲面形状的目标物体；通过设置的水平方向的间距调控组件，可以调控柔性手指在水平方向的间隔距离，也可以更好的匹配抓取不同大小、不同曲面形状的目标物体；

3）本发明通过调控竖直方向的角度或者是水平方向的距离，使得弯扭耦合柔性手指竖直向下（水平操作也可以），并给弯扭耦合柔性手指内通入一定量的气体（远远小于大变形工作时的压力，还未形成V型角），此时该柔性手指具备较小的刚度，可以通过调控水平方向的相对位置或竖直方向的角度来实现该调姿弯扭耦合柔性手指具备普通机械二指夹爪的功能；

4）本发明还可以进一步增大弯扭耦合柔性手指内的气压，使得弯扭耦合柔性手指的末端弯扭耦合柔性手指第一底面和弯扭耦合柔性手指第二底面之间形成一定的V型夹角后，保持当前气体压力（小于实际大变形弯曲工作时的压力），此时微调柔性手指竖直方向的角度或者是水平方向的距离，即可以实现具备普通机械V型二指夹爪的功能，能够稳定夹持不同大小复杂曲面的物体；对于普通的简易物体也具有较强的优势，且柔性的末端不会对目标物体造成伤害。

附图说明

图1为本发明的分体结构示意图；

图2为本发明的弯扭耦合柔性手指内部结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图；

图4为本发明的竖直夹角调整后立体结构示意图；

图5为本发明的竖直夹角及水平间距调整后立体结构示意图；

图6为本发明的充入一定量气体后工作状态的立体结构示意图。

图中：1、弯扭耦合柔性手指；101、第一气室；102、气室通道；103、气室间距；104、第二气室；105、第一进气口；106、弯扭耦合柔性手指第一底面；107、弯扭耦合柔性手指第二底面；2、第一刚性座；201、第一刚性座凸起；202、第一刚性座第一凹槽；203、第一刚性座螺纹安装孔；204、第一刚性座第三凹槽；205、第一刚性座连接面；3、第二刚性座；301、第二刚性座凹槽；4、U型连接架；5、舵机盘；6、舵机；601、舵机输出轴；7、连接座；701、连接座第一凹槽；702、连接座第一通孔；703、连接座第二凹槽；704、连接座第三凹槽；705、连接座第四凹槽；706、连接座第二通孔；8、滑块；801、螺纹安装孔；802、滑块螺纹孔；803、滑块第四通孔；9、电机；901、电机输出轴；10、电机安装座；1001、第一固定轴；1002、电机安装座第一螺纹孔；11、转接座；1101、信号控制接口；1102、转接座第一通孔；1103、转接座第二通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

请参阅图1-6，一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，包括转接座11；所述转接座11的下部对称设置有两组柔性夹爪组件，所述柔性夹爪组件包括柔性手指组件和调姿组件。

所述柔性手指组件包括弯扭耦合柔性手指1及与弯扭耦合柔性手指1匹配固定连接的第一刚性座2和第二刚性座3；

所述弯扭耦合柔性手指1左右两侧对称设置有若干个第一气室101、气室通道102及连通左右两侧气室的第二气室104，单侧若干个第一气室101之间通过气室通道102相连通，左右两侧的气室通道102通过第二气室104相连通,所述第一气室101与第二气室104之间、每两个第一气室101之间均设有气室间距103，所述气室间距103的设计宽度尽量趋近于0。

其中，弯扭耦合柔性手指1两侧相对应的第一气室101之间不连通，倾斜设置的第一气室101与弯扭耦合柔性手指1长度方向的侧面所构成的锐角倾斜角度θ为0-45°，所述左右两侧对称设置的若干个第一气室101与弯扭耦合柔性手指1宽度方向对称面之间夹角的角度为0-90°；第二气室104上开设有第一进气口105。

通过左右对称倾斜设置的第一气室101，通过进气量的不同而实现柔性夹爪沿着弯扭耦合柔性手指1长度内侧弯曲变形的同时也沿着与弯扭耦合柔性手指1长度垂直方向内侧的扭转变形，使得夹爪内侧的平面在工作状态下自动形成弯曲变化的V型夹角，有利于物体的稳定抓持，特别是复杂曲面物体的抓取，该弯扭耦合的柔性夹爪也可以有效防止目标物体被破坏。

所述第一刚性座2固定在弯扭耦合柔性手指1的上部，所述第一刚性座2上设有与第二气室104外形形状相匹配的第一刚性座第一凹槽202，所述第一刚性座第一凹槽202内部设有中空的第一刚性座凸起201，所述第一刚性座凸起201与第一进气口105可拆卸连接，所述第二刚性座3通过螺钉固定安装在第一刚性座2的侧部，所述第一刚性座2和第二刚性座3连接侧对应开设有便于螺钉安装的第一刚性座第三凹槽204和第二刚性座凹槽301。

所述调姿组件包括竖直方向夹角独立调姿组件和水平方向间距独立调控组件，所述独立调姿组件包括固定安装在第一刚性座连接面205上的U型连接架4、固定安装在U型连接架4两侧的舵机盘5、放置在U型连接架4两侧竖直段之间的连接座7和设置在连接座7内部的舵机6，所述舵机盘5和舵机6传动连接，所述第一刚性座连接面205上开设有便于U型连接架4安装的第一刚性座螺纹安装孔203；

所述连接座7内开设有连接座第三凹槽704，连接座第三凹槽704两侧侧壁上分别开设有连接座第一通孔702和连接座第二凹槽703，底部开设有连接座第一凹槽701。

所述舵机盘5的主体为圆盘结构，内侧设有中空的圆柱凸起，两侧舵机盘5的外侧通过螺钉与U型连接架4竖直段固定连接，内侧中空的圆柱凸起分别沿着连接座第一通孔702和连接座第二凹槽703穿过连接座第三凹槽704两侧的侧壁，所述连接座第一通孔702和连接座第二凹槽703的中心线与舵机盘5的中心线同轴， 并对舵机盘5形成支撑，所述舵机6匹配固定安装在连接座第三凹槽704内，舵机输出轴601与安装在连接座第二凹槽703一侧舵机盘5上中空的圆柱凸起传动连接。

所述独立调控组件包括滑块8、电机安装座10、固定安装在电机安装座10侧部的电机9、固定安装在电机安装座10上部的转接座11，所述滑块8的下部与连接座7固定连接，滑块8的中部与电机安装座10滑动连接，同时与电机9的电机输出轴901螺纹传动连接。

所述滑块8与连接座7之间通过螺钉匹配固定连接，所述连接座7的上部设有与滑块8下部相匹配的连接座第四凹槽705，所述滑块8沿长度方向开设有螺纹安装孔801，沿宽度方向开设有滑块螺纹孔802和滑块第四通孔803，所述连接座7上部开设有与螺纹安装孔801相对应的连接座第二通孔706；

滑块8的中部设有滑块螺纹孔802， 滑块螺纹孔802两侧设有滑块第四通孔803；所述滑块8与电机9通过电机输出轴901与滑块螺纹孔802之间的螺纹配合结构传动连接；

电机安装座10为U型结构，两侧竖直段之间架设有与滑块第四通孔803相匹配的第一固定轴1001，所述滑块8与电机安装座10之间通过第一固定轴1001和滑块第四通孔803之间的配合结构滑动连接。

转接座11通过螺钉固定安装在电机安装座10的上部，电机安装座10和转接座11上分别设有对应的便于螺钉安装的电机安装座第一螺纹孔1002和转接座第一通孔1102，转接座11上设有与外部机械臂末端匹配设计的转接座第二通孔1103及柔性夹爪组件的信号控制接口1101；所述舵机6的控制线穿过连接座第一凹槽701与信号控制接口1101匹配接合。

通过设置的竖直方向的角度调姿机构，可以实现弯扭耦合柔性手指1在竖直方向的角度，可以匹配抓取不同大小不同曲面形状的目标物体；通过设置的水平方向的位置调控机构，可以实现柔性手指在水平方向的间隔距离，也可以更好的匹配抓取不同大小不同曲面形状的目标物体。

且通过调控竖直方向的角度，使得弯扭耦合柔性手指1竖直向下，并给扭耦合柔性手指内通入一定量的气体远远小于工作压力，此时该柔性手指还具备一定的刚度，可以通过调控水平方向的相对位置来实现该调姿弯扭耦合柔性手指1具备普通机械二指夹爪的功能；

还可以进一步增大弯扭耦合柔性手指1内的气压，使得扭耦合柔性手指1的末端弯扭耦合柔性手指第一底面106和弯扭耦合柔性手指第二底面107之间形成一定的夹角后，保持当前气体压力小于实际弯曲时的工作压力，此时微调弯扭耦合柔性手指1竖直方向的角度，即可以实现具备普通机械V型二指夹爪的功能，能够稳定夹持不同大小复杂曲面的物体；对于普通的简易物体也具有较强的优势，且柔性的末端不会对目标物体造成伤害。

本发明在使用时，采取的主要技术方案有：首先通过信号控制接口1101控制电机9，进而带动滑块8及与之匹配设置的柔性手指组件向左或向右运动到指定位置，同时也可以单独控制与之对称设置的弯扭耦合柔性手指1的水平位置，进而实现弯扭耦合柔性手指1水平相对位置的精准调控。

然后，通过信号控制接口1101控制舵机6，使得与舵机6上的舵机输出轴601匹配设置的组件绕着舵机输出轴601顺时针或逆时针转动，同时也可以单独控制与之对称设置的弯扭耦合柔性手指1的竖直方向的角度，进而实现弯扭耦合柔性手指1竖直方向角度的精准调控。

最后，通过对中空的第一刚性座凸起201吹气，这时设置在弯扭耦合柔性手指1内部的第二气室104会首先被充气，由于其外围匹配设置有第一刚性座2和第二刚性座3，因此该气室不能膨胀，此时，气体便会进入到第一气室101，当第一气室101和第二气室104内不足以通入更多的气体的时候，由于气体不可被压缩，此时设置在弯扭耦合柔性手指1内的第一气室101会在气体压力的作用下膨胀，由于多个气室的相互作用促使柔性夹爪向弯扭耦合柔性手指第一底面106和弯扭耦合柔性手指第二底面107所在平面一侧弯曲，又因为气室与柔性夹爪长度方向有一个夹角θ，气室则会在气压的作用下沿着第一气室101壁面的法线方向弯曲，又由于第一气室101的内侧与另一侧的气室固定连接，此时会使得沿着第一气室101壁面的法线方向弯曲力自动分解为沿着弯扭耦合柔性手指1长度方向的弯曲分量及长度方向垂直的扭转分量，即实现了该柔性夹爪的弯扭耦合；使得弯扭耦合柔性手指第一底面106与弯扭耦合柔性手指第二底面107向内侧弯曲，同时也发生扭转变形；此时，弯扭耦合柔性手指第一底面106与弯扭耦合柔性手指第二底面107便会形成一个V型夹角，更有利于物体的抓持。

通过设置在转接座11上的转接座第二通孔1103可以将该姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪装配在机械臂或其他装置的末端，可以与机械臂或其他装置配合使用，实现不同空间范围内的柔性抓取。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，包括转接座（11）；其特征在于所述转接座（11）的下部对称设置有两组柔性夹爪组件，所述柔性夹爪组件包括柔性手指组件和调姿组件；

所述柔性手指组件包括弯扭耦合柔性手指（1）及与弯扭耦合柔性手指（1）匹配固定连接的第一刚性座（2）和第二刚性座（3）；

所述弯扭耦合柔性手指（1）左右两侧对称设置有若干个第一气室（101）、气室通道（102）及连通左右两侧气室的第二气室（104），单侧若干个第一气室（101）之间通过气室通道（102）相连通，左右两侧的气室通道（102）通过第二气室（104）相连通，所述第一气室（101）与第二气室（104）之间、每两个第一气室（101）之间均设有气室间距（103）；

所述调姿组件包括竖直方向夹角独立调姿组件和水平方向间距独立调控组件，所述独立调姿组件包括固定安装在第一刚性座（2）上部的U型连接架（4）、固定安装在U型连接架（4）两侧竖直段上的舵机盘（5）、放置在U型连接架（4）两侧竖直段之间的连接座（7）和设置在连接座（7）内部的舵机（6），所述舵机盘（5）和舵机（6）传动连接；

所述独立调控组件包括滑块（8）、电机安装座（10）、固定安装在电机安装座（10）侧部的电机（9），所述滑块（8）的下部与连接座（7）固定连接，滑块（8）的中部与电机安装座（10）滑动连接，同时与电机（9）的电机输出轴（901）传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述弯扭耦合柔性手指（1）两侧相对应的第一气室（101）之间不直接连通，倾斜设置的第一气室（101）与弯扭耦合柔性手指（1）长度方向的侧面所构成的锐角倾斜角度θ为0-45°，所述左右两侧对称设置的若干个第一气室（101）与弯扭耦合柔性手指（1）宽度方向对称面之间夹角的角度为0-90°；所述第二气室（104）上开设有第一进气口（105）。

3.根据权利要求1或2所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述第一刚性座（2）固定在弯扭耦合柔性手指（1）的上部，所述第一刚性座（2）上设有与弯扭耦合柔性手指（1）上部外侧形状相匹配的第一刚性座第一凹槽（202），所述第一刚性座第一凹槽（202）内部设有中空的第一刚性座凸起（201），所述第一刚性座凸起（201）与第一进气口（105）之间可拆卸连接，所述第二刚性座（3）通过螺钉固定安装在第一刚性座（2）的侧部，所述第一刚性座（2）和第二刚性座（3）连接侧分别对应开设有便于螺钉安装的第一刚性座第三凹槽（204）和第二刚性座凹槽（301）。

4.根据权利要求1所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述连接座（7）内开设有连接座第三凹槽（704），连接座第三凹槽（704）两侧侧壁上分别开设有连接座第一通孔（702）和连接座第二凹槽（703），底部开设有连接座第一凹槽（701）。

5.根据权利要求1或4所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述舵机盘（5）内侧设有中空的圆柱凸起，两侧舵机盘（5）的外侧通过螺钉与U型连接架（4）竖直段固定连接，内侧中空的圆柱凸起分别沿着连接座第一通孔（702）和连接座第二凹槽（703）穿过连接座第三凹槽（704）两侧的侧壁，所述舵机（6）匹配固定安装在连接座第三凹槽（704）内，舵机输出轴（601）与安装在连接座第二凹槽（703）一侧舵机盘（5）上中空的圆柱凸起传动连接。

6.根据权利要求1所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述滑块（8）与连接座（7）之间通过螺钉匹配固定连接，所述连接座（7）的上部设有与滑块（8）下部形状相匹配的连接座第四凹槽（705），所述滑块（8）沿长度方向开设有螺纹安装孔（801），沿宽度方向开设有滑块螺纹孔（802）和滑块第四通孔（803），所述连接座（7）上部开设有与螺纹安装孔（801）相对应的连接座第二通孔（706）。

7.根据权利要求1或6所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述电机安装座（10）为U型结构，两侧竖直段之间架设有与滑块第四通孔（803）相匹配的第一固定轴（1001），所述滑块（8）与电机安装座（10）通过第一固定轴（1001）与滑块第四通孔（803）之间的配合结构滑动连接，所述滑块（8）与电机（9）通过电机输出轴（901）与滑块螺纹孔（802）之间的螺纹配合结构传动连接。

8.根据权利要求1所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述转接座（11）固定安装在电机安装座（10）的上部，转接座（11）上设有与外部装置匹配设计的转接座第二通孔（1103）及柔性夹爪组件的信号控制接口（1101）。

9.根据权利要求1或4或8所述的一种姿态可控的弯扭耦合柔性夹爪，其特征在于所述舵机（6）的控制线穿过连接座第一凹槽（701）与信号控制接口（1101）匹配接合。

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