CN203380898U - 一种气动刚性可调的双柔性多指手爪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气动刚性可调的双柔性多指手爪，多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，一个柔性手指被安装在矩形手掌的左侧对称中心处，另外二个柔性手指分别被安装在矩形手掌右侧对称中心的两侧，这是一种结构形式；三个柔性手指分别被安装在六边形手掌的三个对应边处，这是另一种结构形式；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个板弹簧组成；多指手爪用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持；多指手爪特点是：对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，柔性自适应性好。本实用新型属于机器人、机电一体化的应用技术领域，适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流场合。

Description

一种气动刚性可调的双柔性多指手爪

技术领域：

本实用新型涉及一种气动刚性可调的双柔性多指手爪，属于机器人、机电一体化的应用技术领域；与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流场合。 

背景技术：

针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取多指手爪。就抓取的复杂对象的种类：①易变形的软性物体(面包、软包装物品)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；④异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。传统工业多指手爪为夹钳式或平行移动式结构，只能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空间位置和形状，需要精确控制运动和抓取力，否则会损坏复杂对象或不能可靠抓取，但目前仿人灵巧手尚处在实验室研究阶段。 

传统刚性机构是由运动副连接的刚性杆件组成的，进行运动、力或能量传递或转换的机械装置。柔顺机构(Compliant Mechanisms)也能传递或转换运动、力或能量，但与刚性机构不同，柔顺机构不仅由运动副传递运动，还至少从其柔性部件的变形中获得一部分运动。柔顺机构的两大优越性：降低成本(减少零件数目、减少装配、简化制造、减轻质量)和提高性能(提高精度、增加可靠性、减少磨损、减少维护)。 

本实用新型多指手爪的柔性手指就是一种柔顺机构，板弹簧是柔顺机构的变形元件，其特点是：对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，因此抓取复杂对象时，柔性自适应性好。 

本实用新型多指手爪的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本发明创造之前，授权专利(板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，ZL200410065130.X)提出了一种橡胶波纹管膨胀加载式气动人工肌肉驱动器驱动的、板弹簧骨架的柔性弯曲关节，其缺点是：①橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器的内腔压强不够大，靠板弹簧作用，回复到初始伸直状态；②板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度不能调节，抓取物体的通用性不够好；③随着板弹簧的变形量越大，变形量的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，板弹簧越难弯曲，亦即柔性手 指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越小；④尤其是人工肌肉驱动下，板弹簧受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大，需要增大板弹簧截面面积才能满足强度要求，而增大板弹簧截面积的同时又会使板弹簧大变形的难度增加，人工肌肉输出力增加了使板弹簧变形的作用力，减小了柔性关节输出的抓取力。 

发明内容：

多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，手掌有矩形和六边形两种结构；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个板弹簧组成；作为骨架的板弹簧被分为变形段和抓取段，两段长度可相对调节，故称双柔性；靠气缸驱动产生抓持力，此多指手爪应用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持。 

本实用新型克服了上述不足，本实用新型多指手爪有三个柔性手指，每个柔性手指结构相同，柔性手指采用柔顺四杆机构，四杆分别是：驱动杆(内导向气缸1a的活塞杆和活塞杆铰链座5a组成)、柔性杆(即板弹簧4a)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆8a、螺纹套9a、右螺纹铰链杆10a组成)和位置可调的支座杆(压板6a、铰链支座7a组成)。 

驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸活塞杆的直线运动。通过调节二力杆长度，使板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度可以调节；二力杆长度越短，板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度越短；二力杆长度越短，气缸行程越短，初始状态时二力杆与板弹簧的夹角越大，板弹簧的弯曲效果越好。 

本实用新型的主要解决方案是这样实现的： 

如附图1、2所示，本实用新型多指手爪的一种结构：有三个柔性手指1和一个矩形手掌2组成。一个柔性手指1被安装在矩形手掌2的左侧对称中心处，另外二个柔性手指1分别被安装在矩形手掌2右侧对称中心的两侧。 

如附图3、4所示，本实用新型多指手爪的另一种结构：有三个柔性手指1和一个六边形手掌3组成。三个柔性手指1分别被安装在六边形手掌3的三个对应边处。其中三个对应边的内切圆半径较大，适合大直径物体抓取；三个对应边的内切圆半径较小，适合小直径物体抓取。 

如附图5所示，前述的柔性手指1是一个部件，其安装结构是：内导向气缸1a的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板3a上，活塞杆铰链座5a螺纹安装在内导向气缸1a的活塞杆端部、并用螺母旋紧防松；指根板2a被螺钉固定在矩形手掌2或六边形手掌3上，板弹簧4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之间，板弹簧4a的中间被螺栓螺母固定在压板6a和铰链支座7a之间，板弹簧4a的最下端是曲面、便于接触被抓取物体；活塞杆铰链座 5a与右螺纹铰链杆10a之间是铰链联接，铰链支座7a与左螺纹铰链杆8a之间铰链联接，左螺纹铰链杆8a和右螺纹铰链杆10a均旋在螺纹套9a内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套9a，可使左螺纹铰链杆8a和右螺纹铰链杆10a之间的相对距离增加或缩短。 

本实用新型与已有技术相比具有以下优点： 

(1)柔性手指采用气缸代替橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器，承受的气体压强大，产生的驱动力大、产生的抓取力大；靠气缸活塞杆反向作用，而不靠板弹簧作用，回复到初始伸直状态。 

(2)对材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大的复杂对象，通过抓取实验和分析计算，再调节板弹簧弯曲部分(即变形段)的长度，这样既保证了柔性自适应地可靠抓取、又不会损坏，因此多指手爪的通用性好。 

(3)随着气缸活塞杆不断伸长，由于二力杆与板弹簧的夹角不断增大，使板弹簧弯曲的分力不断增加，板弹簧越易弯曲；板弹簧的变形量越大，变形量的单位增量所需的气缸内压强增量越小，亦即柔性手指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越大。 

(4)尤其是板弹簧受到的拉应力随气缸内腔压强增大而减少，可在满足强度要求的同时减小板弹簧截面积，而减小板弹簧截面积的同时又易于使板弹簧大变形，减小了气缸输出力使板弹簧变形的作用力，从而增加了柔性关节输出的抓取力。 

附图说明：

图1为矩形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的主视图 

图2为矩形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的A-A剖视图 

图3为六边形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的主视图 

图4为六边形手掌的气动刚性可调的双柔性多指手爪的B-B剖视图 

图5为气动刚性可调的双柔性多指手爪的柔性手指的主视图 

具体实施方式：

下面为本实用新型的工作原理及工作过程： 

如图1、2所示，根据长形、矩形的复杂对象，实验研究和理论分析后，调节二力杆(左螺纹铰链杆8a、螺纹套9a、右螺纹铰链杆10a组成)的长度，再调整压板6a和铰链支座7a固定在板弹簧4a中间的位置。板弹簧4a的一段(指根板2a和直角板3a夹紧处以下到压板6a和铰链支座7a夹紧处以上)是变形段，抓取承受气缸驱动而产生大变形、释放时提供弹性回复力使手指伸直并弹性回复；压板6a和铰链支座7a夹紧的板弹簧4a下侧一段是抓取段 (最下端是曲面)，复杂对象的抓取接触部位就在板弹簧4a抓取段。 

如图3、4所示，圆形、短圆柱形的复杂对象，同样按照上述步骤，实验研究和理论分析后进行调节。 

Claims (1)

1.一种气动刚性可调的双柔性多指手爪，其特征是：内导向气缸(1a)的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板(3a)上，活塞杆铰链座(5a)螺纹安装在内导向气缸(1a)的活塞杆端部、并用螺母旋紧防松；指根板(2a)被螺钉固定在矩形手掌(2)或六边形手掌(3)上，板弹簧(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之间，板弹簧(4a)的中间被螺栓螺母固定在压板(6a)和铰链支座(7a)之间，板弹簧(4a)的最下端是曲面、便于接触被抓取物体；活塞杆铰链座(5a)与右螺纹铰链杆(10a)之间是铰链联接，铰链支座(7a)与左螺纹铰链杆(8a)之间铰链联接，左螺纹铰链杆(8a)和右螺纹铰链杆(10a)均旋在螺纹套(9a)内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套(9a)，可使左螺纹铰链杆(8a)和右螺纹铰链杆(10a)之间的相对距离增加或缩短；由前述这些零件构成柔性手指(1)，对于每个结构相同的柔性手指(1)，其指根板(2a)均被螺钉固定在矩形手掌(2)或六边形手掌(3)上；一个柔性手指(1)被安装在矩形手掌(2)的左侧对称中心处，另外二个柔性手指(1)分别被安装在矩形手掌(2)右侧对称中心的两侧，这是一种结构形式；三个柔性手指(1)分别被安装在六边形手掌(3)的三个对应边处，这是另一种结构形式。 

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