彈性波紋管單作用氣缸驅動串聯板彈簧骨架機械手的制作方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及彈性波紋管單作用氣缸驅動串聯板彈簧骨架機械手，此機械手由一個手掌和二個柔性手指，或一個手掌和三個柔性手指組成。每個柔性手指結構相同，主要由一個彈性波紋管單作用氣缸和一個串聯板彈簧組成；串聯的各板彈簧的尺寸根據被抓取對象的特點而優化設計的；機械手靠彈性波紋管單作用氣缸驅動產生抓持力。此機械手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，需要物流抓取機械手。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。傳統工業機械手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宄階段，且成本高、對使用環境要求高。
[0003]本發明彈性波紋管單作用氣缸驅動串聯板彈簧骨架機械手的特點是: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；同時，由于沒有氣缸活塞和活塞桿上橡膠密封的摩擦力，彈性波紋管單作用氣缸運行平穩、反應靈敏。
[0004]本發明機械手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(一種氣動剛性可調的雙柔性多指手爪，201310123160.0)是一種采用氣缸驅動的機械手，其缺點是:①由于存在氣缸活塞和活塞桿上橡膠密封的這兩個滑動摩擦力，其動、靜摩擦系數相差較大，且滑動摩擦力大小還與活塞桿的受力狀況相關，摩擦力變化大，因此三個手指氣缸活塞運動的同步性控制較復雜，位置伺服控制難度大；②未考慮板彈簧剛度與應力的綜合優化設計，僅采用單個的等截面板彈簧，等截面板彈簧的柔性差；③機械手柔性手指是垂直安裝，僅僅適用于“指尖接觸”的捏取抓取方式，不能采用“手指和手掌多處接觸”的包絡抓取方式，應用范圍較小。
【發明內容】
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[0005]本發明克服了上述不足，本發明機械手有二個柔性手指或三個柔性手指，每個柔性手指結構相同。原理上柔性手指骨架為厚板彈簧4、剛性的螺紋板5、薄板彈簧7形成的串聯板彈簧柔性骨架，根據具體類型復雜對象特點設計的厚板彈簧4、薄板彈簧7的形狀與尺寸，鉸鏈座9在薄板彈簧7上的安裝位置可調，形成了適應具體類型復雜對象的柔性自由度。
[0006]本發明的主要解決方案是這樣實現的:
[0007]本發明機械手的一種結構如附圖1、2所示，由二個相同的柔性手指和一個手掌盤I組成，二個相同的柔性手指左右對稱地安裝在手掌盤I的導向槽中，靠手掌盤I上的中心孔定位中心距。柔性手指由指根2、彎板3、厚板彈簧4、螺紋板5、壓塊6、薄板彈簧7、壓板8、鉸鏈座9、二力桿10、彈性波紋管單作用氣缸11組成。本發明機械手的特征是:指根2在手掌盤I的導向槽中導向，螺釘穿過指根2上的腰形槽，將指根2固定在手掌盤I上，指根2上的腰形槽可以調節柔性手指的中心距，螺釘將厚板彈簧4夾緊在彎板3和指根2之間；兩個壓塊6分別將厚板彈簧4和薄板彈簧7夾緊在螺紋板5，厚板彈簧4和薄板彈簧7在螺紋板5夾緊處均勻腰形槽，便于調節厚板彈簧4和薄板彈簧7的實際工作長度；壓板8上有四個螺釘的螺紋孔，用四個螺釘穿過鉸鏈座9將薄板彈簧7緊固定在壓板8上，薄板彈簧7沒有孔，便于調節鉸鏈座9在薄板彈簧7上的安裝位置，薄板彈簧7最下端形狀是曲面；二力桿10的兩端均為鉸鏈，分別與鉸鏈座9和彈性波紋管單作用氣缸11上的鉸鏈支座Ila形成鉸鏈聯結。
[0008]本發明機械手的另一種結構如附圖3所示，由三個相同的柔性手指和一個手掌盤I組成，三個相同的柔性手指120°均布地安裝在手掌盤I的導向槽中，靠手掌盤I上的中心孔定位中心距。柔性手指的結構與前面所述完全相同，由指根2、彎板3、厚板彈簧4、螺紋板5、壓塊6、薄板彈簧7、壓板8、鉸鏈座9、二力桿10、彈性波紋管單作用氣缸11組成。
[0009]如附圖4-6所示，彈性波紋管單作用氣缸11由底蓋la、橡膠墊2a、氣缸座3a、卡箍4a、彈性波紋管5a、導套6a、直線軸承7a、螺紋蓋8a、導桿9a、導桿座10a、鉸鏈支座11a、壓縮彈簧12a、尼龍調節片13a、彈簧蓋14a、內六角螺釘15a、密封圈16a、直角管接頭17a、環狀瑋絲18a、經絲19a組成。其特征是:底蓋la、橡膠墊2a、氣缸座3a通過螺釘固定在一起，導套6a上端的法蘭被氣缸座3a壓緊在橡膠墊2a上，導套6a法蘭下面的圓柱與氣缸座3a的最小孔間隙配合，保證導套6a與氣缸座3a的同軸度；橡膠的彈性波紋管5a用卡箍4a固定在氣缸座3a和導桿座1a上；為導桿9a導向的直線軸承7a安裝在導套6a內，螺紋蓋8a旋在導套6a，軸向固定直線軸承7a ;導桿9a安裝在導桿座1a上，壓縮彈簧12a在導套6a內，內六角螺釘15a將尼龍調節片13a和彈簧蓋14a固定在導桿9a，彈簧蓋14a壓著壓縮彈簧12a，更換不同厚度的尼龍調節片13a，可以調節壓縮彈簧12a的預緊力，并可調節彈性波紋管單作用氣缸11的行程；鉸鏈支座Ila安裝在導桿座1a的對稱中心上，調整彈性波紋管5a在導桿座1a上的相位角，保證鉸鏈支座Ila與鉸鏈座9、二力桿10共在一個平面上；直角管接頭17a螺紋安裝在氣缸座3a上，直角管接頭17a螺紋和氣缸座3a之間有密封圈16a ;橡膠的彈性波紋管5a內有起加強作用的環狀瑋絲18a，及沿著彈性波紋管5a軸向輪廓分布、且與環狀瑋絲18a纏繞的經絲19a。
[0010]如附圖7、8所示，手掌盤I上有四個導向槽，左邊的導向槽與右邊的導向槽左右對稱，左邊的導向槽與右邊的上下二個導向槽120°均布，四個導向槽上有四個螺紋孔，四個螺紋孔的中心距相同。
[0011]如附圖9、10所示，厚板彈簧4的形狀從上到下依次為矩形、梯形和矩形，即厚板彈簧4中間梯形部分為變寬度。
[0012]如附圖11、12所示，薄板彈簧7的形狀從上到下依次為矩形、梯形、矩形和梯形，即薄板彈簧7的兩段梯形部分為變寬度，且薄板彈簧7的最下端形狀是曲面。
[0013]本發明與已有技術相比具有以下優點:
[0014](I)考慮各個板彈簧剛度與應力的綜合優化設計，串聯了兩個厚度不同的、變寬度的板彈簧，串聯板彈簧骨架的柔性好，且機械手串聯板彈簧骨架是斜向安裝；因此不僅適用于“指尖接觸”的捏取抓取方式(用于輕的抓取對象)，也能適用于“手指和手掌多處接觸”的包絡抓取方式(用于重的或易變形的抓取對象)，應用范圍較大，抓取可靠性高。
[0015](2)彈性波紋管單作用氣缸11沒有橡膠密封產生的滑動摩擦力，且采用直線軸承的滾動摩擦的導向形式；因此能耗小、反應快，無低速爬行現象，三個手指氣缸活塞運動的同步性控制較簡單，手指位置和抓取力的伺服控制難度小。
[0016](3)彈性波紋管單作用氣缸11的橡膠波紋管僅僅軸向膨脹，受力均勻，壽命長；彈性波紋管單作用氣缸11的橡膠波紋管和卡箍即使脫開，還套在導套6a和導桿9a上，因此結構安全可靠；同時，彈性波紋管單作用氣缸11還具有重量輕的顯著特點。
【附圖說明】
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[0017]圖1為彈性波紋管單作用氣缸驅動串聯板彈簧骨架機械手的主視圖
[0018]圖2為彈性波紋管單作用氣缸驅動串聯板彈簧骨架機械手二手指安裝的俯視圖
[0019]圖3為彈性波