CN116100584A - 一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手 - Google Patents

Abstract

本发明属于人工智能机器人相关技术领域，并公开了一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手。该机械抓手包括基座、夹爪、触发绳、自锁扣和自锁连接板，所述夹爪用于夹持物体，所述触发绳的两端分别连接所述基座两侧的夹爪上，当物体下落接触该触发绳时触发所述夹爪合拢夹持物体；所述自锁扣的一端与所述自锁连接板连接，另一端与所述基座连接，所述夹爪被触发后带动所述自锁扣旋转和扭转，当自锁扣达到最大形变时所述自锁扣释放能量并带动夹爪快速闭合，在闭合后由机构特点实现自锁夹紧物体。通过本发明，解决现有抓手无法简单同时做到自触发的快速夹持、夹持后自锁以及顺应夹持物体的位置偏移、形状与大小的问题。

Description

一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手

技术领域

本发明属于人工智能机器人相关技术领域，更具体地，涉及一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手。

背景技术

近年来，有关工业机器人的应用逐渐增加，且随着工业发展，自动化生产是发展趋势，抓取机构在自动化生产中有重要的作用。

刚性抓取机构在外部驱动下按预先设定的力或位移抓取物品，其能够输出的力较大且运动更加可控。但当抓取的物品易碎、易变形或形状不固定时，容易对所抓取物品造成不必要的损伤及破坏，或难以适应复杂外形物体。

现有柔性抓取机构中，常用的实现柔性的方法包括：使用柔性材料传递外部驱动力，利用柔性材料的形变保护物体与造成一定的适应性；使用欠驱动机构传递外部驱动力，利用其变形特点实现对不同形状与大小的物体的抓取。柔性抓取机构灵活性高，对复杂外形物体适应性强，可更好地实现工件的自动化上下料，但柔性抓取机构的输出力普遍太小并且运动的位置难以准确控制。

并且柔性和刚性的方法存在例如这样的缺点：1)需要利用人工或安装传感器的方式判断抓取时机，增加抓取的附加成本；2)在抓取完成后，需要外部驱动持续作用才能提供持续的夹紧力；3)夹取和打开抓夹装置的力大小相同，容易出现夹取时力量过大或是抓夹住物体的力不够。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，解决现有抓手无法简单同时做到自触发的快速夹持、夹持后自锁以及顺应夹持物体的位置偏移、形状与大小的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，该机械抓手包括基座、夹爪、触发网、自锁连接板和自锁扣，其中，

所述夹爪设置在所述基座的两侧，用于夹持物体，所述触发绳设置在所述基座的上方，该触发绳的两端分别连接所述一侧的夹爪与另一侧的固定支架上并组合成网状结构，当物体下落接触该触发网时触发所述夹爪合拢夹持物体；

所述自锁扣的一端与所述自锁连接板连接，另一端与所述基座连接，所述夹爪合拢时带动所述自锁扣旋转和扭转，当其达到扭转最大形变时释放能量带动所述夹爪实现自锁快速闭合，并在闭合自锁夹紧物体。

进一步优选地，所述自锁扣呈C型，其与所述夹爪连接的一端的位置高于与所述基座连接的一端的位置，用于实现扭转。

进一步优选地，所述自锁扣为具有韧性的弹簧钢。

进一步优选地，所述自锁扣与所述自锁连接板以及所述基座之间通过旋转轴连接，所述自锁扣发生扭转变形时自锁扣绕所述旋转轴转动。

进一步优选地，所述基座呈“几”字形，所述夹爪下端连接有侧板，该侧板与底端与所述基座底端连接，当所述自锁扣自锁时，所述侧板紧贴梯形基座的两侧。

进一步优选地，所述抓手中还设置有电机和驱动杆，所述电机驱动杆旋转，驱动杆推动自锁扣旋转进而带动所述夹爪打开。

进一步优选地，所述夹爪呈弧形，与基座的突起处相对设置。

进一步优选地，所述触发绳为一根或者多根。

进一步优选地，所述夹爪的两侧设置有固定支架，将所述触发绳连接在所述固定支架和夹爪上形成触发网，使得两侧的夹爪受力均衡，避免单侧夹爪触发。

进一步优选地，所述夹爪的中间镂空，镂空处填充有柔性材质，实现与抓夹物体的软接触。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明弹性折纸机构，其中侧板、夹爪、自锁连接板和自锁扣形成的空间连杆构型具有运动死点赋予抓手夹持后自锁的能力，该空间连杆的构型再结合自锁扣的一定弹性变形能力赋予抓手双稳态运动的特性，进而使其能够快速的抓夹物体且具有自触发的能力；

2.本发明提供的自锁功能在抓取和打开时的力不同，在抓取物体时的力是由自锁扣双稳态释放时的能量产生的，这个能量由弹性板的扭转能量及材料的能量密度决定，但是打开时由于机构的死点让自锁扣无法按之前闭合时的扭转形式进行变形而产生较大的抵抗力；

3.本发明提供的抓手具有双稳态折叠的特点，在触发机构的配合下，该特点赋予抓手自触发的快速夹持的能力，双稳态就是机构有两个能量较低且能够稳定存在的状态，并且在切换这两个状态时需要对系统做较大的功来越过这两个低能量之间状态的能量壁垒。在越过能量壁垒后，由于能量的快速释放会带来运动速度较快的现象；

4.本装置属于三浦折纸机构的一种特殊化的形式，通过将三浦折纸机构的一块刚性部位换成具有韧性的弹性自锁扣，使本装置兼具折纸机构单自由度运动的运动可简单分析性与双稳态自锁的特性。

5.本发明采用的夹爪和自锁机构的左右两侧完全对称，在柔性杆件的作用下物体可以在被夹持时偏离机构的对称中心，能顺应夹持物体的位置偏移、形状与大小；

6.本发明的自触发的快速夹持、夹持后自锁以及顺应夹持物体的位置偏移、形状与大小这三个特性在一个简单紧凑的机械机构里得到体现，使机构具有较好的可移植性与可靠性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的机械抓手的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的机械抓手抓取物体过程示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的在自锁时被尝试反向打开时的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的在受控张开时的结构示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的机械抓手抓取物体后的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-基座，2-夹爪，3-自锁连接板，4-自锁扣，5-触发绳，6-驱动杆，7-电机，8-侧板。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，该发明为一种基于双稳态弹性折纸单元的刚柔耦合机械抓手，在该机械抓手上设置弹性折纸单元、触发单元、控制单元共三个单元，三个单元配合实现对物体的夹持与释放工作。

弹性折纸单元由三块刚性板件按一定的空间位置用平面铰链顺序连接，并将一根弹性板件用轴按一定的位置连接在首尾的刚性板件上。该单元在抓手开始闭合时先积累能量，在达到能量最大状态后，快速地释放能量、快速闭合。

触发单元由连接在弹性折纸单元的左右两部分之间的触发绳组成，所述触发绳为凯夫拉线，碳纤维线或钢丝线。在抓手张开时，触发单元通过物体的触发使弹性折纸单元进行双稳态过程。

控制装置由驱动杆与扭力电机组成，其中扭力电机底座固定在弹性折纸单元的底板上，驱动杆固定在扭力电机的电机轴上。在抓手夹持住物体后，控制已经自锁的弹性折纸单元释放物体，并使其回到张开的待触发状态。

具体地，上述机械手由基座1，两组夹爪2，两组自锁连接板3，两组自锁扣4，触发绳5，两组侧板8、两组驱动杆6与两组电机7组成。其中侧板8、夹爪2、自锁连接板3，自锁扣4为弹性折纸机构，触发绳5为本机构触发装置，驱动杆6与电机7为本机构控制装置。

如图2所示，弹性折纸机构的自锁扣4，在夹爪2开始闭合时弯曲形变加大，积累能量，达到能量最大状态后由于自锁连接板3的继续旋转开始释放能量，进而快速闭合。

参考图2，触发绳5作为触发装置，在夹爪2完全张开时绷直，当被夹物体下压触发绳5时，触发绳5牵拉夹爪2闭合，使自锁扣4形变增大至能量最大状态，随后夹爪2快速地释放能量、快速闭合，完成所述机械抓手的自触发。

参考图3，驱动杆6与电机7为控制装置。自锁连接板3在夹爪2闭合后大范围旋转，若有外力强迫夹爪2打开，自锁连接板3将在夹爪2与扭转的自锁扣4的共同作用下出现自锁现象并产生较大的抵抗力，使自锁扣4在夹爪2张开时无法由扭转形变状态逆变为弯曲形变状态，只能逐渐增大扭转形变，阻碍夹爪2张开。达到机械抓手的自锁效果。

参考图4，当电机7使驱动杆6旋转后驱动自锁扣4，带动自锁连接板3反向旋转，此时自锁连接板3对夹爪2的没有自锁效果，随着电机7继续旋转，夹爪2将被带动打开，达到机械抓手受控张开的效果。

参考图5，夹爪2在触碰物体时受阻停下，由自锁扣4的形变产生预紧力，因为预紧力在一定范围内均存在且物体受两对称夹爪2作用，所以物体可在一定的范围内同时受到两预紧力作用，可被就近定位，故可以顺应物体夹持时的位置偏差、物体的形状及大小。并且由于上述自锁扣4的弯曲变形与扭转变形的过程，在夹持物体后，物体无法使夹爪2张开进而实现自锁的效果。

优选地，夹爪的中间镂空，镂空处填充有柔性材质，实现与抓夹物体的软接触。夹爪的两侧设置有固定支架，将触发绳连接在固定支架和夹爪上形成触发网，使得两侧的夹爪受力均衡，避免单侧夹爪触发。

本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，该机械抓手包括基座(1)、夹爪(2)、触发绳(5)、自锁扣(4)和自锁连接板(3)，其中，

所述夹爪(2)设置在所述基座(1)的两侧，用于夹持物体，所述触发绳(5)设置在所述基座的上方，该触发绳(5)的两端分别连接所述基座两侧的夹爪(2)上，当物体下落接触该触发绳时触发所述夹爪合拢夹持物体；

所述自锁扣(4)的一端与所述自锁连接板(3)连接，另一端与所述基座(1)连接，所述夹爪(2)合拢时带动所述自锁扣旋转和扭转，当其达到扭转最大形变时释放能量带动所述夹爪快速闭合并自锁夹紧物体。

2.如权利要求1所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述自锁扣(4)呈C型，其与所述自锁连接板(3)自锁扣(4)连接的一端的位置高于与所述基座(1)连接的一端的位置，并且都是使用旋转轴连接，用于实现扭转及旋转。

3.如权利要求2所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述自锁扣(4)为具有韧性的弹簧钢。

4.如权利要求1或2所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述自锁扣(4)与夹爪(2)之间通过自锁连接板连接(3)，该自锁连接板(3)与所述夹爪用铰链连接与所述基座(1)之间通过旋转轴连接，所述自锁扣发生扭转变形时该自锁连接板绕所述旋转轴转动并且发生扭转变形。

5.如权利要求4所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述基座(1)呈“几”字型，所述夹爪(2)下端连接有侧板(8)，该侧板与底端与所述基座底端连接，当所述自锁扣自锁时，所述侧板紧贴梯形基座的两侧。

6.如权利要求4所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述机械抓手中还设置有电机(7)和驱动杆(6)，所述电机驱动杆(6)旋转，驱动杆推动自锁扣旋转进而带动所述夹爪打开。

7.如权利要求1所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述夹爪(2)的上部呈弧形，与基座的突起处相对设置。

8.如权利要求7所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述触发绳(5)为一根或者多根。

9.如权利要求8所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述夹爪(2)的两侧设置有固定支架，将所述触发绳(5)连接在所述固定支架和夹爪上形成触发网，使得两侧的夹爪受力均衡，避免单侧夹爪触发。

10.如权利要求9所述的一种基于双稳态弹性折纸机构的刚柔耦合机械抓手，其特征在于，所述夹爪(2)的中间镂空，镂空处填充有柔性材质，实现与抓夹物体的软接触。

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