CN114434484B - 变抓取模式通用型气动软体机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软体机器人领域。目的是提供一种变抓取模式通用型气动软体机械手，该机械手能够根据物体的形状改变抓取模式，实现对多种形状物体的通用柔性无损抓取，降低工业生产的损耗和设备成本。技术方案是：变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：包括通过若干支撑柱相互连接的上基板和下基板、安装在上基板上的转动组件、呈放射状安装在下基板上并由转动组件驱使同步运动的四组滑动组件、安装在下基板上并与四组滑动组件一一配合传动的四组转向组件以及分别安装在四组转向组件底部的四根气动软体手指。

Description

变抓取模式通用型气动软体机械手

技术领域

本发明涉及软体机器人领域，尤其是通用型气动软体机械手，该通用型气动软体机械手能够变换抓取模式实现对多种形状物体的柔性无损抓取。

背景技术

近年来，随着工业化水平的提高，为降低生产成本，能够在一条工业生产线上完成多种不同形状物体的拾放、包装等操作的多功能流水线迅速发展。但由于物体形状的差异，每处理一种目标物均需更换相应的操作机械手，增加了生产时间成本和设备维护成本。尤其对易变形、易损坏物体进行操作时，往往需要昂贵的传感器控制机械手的抓取力，避免对物体造成损坏，复杂的控制策略也增加了机械手的控制成本。另外，与传统刚性机械手相比，软体机械手因其柔软的手指具有较好的机——环境交互安全性，无需力传感器和复杂的控制策略即可对易变形、易损坏物体进行无损抓取，具有较好的应用前景。因此，从实际情况出发，研制一种变抓取模式通用型气动软体机械手对多种形状、易变形和易损坏物体进行无损抓取，能够降低生产成本和操作损伤率，顺应多功能工业流水线的发展需求。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种变抓取模式通用型气动软体机械手，该机械手能够根据物体的形状改变抓取模式，实现对多种形状物体的通用柔性无损抓取，降低工业生产的损耗和设备成本。

本发明提供的技术方案是：

变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：包括通过若干支撑柱相互连接的上基板和下基板、安装在上基板上的转动组件、呈放射状安装在下基板上并由转动组件驱使同步运动的四组滑动组件、安装在下基板上并与四组滑动组件一一配合传动的四组转向组件以及分别安装在四组转向组件底部的四根气动软体手指。

所述转动组件包括竖直固定在上基板上的电机以及位于上基板与下基板之间并通过联轴器固定在电机输出轴上的转盘；所述转盘上均匀开设有呈中心对称分布的四个长槽，四个长槽分别与四组滑动组件一一对应。

每组滑动组件均包括固定在下基板上的直线导轨、可滑动地安装在直线导轨上的若干滑块、固定在各滑块上的齿条以及固定在齿条上并伸入至转盘上对应长槽中的拨柱。

所述拨柱外周套设有导向轴承，所述导向轴承与长槽内壁抵顶连接。

每组转向组件均包括可绕竖直轴线转动地定位在下基板上的转向轴、固定在转向轴上端并与对应齿条啮合传动的转向齿轮以及固定在转向轴下端以安装气动软体手指的手指固定块。

所述气动软体手指包括固定在手指固定块上且内部开设有充气槽的硅胶圆筒、套设在硅胶圆筒外周以限制硅胶圆筒径向膨胀的弹簧以及用于限制硅胶圆筒的一侧沿母线方向膨胀的限制纤维。

所述充气槽设置在硅胶圆筒的偏心位置。

所述限制纤维的长度方向平行于硅胶圆筒的轴线方向；所述限制纤维贯穿硅胶圆筒，并且限制纤维的两端设置有压紧硅胶圆筒外端面边沿的凸块。

所述限制纤维设置在硅胶圆筒中远离充气槽的一侧。

四组转向组件分别位于正方形的四个顶点处。

本发明的有益效果是：

本发明结构简单，稳定可靠，且本发明中四根气动软体手指在进行抓取操作时，可根据物体的形状变换抓取姿态，实现对多种形状物体的通用抓取。此外，气动软体手指采用硅胶材料，无需精确的传感和复杂的控制策略即可对易损坏、易变形物体实现无损抓取，降低生产和加工成本。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视图(省略上基板)。

图3是本发明转动组件的立体结构示意图。

图4是本发明滑动组件的立体结构示意图。

图5是本发明转向组件的爆炸示意图。

图6是本发明中气动软体手指的局部剖视图。

图7是本发明气动软体手指的弯曲状态示意图。

图8是本发明处于垂直抓取模式的结构状态示意图。

图9是本发明处于平行抓取模式的结构状态示意图。

图10是本发明处于平行外翻抓取模式的结构状态示意图。

图11是本发明处于垂直外翻抓取模式的结构状态示意图。

附图标号：

1-1、上基板；1-2、支撑柱；1-3、下基板；

2、转动组件；2-1、电机；2-2、转盘；2-3、联轴器；2-4、长槽；

3、滑动组件；3-1、直线导轨；3-2、滑块；3-3、齿条；3-4、拨柱；3-5、导向轴承；

4、转向组件；4-1、转向轴；4-2、转向轴承；4-3、转向齿轮；4-4、手指固定块；

5、气动软体手指；5-1、硅胶圆筒；5-2、弹簧；5-3、限制纤维；5-4、充气槽；5-5、凸块；

5a、第一气动软体手指；5b、第二气动软体手指；5c、第三气动软体手指；5d、第四气动软体手指。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

如图所示的变抓取模式通用型气动软体机械手，包括上基板1-1、下基板1-3、转动组件2、四组滑动组件3、四组转向组件4和四根气动软体手指5。上基板与下基板间隔距离布置，并且上基板与下基板之间通过若干(图中为四个)支撑柱1-2相互连接。

所述转动组件安装在上基板上，包括电机2-1和转盘2-2。所述电机竖直固定在上基板上；所述转盘位于上基板与下基板之间，转盘通过联轴器2-3固定在电机的输出轴上。转盘上均匀开设有呈中心对称分布的四个长槽2-4，四个长槽分别与四组滑动组件一一对应。

四组滑动组件呈放射状安装在下基板上；每组滑动组件均包括直线导轨3-1、若干(图中为两个)滑块3-2、齿条3-3和拨柱3-4。所述直线导轨固定在下基板上；所述滑块可滑动地安装在直线导轨上；所述齿条固定在各滑块上；所述拨柱固定在齿条上并伸入至转盘的对应长槽中。当电机驱动转盘转动时，转盘对长槽中的拨柱进行施力，从而带动各齿条沿直线导轨同步运动。作为优选，所述拨柱外周套设有导向轴承3-5，导向轴承与长槽内壁抵顶连接，以减小转盘的长槽内壁与拨柱之间的摩擦。

四组转向组件安装在下基板上，作为优选，四组转向组件分别位于正方形的四个顶点处。四组转向组件分别与四组滑动组件一一配合传动；每组转向组件均包括转向轴4-1、转向齿轮4-3和手指固定块4-4。所述转向轴可绕竖直轴线转动地定位在下基板上(图中转向轴外周套设有两个转向轴承4-2，两个转向轴承分别位于下基板的上下两侧，从而对转向轴的位置进行定位)；所述转向齿轮固定在转向轴上端并与对应的齿条啮合传动；所述手指固定块固定在转向轴下端，用于安装气动软体手指。工作时，齿条与转向齿轮啮合传动，从而带动转向轴旋转，进而带动安装在手指固定块上的气动软体手指变换抓取姿态。

四根气动软体手指分别安装在四组转向组件的底部；每根气动软体手指均包括硅胶圆筒5-1、弹簧5-2和限制纤维5-3。所述硅胶圆筒固定在手指固定块上且内部开设有充气槽5-4；作为优选，充气槽设置在硅胶圆筒的偏心位置(参见图6)。所述弹簧套设在硅胶圆筒的外周，用于限制硅胶圆筒的径向膨胀。所述限制纤维用于限制硅胶圆筒的一侧沿母线方向膨胀；具体地，限制纤维的长度方向平行于硅胶圆筒的轴线方向，限制纤维贯穿硅胶圆筒，并且限制纤维的两端分别对硅胶圆筒的外端面边沿施加压力(本实施例中，限制纤维的两端设置有压紧硅胶圆筒外端面的凸块5-5)，以使硅胶圆筒的受力位置处不会膨胀伸长。作为优选，限制纤维设置在硅胶圆筒中远离充气槽的一侧。

气动软体手指的弯曲原理如下：

以图7为例，图中限制纤维贯穿硅胶圆筒的下侧。当向硅胶圆筒的充气槽内充入压缩空气时，弹簧限制了硅胶圆筒的径向膨胀，同时硅胶圆筒的上侧膨胀伸长，而硅胶圆筒的下侧在限制纤维的限制下不膨胀伸长，由于上侧和下侧的不对称伸长，从而导致硅胶圆筒向下侧弯曲，即可实现气动软体手指的弯曲。

如图8至图11所示，本发明进行抓取操作的工作方式如下：

为了便于描述，四根气动软体手指依次为第一气动软体手指5a、第二气动软体手指5b、第三气动软体手指5c、第四气动软体手指5d。

首先，在初始状态下，四根气动软体手指在充气后均向内弯曲，并且第一气动软体手指5a与第三气动软体手指5c的轴线所在平面垂直于第二气动软体手指5b与第四气动软体手指5d的轴线所在平面(参见图8)，此时本发明处于垂直抓取模式。在该模式下，本发明适合抓取球类、竖直放置的圆柱体以及立方体物体。

然后，转动组件中的电机驱动转盘沿顺时针运动，四组滑动组件中齿条上固定的拨柱分别在转盘的四个长槽中滑动，因此，转盘顺时针转动将带动四根齿条同步向外滑动，在齿条的驱动下，四个转向组件中的转向齿轮同步转动，但相邻两个转向齿轮的转动方向相反。当四个齿轮转动45°时，手指的弯曲方向从图8转换到图9所示，即四根气动软体手指均向内弯曲，并且第一气动软体手指5a与第四气动软体手指5d的轴线所在平面平行于第二气动软体手指5b与第三气动软体手指5c的轴线所在平面(参见图9)，此时本发明处于平行抓取模式。在该模式下，本发明适合抓取水平放置的圆柱和立方体等大长径比物体。

其次，电机带动转盘继续沿顺时针转动，四根齿条同步向外滑动带动四个对应的转向齿轮同步转动，在四个转向齿轮继续转动90°时，手指的弯曲方向从图9转换到图10所示，即四根气动软体手指均向外弯曲，并且第一气动软体手指5a与第二气动软体手指5b的轴线所在平面平行于第三气动软体手指5c与第四气动软体手指5d的轴线所在平面(参见图10)，此时本发明处于平行外翻抓取模式。在该模式下，本发明适合从内部抓取带有凹槽的长方形物体。

最后，转盘继续沿顺时针转动，带动四个转向齿轮继续转动45°时，手指的弯曲方向从图10转换到图11所示，即四根气动软体手指均向外弯曲，并且第一气动软体手指5a与第三气动软体手指5c的轴线所在平面垂直于第二气动软体手指5b与第四气动软体手指5d的轴线所在平面(参见图11)，此时本发明处于垂直外翻抓取模式。在该模式下，本发明适合从内部抓取带有凹槽的圆形和正方形物体。

当电机带动转盘沿逆时针运动时，本发明可从图11所示的垂直外翻抓取模式依次经过图10所示的平行外翻抓取模式和图9所示的平行抓取模式回复到图8所示的初始抓取模式，完成机械手的复位。

本发明具有结构简单、稳定可靠的优点，可安装在多功能工业流水线的机械臂末端作为执行机构，面对流水线上的多种目标物，无需更换机械手，只需调整对应的抓取模式即可实现对不同形状物体的抓取，对降低工业生产成本具有重要意义。另外，本发明的手指为气动软体手指，无需昂贵的传感器和复杂的传感策略即可对易损坏、易变形物体实现柔性无损抓取，具有成本低、人——机交互安全性高和机——环境交互安全性高的优点。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：包括通过若干支撑柱(1-2)相互连接的上基板(1-1)和下基板(1-3)、安装在上基板上的转动组件(2)、呈放射状安装在下基板上并由转动组件驱使同步运动的四组滑动组件(3)、安装在下基板上并与四组滑动组件一一配合传动的四组转向组件(4)以及分别安装在四组转向组件底部的四根气动软体手指(5)；

所述转动组件包括竖直固定在上基板上的电机(2-1)以及位于上基板与下基板之间并通过联轴器(2-3)固定在电机输出轴上的转盘(2-2)；所述转盘上均匀开设有呈中心对称分布的四个长槽(2-4)，四个长槽分别与四组滑动组件一一对应；

每组滑动组件均包括固定在下基板上的直线导轨(3-1)、可滑动地安装在直线导轨上的若干滑块(3-2)、固定在各滑块上的齿条(3-3)以及固定在齿条上并伸入至转盘上对应长槽中的拨柱(3-4)；

每组转向组件均包括可绕竖直轴线转动地定位在下基板上的转向轴(4-1)、固定在转向轴上端并与对应齿条啮合传动的转向齿轮(4-3)以及固定在转向轴下端以安装气动软体手指的手指固定块(4-4)。

2.根据权利要求1所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：所述拨柱外周套设有导向轴承(3-5)，所述导向轴承与滑槽内壁抵顶连接。

3.根据权利要求2所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：所述气动软体手指包括固定在手指固定块上且内部开设有充气槽(5-4)的硅胶圆筒(5-1)、套设在硅胶圆筒外周以限制硅胶圆筒径向膨胀的弹簧(5-2)以及用于限制硅胶圆筒的一侧沿母线方向膨胀的限制纤维(5-3)。

4.根据权利要求3所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：所述充气槽设置在硅胶圆筒的偏心位置。

5.根据权利要求4所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：所述限制纤维的长度方向平行于硅胶圆筒的轴线方向；所述限制纤维贯穿硅胶圆筒，并且限制纤维的两端设置有压紧硅胶圆筒外端面边沿的凸块(5-5)。

6.根据权利要求5所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：所述限制纤维设置在硅胶圆筒中远离充气槽的一侧。

7.根据权利要求6所述的变抓取模式通用型气动软体机械手，其特征在于：四组转向组件分别位于正方形的四个顶点处。

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