CN117245682A - 一种可变刚度的自适应二指夹爪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变刚度的自适应二指夹爪,包括:手指模块、变刚度模块和安装座,手指模块和变刚度模块设置至少一组,手指模块和变刚度模块均固定在安装座上,手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮,手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装座共同组成一个平行四边形连杆结构,变刚度模块包括光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨,手指模块通过驱动绳与变刚度模块中的光轴相连,弹簧模块上方和下方分别与光轴和导轨相互约束并发生相对滑动,同步带模块驱动弹簧模块进行直线滑动,进而改变了由光轴、驱动绳、弹簧模块构成的杠杆的阻力臂。本发明结构简单紧凑,受力均衡,可调节性良好,可以实现夹爪的无极刚度调节。
Description
技术领域
本发明涉及机器人末端夹爪技术领域,具体涉及一种可变刚度的自适应二指夹爪。
背景技术
随着机器人技术的不断发展,机器人在工业生产中发挥了越来越重要的作用,逐步替代了许多的人工生产制造过程。二指夹爪在机器人领域发挥着至关重要的作用,可以作为机器人的末端执行器进行多样的夹取操作,在装配、运输、分料等领域有着广泛的运用。然而,传统机器人二指夹爪一般是刚性结构,无法对待夹取物体的形状进行自适应,也无法根据待夹取物体的强度改变夹爪自身的刚度,因此在夹取较为脆弱的物体时,容易出现将物体损坏的情况。
如专利公开号为CN115533953A的变刚度机械夹爪,其利用机械夹爪后方的板簧作为弹性部件,利用滚珠丝杠作为驱动装置对板簧受力的位置进行调节,进而调节夹爪整体的刚度,但是其夹爪内的手指与电机固定连接,手指的活动收到电机的限制,无法被动自适应,且手指结构对板簧施力方向不稳定,使得板簧的刚度调节控制复杂,且其体积较大,结构比较复杂。
如专利公开号为CN115781750A的一种基于双稳态机构的快速响应柔性三指手,其利用双稳态结构使得机械夹爪具有抓取和张开两种固定状态,简化了夹爪的控制策略,并设计了一系列连杆使得夹爪可以对物体的形状进行自适应,虽然可以对物体的形状进行自适应,但不具有刚度变化能力,无法调节夹取时的刚度大小,容易对物体造成损坏,且其体积较大,结构比较复杂。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷与不足,本发明提供一种可变刚度的自适应二指夹爪,本发明结构简单紧凑、可调节性良好,可以实现无极刚度调节。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明提供一种可变刚度的自适应二指夹爪,包括:手指模块、变刚度模块和安装座;
所述手指模块和变刚度模块设置至少一组,所述手指模块和变刚度模块一一对应;
所述安装座设有安装竖板和安装横板,所述安装竖板和安装横板相互垂直;
手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮;
所述手指杠杆的一端设有弯折部,用于夹持物体,所述手指杠杆的另一端与驱动杠杆的一端活动连接,所述驱动杠杆的另一端与安装竖板活动连接,所述连接杠杆的一端与手指杠杆活动连接,所述连接杠杆的另一端与安装竖板活动连接,所述连接杠杆与驱动杠杆相互平行,所述手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装竖板共同组成一个平行四边形连杆结构,连杆结构的平行四边形所在平面与安装横板所在平面相互垂直;
所述驱动绳一端与连接杠杆固定,另一端跨过导轮与光轴固定连接;
所述变刚度模块包括:光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨;
所述弹簧模块包括光轴滑块、弹簧、弹簧导座,所述光轴滑块的顶部设有第一凹槽,所述第一凹槽与光轴匹配嵌合,所述光轴的一端与安装座活动连接,所述光轴滑块沿光轴延伸方向滑动,所述光轴滑块的底部与弹簧导座连接,所述弹簧位于弹簧导座内,所述弹簧外侧套设有套管,所述套管与弹簧导座设有间隔,所述弹簧导座与同步带模块固定连接;
所述弹簧导座设有第二凹槽,所述第二凹槽与导轨匹配嵌合,所述弹簧导座沿导轨延伸方向滑动;
所述导轨与光轴平行设置,与连杆结构的平行四边形处于同一平面;
所述同步带模块用于带动与弹簧导座相连的光轴滑块沿光轴滑动。
作为优选的技术方案,还设有杠杆电机,所述杠杆电机与安装座固定连接,所述杠杆电机的输出轴上设有输出轴齿轮,驱动杠杆与安装座连接的一端设有驱动齿轮,输出轴齿轮与驱动齿轮相啮合,杠杆电机驱动驱动杠杆进行转动。
作为优选的技术方案,所述同步带模块包括同步带电机、同步带、同步带轮、张紧轮;
所述同步带电机与安装竖板固定连接,所述同步带电机的输出轴与同步带轮固定连接,同步带与弹簧导座固定连接;
所述同步带轮设有多个,所述同步带与多个同步带轮嵌合,所述张紧轮紧贴同步带,使得同步带保持张紧状态,同步带电机通过同步带轮旋转带动同步带转动,同步带的运动轨迹与光轴、弹簧模块、导轨所在平面相互平行。
作为优选的技术方案,所述连接杠杆的侧面设有第一凸台,第一凸台设有孔道,所述驱动绳一端与第一凸台固定,另一端沿孔道穿出,跨过导轮与光轴固定连接。
作为优选的技术方案,所述弹簧导座侧面具有第二凸台,所述第二凸台与同步带模块固定连接。
作为优选的技术方案,不同组的弹簧导座上的第二凸台设置不同的高度,分别设置在同步带的两侧,与同步带的相应位置固定连接,同步带对两侧的弹簧导座同时驱动。
作为优选的技术方案,所述光轴上设有第三凸台,所述驱动绳的另一端与第三凸台固定连接。
作为优选的技术方案,所述连接杠杆与安装座连接的一端设有槽口,所述安装竖板上设有圆柱轴,所述圆柱轴穿过槽口,所述导轮与圆柱轴固定连接。
作为优选的技术方案,安装座的底部设有法兰,用于与外部设备连接。
作为优选的技术方案,所述第一凹槽采用圆形凹槽或者不完全的圆柱形凹槽,与光轴匹配嵌合,所述第二凹槽采用梯形凹槽,与导轨匹配嵌合。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本发明利用杠杆原理,将末端与外界接触力通过基于杠杆原理的杠杆组件传递,并通过手指模块、变刚度模块的相互配合实现无极改变杠杆阻力臂的长度,进而使得二指夹爪可以实现无极变刚度效果。
(2)本发明利用同步带传动带动光轴滑块沿光轴直线滑动,进而改变杠杆的阻力臂大小,其可调节性良好,刚度变化连续,其调节精度基本不受外部变化因素的干扰,可使机械臂满足多种生产场景的需求。
附图说明
图1为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的结构正视图;
图2为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的结构轴测图;
图3为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的局部结构示意图;
图4(a)为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的张开状态示意图;
图4(b)为本发明可变刚度的自适应二指夹爪的合并状态示意图;
图5为本发明变刚度模块的局部结构示意图;
图6为本发明同步带模块的结构示意图。
其中,1-手指杠杆,2-连接杠杆,3-驱动杠杆,4-驱动绳,5-导轮,6-光轴,7-弹簧模块,8-同步带模块,9-导轨,10-安装座,11-杠杆电机,12-同步带电机,13-同步带,14-同步带轮,15-张紧轮,16-光轴滑块,17-弹簧,18-弹簧导座。
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。
实施例
如图1-图6所示,本实施例提供一种可变刚度的自适应二指夹爪,主要针对机器人装配、运输等过程中对物体的自适应夹取操作,其包括手指模块、变刚度模块和安装座10,手指模块与变刚度模块固定在安装座10上,手指模块与变刚度模块相连接;
在本实施例中,手指模块和变刚度模块设置至少一组,本实施例优选为两组,手指模块与变刚度模块一一对应,安装座10设置一组,手指模块与变刚度模块均固定在安装座10上;
在本实例中,安装座10位于二指夹爪整体的下方,其底部具有圆柱法兰,可以与外部设备如机械臂相连接,使得二指夹爪可以安装在其他待使用设备上。安装座10的上方具有一些安装横板与安装竖板,安装横板与安装竖板上均具有一定的孔位与圆柱轴,用以安装夹爪中相应的零部件。变刚度模块中的导轨9底部固定在安装座10的安装横板上,手指模块中的连接杠杆2、驱动杠杆3、导轮5、杠杆电机11以及变刚度模块中的同步带模块8的同步带电机12、同步带轮14、张紧轮15均安装在安装座10的安装竖板上,使得一部分零件可以相对安装座10自由转动,一部分零部件与安装座10相对固定。
结合图1-图3所示,手指模块包括手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3、驱动绳4、导轮5、杠杆电机11,手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3都是具有两个铰链的矩形杆状构件,手指杠杆1的两个铰链分别位于一端和中部,连接杠杆2和驱动杠杆3的铰链位于两端,手指杠杆1没有铰链的一端具有弯折的一部分,其可以作为手指以夹持物体,连接杠杆2一端的铰链具有槽口,连接杠杆2的侧面具有凸台,凸台上具有孔道,用以固定和导向驱动绳4,驱动杠杆3一端的铰链外部具有齿轮结构,其中手指杠杆1一端的铰链与驱动杠杆3没有齿轮结构的一端的铰链相连接,手指杠杆1中部的铰链与连接杠杆2没有槽口的一端的铰链相连接,连接杠杆2具有槽口的铰链和驱动杠杆3具有齿轮结构的铰链均与安装座10上的圆柱轴相连接,可以绕圆柱轴进行旋转。此外,连接杠杆2与驱动杠杆3保持平行,手指杠杆1与连接杠杆2和驱动杠杆3另一侧铰链的连线保持平行,因此手指杠杆1、连接杠杆2、驱动杠杆3与安装竖板组成了一个平行四边形连杆结构,可以使手指杠杆1末端的手指结构侧面始终保持竖直方向。驱动绳4是一根柔软但不具有弹性的软绳,其一端固定在连接杠杆2上的凸台上,并穿过连接杠杆2上凸台的孔道,其中部与导轮5相接触,另一端与光轴6上的凸台固定,导轮5是圆柱面具有凹槽的小轮,与连接杠杆2槽口一端的铰链固定在同一圆柱轴上,用以对驱动绳4进行导向和张紧,使得驱动绳4在导轮5和光轴6之间的部分保持竖直,即可使驱动绳4传导到光轴6上的力保持竖直向上。杠杆电机11固定在安装座10上,其输出轴上具有小齿轮,该小齿轮与驱动杠杆3一端具有的齿轮相啮合,使得杠杆电机11可以驱动驱动杠杆3进行转动。杠杆电机11驱动驱动杠杆3旋转带动手指结构整体进行转动,在手指杠杆1一端的手指结构接触物体时,手指杠杆1受力向远离物体的方向旋转,进而带动连接杠杆2一端的槽口相对于圆柱轴移动,此时驱动绳4受力张紧并拉动光轴6进行移动,此时手指杠杆1上的手指结构相对于物体即发生了偏移,以一定的刚度对物体的外形进行了适应。当驱动绳4拉动光轴6进行旋转时,驱动绳4对光轴6产生的力即相当于动力,由于驱动绳4固定于光轴6上凸台,其相对于光轴6一端的铰链距离固定,因此动力臂大小保持不变。
结合图1-图3所示,变刚度模块包括光轴6、弹簧模块7、同步带模块8、导轨9,光轴6是圆柱形杆件,弹簧模块7是可以发生一定伸缩和旋转的组件,同步带模块8是同步带传动系统,导轨9是表面具有凹槽的矩形杆件,光轴6、弹簧模块7、导轨9始终处于同一平面内,同步带模块8中的同步带13的运动轨迹平面始终与光轴6、弹簧模块7、导轨9所在平面平行。光轴6表面粗糙度较低,其一端具有铰链,固定在安装座10上的安装孔位上,可以发生旋转,另一端自由,光轴6上靠近铰链的一侧上方具有一个小凸台,用以和驱动绳4的下端相固定。导轨9表面粗糙度较低,具有梯形的截面,其下端面固定在安装座10上。弹簧模块7可以发生一定的伸缩和旋转,其上端和下端分别具有相应截面的凹槽可以分别与光轴6和导轨9相匹配并约束,使得弹簧模块7可以相对于光轴6和导轨9发生直线滑动。同步带模块8安装在安装座10的安装竖板上,同步带模块8中的同步带13与弹簧模块7相固定,可以带动弹簧模块7沿光轴6和导轨9发生直线滑动。
结合图5所示,本实施例的弹簧模块7包括光轴滑块16、弹簧17、弹簧导座18,光轴滑块16上方具有不完全的圆柱形凹槽,可以与光轴6相嵌合并相对滑动,该凹槽表面粗糙度较低,光轴滑块16下方与弹簧导座18上方以铰链连接并可以相对旋转。弹簧17安装在弹簧导座18内,弹簧导座18对弹簧17进行了运动范围的限制,使得弹簧17只能在直线方向上进行伸缩运动。弹簧17外侧套设有套管(即图中的连续圆柱面),套管与弹簧导座18设有间隔,弹簧导座18下方具有梯形的凹槽,该凹槽表面粗糙度较低,其与固定在安装座10上的导轨9互相嵌合,并可以发生相对滑动,弹簧导座18的侧面具有凸台,不同组弹簧导座18的凸台具有不同的高度,凸台可以与同步带模块8中的同步带13固定连接。由于光轴6和导轨9位于同一平面内,光轴滑块16可以沿光轴6发生相对滑动,弹簧导座18可以相对导轨9发生相对滑动,且光轴滑块16可以相对弹簧导座18发生旋转,弹簧17可以发生相应的伸缩,因此本实施例的弹簧模块7在发生直线滑动时同时也可以发生直线伸缩,直线伸缩在弹簧导座18的约束下始终处于竖直方向,即保证了弹簧模块7对光轴6施加的力始终沿竖直方向。当驱动绳4拉动光轴6进行旋转,光轴6旋转时带动弹簧模块7进行伸缩,因此弹簧模块7对光轴6施加的力相当于阻力,由于弹簧模块7可以沿光轴6和导轨9发生直线滑动,因此弹簧模块7相对于光轴6一端的铰链的距离可以发生相对变化,即阻力臂可以发生变化。
结合图6所示,本实施例的同步带模块8包括同步带电机12、同步带13、同步带轮14、张紧轮15,其中同步带13是表面具有梯形凸台的弹性皮带,同步带轮14是表面具有梯形凹槽的金属轮,本实例中具有三个,张紧轮15是圆柱形小轮,本实例中具有两个,同步带电机12固定在安装座10的安装竖板上,输出轴固定有一个同步带轮14,其余同步带轮14、张紧轮15安装在安装座10的圆柱轴上,可以发生旋转,同步带13与三个同步带轮14嵌合,并被张紧轮15向一侧挤压,使得同步带13始终保持张紧状态。同步带电机12可以通过同步带轮14旋转带动同步带13转动,同步带13的运动轨迹始终与光轴6、弹簧模块7、导轨9所在平面保持平行,且同步带13与弹簧模块7中的弹簧导座18固定连接,因此同步带电机12可以驱动弹簧模块7沿光轴6和导轨9直线滑动,进而使得弹簧模块7相对于光轴6铰链的距离发生变化,即阻力臂发生变化,因此即可产生变刚度效果。由于不同组的弹簧导座18上的凸台具有不同的高度,在本实例中一组弹簧导座18上的凸台较高与同步带13的上部固定,一组弹簧导座18上的凸台较低与同步带13的下部固定,两组分布于同步带电机12的两侧,因此当同步带电机12驱动时,两组弹簧导座18可以同时沿光轴6和导轨9向同步带电机12接近或者远离,使得两组弹簧模块7相对于光轴6铰链的距离相等,即可使得两组变刚度模块的变刚度效果一致。
在本实例中,一种可变刚度的自适应二指夹爪运行时,手指杠杆1会与外界物体发生接触并受到一定的作用力,由于驱动杠杆3在杠杆电机11的啮合作用下位置相对固定,手指杠杆1会相对于驱动杠杆3向张开的趋势进行旋转,进而带动连接杠杆2向上运动,使得驱动绳4受拉力,驱动绳4经过导轮5的导向对光轴6施加竖直方向的力,光轴6将力传递给光轴滑块16,进而传递给弹簧17,并使弹簧17发生一定的伸缩,之后作用力通过弹簧导座18、导轨9、安装座10依次传递,最终将力传递给与安装座10底部法兰相连的外部设备,如机械臂。而刚度调节的主要原理主要是对光轴6传递给光轴滑块16的作用力进行调节,光轴6起到一个杠杆的作用,其中从手指杠杆1传递到连接杠杆2进而传递到驱动绳4的外部力可视为杠杆中的动力,从光轴6传递到光轴滑块16进而传递到弹簧17的力可视为杠杆中的阻力,动力臂没有变动因此保持不变,而本发明中的刚度调节就是对杠杆中的阻力臂的长度进行调整。在进行刚度的无极调节时,同步带电机12带动同步带13进行转动,同步带13带动与之固定的弹簧导座18沿导轨9进行直线滑动,因此与弹簧导座18相连的光轴滑块16被带动沿光轴6进行直线滑动,由光轴6传递给光轴滑块16的阻力臂长度即发生了变化,因此光轴6传递给光轴滑块16的力也会发生变化。进而,由光轴滑块16传递给弹簧17的力发生变化,弹簧17的压缩程度也会不同,进而二指夹爪整体表现出的刚度特性即不同。由于同步带模块8中驱动光轴滑块16沿光轴6移动的距离是无极变化的,因此二指夹爪对刚度的调节即是无极变化的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,包括:手指模块、变刚度模块和安装座;
所述手指模块和变刚度模块设置至少一组,所述手指模块和变刚度模块一一对应;
所述安装座设有安装竖板和安装横板,所述安装竖板和安装横板相互垂直;
手指模块包括手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆、驱动绳、导轮;
所述手指杠杆的一端设有弯折部,用于夹持物体,所述手指杠杆的另一端与驱动杠杆的一端活动连接,所述驱动杠杆的另一端与安装竖板活动连接,所述连接杠杆的一端与手指杠杆活动连接,所述连接杠杆的另一端与安装竖板活动连接,所述连接杠杆与驱动杠杆相互平行,所述手指杠杆、连接杠杆、驱动杠杆与安装竖板共同组成一个平行四边形连杆结构,连杆结构的平行四边形所在平面与安装横板所在平面相互垂直;
所述驱动绳一端与连接杠杆固定,另一端跨过导轮与光轴固定连接;
所述变刚度模块包括:光轴、弹簧模块、同步带模块、导轨;
所述弹簧模块包括光轴滑块、弹簧、弹簧导座,所述光轴滑块的顶部设有第一凹槽,所述第一凹槽与光轴匹配嵌合,所述光轴的一端与安装座活动连接,所述光轴滑块沿光轴延伸方向滑动,所述光轴滑块的底部与弹簧导座连接,所述弹簧位于弹簧导座内,所述弹簧外侧套设有套管,所述套管与弹簧导座设有间隔,所述弹簧导座与同步带模块固定连接;
所述弹簧导座设有第二凹槽,所述第二凹槽与导轨匹配嵌合,所述弹簧导座沿导轨延伸方向滑动;
所述导轨与光轴平行设置,与连杆结构的平行四边形处于同一平面;
所述同步带模块用于带动与弹簧导座相连的光轴滑块沿光轴滑动。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,还设有杠杆电机,所述杠杆电机与安装座固定连接,所述杠杆电机的输出轴上设有输出轴齿轮,驱动杠杆与安装座连接的一端设有驱动齿轮,输出轴齿轮与驱动齿轮相啮合,杠杆电机驱动驱动杠杆进行转动。
3.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述同步带模块包括同步带电机、同步带、同步带轮、张紧轮;
所述同步带电机与安装竖板固定连接,所述同步带电机的输出轴与同步带轮固定连接,同步带与弹簧导座固定连接;
所述同步带轮设有多个,所述同步带与多个同步带轮嵌合,所述张紧轮紧贴同步带,使得同步带保持张紧状态,同步带电机通过同步带轮旋转带动同步带转动,同步带的运动轨迹与光轴、弹簧模块、导轨所在平面相互平行。
4.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述连接杠杆的侧面设有第一凸台,第一凸台设有孔道,所述驱动绳一端与第一凸台固定,另一端沿孔道穿出,跨过导轮与光轴固定连接。
5.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述弹簧导座侧面具有第二凸台,所述第二凸台与同步带模块固定连接。
6.根据权利要求5所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,不同组的弹簧导座上的第二凸台设置不同的高度,分别设置在同步带的两侧,与同步带的相应位置固定连接,同步带对两侧的弹簧导座同时驱动。
7.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述光轴上设有第三凸台,所述驱动绳的另一端与第三凸台固定连接。
8.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述连接杠杆与安装座连接的一端设有槽口,所述安装竖板上设有圆柱轴,所述圆柱轴穿过槽口,所述导轮与圆柱轴固定连接。
9.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,安装座的底部设有法兰,用于与外部设备连接。
10.根据权利要求1所述的可变刚度的自适应二指夹爪,其特征在于,所述第一凹槽采用圆形凹槽或者不完全的圆柱形凹槽,与光轴匹配嵌合,所述第二凹槽采用梯形凹槽,与导轨匹配嵌合。
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CN202311110937.XA CN117245682A (zh) | 2023-08-31 | 2023-08-31 | 一种可变刚度的自适应二指夹爪 |
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2023
- 2023-08-31 CN CN202311110937.XA patent/CN117245682A/zh active Pending
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