PL243202B1

PL243202B1 - Jaw gripper equipped with intelligent fluid filled cushions

Info

Publication number: PL243202B1
Application number: PL433368A
Authority: PL
Inventors: Marcin Białek; Dominik Rybarczyk
Original assignee: Politechnika Poznanska
Priority date: 2020-03-28
Filing date: 2020-03-28
Publication date: 2023-07-17
Also published as: PL433368A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest chwytak szczękowy wyposażony w poduszki (201) wypełnione cieczą inteligentną, który zawiera dwa uchwyty robocze, z których każdy posiada cięgno bierne (206, 210) współpracujące z przekładnią napędzaną silnikiem elektrycznym (207), a cięgno bierne (206, 210) połączone jest przegubowo z cięgnem głównym (205) łączącym się przegubowo z końcówka szczęki (202), która to końcówka szczęki połączona jest przegubowo z cięgnem łączącym (204) mocowanym z drugiej strony do podstawy chwytaka (208). Chwytak posiada dwie pary sterowanych elektrycznie poduszek wypełnionych cieczą inteligentną (201) umieszczonych na końcówce szczęki (202) oraz na kołysce (203) połączonej przegubowo z cięgnem łączącym (204), przy czym każda z poduszek (202), składa się z cewki nawiniętej na rdzeń elektromagnesu otoczonego izolującą wkładką, znajdującego się wewnątrz żelaznego jarzma, elastycznej membrany zabezpieczonej przez pierścień zaciskowy, w której znajduje się ciecz inteligentna, przy czym w centralnej części membrany znajduje się wgłębienie w osi, a przekładnię stanowi para krzywek zębatych.The subject of the invention is a jaw gripper equipped with cushions (201) filled with an intelligent liquid, which includes two working handles, each of which has a passive cable (206, 210) cooperating with a gear driven by an electric motor (207), and the passive cable (206, 210) is pivotally connected to a main link (205) pivotally connected to the jaw tip (202), which jaw tip is pivotally connected to a connecting link (204) attached to the end of the gripper (208) on the other side. The gripper has two pairs of electrically controlled intelligent fluid filled cushions (201) located at the tip of the jaw (202) and on a cradle (203) articulated with the linkage (204), each cushion (202) consisting of a coil wound on an electromagnet core surrounded by an insulating insert, located inside an iron yoke, a flexible diaphragm protected by a clamping ring, in which there is a smart fluid, in the central part of the diaphragm there is a recess in the axis, and the transmission is a pair of toothed cams.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest chwytak szczękowy wyposażony w poduszki wypełnione cieczą inteligentną konstrukcja zespołu końcówek chwytnych wchodzących w skład chwytaka, które stanowią poduszki wypełnione cieczą inteligentną, przeznaczone do manipulacji obiektami, znajdujące zastosowanie w układach kinematycznych maszyn manipulacyjnych na przykład w procesie transportu lub produkcji.The subject of the invention is a jaw gripper equipped with cushions filled with an intelligent liquid, the construction of a set of gripping tips included in the gripper, which are cushions filled with an intelligent liquid, intended for manipulation of objects, applicable in the kinematic systems of handling machines, for example in the transport or production process.

Zgodnie z definicją G. Kosta z książki pt. „Podstawy budowy robotów” wydanej przez Wydaw. Politechniki Śląskiej w 1996 r. chwytaki zaliczane są do grupy oprzyrządowania technologicznego pozwalającego realizować określone zadania technologiczne, które w tym przypadku obejmują manipulację obiektami tj. uchwycenie, transport i uwolnienie w miejscu docelowym. Wybrane, spośród wymienionych przez Autora, klasyfikacje chwytaków obejmują różne kryteria związane ze sposobem chwytania: siłowy, kształtowy, siłowo-kształtowy.According to the definition of G. Kost from the book entitled "Basics of robot construction" published by Wydaw. of the Silesian University of Technology in 1996, grippers are included in the group of technological equipment that allows to perform specific technological tasks, which in this case include manipulation of objects, i.e. capture, transport and release at the destination. The classifications of grippers selected from those listed by the author include various criteria related to the way of gripping: force, shape, force-shape.

Przedmiot wynalazku obejmuje ostatni z wymienionych sposobów chwytania, a mianowicie sytuację, w której elementy podatne chwytaka (w postaci poduszek z materiałem inteligentnym) dopasowują się do kształtu elementu manipulowanego, po czym dochodzi do wywarcia nacisku w wyniku przyłożonej siły chwytania.The subject of the invention covers the last of the mentioned gripping methods, namely a situation in which the flexible elements of the gripper (in the form of cushions with intelligent material) adapt to the shape of the manipulated element, and then pressure is exerted as a result of the applied gripping force.

W artykule autorstwa J. Hughes, U. Culha, F. Giardina, F. Guenther, A. Rosendo, F. lida pt. “Soft Manipulators and Grippers: A Review”, opublikowanym w Frontiers in Robotics and AI, vol.3, no.69, zdefiniowano główny problem w zadaniu manipulacji obiektem, którym jest dostosowanie konstrukcji chwytaka wraz ze strategią sposobu chwytania, aby zapewnić jednocześnie uniwersalność adaptacji do powierzchni, kształtu obiektu i możliwość swobodnego orientowania go, po uchwyceniu. Rozwiązanie będące przedmiotem wynalazku obejmuje wszystkie te aspekty.In the article by J. Hughes, U. Culha, F. Giardin, F. Guenther, A. Rosendo, F. Lida entitled “Soft Manipulators and Grippers: A Review”, published in Frontiers in Robotics and AI, vol.3, no.69, defines the main problem in the object manipulation task, which is to adjust the gripper design along with the gripping method strategy to ensure universality of adaptation at the same time to the surface, shape of the object and the ability to freely orient it after capturing. The solution of the invention covers all these aspects.

W stanie techniki znane są rożnego rodzaju specyficzne konstrukcje chwytaków. W artykule autorstwa E. Brown, N. Rodenberg, J. Amend, A. Mozeika, E. Steltz, M. R. Zakin, H. Lipson, H. M. Jaeger pt. „ Universal robotic gripper based on the jamming of granular materiał ”, opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol.107, no.44, 2010, opisano konstrukcję chwytaka wykorzystującego sprężone powietrze i granulat w postaci kawy, umieszczony w membranowym worku z gumy. W tym rozwiązaniu w pierwszej fazie ruchu chwytak w luźnej postaci zbliża się do chwytanego obiektu, w drugiej deformuje się, adaptując do kształtu obiektu, w trzeciej powietrze zostaje odessane z worka co powoduje usztywnienie i zwarcie granulatu w postaci kawy, etap czwarty to uniesienie obiektu przez chwytak.Various types of specific gripper designs are known in the art. In the article by E. Brown, N. Rodenberg, J. Amend, A. Mozeika, E. Steltz, M. R. Zakin, H. Lipson, H. M. Jaeger entitled "Universal robotic gripper based on the jamming of granular material", published in Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol.107, no.44, 2010, describes the construction of a gripper using compressed air and granules in the form of coffee placed in a membrane rubber bag. In this solution, in the first phase of movement, the gripper in a loose form approaches the object being grasped, in the second phase it deforms, adapting to the shape of the object, in the third phase the air is sucked out of the bag, which stiffens and compacts the coffee granulate, the fourth stage is lifting the object by gripper.

Z kolei w artykule autorstwa J.R. Amend, E. Brown, N. Rodenberg, H.M. Jaeger, H. Lipson pt. „ A Positive Pressure Universal Gripper Based on the Jamming of Granular Materiał ”, opublikowanym w IEEE Transactions on Robotics, vo. 28, no. 2, 2012, wykazano trzy modele uchwytu takiej konstrukcji jakimi są: tarcie statyczne worka z granulatem w wyniku kontaktu z powierzchnią obiektu, powiązanie geometryczne w wyniku specyficznego kształtu obiektu (np. przewężenie), zassanie w wyniku powstania uszczelnionej przestrzeni pomiędzy workiem, a obiektem.In turn, in an article by J.R. Amend, E. Brown, N. Rodenberg, H.M. Jaeger, H. Lipson pt. "A Positive Pressure Universal Gripper Based on the Jamming of Granular Material", published in IEEE Transactions on Robotics, vo. 28, no. 2, 2012, three models of the handle of such a structure were demonstrated: static friction of the bag with granules as a result of contact with the surface of the object, geometric connection as a result of the specific shape of the object (e.g. narrowing), suction as a result of the creation of a sealed space between the bag and the object.

W artykule autorstwa C. M. Hartzell, Y. T. Choi, N. M. Wereley, T. J. G. Leps pt. „Performance of a magnetorheological fluid-based robotic end effector”, opublikowanym w Smart Materials and Structures, vol.28, no.3, przedstawiono konstrukcję uniwersalnego chwytaka z membranową poduszką wypełnioną cieczą magnetoreologiczną (MR), sterowaną przy pomocy elektromagnesu.In the article by C. M. Hartzell, Y. T. Choi, N. M. Wereley, T. J. G. Leps entitled "Performance of a magnetorheological fluid-based robotic end effector", published in Smart Materials and Structures, vol.28, no.3, presents the construction of a universal gripper with a membrane cushion filled with magnetorheological (MR) liquid, controlled by an electromagnet.

Układ taki składa się ze stalowej obudowy elektromagnesu, cewki elektromagnesu, ruchomego rdzenia oraz poduszki w kształcie ściętego stożka (formującego w przekroju trapez) zarówno z silikonu jak i magnetoreologicznego elastomeru (MRE). Przy badaniu konstrukcji uwzględniono również zastosowanie dodatkowego kołnierza obejmującego poduszkę, zapobiegającego przemieszaniu się cieczy przy chwytaniu obiektu.Such a system consists of a steel electromagnet housing, an electromagnet coil, a movable core and a cushion in the shape of a truncated cone (forming a trapezoid in cross-section) made of both silicone and magnetorheological elastomer (MRE). When testing the structure, the use of an additional flange covering the cushion, preventing the movement of liquid when gripping the object, was also considered.

W artykule autorstwa Y. T. Choi, C. M. Hartzell, T. Leps, N. M. Wereley pt. „Gripping characteristics of an electromagnetically activatedmagnetorheological fluid-basedgripper’, opublikowanym w AIP Advances, vol.8, no.5, 2018, omówiono badanie porównawcze zdolności unoszenia obiektów chwytaka o konstrukcji omówionej w wyżej wymienionym artykule, przy zastosowaniu membrany z materiału niemagnetycznego i z wykorzystaniem membrany wykonanej z MRE.In the article by Y. T. Choi, C. M. Hartzell, T. Leps, N. M. Wereley entitled "Gripping characteristics of an electromagnetically activatedmagnetorheological fluid-basedgripper', published in AIP Advances, vol.8, no.5, 2018, discusses a comparative study of the ability to lift objects of the gripper structure discussed in the above-mentioned article, using a membrane made of non-magnetic material and using membrane made of MRE.

W artykule autorstwa R. Maruyama, T. Watanabe, M. Uchida, pt. „Delicate Grasping by Robotic Gripper with Incompressible Fluid-based Deformable Fingertips”, opublikowanym w IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, str. 5469-5474, przedstawiono chwytak z opusz kami wykonanymi z nieściśliwej cieczy (żelu) osłoniętego gumą, przeznaczonym do manipulacji kruchymi obiektami. Ze względu na brak ściśliwości cieczy, samo zamknięcie chwytaka pozwala na zbliżanie się opuszków do obiektu z mniejszą sztywnością. Po zetknięciu sztywność stykowa wzrasta wraz ze wzrostem odkształcenia opuszków, co pozwala na zachowanie sztywności przy uchwyceniu. Zaletami tego rozwiązania jest ponadto możliwość dostosowania opuszków palców do kształtu obiektu i zachowanie równomiernego nacisku.In the article by R. Maruyama, T. Watanabe, M. Uchida, entitled "Delicate Grasping by Robotic Gripper with Incompressible Fluid-based Deformable Fingertips", published in IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 5469-5474, shows a gripper with tips made of incompressible liquid (gel) covered with rubber, intended for for handling fragile objects. Due to the lack of compressibility of the liquid, simply closing the gripper allows the fingertips to approach the object with less stiffness. After contact, the contact stiffness increases as the deformation of the tips increases, which allows the gripping stiffness to be maintained. The advantages of this solution are also the ability to adjust the fingertips to the shape of the object and maintain even pressure.

W artykule autorstwa H. Choi, M. Koc pt. “Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets”, opublikowanym w International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 46, no. 12-13, zaprezentowano rozwiązanie chwytaka z równoległymi szczękami, na powierzchniach których rozmieszczono tzw. kieszenie o różnych kształtach, wypełniane powietrzem, stanowiące izolację pomiędzy szczękami, a manipulowanym obiektem.In the article by H. Choi, M. Koc entitled “Design and feasibility tests of a flexible gripper based on inflatable rubber pockets”, published in International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 46, no. 12-13, a gripper solution with parallel jaws is presented, on the surfaces of which the so-called pockets of various shapes, filled with air, providing insulation between the jaws and the manipulated object.

W artykule autorstwa Y. Tsugami i T. Nishida pt. “Simple Structured Gripper Using Electromagnet and Permanent Magnet”, opublikowanym w International Conference on ICT Robotics, str. 64-67, 2017, przedstawiono rozwiązanie składające się z elektromagnesu oraz elastycznej membrany, wypełnionej wodą, na dnie której znajduje się magnes stały. Sekwencja chwytu jest następująca: chwytak obniżany jest w kierunku obiektu, gdy membrana zaczyna opierać się na jego ścianach, magnes znajdujący się na dnie, przemieszcza się swobodnie w kierunku elektromagnesu, do momentu aż zaczyna przyciągać go jego rdzeń. Dzięki temu, woda w membranie otacza obiekt tworząc zwarty ucisk na jego ściankach. Procedura zwalniania obiektu realizowana jest poprzez załączenie elektromagnesu, który odpycha magnes stały. W rezultacie chwycony obiekt zostaje wypchnięty z membrany.In the article by Y. Tsugami and T. Nishida entitled “Simple Structured Gripper Using Electromagnet and Permanent Magnet”, published in International Conference on ICT Robotics, pp. 64-67, 2017, presents a solution consisting of an electromagnet and a flexible membrane, filled with water, on the bottom of which there is a permanent magnet. The gripping sequence is as follows: the gripper is lowered towards the object, when the diaphragm begins to rest on its walls, the magnet at the bottom moves freely towards the electromagnet until its core begins to attract it. Thanks to this, the water in the membrane surrounds the object creating a compact pressure on its walls. The procedure of releasing the object is carried out by switching on the electromagnet, which repels the permanent magnet. As a result, the gripped object is pushed out of the membrane.

W artykule autorstwa S. Somlor, G. A. Dominguez, A. Schmitz, M. Kamezaki i S. Sugano pt. „A Haptic Interface with Adjustable Stiffness Using MR Fluid”, opublikowanym w IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, str. 1132-1137, 2015, zaprezentowano rozwiązanie czujnika nacisku wykorzystującego poduszkę z cieczą MR do zmiany sztywności układu, niwelując oddziaływanie czynników zewnętrznych takich jak wibracje, które wpływają negatywnie na pomiar.In the article by S. Somlor, G. A. Dominguez, A. Schmitz, M. Kamezaki and S. Sugano entitled "A Haptic Interface with Adjustable Stiffness Using MR Fluid", published in the IEEE International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 1132-1137, 2015, presents a pressure sensor solution that uses a cushion with MR fluid to change the stiffness of the system, eliminating the influence of external factors such as vibrations that adversely affect the measurement.

G. Kost w książce pt.: „Podstawy budowy robotów” wydanej przez Wydaw. Politechniki Śląskiej w 1996 r. wymienia również właściwości chwytaka takie jak: sposób chwytania, kształt elementów chwytających, parametry geometryczne elementów chwytających, właściwości powierzchni elementów chwytających, które mają wpływ na właściwości obiektu: masa, kształt, właściwości powierzchni miejsc uchwycenia, parametry geometryczne, położenie środka ciężkości.G. Kost in the book "Fundamentals of robot construction" published by Wydaw. of the Silesian University of Technology in 1996 also lists the properties of the gripper, such as: the gripping method, the shape of the gripping elements, geometric parameters of the gripping elements, surface properties of the gripping elements that affect the properties of the object: mass, shape, surface properties of the gripping places, geometric parameters, location center of gravity.

W artykule autorstwa A. Mo i W. Zhang pt. „A Novel Robot Hand with the Magneto-rheological Fluid Solidification”, opublikowanym w IEEE Conference on Robotics and Biomimetics, str. 2495-2500, 2015, zaprezentowano rozwiązanie wykorzystujące ciecz MR w konstrukcji chwytaka przypominającego swoją strukturą dwa palce ludzkiej dłoni. Omówiono trzy rozwiązania palca, pierwszy z jednym członem, drugi z dwoma członami i trzeci z trzema członami. W każdym z nich przewidziano również dodatkowo umieszczenie elementu tłocznika we wnętrzu chwytaka (pomiędzy palcami). Trzeci typ stanowi analogię do ludzkiego odpowiednika. Zasada działania opiera się na wykorzystaniu tłoczników znajdujących się na członach palców i w wewnętrznej części chwytaka, przy czym dla rozwiązania z jednym członem, tłocznik znajduje się tylko we wnętrzu chwytaka, dla rozwiązania z dwoma członami, tłocznik znajduje się na członie najbliższym korpusu chwytaka i w części wewnętrznej chwytaka, a przy rozwiązaniu z trzema członami, tłoczniki rozlokowane są na dwóch członach najbliższych korpusu chwytaka i w części wewnętrznej chwytaka. Sekwencja ruchu oraz idea rozwiązania jest następująca: kontakt części wewnętrznej chwytaka z obiektem powoduje przesunięcie tłoczyska do wnętrza chwytaka, w wyniku czego dochodzi do przepływu cieczy MR w kanałach odpowiedzialnych za przemieszczenie palców.In the article by A. Mo and W. Zhang entitled "A Novel Robot Hand with the Magneto-rheological Fluid Solidification", published in the IEEE Conference on Robotics and Biomimetics, pp. 2495-2500, 2015, presents a solution using MR fluid in a gripper structure resembling two fingers of a human hand. Three solutions of the finger are discussed, the first with one member, the second with two members and the third with three members. In each of them, an additional element of the die is provided inside the gripper (between the fingers). The third type is analogous to the human counterpart. The principle of operation is based on the use of dies located on the fingers and in the inner part of the gripper, while for the solution with one member, the die is only inside the gripper, for the solution with two members, the die is located on the member closest to the gripper body and in the inner part of the gripper, and in the case of a solution with three segments, the dies are located on the two segments closest to the gripper body and in the internal part of the gripper. The sequence of movement and the idea of the solution is as follows: the contact of the internal part of the gripper with the object causes the piston rod to move inside the gripper, resulting in the flow of MR liquid in the channels responsible for the displacement of the fingers.

Te zaciskają się na obiekcie i dla przypadku z dwoma i trzema członami, analogicznie działają poszczególne tłoczyska rozmieszczone na ich powierzchniach wewnętrznych. Pozwala to na stabilne zapewnienie chwytu w kilku punktach, przy proporcjonalnym przemieszczeniu tłoczysk.These clamp on the object and in the case of two and three members, the individual piston rods located on their internal surfaces work in a similar way. This allows for stable grip at several points, with proportional displacement of the piston rods.

W artykule autorstwa V. Skrivan, O. Sodomka i F. Mach pt. „Magnetically Guided Soft Robotic Grippers”, opublikowanym w 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics, str. 126-130, 2019, zaprezentowano rozwiązania chwytaków oparte o człony z MRE. Zasada działania rozwiązania opartego o trzyczłonowe palce trójpalczastego chwytaka prezentuje się następująco: prostopadłościenne człony z MRE połączone są przegubami i stanowią palce przyłączone do korpusu, wewnątrz którego znajduje się elektromagnes. Przy wyłączonym elektromagnesie palce poruszają się bezwładnie, załączenie elektromagnesu powoduje przyciąganie ich końcówek (trzeciego członu - najbardziej oddalonego od korpusu chwytaka) do wnętrza chwytaka. Gdy obiekt znajduje się we wnętrzu, zostaje przytrzymany od spodu i oparty na miękkiej membranie, stanowiącej czoło elektromagnesu.In the article by V. Skrivan, O. Sodomka and F. Mach entitled "Magnetically Guided Soft Robotic Grippers", published in the 2nd IEEE International Conference on Soft Robotics, pp. 126-130, 2019, presented gripper solutions based on MRE members. The principle of operation of the solution based on three-membered fingers of a three-finger gripper is as follows: rectangular MRE members are connected by joints and are fingers attached to the body inside which the electromagnet is located. When the electromagnet is switched off, the fingers move inertly, switching on the electromagnet attracts their ends (the third member - the farthest from the gripper's body) to the inside of the gripper. When the object is inside, it is held from below and rests on a soft membrane, which is the face of the electromagnet.

W artykule autorstwa Y. Tsugami, T. Barbie, K. Tadakuma i T. Nishida pt. “Development of Universal Parallel Gripper Using Reformed Magnetorheological Fluid”, opublikowanym w 11th Asian Control Conference, str. 778-783, 2017, przedstawiono konstrukcję chwytaka z równoległymi szczękami z poduszkami wypełnionymi cieczą MR. Do sterowania lepkością cieczy MR zastosowano mechanizm śrubowy ze sprężyną, przemieszczający magnes stały w osi poduszki. Zasada działania jest następująca: gdy obiekt znajdzie się w przestrzeni chwytu, szczęki zaciskane są do momentu, aż poduszki nie oprą się na jego ściankach, wówczas magnes trwały przemieszczany jest w kierunku poduszek za pomocą napędu śrubowego. Dochodzi do zagęszczenia lepkości cieczy MR i uchwycenia obiektu. Procedura uwalniania poprzedzona jest odsunięciem magnesów od poduszek i rozsunięciu szczęk.In the article by Y. Tsugami, T. Barbie, K. Tadakuma and T. Nishida entitled “Development of Universal Parallel Gripper Using Reformed Magnetorheological Fluid,” published in the 11th Asian Control Conference, pp. 778-783, 2017, presents a gripper design with parallel jaws with cushions filled with MR fluid. To control the viscosity of the MR liquid, a screw mechanism with a spring was used, moving a permanent magnet in the axis of the cushion. The principle of operation is as follows: when the object is in the gripping space, the jaws are clamped until the cushions rest on its walls, then the permanent magnet is moved towards the cushions by means of a screw drive. The viscosity of the MR fluid thickens and the object is captured. The release procedure is preceded by moving the magnets away from the cushions and spreading the jaws apart.

Podobne rozwiązanie do przedstawionego wyżej zostało ujawnione w opisie US3675962, gdzie równoległe szczęki z poduszkami opierają się na obiekcie, przy czym poduszki wypełnione w tym przypadku piaskiem lub talkiem adaptują się do jego geometrii (jako przykład ukazano dwuteownik).A similar solution to the one presented above was disclosed in the description US3675962, where parallel jaws with cushions rest on the object, the cushions filled in this case with sand or talc adapting to its geometry (an I-beam is shown as an example).

Z opisu patentowego US5547049 znane są również struktury wykorzystujące ciecz MR, spośród których można wyróżnić dwa rozwiązania geometrii przyrządu chwytającego, wypełnionego cieczą MR. W przekroju poprzecznym reprezentują one duży trapez o rozłączonych ramionach z wyciętym trapezem mniejszym wewnątrz. Tego typu rozwiązanie mogłoby stanowić poduszkę z cieczą MR, wykorzystywaną w wymienionych już artykułach.From the US5547049 patent description, structures using MR liquid are also known, among which two solutions to the geometry of the gripping device, filled with MR liquid, can be distinguished. In cross-section, they represent a large trapezoid with disconnected arms with a smaller trapezoid cut inside. This type of solution could be a cushion with MR liquid, used in the already mentioned articles.

W artykule autorstwa A. Agarwal, V. Viswanathan, S. Maheshwari, P. Validivia y Alvarado pt. „Effects of Materiał Properties on Soft Gripper Grasping Forces”, opublikowanym w IEEE International Conference on Soft Robotics, str. 437-442, 2018, przedstawiono konstrukcję miękkiego trójelementowego chwytaka poruszanego przy pomocy linek zatopionych w żywicznych palcach. Palce stanowią jedną całość, przy czym wyraźnie rozróżnione są trzy ich części. Odzwierciedlają tym samym ludzki odpowiednik, który przy ugięciu adaptuje się do geometrii obiektu chwytanego.In the article by A. Agarwal, V. Viswanathan, S. Maheshwari, P. Validivia y Alvarado entitled "Effects of Material Properties on Soft Gripper Grasping Forces", published in IEEE International Conference on Soft Robotics, pp. 437-442, 2018, presents the construction of a three-element soft gripper moved by means of ropes embedded in resin fingers. The fingers are one whole, with three parts clearly distinguished. Thus, they reflect the human equivalent, which adapts to the geometry of the gripped object when deflected.

Najbliższą wynalazkowi konstrukcję chwytaka przedstawia opis patentowy WO2013/075245 A1. Chwytak według tego rozwiązania posiada dwa stopnie swobody i kinematykę umożliwiającą chwyt obejmujący i szczypiący. Ruch szczęk zapewniony jest przez symetryczną przekładnię ślimakową. Możliwość występowania dwóch rodzajów chwytu wynika z zastosowania dwóch członów popychacza, których współpraca determinuje o kącie natarcia końcówki szczęki. Gdy obiekt manipulacji nie blokuje wewnętrznych członów szczęk końcówka przemieszcza się prostopadle do osi chwytaka. W momencie, gdy zostaną zablokowane wewnętrzne człony, obrót ślimaka powoduje obrót pierwszego członu popychacza, przenoszącego ruch na drugi, w wyniku czego końcówka szczęki kierowana jest do wnętrza chwytaka.The construction of the gripper closest to the invention is presented in the patent description WO2013/075245 A1. The gripper according to this solution has two degrees of freedom and kinematics enabling embracing and pinching grip. The movement of the jaws is ensured by a symmetrical worm gear. The possibility of two types of grip results from the use of two members of the pusher, the cooperation of which determines the angle of attack of the jaw tip. When the object of manipulation does not block the inner members of the jaws, the tip moves perpendicularly to the axis of the gripper. When the inner members are locked, the rotation of the screw causes the rotation of the first member of the pusher, transferring the movement to the second, as a result of which the tip of the jaw is directed to the inside of the gripper.

W czasie badań tej konstrukcji niespodziewanie okazało się, iż wyposażanie szczęk w układ precyzyjnie rozmieszczony dwóch par poduszek wypełnionych cieczą inteligentną (cieczą MR) o specjalnym kształcie membrany - z wgłębieniem w osi - wpływa w sposób istotny na efektywność działania chwytaka. Wynika ona z rozkładu linii pola magnetycznego generowanego przez elektromagnes, które wychodzą z rdzenia elektromagnesu i wchodzą w żelazne jarzmo oraz badania rozkładu indukcji magnetycznej, determinującej skuteczność kontroli cieczy inteligentnej w objętości ograniczonej elastyczną membraną.During the tests of this construction, it unexpectedly turned out that equipping the jaws with a precisely arranged system of two pairs of pads filled with an intelligent liquid (MR liquid) with a special membrane shape - with a recess in the axis - significantly affects the effectiveness of the gripper operation. It results from the distribution of the magnetic field lines generated by the electromagnet, which come out of the electromagnet core and enter the iron yoke, as well as from the study of the magnetic induction distribution, which determines the effectiveness of intelligent liquid control in a volume limited by a flexible membrane.

Istotą wynalazku jest chwytak szczękowy wyposażony w poduszki wypełnione cieczą inteligentną. Chwytak zawiera dwa uchwyty robocze, z których każdy posiada cięgno bierne współpracujące z przekładnią napędzaną silnikiem elektrycznym. Przekładnie stanowi para krzywek z zębami, które współpracują ze sobą jako para zębatek przekładni o przełożeniu równym. Cięgno bierne połączone jest przegubowo z cięgnem głównym. To łączy się przegubowo z końcówka szczęki.The essence of the invention is a jaw gripper equipped with pads filled with an intelligent liquid. The gripper includes two working handles, each of which has a passive cable cooperating with a gear driven by an electric motor. The gears are a pair of cams with teeth that work together as a pair of gear racks with an equal ratio. The passive cable is articulated with the main cable. It articulates with the tip of the jaw.

Końcówka szczęki jest połączona przegubowo z cięgnem łączącym. Cięgno łączące połączone z jednej z strony z końcówką szczęki, z drugiej strony mocowane jest do podstawy chwytaka.The tip of the jaw is pivotally connected to the linkage. The connecting rod is connected on one side to the tip of the jaw and on the other side is attached to the base of the gripper.

Istotnym jest, iż chwytak posiada dwie pary sterowanych elektrycznie poduszek wypełnionych cieczą inteligentną (cieczą MR) umieszczonych odpowiednio na końcówce szczęki oraz na kołysce połączonej z cięgnem łączącym przegubowo.It is important that the gripper has two pairs of electrically controlled cushions filled with intelligent liquid (MR liquid) placed respectively on the tip of the jaw and on the cradle jointly connected with the connecting rod.

Każda z poduszek składa się z cewki nawiniętej na rdzeń elektromagnesu otoczonego izolującą wkładką, znajdującego się wewnątrz żelaznego jarzma, elastycznej membrany, zabezpieczonej przez pierścień zaciskowy, w której znajduje się ciecz MR, przy czym w centralnej części membrany znajduje się wgłębienie w osi.Each cushion consists of a coil wound around an electromagnet core surrounded by an insulating insert, located inside an iron yoke, a flexible diaphragm, secured by a clamping ring, containing MR fluid, with an axis recess in the central part of the diaphragm.

Specjalny kształt membrany, został dobrany ze względu na charakter oddziaływania pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnes, którego zadaniem jest zamykanie pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnes. Precyzując wgłębienie w osi podyktowane jest charakterystyką rozkładu linii pola magnetycznego - co przedstawiono referencyjnie na fig. 6 rysunku - w której to pole w przypadku klasycznej sfery nie obejmuje cieczy znajdującej się w osi elektromagnesu, oddalonej od jego czoła, a ponadto indukcji magnetycznej będącej wielkością fizyczną, która determinuje zdolność do sterowania cieczą MR - ciecz wymaga określonej wartości tej indukcji, aby mogła zmieniać swoją lepkość. Przy proponowanym kształcie membrany poduszki kontrola nad objętością cieczy jest większa niż w przypadku klasycznej sfery.The special shape of the membrane was selected due to the nature of the impact of the magnetic field generated by the electromagnet, whose task is to close the magnetic field generated by the electromagnet. More precisely, the recess in the axis is dictated by the characteristics of the distribution of the magnetic field lines - which is shown in Fig. 6 of the drawing - in which the field in the case of a classical sphere does not include the liquid located in the axis of the electromagnet, away from its front, and also the magnetic induction which is a physical quantity , which determines the ability to control the MR liquid - the liquid requires a certain value of this induction to be able to change its viscosity. With the proposed shape of the cushion membrane, the control over the liquid volume is greater than in the case of a classical sphere.

Korzystnie kołyska osadzona przegubowo na cięgnie łączącym może się poruszać w zakresie ±20° od osi wzdłużnej cięgna łączącego, co pozwala na dalszą optymalizację działania chwytaka.Preferably, the cradle pivotally mounted on the connecting string can move within ±20° from the longitudinal axis of the connecting string, which allows for further optimization of the operation of the gripper.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia przekrój osiowy układu poduszki z cieczą MR, fig. 2 przedstawia chwytak z rozwartymi szczękami, fig. 3 przedstawia chwytak ze szczękami złożonymi do chwytu precyzyjnego, fig. 4 przedstawia chwytak ze szczękami złożonymi do chwytu obejmującego, fig. 5 przedstawia przykładową aplikację chwytaka szczękowego z zastosowaniem czterech układów poduszki z cieczą MR, fig. 6 przedstawia modelową charakterystykę rozkładu linii pola magnetycznego zgodną z kształtem membrany poduszki.The subject of the invention is shown in the drawings, in which Fig. 1 shows an axial section of the MR fluid cushion system, Fig. 2 shows a gripper with open jaws, Fig. 3 shows a gripper with jaws folded for a precise grip, Fig. 4 shows a gripper with jaws folded Fig. 5 shows an exemplary jaw gripper application using four MR liquid cushion systems, Fig. 6 shows a model pattern of the magnetic field line distribution according to the cushion membrane shape.

Chwytak szczękowy 301 zawiera dwa uchwyty robocze, z których każdy posiada cięgno bierne 210 wyposażone w krzywkę zębatą, które w parze współpracują z napędzającym je silnikiem elektrycznym 207, a cięgno bierne 210 połączone jest przegubowo z cięgnem głównym 25 łączącym się przegubowo z końcówką szczęki 202, która to końcówka 202 nadto połączona jest przegubowo z cięgnem łączącym 204 mocowanym z drugiej strony do podstawa chwytaka 208. Chwytak 301 posiada dwie pary sterowanych elektrycznie poduszek MR 201 umieszczonych na końcówce szczęki 202 oraz na kołysce 203 połączonej z cięgnem łączącym 204 przegubowo, przy czym każda z poduszek 201, składa się z cewki 102 nawiniętej na rdzeń elektromagnesu 101 otoczonego izolującą wkładką 103, znajdującego się wewnątrz żelaznego jarzma 104, elastycznej membrany 105 zabezpieczonej przez pierścień zaciskowy 106, w której znajduje się ciecz MR 107, przy czym w centralnej części membrany znajduje się wgłębienie.The jaw gripper 301 includes two working handles, each of which has a passive cable 210 equipped with a toothed cam, which cooperate with the electric motor 207 driving them, and the passive cable 210 is articulated with the main cable 25, which is articulated with the tip of the jaw 202, which end 202 is further articulated with a linking tie rod 204 mounted on the other side to the gripper base 208. The end gripper 301 has two pairs of electrically operated MR cushions 201 located on the tip of the jaw 202 and on a cradle 203 connected to the linking tie rod 204 pivotally, each made of cushions 201, consists of a coil 102 wound on the core of an electromagnet 101 surrounded by an insulating insert 103, located inside an iron yoke 104, a flexible membrane 105 secured by a clamping ring 106, in which there is an MR liquid 107, the central part of the membrane being recess.

Stanowiąca przedmiot wynalazku konfiguracja układów poduszek MR 201 na chwytaku szczękowym 301 składa się z dwóch par: pierwszej, osadzonej na końcówce szczęki 202 oraz drugiej, osadzonej na kołysce 203 połączonej z cięgnem łączącym 204 przegubowo. Umożliwia to ruch kołyski 203 w zakresie ±20° od osi wzdłużnej cięgna łączącego 204. Ruch szczęk zapewniony jest przez silnik elektryczny z przekładnią 207, przymocowany do podstawy chwytaka 208, połączony z cięgnem biernym 206, współpracującym z cięgnem biernym 210, które przenoszą ruch na cięgno główne 205, odpowiedzialne za nachylenie końcówki 202 oraz zaciskanie szczęk chwytaka 301.The inventive configuration of the MR cushion arrays 201 on the gripper jaw 301 consists of two pairs: a first, mounted on the tip of the jaw 202, and a second, mounted on a cradle 203 connected to the linkage 204 by pivoting. This allows the cradle 203 to move within ±20° of the longitudinal axis of the connecting tie rod 204. The movement of the jaws is provided by an electric motor with a gear 207 attached to the base of the gripper 208, connected to an idle tie rod 206 cooperating with the idle tie rod 210, which transfers the motion to the the main linkage 205, responsible for the inclination of the tip 202 and the clamping of the gripper jaws 301.

W przykładowej aplikacji hybrydowy chwytak szczękowy 301 montowany jest w kiści 303 manipulatora 302 przy pomocy magnesu trwałego lub złącza śrubowego 209. Stanowi zatem oprzyrządowanie technologiczne robotów, które przeznaczone jest do zadań związanych z manipulacją obiektami.In the exemplary application, the hybrid jaw gripper 301 is mounted in the wrist 303 of the manipulator 302 by means of a permanent magnet or a screw connection 209. Thus, it is technological equipment of robots, which is intended for tasks related to the manipulation of objects.

Rozwiązanie według wynalazku rozszerza możliwości chwytaków poprzez rozmieszczenie sterowalnych elementów podatnych, adaptujących się do kształtu i faktury obiektu manipulacji.The solution according to the invention extends the possibilities of the grippers through the arrangement of controllable flexible elements, adapting to the shape and texture of the manipulated object.

Claims

1. Jaw gripper equipped with cushions filled with intelligent liquid, which includes two working handles, each of which has a passive cable cooperating with a gear driven by an electric motor, and the passive cable is articulated with the main cable articulated with the tip of the jaw, which is the tip of the jaw it is articulated with a connecting rod fastened on the other side to the base of the gripper, characterized in that it has two pairs of electrically controlled pads filled with intelligent liquid (201) located at the tip of the jaw (202) and on a cradle (203) articulated with the connecting rod (204) each of the cushions (202) consisting of a coil (102) wound around an electromagnet core (101) surrounded by an insulating insert (103), located inside an iron yoke (104), a flexible membrane (105) secured by a clamping ring (106) in which the smart fluid (107) is located, the central part of the diaphragm having an axis recess and the transmission being a pair of toothed cams.

2. The jaw gripper according to claim The device of claim 1, characterized in that the cradle (203) is movable within ±20° from the longitudinal axis of the connecting cable (204).