：本發(fā)明屬于機(jī)器人、機(jī)電一體化的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪，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)和物流場合。

背景技術(shù)：
：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，需要物流抓取多指手爪。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)；③形狀不規(guī)則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)；④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)多指手爪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(yùn)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。本發(fā)明柔性手指就是一種柔順機(jī)構(gòu)，串聯(lián)柔性鉸鏈?zhǔn)侨犴槞C(jī)構(gòu)的變形元件，其特點是：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。本發(fā)明多指手爪的關(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(jī)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、柔性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(qiáng)不夠大，靠串聯(lián)柔性鉸鏈作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)；②串聯(lián)柔性鉸鏈的力臂長度不能調(diào)節(jié)，抓取物體的通用性不夠好；③隨著串聯(lián)柔性鉸鏈的變形量越大，變形量的單位增量所需的人工肌肉內(nèi)腔的壓強(qiáng)增量越大，串聯(lián)柔性鉸鏈越難彎曲，亦即柔性手指的彎曲角度-氣壓的曲線斜率越來越?。虎苡绕涫侨斯ぜ∪怛?qū)動下，串聯(lián)柔性鉸鏈?zhǔn)艿降睦瓚?yīng)力隨人工肌肉內(nèi)腔壓強(qiáng)增大而增大，需要增大串聯(lián)柔性鉸鏈最小截面面積才能滿足強(qiáng)度要求，而增大串聯(lián)柔性鉸鏈最小截面積的同時又會使串聯(lián)柔性鉸鏈變形的難度增加，增加了人工肌肉輸出力使串聯(lián)柔性鉸鏈變形的作用力部分，從而減小了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：本發(fā)明電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪，手爪由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，主要由一個串聯(lián)柔性鉸鏈和一 個電動推桿(又稱為電動缸、直線驅(qū)動器、線性驅(qū)動器、線性執(zhí)行器)組成；靠電動推桿驅(qū)動產(chǎn)生抓持力，此手爪應(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。本發(fā)明克服了上述不足，本發(fā)明手爪有三個柔性手指，每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，柔性手指采用六桿機(jī)構(gòu)，六桿分別是：驅(qū)動桿(電動推桿1a和鉸鏈座5a組成)、串聯(lián)柔性鉸鏈4a、長度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿8a、螺紋套9a、右螺紋鉸鏈桿10a組成)和位置可調(diào)的支座桿(壓板6a、鉸鏈支座7a組成)。驅(qū)動桿不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而是電動推桿1a的直線運(yùn)動。通過調(diào)節(jié)二力桿長度，使串聯(lián)柔性鉸鏈的力臂長度可以調(diào)節(jié)；二力桿長度越短，力臂長度越短；二力桿長度越短，電動推桿行程越短，初始狀態(tài)時二力桿與串聯(lián)柔性鉸鏈的夾角越大，串聯(lián)柔性鉸鏈的彎曲效果越好。本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的：如附圖1、2所示，本發(fā)明多指手爪的一種結(jié)構(gòu)：由三個柔性手指1和一個矩形手掌2組成。一個柔性手指1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1分別被安裝在矩形手掌2右側(cè)對稱中心的兩側(cè)。如附圖3、4所示，本發(fā)明多指手爪的另一種結(jié)構(gòu)：由三個柔性手指1和一個六邊形手掌3組成。三個柔性手指1分別被安裝在六邊形手掌3的三個對應(yīng)邊處。其中三個對應(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。如附圖5所示，前述的柔性手指1是一個部件，其安裝結(jié)構(gòu)是：電動推桿1a的尾座用螺釘固定在指根板2a上，電動推桿1a的頭端與鉸鏈座5a螺紋聯(lián)接、并用螺母旋緊防松；串聯(lián)柔性鉸鏈4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和夾塊3a之間，串聯(lián)柔性鉸鏈4a下段被螺栓螺母固定在壓板6a和鉸鏈支座7a之間，串聯(lián)柔性鉸鏈4a的最下端的曲面段是抓取段，便于接觸被抓取物體；電動推桿1a頭端的鉸鏈座5a與右螺紋鉸鏈桿10a之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座7a與左螺紋鉸鏈桿8a之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿8a和右螺紋鉸鏈桿10a均旋在螺紋套9a內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉(zhuǎn)螺紋套9a，可使左螺紋鉸鏈桿8a和右螺紋鉸鏈桿10a之間的相對距離增加或縮短。本發(fā)明多指手爪的安裝形式是：對于每個相同的柔性手指1，其指根板2a均被螺釘固定在矩形手掌2或六邊形手掌3上。本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：(1)柔性手指采用電動推桿代替橡膠波紋管氣動人工肌肉驅(qū)動器，產(chǎn)生的驅(qū)動力大、產(chǎn)生的抓取力大；靠電動推桿反向運(yùn)動，而不靠扭彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)。(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)二力桿作用于串聯(lián)柔性鉸鏈的下段的位置，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠抓取、 又不會損壞，因此多指手爪的通用性好。(3)柔性鉸鏈?zhǔn)芰顟B(tài)好，電動推桿輸出力較少部分作用于柔性鉸鏈、使之變形，從而增加了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力，隨著柔性鉸鏈的角位移越大，花費(fèi)在扭彈簧變形的力占比越小。(4)尤其是由于本發(fā)明增力機(jī)構(gòu)的作用，隨著電動推桿1a不斷向下推移，由于二力桿與串聯(lián)柔性鉸鏈的夾角不斷增大，使串聯(lián)柔性鉸鏈彎曲的分力不斷增加，串聯(lián)柔性鉸鏈越易彎曲；串聯(lián)柔性鉸鏈扭彈簧的變形量越大，變形量的單位增量所需的推力越小增量越小，亦即柔性手指的彎曲角度-電動推桿推力的曲線斜率越來越大。附圖說明：圖1為矩形手掌的電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪的A-A主剖視圖圖2為矩形手掌的電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪的俯視圖圖3為六邊形手掌的電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪的B-B主剖視圖圖4為六邊形手掌的電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪的俯視圖圖5為電動推桿驅(qū)動控制的串聯(lián)柔性鉸鏈骨架手爪的柔性手指的主視圖具體實施方式：下面為本發(fā)明的工作原理及工作過程：串聯(lián)柔性鉸鏈4a的最下端是曲面段，復(fù)雜對象的抓取就接觸在串聯(lián)柔性鉸鏈4a最下端的曲面段。串聯(lián)柔性鉸鏈4a兩個鉸鏈構(gòu)型的特性參數(shù)優(yōu)化設(shè)計后，兩個鉸鏈(支座)、串聯(lián)柔性鉸鏈6a的兩個鉸鏈處的共四個角位移的協(xié)調(diào)，為柔性自適應(yīng)抓取提供了基礎(chǔ)。電動推桿1a通電，其推桿向下運(yùn)動，從而驅(qū)動二力桿(左螺紋鉸鏈桿8a、螺紋套9a、右螺紋鉸鏈桿10a組成)，克服串聯(lián)柔性鉸鏈4a的彈性力，使串聯(lián)柔性鉸鏈4a彎曲，串聯(lián)柔性鉸鏈4a最下端的曲面段接觸被抓物體；電動推桿1a繼續(xù)運(yùn)動，串聯(lián)柔性鉸鏈4a變形增加，抓取力也增加；當(dāng)達(dá)到要求的抓取力時，電動推桿1a斷電，電動推桿1a內(nèi)部螺桿螺母機(jī)構(gòu)自鎖，保持抓取力不變。1.初始狀態(tài)調(diào)節(jié)對前述特殊對象，抓最小、最大抓取對象、或形狀不規(guī)則的抓取對象、或材質(zhì)尺寸受力變化的抓取對象，需要柔性自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，更需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的精確調(diào)節(jié)。結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的精確調(diào)節(jié)：如圖1、2所示，根據(jù)長形、矩形的復(fù)雜對象，實驗研究和理論分析后，調(diào)節(jié)二力桿(左螺紋鉸鏈桿8a、螺紋套9a、右螺紋鉸鏈桿10a組成)的長度，再調(diào)整壓板6a和鉸鏈支座7a固定在串聯(lián)柔性鉸鏈4a下段的適當(dāng)位置。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(jìn)行調(diào)節(jié)。2.工作狀態(tài)定標(biāo)由于前述復(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，本發(fā)明串聯(lián)柔性鉸鏈骨架柔性手爪采用具有自適應(yīng)柔性結(jié)構(gòu)。柔性手爪滿足要求如下：①抓最小、最大抓取對象的接觸壓力變化盡可能小，以滿足安全抓取最小抓取對象、且不損壞最大抓取對象的受力要求，對形狀不規(guī)則的抓取對象也有自適應(yīng)性；②電動推桿直接驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)無反饋；③手爪結(jié)構(gòu)、驅(qū)動控制系統(tǒng)簡單可靠；④抓取時，手爪高度上定位始終不變，配套機(jī)器人本體控制方便。對具體復(fù)雜對象，先根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)進(jìn)行估算；再選擇最小抓取尺寸、最大抓取尺寸的抓取對象進(jìn)行試驗，最終確定選擇：采用電動推桿位移控制的具體位移參數(shù)或電動推桿推力(直流電機(jī)輸出扭矩)控制的具體驅(qū)動力參數(shù)。對具體復(fù)雜對象，前面選擇的電動推桿位移控制的具體位移參數(shù)或電動推桿推力控制的具體驅(qū)動力參數(shù)在應(yīng)用中是唯一確定的，開始設(shè)定好，不再改變，因此控制系統(tǒng)簡單可靠。3.電機(jī)控制方法本發(fā)明采用直流驅(qū)動的微型電動推桿，在需要速度控制的場合，速度控制采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制(pulsewidthmodulation，簡稱PWM)。這種調(diào)速方法具有開關(guān)頻率高、低速運(yùn)行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點。由于本發(fā)明串聯(lián)柔性鉸鏈骨架柔性手爪的結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)柔性，抓取力的控制精度要求不高，其簡單方法有兩種：①基于線電壓差值的無位置傳感器的位置檢測與控制；②基于線電壓或基于繞組電感變化特性的無力傳感器的扭矩檢測與控制。