CN112869778B - 一种可变刚度咽拭子夹持器 - Google Patents

一种可变刚度咽拭子夹持器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可变刚度咽拭子夹持器，包括末端夹持部件、传感部件和变刚度部件。末端夹持部件采用丝杆步进电机驱动滑块移动，带动驱动杆转动的方式，由驱动杆带动左部与右部夹持爪实现咽拭子抓取和采样。传感部件安装于末端加持部件与变刚度部件之间，用于测量咽拭子采样操作时和人体的接触力。变刚度部件为由电机驱动移动的弹簧，弹簧与末端加持部件连接，通过改变弹簧末端夹持部件与变刚度部件间的弹簧长度，实现末端加持部件的变刚度。本发明夹持器在夹取拭子时能够根据需要调整末端刚度，在采样时调整到较小的刚度以增加安全性，在夹取移动时通过较大的刚度可增加操作精度和操作力。

Description

一种可变刚度咽拭子夹持器
技术领域
本发明属于机械设计领域，涉及一种可变刚度咽拭子夹持器。
背景技术
为实现咽拭子的自动采样，操作机械臂末端需要安装有夹持器。传统的刚性夹持器虽然夹持力大、操作精度高，但不满足安全性要求，在采样过程中容易产生危险。而末端具有柔性的夹持器能够在采样人员位置移动时自适应变形，不会对人体造成损伤，具有安全性。但柔性的末端使机械臂在抓取和放下拭子时位置精度低、控制困难。另外，机械臂在抓取拭子时需要拧开存放的瓶盖，刚度较低的结构操作力小，不满足要求。因此，需要设计一种可变刚度的咽拭子夹持器，能够同时满足在采样时的低刚度要求和抓取操作时的高刚度要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种可变刚度咽拭子夹持器，适合进行自动咽拭子采样操作，满足机器人进行自动咽拭子采样时的操作精度、安全性要求。
本发明可变刚度咽拭子夹持器，包括末端夹持部件与变刚度部件。
所述末端加持部件用于对咽拭子的抓取和采样操作，具有左部夹持爪与右部夹持爪，由丝杠电机通过滑块带动驱动杆旋转，驱动左部夹持爪与右部夹持爪末端的夹爪同向或反向移动，实现对物体的抓取和放开。
所述变刚度部件为由电机驱动移动的弹簧，弹簧与末端加持部件连接，通过改变弹簧末端夹持部件与变刚度部件间的弹簧长度，实现末端加持部件的变刚度；当电机驱动末端夹持部件与变刚度部件间的弹簧增加时，使末端夹持机构的整体刚度降低，适合进行采样操作。当电机驱动弹簧末端夹持部件与变刚度部件间的弹簧长度减少时，末端夹持机构刚度增大，适合进行抓放咽拭子操作。
上述末端加持部件与变刚度部件间通过传感部件相连，由传感部件测量咽拭子末端的三轴接触力和三轴接触力矩。
本发明的优点在于：
1、本发明可变刚度咽拭子夹持器具有可变刚度的特性，能够根据需要调整夹持末端的刚度。
2、本发明可变刚度咽拭子夹持器在采样时具有较高的安全性。
附图说明
图1是本发明可变刚度咽拭子夹持器的结构示意图；
图2是本发明可变刚度咽拭子夹持器除去外壳的结构示意图；
图3是本发明可变刚度咽拭子夹持器末端夹持部件示意图。
图中：
1-末端夹持部件 2-传感部件 3-变刚度部件
4-图像传感器 101-夹持部分 102-滑块
103-第一丝杆步进电机 104-驱动杆 105-电机套筒
101a-夹爪 101b-平行连杆 101c-铰接座
101-平行夹爪 102-滑块 103-平行连杆
104-连杆 105-底座 301-固定平台
302-移动平台 303-弹簧 304-直线光轴
305-第二丝杆步进电机 306-上圆筒外壳 307-下圆筒外壳
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明可变刚度咽拭子夹持器，包括末端夹持部件1、传感部件2、变刚度部件3与图像传感器4。
所述末端夹持部件1用于对咽拭子的抓取和采样操作，包括夹持部分101、滑块102、第一丝杆步进电机103与驱动杆104。其中，第一丝杆步进电机103安装于电机套筒105内，电机套筒105顶面设计为十字结构，用于安装夹持部分101。
所述夹持部分101左部夹持爪与右部夹持爪构成；左部夹持爪与右部夹持爪均由夹爪101a、平行连杆101b与铰接座101c构成，且左部夹持爪与右部夹持爪以相同方式安装于电机套筒104顶面十字结构中相对的左端与右端位置。其中，铰接座101c固定于电机套筒104顶面，且铰接座101c上沿左右方向各设计有两个铰接位，分别与两组平行连杆101b末端铰接。夹爪101a具有弧形夹板，弧形夹板的外弧面上设计有直角三角形铰接架，该铰接架的一条直边与弧形夹板的外弧面相接，另一条直角边与铰接座101c平行设置，其上设计有两个铰接位，分别与两根连杆101b的前端铰接；且左部夹持爪与右部夹持爪中夹爪101a的弧形夹板内弧面相对设置。
上述结构的左部夹持爪与右部夹持爪通过第一丝杆步进电机103驱动滑块102移动，由驱动杆104传动运动。所述滑块102为矩形结构，两端开槽。两根驱动杆104的输出端分插入滑块102两端开槽内，与滑块102间铰接。两根驱动杆104的输入端分别置于左部夹持爪与右部夹持爪内侧的一组平行连杆101b之间，且位于平行连杆101b的中部，与平行连杆101b铰接。滑块102中部开设螺纹孔，与第一丝杆步进电机103的输出轴螺纹连接。由此通过第一丝杆步进电机103可驱动滑块102上下移动，由驱动杆104传动，进而带动左部夹持爪与右部夹持爪的两组平行连杆101b同向或反向旋转，最终实现左部夹持爪与右部夹持爪的夹爪101a同向或反向的直线移动，实现对物体的抓取和放开操作。上述电机套筒105顶面十字结构中，相对的前端或后端上面表面处开槽，安装图像传感器4，通过图像传感器4实时获取采样操作时的图像，对采样过程进行监控。为尽量减轻整体质量，上述第一丝杆步进电机103采用直径10mm的步进电机，平行连杆101b和夹爪101a为3D打印加工，材料选用碳纤尼龙。
所述传感部件2为六维力传感器，测量咽拭子末端的三轴接触力和三轴接触力矩。传感部件2顶部与前述电机套筒105底面间通过螺钉固定，底部连接变刚度部件3，通过变刚度部件3以尽量减少可变结构多模式移动机器人本身重力对测量结果的影响，能够获得较为精确的末端接触力。
所述变刚度部件3用于改变末端夹持部件1的刚度，包括固定平台301、移动平台302、弹簧303、直线光轴304、第二丝杆步进电机305与外壳。
其中，固定平台301与移动平台302为等尺寸圆形平台，均为两个。令两个固定平台301分别为固定平台A与固定平台B；两个移动平台302分别为移动平台A与移动平台B。则移动平台A、固定平台A、移动平台B、固定平台B依次由上至下平行设置。移动平台A与移动平台B之间周向等角度间隔设置三根弹簧303，三根弹簧303分别穿过固定平台A周向上开设的三个弹簧穿孔竖直设置，顶端均与移动平台A底面固定，底端均与移动平台B顶面固定。同时在固定平台A与固定平台B之间周向等角度间隔设置三根直线光轴304，三根直线光轴304分别穿过移动平台B周向开设的三个光轴穿孔竖直设置，顶端均与固定平台A底面固定，底端均与固定平台B顶面固定。
第二丝杆步进电机305的机体固定于固定平台B底面；输出轴竖直设置，依次穿过固定平台B、移动平台B中心开设的电机穿孔后，与固定平台A中心固定。其中，移动平台B上的穿孔为螺纹孔与第二丝杆步进电机305输出轴间螺纹连接。
上述结构的变刚度部件3的移动平台A顶面与传感部件2底端固定连接。由此通过第二丝杆步进电机305驱动移动平台B沿轴向移动，实现末端夹持部件1刚度的调节。当第二丝杆步进电机305驱动移动平台B朝向固定平台A移动时，弹簧303整体向末端加持部件1方向移动，使移动平台A与固定平台A间的弹簧长度增加，进而使末端夹持部件1的整体刚度降低，适合进行采样操作。当第二丝杆步进电机305驱动移动平台B朝向固定平台B移动时，弹簧303随移动平台B反向移动，使移动平台A与固定平台A间的弹簧长度减少，末端夹持部件1刚度增大，适合进行抓放咽拭子操作。由此通过变刚度部件3实现在末端夹持部件1夹取咽拭子时能够根据需要调整末端夹持部件1的刚度，在采样时调整到较小的刚度以增加安全性，在夹取移动时通过较大的刚度可增加操作精度和操作力。
所述外壳用于对变刚度部件3进行保护，包括上圆筒外壳306与下圆筒外壳307，均采用尼龙材料，通过3D打印加工完成。上圆筒外壳306套接于固定平台A与固定平台B之间一段，顶端和底端通过螺栓分别与固定平台A和固定平台B连接；下圆筒外壳307套接于固定平台B与第二丝杆步进电机305所在一段，顶端通过螺栓与固定平台B连接，底端周向设计有连接法兰，用于连接机械臂，实现本发明可变结构多模式移动机器人在机械臂末端的安装。

Claims (9)

1.一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于，包括末端夹持部件与变刚度部件；
所述末端夹持部件用于对咽拭子的抓取和采样操作；末端夹持部件安装于变刚度部件顶部；变刚度部件为由电机驱动移动的弹簧，弹簧与末端夹持部件连接，通过改变弹簧末端夹持部件与变刚度部件间的弹簧长度，实现末端夹持部件的变刚度；
上述变刚度部件包括固定平台、移动平台、弹簧、直线光轴、丝杆步进电机；
其中，固定平台与移动平台各为两个；移动平台A、固定平台A、移动平台B、固定平台B依次由上至下平行设置；移动平台A与移动平台B之间周向设置弹簧，弹簧分别穿过固定平台A周向上开设的弹簧穿孔，顶端均与移动平台A固定，底端均与移动平台B固定；同时在固定平台A与固定平台B之间周向设置光轴，光轴穿过移动平台B上开设的光轴穿孔，顶端与固定平台A固定，底端均与固定平台B固定；丝杆电机固定于固定平台B上，输出轴依次穿过固定平台B、移动平台B中心开设的电机穿孔后，与固定平台A中心固定，且移动平台B上的穿孔为螺纹孔与丝杆电机输出轴间螺纹连接。
2.如权利要求1所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：末端夹持部件具有左部夹持爪与右部夹持爪，由丝杠电机通过滑块带动驱动杆旋转，驱动左部夹持爪与右部夹持爪末端的夹爪同向或反向移动，实现对物体的抓取和放开。
3.如权利要求2所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：左部夹持爪与右部夹持爪末端夹爪相对面为弧形面。
4.如权利要求2所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：左部夹持爪与右部夹持爪为3D打印加工，材料选用碳纤尼龙。
5.如权利要求1所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：末端夹持部件上安装有图像传感器，实时获取采样操作时的图像。
6.如权利要求1所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：末端夹持部件与变刚度部件间通过传感部件相连，由传感部件测量咽拭子末端的三轴接触力和三轴接触力矩。
7.如权利要求6所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：变刚度部件外部固定套接有上下两段外壳，上段外壳套接于固定平台A与固定平台B之间一段；下段外壳套接于固定平台B与第二丝杆步进电机所在一段。
8.如权利要求1所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：外壳采用尼龙材料。
9.如权利要求1所述的一种可变刚度咽拭子夹持器，其特征在于：下段外壳具有法兰，连接机械臂末端。
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