柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪，多指手爪有一個(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，主要有一個(gè)內(nèi)導(dǎo)向氣缸和一個(gè)串聯(lián)柔性鉸鏈組成；靠氣缸驅(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；多指手爪的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(diǎn)是：對(duì)外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，柔性自適應(yīng)性好。屬于機(jī)器人、機(jī)電一體化的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；與機(jī)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(shuō)明】柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪，多指手爪有一個(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，主要有一個(gè)內(nèi) 導(dǎo)向氣缸和一個(gè)串聯(lián)柔性鉸鏈組成；靠氣缸驅(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，屬于機(jī)器人、機(jī)電一體化的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；與 機(jī)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)】:
[0002]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 物流抓取多指手爪。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)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(jiàn)，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)多指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。
[0003]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)(Compliant Mechanisms)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))。
[0004]本實(shí)用新型多指手爪的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(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。
[0005]本實(shí)用新型多指手爪的關(guān)鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關(guān)節(jié)。本發(fā)明創(chuàng)造之前， 專利申請(qǐng)(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(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的、串聯(lián)柔性鉸鏈骨架的柔性彎曲關(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)柔性鉸鏈的工作長(zhǎng)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(lái)越??；④尤其是人工肌肉驅(qū)動(dòng)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(shí)又會(huì)使串聯(lián)柔性鉸鏈大變形 的難度增加，增加了氣缸輸出力使串聯(lián)柔性鉸鏈變形的作用力，從而減小了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本實(shí)用新型克服上述不足，本實(shí)用新型多指手爪有三個(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(內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia的活塞桿和活 塞桿鉸鏈座IOa組成)、柔性桿(即串聯(lián)柔性鉸鏈4a)、長(zhǎng)度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿 7a、螺紋套8a、右螺紋鉸鏈桿8a組成)和位置可調(diào)的支座桿(壓板5a、鉸鏈支座6a組成)。
[0007]驅(qū)動(dòng)桿不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是內(nèi)導(dǎo)向氣缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)二力桿長(zhǎng)度， 使串聯(lián)柔性鉸鏈彎曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度可以調(diào)節(jié)；二力桿長(zhǎng)度越短，串聯(lián)柔性鉸鏈彎 曲部分(即變形段)的長(zhǎng)度越短；二力桿長(zhǎng)度越短，氣缸行程越短，初始狀態(tài)時(shí)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。
[0008]本實(shí)用新型的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]如附圖1、2所示，本實(shí)用新型多指手爪的一種結(jié)構(gòu):有三個(gè)柔性手指I和一個(gè)矩形 手掌2組成。一個(gè)柔性手指I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 I分別被安裝矩形手掌2右側(cè)對(duì)稱中心的兩側(cè)。
[0010]如附圖3、4所示，本實(shí)用新型多指手爪的另一種結(jié)構(gòu):有三個(gè)柔性手指I和一個(gè)六 邊形手掌3組成。三個(gè)柔性手指I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??；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。
[0011]如附圖5所示，前述的柔性手指I是一個(gè)部件，其安裝結(jié)構(gòu)是:內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia的前 端法蘭用內(nèi)六角螺栓固定在直角板3a上，活塞桿鉸鏈座IOa螺紋安裝在內(nèi)導(dǎo)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)柔性鉸鏈4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之間，串聯(lián)柔性鉸鏈4a的 下端被螺栓螺母固定在壓板5a和鉸鏈支座6a之間，串聯(lián)柔性鉸鏈4a的最下端是曲面、便 于接觸被抓取物體；活塞桿鉸鏈座IOa與右螺紋鉸鏈桿9a之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座6a與 左螺紋鉸鏈桿7a之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿7a和右螺紋鉸鏈桿9a均旋在螺紋套8a內(nèi)、 并用螺母旋緊防松；順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺紋套8a，可使左螺紋鉸鏈桿7a和右螺紋鉸鏈桿9a之 間的相對(duì)距離增加或縮短。
[0012]本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013](I)柔性手指采用氣缸代替橡膠波紋管氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，承受的氣體壓強(qiáng)大， 產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力大、產(chǎn)生的抓取力大；靠氣缸活塞桿反向作用，而不靠扭彈簧作用，串聯(lián)柔性 鉸鏈回復(fù)到初始伸直狀態(tài)。
[0014](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)二力桿作用于串聯(lián)柔性鉸鏈下端的位置，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠 抓取、又不會(huì)損壞，因此多指手爪的通用性好。
[0015](3)由于本實(shí)用新型增力機(jī)構(gòu)的作用，隨著氣缸活塞桿不斷伸長(zhǎng)，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)柔性鉸鏈的變形量越大，變形量的單位增量所需的氣缸內(nèi)壓強(qiáng)增量越小，亦即柔性 手指的彎曲角度-氣壓的曲線斜率越來(lái)越大。[0016](4)尤其是串聯(lián)柔性鉸鏈?zhǔn)艿降睦瓚?yīng)力隨氣缸內(nèi)腔壓強(qiáng)增大而減少，可在滿足強(qiáng) 度要求的同時(shí)減小串聯(lián)柔性鉸鏈最小截面面積，而減小串聯(lián)柔性鉸鏈最小截面積的同時(shí)又 易于使串聯(lián)柔性鉸鏈大變形，減小了氣缸輸出力使串聯(lián)柔性鉸鏈變形的作用力，從而增加 了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0017]圖1為矩形手掌的柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的A-A剖視圖
[0018]圖2為矩形手掌的柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的俯視圖
[0019]圖3為六邊形手掌的柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的B-B剖視圖
[0020]圖4為六邊形手掌的柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的俯視圖
[0021]圖5為柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪的柔性手指的主視圖
【具體實(shí)施方式】:
[0022]下面為本實(shí)用新型的工作原理及工作過(guò)程:
[0023]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7a、螺紋套8a、右螺紋鉸鏈桿8a組成)的長(zhǎng)度，再調(diào)整壓板5a和鉸鏈支座 6a固定在串聯(lián)柔性鉸鏈4a下端的位置。串聯(lián)柔性鉸鏈4a承受氣缸驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生大變形，壓 板5a和鉸鏈支座6a夾緊的串聯(lián)柔性鉸鏈4a最下端是曲面段，復(fù)雜對(duì)象的抓取就在串聯(lián)柔 性鉸鏈4a的曲面段。
[0024]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)。
【權(quán)利要求】
1.柔順機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)串聯(lián)柔性鉸鏈多指手爪，其特征是:內(nèi)導(dǎo)向氣缸(Ia)的前端法蘭用內(nèi)六角螺栓固定在直角板(3a)上，活塞桿鉸鏈座(IOa)螺紋安裝在內(nèi)導(dǎo)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)柔性鉸鏈(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之間，串聯(lián)柔性鉸鏈(4a)的下端被螺栓螺母固定在壓板(5a)和鉸鏈支座^a)之間，串聯(lián)柔性鉸鏈(4a) 的最下端是曲面、便于接觸被抓取物體；活塞桿鉸鏈座(IOa)與右螺紋鉸鏈桿(9a)之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座^a)與左螺紋鉸鏈桿(7a)之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿(7a)和右螺紋鉸鏈桿(9a)均旋在螺紋套(8a)內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺紋套(8a)，可使左螺紋鉸鏈桿(7a)和右螺紋鉸鏈桿(9a)之間的相對(duì)距離增加或縮短；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(I)分別被安裝矩形手掌(2)右側(cè)對(duì)稱中心的兩側(cè)，這是一種結(jié)構(gòu)形式；或者三個(gè)柔性手指(I)分別被安裝在六邊形手掌(3)的三個(gè)對(duì)應(yīng)邊處，這是另一種結(jié)構(gòu)形式。
【文檔編號(hào)】B25J15/12GK203380896SQ201320177325
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月9日
【發(fā)明者】章軍, 朱飛成, 王芳, 張秋菊 申請(qǐng)人:江南大學(xué)