串聯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】本發明涉及串聯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構；每個柔性手指結構相同，主要有一個內導向氣缸、一個直線導軌(亦可直線軸承)和一個串聯活頁鉸鏈組成；串聯活頁鉸鏈的鉸鏈心軸上各安裝一個扭彈簧，扭彈簧的特性參數和預緊角根據被抓取對象的特點而優化設計出；靠氣缸驅動產生抓持力，此末端抓持器應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、機電一體化的應用【技術領域】；與機器人本體聯接，尤其適用于食品、農產品、輕工產品的抓取、分揀和包裝等生產和物流領域。
【專利說明】串聯活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器
【技術領域】
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[0001]本發明涉及串聯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構；每個柔性手指結構相同，主要有一個內導向氣缸、一個直線導軌(亦可直線軸承)和一個串聯活頁鉸鏈組成；串聯活頁鉸鏈的鉸鏈心軸上各安裝一個扭彈簧，扭彈簧的特性參數和預緊角根據被抓取對象的特點而優化設計出；靠氣缸驅動產生抓持力，此末端抓持器應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、機電一體化的應用【技術領域】；與機器人本體聯接，尤其適用于食品、農產品、輕工產品的抓取、分揀和包裝等生產和物流領域。
【背景技術】
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[0002]針對輕工和食品行業的大規模生產狀況，為滿足形狀復雜、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)形狀不規則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)異形的、位置狀態混亂且難理順的物體(酒瓶、化妝品瓶)；從上可見，復雜對象的材料性質、形狀尺寸及位置狀態的差別較大。傳統工業末端抓持器為夾鉗式或平行移動式結構，只能抓取形狀大小相同、位置狀態一致、不會破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復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，因此抓取復雜對象時，柔性自適應性好。
[0004]本發明末端抓持器的關鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關節。本發明之前，專利申請(一種多關節柔性機械手，200810023616.5)提出了一種橡膠波紋管膨脹加載式氣動人工肌肉驅動器驅動的、活頁鉸鏈骨架的柔性彎曲關節，其缺點是:①橡膠波紋管氣動人工肌肉驅動器的內腔壓強不夠大，驅動力不夠大靠扭彈簧作用，回復到初始伸直狀態；③驅動力作用于活頁鉸鏈骨架的方向不能調節，抓取物體的通用性不夠好；④活頁鉸鏈的受力狀態不好，人工肌肉輸出力相當部分作用于扭彈簧、使之變形，從而減小了柔性關節輸出的抓取力，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。
【發明內容】
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[0005]本發明克服了上述不足，本發明末端抓持器有三個柔性手指，每個柔性手指結構相同，柔性手指采用六桿機構，六桿分別是:驅動桿(內導向氣缸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)和與二力桿協調的初始位置可調的支座桿(直線導軌滑塊8a、鉸鏈支座9a組成)。
[0006]驅動桿不是旋轉運動，而是內導向氣缸Ia活塞桿的直線運動。通過調節二力桿長度，可以設定二力桿與串聯活頁鉸鏈5a的初始夾角，二力桿越短、初始夾角越大，二力桿越長、初始夾角越小；該初始角度直接影響串聯活頁鉸鏈5a的受力情況，繼而決定其彎曲效果；內導向氣缸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，另一方面推動串聯活頁鉸鏈5a彎曲；直線導軌的存在使得串聯活頁鉸鏈5a不受拉應力，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]二力桿與串聯活頁鉸鏈5a的夾角越大，使串聯活頁鉸鏈5a產生彎曲的分力越大，增力效果越好。
[0008]根據被抓取物體，優化設計結構尺寸、兩個扭彈簧彈性參數和預緊角，達到要求的抓持接觸力時，內導向氣缸Ia內氣壓達到系統壓力，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，產生自鎖，內導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態。
[0009]本發明的主要解決方案是這樣實現的:
[0010]本發明末端抓持器的一種結構如附圖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右側對稱中心的兩側。
[0011]本發明末端抓持器的另一種結構如附圖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的三個對應邊處。三個對應邊的內切圓半徑較大，適合大直徑物體抓取；三個對應邊的內切圓半徑較小，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，其結構是:內導向氣缸Ia的前端法蘭用內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，串聯活頁鉸鏈5a的下活頁用螺栓螺母聯接直線導軌滑槽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之間是鉸鏈聯接，鉸鏈支座9a與左螺紋鉸鏈桿Ila之間鉸鏈聯接，左螺紋鉸鏈桿Ila和右螺紋鉸鏈桿13a均旋在螺紋套12a內、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉螺紋套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]本發明與已有技術相比具有以下優點:
[0014](I)柔性手指采用內導向氣缸Ia代替橡膠波紋管氣動人工肌肉驅動器，承受的氣體壓強大，驅動力大、產生的抓取力大；靠內導向氣缸Ia活塞桿反向作用，而不靠扭彈簧作用，回復到初始伸直狀態。
[0015](2)對材料性質、形狀尺寸及位置狀態的差別較大的復雜對象，通過抓取實驗和分析計算，再調節二力桿與串聯活頁鉸鏈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)隨著內導向氣缸Ia活塞桿不斷伸長，二力桿與串聯活頁鉸鏈5a的夾角越大，使串聯活頁鉸鏈5a克服扭彈簧作用力而產生彎曲的分力越大，花費在扭彈簧變形的力占比越小，增力效果越好；串聯活頁鉸鏈5a的受力狀態好，內導向氣缸Ia輸出力較少部分作用于扭彈簧、使之變形，從而增加了柔性關節輸出的抓取力。
[0017](4)根據被抓取物體，優化設計結構尺寸、兩個板彈簧特性參數和預緊角，達到要求的抓持接觸力時，內導向氣缸Ia內氣壓達到系統壓力，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，產生自鎖，內導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0018]圖1為矩形手掌的串聯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、矩形的復雜對象，理論分析和實驗研究后，根據被抓取物體形狀、尺寸的變化范圍和材質情況，確定抓取接觸力的安全范圍，優化設計結構尺寸、兩個板彈簧特性參數和預緊角，確定手掌尺寸，調節二力桿(左螺紋鉸鏈桿11a、螺紋套12a、右螺紋鉸鏈桿13a組成)的長度。
[0025]優化目標是:達到要求的抓持接觸力時，內導向氣缸Ia內氣壓達到系統壓力，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，產生自鎖，內導向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態。
[0026]本發明的動作過程:內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，產生自鎖，保持安全抓持狀態；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、短圓柱形的復雜對象，同樣按照上述步驟，實驗研究和理論分析后進行調節。
【權利要求】
1.本發明涉及串聯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)右側對稱中心的兩側，這是一種結構形式；三個柔性手指(I)分別被安裝在六邊形手掌(3)的三個對應邊處，這是另一種結構形式。
2.根據權利要求1所述的柔性手指，其特征是:內導向氣缸(Ia)的前端法蘭用內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，串聯活頁鉸鏈(5a)的下活頁用螺栓螺母聯接直線導軌滑槽(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)之間是鉸鏈聯接，鉸鏈支座(9a)與左螺紋鉸鏈桿(Ila)之間鉸鏈聯接，左螺紋鉸鏈桿(Ila)和右螺紋鉸鏈桿(13a)均旋在螺紋套(12a)內、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉螺紋套(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 優先權日:2013年5月23日
【發明者】章軍, 王芳, 朱飛成, 張秋菊 申請人:江南大學