：本發(fā)明屬于機(jī)器人、機(jī)電一體化的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪，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(chǎng)合。

背景技術(shù)：
：針對(duì)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(jiǎn)單勞動(dòng)的用工成本高、勞動(dòng)條件差等問(wèn)題，需要物流抓取手爪。就抓取的復(fù)雜對(duì)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(duì)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)手爪為夾鉗式或平行移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，只能抓取形狀大小相同、位置狀態(tài)一致、不會(huì)破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復(fù)雜對(duì)象的空間位置和形狀，需要精確控制運(yùn)動(dòng)和抓取力，否則會(huì)損壞復(fù)雜對(duì)象或不能可靠抓取，但目前仿人靈巧手尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段。傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接的剛性桿件組成的，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、力或能量傳遞或轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。柔順機(jī)構(gòu)(CompliantMechanisms)也能傳遞或轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)、力或能量，但與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔順機(jī)構(gòu)不僅由運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)，還至少?gòu)钠淙嵝圆考淖冃沃蝎@得一部分運(yùn)動(dòng)。柔順機(jī)構(gòu)的兩大優(yōu)越性：降低成本(減少零件數(shù)目、減少裝配、簡(jiǎn)化制造、減輕質(zhì)量)和提高性能(提高精度、增加可靠性、減少磨損、減少維護(hù))。本發(fā)明手爪的柔性手指就是一種柔順機(jī)構(gòu)，板彈簧是柔順機(jī)構(gòu)的變形元件，其特點(diǎn)是：對(duì)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(duì)象時(shí)，柔性自適應(yīng)性好。本發(fā)明手爪的關(guān)鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關(guān)節(jié)。本發(fā)明之前，授權(quán)專利(板彈簧骨架液氣動(dòng)式柔性彎曲關(guān)節(jié)，ZL200410065130.X)提出了一種橡膠波紋管膨脹加載式氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的、板彈簧骨架的柔性彎曲關(guān)節(jié)，其缺點(diǎn)是：①橡膠波紋管氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)腔壓強(qiáng)不夠大，靠板彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)；②板彈簧彎曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度不能調(diào)節(jié)，抓取物體的通用性不夠好；③隨著板彈簧的變形量越大，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，板彈簧越難彎曲，亦即柔性手指的彎曲角度-氣壓的曲線斜率越來(lái)越??；④尤其是人工肌肉驅(qū)動(dòng)下，板彈簧受到的拉應(yīng)力隨人工肌肉內(nèi)腔壓強(qiáng)增大而增大，需要增大板彈簧截面面積才能滿足強(qiáng)度要求，而增大板彈簧截面積的同時(shí)又會(huì)使板彈簧大變形的難度增加，人工肌肉輸出力增加了使板彈簧變形的作用力，減小了柔 性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：本發(fā)明直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪，手爪由一個(gè)手掌和三個(gè)柔性手指組成，手掌有矩形和六邊形兩種結(jié)構(gòu)；每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要由一個(gè)板彈簧和一個(gè)直線電機(jī)(又稱為線性電機(jī)、線性馬達(dá)、直線馬達(dá)、直線驅(qū)動(dòng)器)組成；作為骨架的板彈簧被分為變形段和抓取段，兩段長(zhǎng)度可相對(duì)調(diào)節(jié)；靠直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生抓持力，此多指手爪應(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)明多指手爪有三個(gè)柔性手指，每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同，柔性手指采用柔順?biāo)臈U機(jī)構(gòu)，四桿分別是：驅(qū)動(dòng)桿(直線電機(jī)的動(dòng)子4a、推座3a、導(dǎo)向推桿7a和鉸鏈座9a組成)、柔性桿(板彈簧8a)、長(zhǎng)度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿12a、螺紋套13a、右螺紋鉸鏈桿14a組成)和位置可調(diào)的支座桿(壓板10a、鉸鏈支座11a組成)。驅(qū)動(dòng)桿不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是直線電機(jī)的動(dòng)子4a帶動(dòng)推座3a、導(dǎo)向推桿7a和鉸鏈座9a的直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)二力桿長(zhǎng)度，使板彈簧彎曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)；二力桿長(zhǎng)度越短，板彈簧彎曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度越短；二力桿長(zhǎng)度越短，直線電機(jī)的動(dòng)子4a行程越短，初始狀態(tài)時(shí)二力桿與板彈簧的夾角越大，板彈簧的彎曲效果越好。本發(fā)明的主要解決方案是這樣實(shí)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(gè)柔性手指1和一個(gè)矩形手掌2組成。一個(gè)柔性手指1被安裝在矩形手掌2的左側(cè)對(duì)稱中心處，另外二個(gè)柔性手指1分別被安裝在矩形手掌2右側(cè)對(duì)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(gè)柔性手指1和一個(gè)六邊形手掌3組成。三個(gè)柔性手指1分別被安裝在六邊形手掌3的三個(gè)對(duì)應(yīng)邊處。其中三個(gè)對(duì)應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較大，適合大直徑物體抓取；三個(gè)對(duì)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(gè)部件，其安裝結(jié)構(gòu)是：直線電機(jī)的定子部件1a用螺釘固定在指根板2a上，在直線電機(jī)的定子部件1a的導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)下、直線電機(jī)的動(dòng)子4a上下運(yùn)動(dòng)，推座3a用螺釘固定在直線電機(jī)的動(dòng)子4a，直線軸承6a用內(nèi)六角螺釘固定在直角板5a上；導(dǎo)向推桿7a的上端螺紋部分與推座3a采用螺母聯(lián)接，導(dǎo)向推桿7a穿過(guò)起導(dǎo)向作用的直線軸承6a，導(dǎo)向推桿7a下端螺紋部分與鉸鏈座9a螺紋聯(lián)接、并用螺母旋緊防松；板彈簧8a的上端被螺釘固定在指根板2a和直角板5a之間，板彈簧8a的中間被螺栓螺母固定在壓板10a和鉸鏈支座11a之間，板彈簧8a的最下端是曲面、便于接觸被抓取物體；導(dǎo)向推桿7a的鉸鏈座9a與右螺紋鉸鏈桿14a之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座11a與左螺紋鉸鏈桿12a之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿12a和右螺紋鉸鏈桿14a均旋在螺紋套13a內(nèi)、并用螺母旋緊 防松；順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺紋套13a，可使左螺紋鉸鏈桿12a和右螺紋鉸鏈桿14a之間的相對(duì)距離增加或縮短。本發(fā)明多指手爪的安裝形式是：對(duì)于每個(gè)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(diǎn)：(1)柔性手指采用直線電機(jī)代替橡膠波紋管氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)力大、抓取力大；靠直線電機(jī)反向運(yùn)動(dòng)，而不靠板彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)。(2)對(duì)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(duì)象，通過(guò)抓取實(shí)驗(yàn)和分析計(jì)算，再調(diào)節(jié)板彈簧彎曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠抓取、又不會(huì)損壞抓取對(duì)象，因此多指手爪的通用性好。(3)隨著導(dǎo)向推桿7a不斷向下推移，由于二力桿與板彈簧的夾角不斷增大，使板彈簧彎曲的分力不斷增加，板彈簧越易彎曲；板彈簧的變形量越大，變形量的單位增量所需推力越小，亦即柔性手指的彎曲角度-直線電機(jī)推力的曲線斜率越來(lái)越大。(4)尤其是板彈簧受到的拉應(yīng)力隨直線電機(jī)推力增大而減少，可在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)減小板彈簧截面積，而減小板彈簧截面積的同時(shí)又易于使板彈簧大變形，減小了直線電機(jī)推力使板彈簧變形的作用力部分，從而增加了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。附圖說(shuō)明：圖1為矩形手掌的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪的A-A主剖視圖圖2為矩形手掌的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪的俯視圖圖3為六邊形手掌的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪的B-B主剖視圖圖4為六邊形手掌的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪的俯視圖圖5為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的板彈簧骨架柔性手爪的柔性手指的主視圖具體實(shí)施方式：下面為本發(fā)明的工作原理及工作過(guò)程：板彈簧8a的一段(指根板2a和直角板5a夾緊處以下到壓板10a和鉸鏈支座11a夾緊處以上)是變形段，抓取承受直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生大變形；壓板10a和鉸鏈支座11a夾緊的板彈簧8a下側(cè)最下端是曲面是抓取段，復(fù)雜對(duì)象的抓取接觸部位就在板彈簧8a的抓取段。直線電機(jī)通電，其動(dòng)子4a帶動(dòng)導(dǎo)向推桿7a向下運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)二力桿(左螺紋鉸鏈桿12a、螺紋套13a、右螺紋鉸鏈桿14a組成)，克服彈性力使板彈簧8a彎曲，板彈簧8a抓取段接觸被抓物體；直線電機(jī)動(dòng)子4a繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，板彈簧8a變形增加，抓取力也增加；當(dāng)達(dá)到 要求的抓取力時(shí)，二力桿和導(dǎo)向推桿7a之間正好在自鎖范圍內(nèi)，直線電機(jī)斷電，導(dǎo)向推桿7a也不會(huì)上移，保持抓取力不變。1.初始狀態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)前述特殊對(duì)象，抓最小、最大抓取對(duì)象、或形狀不規(guī)則的抓取對(duì)象、或材質(zhì)尺寸受力變化的抓取對(duì)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)。對(duì)具體復(fù)雜對(duì)象，抓最小、最大抓取對(duì)象、或形狀不規(guī)則的抓取對(duì)象、或材質(zhì)尺寸受力變化的抓取對(duì)象，結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的精確調(diào)節(jié)同時(shí)必須保證二力桿和導(dǎo)向推桿7a之間的夾角在自鎖狀態(tài)，這樣在保持抓取力的時(shí)候，直線電機(jī)是斷電的，而不是直線電機(jī)的“堵轉(zhuǎn)”狀態(tài)、以免燒毀直線電機(jī)。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(zhǎng)形、矩形的復(fù)雜對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究和理論分析后，調(diào)節(jié)二力桿(左螺紋鉸鏈桿12a、螺紋套13a、右螺紋鉸鏈桿14a組成)的長(zhǎng)度，再調(diào)整壓板10a和鉸鏈支座11a固定在板彈簧8a中間的位置。如圖3、4所示，圓形、短圓柱形的復(fù)雜對(duì)象，同樣按照上述步驟，實(shí)驗(yàn)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(duì)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)明板彈簧骨架柔性手爪具有自適應(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(duì)象的接觸壓力變化盡可能小，以滿足安全抓取最小抓取對(duì)象、且不損壞最大抓取對(duì)象的受力要求，對(duì)形狀不規(guī)則的抓取對(duì)象也有自適應(yīng)性；②直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)反饋；③手爪結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠；④抓取時(shí)，手爪高度上定位始終不變，配套機(jī)器人本體控制方便。對(duì)具體復(fù)雜對(duì)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(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定選擇：采用直線電機(jī)位移控制的具體位移參數(shù)或直線電機(jī)推力控制的具體驅(qū)動(dòng)力參數(shù)。對(duì)具體復(fù)雜對(duì)象，前面選擇的直線電機(jī)位移控制的具體位移參數(shù)或直線電機(jī)推力控制的具體驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單可靠。3.電機(jī)控制方法本發(fā)明采用直流驅(qū)動(dòng)的微型直線電機(jī)，在需要速度控制的場(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于本發(fā)明板彈簧骨架柔性手爪的結(jié)構(gòu)具有自適應(yīng)柔性，抓取力控制的精度要求不高，其簡(jiǎn)單方法有兩種：①基于線電壓差值的無(wú)位置傳感器的位置檢測(cè)與控制；②基于線電壓或基于繞組電感變化特性的無(wú)力傳感器的驅(qū)動(dòng)力檢測(cè)與控制。