串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器，末端抓持器有一個手掌和三個柔性手指組成，手掌有矩形和六邊形兩種結(jié)構(gòu)；每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要有一個內(nèi)導向氣缸、一個直線導軌(亦可直線軸承)和一個串聯(lián)活頁鉸鏈組成；串聯(lián)活頁鉸鏈的鉸鏈心軸上各安裝一個扭彈簧，扭彈簧的特性參數(shù)和預(yù)緊角根據(jù)被抓取對象的特點而優(yōu)化設(shè)計出；靠氣缸驅(qū)動產(chǎn)生抓持力，此末端抓持器應(yīng)用于易碎的脆性物體，或形狀、大小變化的異形物體的抓持，屬于機器人、機電一體化的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；與機器人本體聯(lián)接，尤其適用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品的抓取、分揀和包裝等生產(chǎn)和物流領(lǐng)域。
【專利說明】串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器，末端抓持器有一個手掌和三個柔性手指組成，手掌有矩形和六邊形兩種結(jié)構(gòu)；每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要有一個內(nèi)導向氣缸、一個直線導軌(亦可直線軸承)和一個串聯(lián)活頁鉸鏈組成；串聯(lián)活頁鉸鏈的鉸鏈心軸上各安裝一個扭彈簧，扭彈簧的特性參數(shù)和預(yù)緊角根據(jù)被抓取對象的特點而優(yōu)化設(shè)計出；靠氣缸驅(qū)動產(chǎn)生抓持力，此末端抓持器應(yīng)用于易碎的脆性物體，或形狀、大小變化的異形物體的抓持，屬于機器人、機電一體化的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；與機器人本體聯(lián)接，尤其適用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品的抓取、分揀和包裝等生產(chǎn)和物流領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
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[0002]針對輕工和食品行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)狀況，為滿足形狀復(fù)雜、物性多樣的原材料、半成品、成品的物流和包裝的需要，為解決簡單勞動的用工成本高、勞動條件差等問題，需要物流抓取末端抓持器。就抓取的復(fù)雜對象的種類:①易變形的軟性物體(面包、軟包裝物品)；②易碎的脆性物體(禽蛋、玻璃陶瓷制品)形狀不規(guī)則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)異形的、位置狀態(tài)混亂且難理順的物體(酒瓶、化妝品瓶)；從上可見，復(fù)雜對象的材料性質(zhì)、形狀尺寸及位置狀態(tài)的差別較大。傳統(tǒng)工業(yè)末端抓持器為夾鉗式或平行移動式結(jié)構(gòu)，只能抓取形狀大小相同、位置狀態(tài)一致、不會破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復(fù)雜對象的空間位置和形狀，需要精確控制運動和抓取力，否則會損壞復(fù)雜對象或不能可靠抓取，但目前仿人靈巧手尚處在實驗室研究階段。
[0003]本發(fā)明末端抓持器的柔性手指的特點是:對外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，因此抓取復(fù)雜對象時，柔性自適應(yīng)性好。
[0004]本發(fā)明末端抓持器的關(guān)鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關(guān)節(jié)。本發(fā)明之前，專利申請(一種多關(guān)節(jié)柔性機械手，200810023616.5)提出了一種橡膠波紋管膨脹加載式氣動人工肌肉驅(qū)動器驅(qū)動的、活頁鉸鏈骨架的柔性彎曲關(guān)節(jié)，其缺點是:①橡膠波紋管氣動人工肌肉驅(qū)動器的內(nèi)腔壓強不夠大，驅(qū)動力不夠大靠扭彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)；③驅(qū)動力作用于活頁鉸鏈骨架的方向不能調(diào)節(jié)，抓取物體的通用性不夠好；④活頁鉸鏈的受力狀態(tài)不好，人工肌肉輸出力相當部分作用于扭彈簧、使之變形，從而減小了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力，隨著活頁鉸鏈的角位移越大，花費在扭彈簧變形的力占比越大；⑤尤其是人工肌肉驅(qū)動下，隨著活頁鉸鏈的角位移越大，角位移的單位增量所需的人工肌肉內(nèi)腔的壓強增量越大，活頁鉸鏈越難彎曲，亦即柔性手指活頁鉸鏈的角位移-氣壓的曲線斜率越來越小。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明克服了上述不足，本發(fā)明末端抓持器有三個柔性手指，每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，柔性手指采用六桿機構(gòu)，六桿分別是:驅(qū)動桿(內(nèi)導向氣缸Ia的活塞桿和活塞桿鉸鏈座14a組成)、帶大扭彈簧4a和小扭彈簧6a的串聯(lián)活頁鉸鏈5a形成的三個活頁桿(上活頁桿、中活頁桿、下活頁和直線導軌滑槽7a組成的滑動活頁桿)、長度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿11a、螺紋套12a、右螺紋鉸鏈桿13a組成)和與二力桿協(xié)調(diào)的初始位置可調(diào)的支座桿(直線導軌滑塊8a、鉸鏈支座9a組成)。
[0006]驅(qū)動桿不是旋轉(zhuǎn)運動，而是內(nèi)導向氣缸Ia活塞桿的直線運動。通過調(diào)節(jié)二力桿長度，可以設(shè)定二力桿與串聯(lián)活頁鉸鏈5a的初始夾角，二力桿越短、初始夾角越大，二力桿越長、初始夾角越??；該初始角度直接影響串聯(lián)活頁鉸鏈5a的受力情況，繼而決定其彎曲效果；內(nèi)導向氣缸Ia啟動時，隨著其活塞桿的伸長，直線導軌滑塊8a—方面沿直線導軌滑槽7a滑動，另一方面推動串聯(lián)活頁鉸鏈5a彎曲；直線導軌的存在使得串聯(lián)活頁鉸鏈5a不受拉應(yīng)力，更容易彎曲；抓取段1a接觸到被抓物體后，直線導軌滑塊8a基本不動，二力桿與直線導軌滑槽7a的最終夾角逐漸變大。
[0007]二力桿與串聯(lián)活頁鉸鏈5a的夾角越大，使串聯(lián)活頁鉸鏈5a產(chǎn)生彎曲的分力越大，增力效果越好。
[0008]根據(jù)被抓取物體，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、兩個扭彈簧彈性參數(shù)和預(yù)緊角，達到要求的抓持接觸力時，內(nèi)導向氣缸Ia內(nèi)氣壓達到系統(tǒng)壓力，二力桿與直線導軌滑槽7a的夾角不斷增大，最終夾角超過摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。
[0009]本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明末端抓持器的一種結(jié)構(gòu)如附圖1、2所示，由三個柔性手指I和一個矩形手掌2組成，一個柔性手指I被安裝在矩形手掌2的左側(cè)對稱中心處，另外二個柔性手指I分別被安裝在矩形手掌2右側(cè)對稱中心的兩側(cè)。
[0011]本發(fā)明末端抓持器的另一種結(jié)構(gòu)如附圖3、4所示，由三個柔性手指I和一個六邊形手掌3組成，三個柔性手指I分別被安裝在六邊形手掌3的三個對應(yīng)邊處。三個對應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較大，適合大直徑物體抓??；三個對應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較小，適合小直徑物體抓取。
[0012]如附圖5所示，前述的柔性手指I是一個部件，其結(jié)構(gòu)是:內(nèi)導向氣缸Ia的前端法蘭用內(nèi)六角螺栓固定在斜角板3a上，活塞桿鉸鏈座14a螺紋安裝在內(nèi)導向氣缸Ia的活塞桿端部、并用螺母旋緊防松；指根板2a被螺釘固定在矩形手掌2或六邊形手掌3上，串聯(lián)活頁鉸鏈5a的上活頁被螺栓螺母固定在指根板2a和斜角板3a之間，串聯(lián)活頁鉸鏈5a的下活頁用螺栓螺母聯(lián)接直線導軌滑槽7a，直線導軌滑槽7a的另一端螺栓固定了抓取段10a，抓取段1a的前端是曲面，便于接觸被抓取物體，串聯(lián)活頁鉸鏈5a的兩個心軸上分別裝有大扭彈簧4a和小扭彈簧6a ;活塞桿鉸鏈座14a與右螺紋鉸鏈桿13a之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座9a與左螺紋鉸鏈桿Ila之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿Ila和右螺紋鉸鏈桿13a均旋在螺紋套12a內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉(zhuǎn)螺紋套12a，可使左螺紋鉸鏈桿Ila和右螺紋鉸鏈桿13a之間的距離增加或縮短；鉸鏈支座9a用螺釘固定在直線導軌滑塊8a上。
[0013]本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0014](I)柔性手指采用內(nèi)導向氣缸Ia代替橡膠波紋管氣動人工肌肉驅(qū)動器，承受的氣體壓強大，驅(qū)動力大、產(chǎn)生的抓取力大；靠內(nèi)導向氣缸Ia活塞桿反向作用，而不靠扭彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)。
[0015](2)對材料性質(zhì)、形狀尺寸及位置狀態(tài)的差別較大的復(fù)雜對象，通過抓取實驗和分析計算，再調(diào)節(jié)二力桿與串聯(lián)活頁鉸鏈5a上活頁的初始夾角和直線導軌滑塊8a在直線導軌滑槽7a上的初始位置，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠抓取、又不會損壞被抓物體，因此末端抓持器的通用性好。
[0016](3)隨著內(nèi)導向氣缸Ia活塞桿不斷伸長，二力桿與串聯(lián)活頁鉸鏈5a的夾角越大，使串聯(lián)活頁鉸鏈5a克服扭彈簧作用力而產(chǎn)生彎曲的分力越大，花費在扭彈簧變形的力占比越小，增力效果越好；串聯(lián)活頁鉸鏈5a的受力狀態(tài)好，內(nèi)導向氣缸Ia輸出力較少部分作用于扭彈簧、使之變形，從而增加了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。
[0017](4)根據(jù)被抓取物體，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、兩個板彈簧特性參數(shù)和預(yù)緊角，達到要求的抓持接觸力時，內(nèi)導向氣缸Ia內(nèi)氣壓達到系統(tǒng)壓力，二力桿與直線導軌滑槽5a的夾角不斷增大，最終夾角超過直線導軌滑塊8a在直線導軌滑槽7a上的摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0018]圖1為矩形手掌的串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的A-A剖視圖
[0019]圖2為矩形手掌的串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的俯視圖
[0020]圖3為六邊形手掌的串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的B-B剖視圖
[0021]圖4為六邊形手掌的串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的俯視圖
[0022]圖5為串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器的柔性手指的主視圖

【具體實施方式】
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[0023]下面為本發(fā)明的工作原理及工作過程:
[0024]如圖1、2所示，研究與分析過程:對長形、矩形的復(fù)雜對象，理論分析和實驗研究后，根據(jù)被抓取物體形狀、尺寸的變化范圍和材質(zhì)情況，確定抓取接觸力的安全范圍，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、兩個板彈簧特性參數(shù)和預(yù)緊角，確定手掌尺寸，調(diào)節(jié)二力桿(左螺紋鉸鏈桿11a、螺紋套12a、右螺紋鉸鏈桿13a組成)的長度。
[0025]優(yōu)化目標是:達到要求的抓持接觸力時，內(nèi)導向氣缸Ia內(nèi)氣壓達到系統(tǒng)壓力，最終夾角超過直線導軌滑塊8a在直線導軌滑槽7a上的摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。
[0026]本發(fā)明的動作過程:內(nèi)導向氣缸活塞運動使二力桿推動鉸鏈支座9a，并用帶動直線導軌滑塊8a在直線導軌滑槽7a上直線移動；當抓取段1a接觸被抓取物體時，直線導軌滑塊8a基本不再運動，二力桿與直線導軌滑槽7a的夾角不斷增大，最終夾角超過摩擦角，產(chǎn)生自鎖，保持安全抓持狀態(tài)；此時抓持接觸力的大小，既保證安全抓取，又不損壞被抓取物體。
[0027]如圖3、4所示，圓形、短圓柱形的復(fù)雜對象，同樣按照上述步驟，實驗研究和理論分析后進行調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及串聯(lián)活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器，其特征是:一個柔性手指(I)被安裝在矩形手掌⑵的左側(cè)對稱中心處，另外二個柔性手指⑴分別被安裝在矩形手掌(2)右側(cè)對稱中心的兩側(cè)，這是一種結(jié)構(gòu)形式；三個柔性手指(I)分別被安裝在六邊形手掌(3)的三個對應(yīng)邊處，這是另一種結(jié)構(gòu)形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性手指，其特征是:內(nèi)導向氣缸(Ia)的前端法蘭用內(nèi)六角螺栓固定在斜角板(3a)上，活塞桿鉸鏈座(14a)螺紋安裝在內(nèi)導向氣缸(Ia)的活塞桿端部、并用螺母旋緊防松；指根板(2a)螺釘固定在矩形手掌(2)或六邊形手掌(3)上，串聯(lián)活頁鉸鏈(5a)的上活頁被螺栓螺母固定在指根板(2a)和斜角板(3a)之間，串聯(lián)活頁鉸鏈(5a)的下活頁用螺栓螺母聯(lián)接直線導軌滑槽(7a)，直線導軌滑槽(7a)的另一端螺栓固定了抓取段(10a)，抓取段(1a)的前端是曲面，便于接觸被抓取物體，串聯(lián)活頁鉸鏈(5a)的兩個心軸上分別裝有大扭彈簧(4a)和小扭彈簧^a);活塞桿鉸鏈座(14a)與右螺紋鉸鏈桿(13a)之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座(9a)與左螺紋鉸鏈桿(Ila)之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿(Ila)和右螺紋鉸鏈桿(13a)均旋在螺紋套(12a)內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉(zhuǎn)螺紋套(12a)，可使左螺紋鉸鏈桿(Ila)和右螺紋鉸鏈桿(13a)之間的距離增加或縮短；鉸鏈支座(9a)用螺釘固定在直線導軌滑塊(8a)上。
【文檔編號】B25J15/10GK104175325SQ201310192160
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月23日
【發(fā)明者】章軍, 王芳, 朱飛成, 張秋菊 申請人:江南大學