本發(fā)明涉及軟體吸盤裝置,尤其涉及一種小空間裝配的彈性彎曲關(guān)節(jié)的抓手裝置。
背景技術(shù):
真空吸盤,又稱真空吊具,是真空設(shè)備執(zhí)行器之一。一般來說,利用真空吸盤抓取制品是最廉價(jià)的一種方法,因而在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。常用的真空吸盤包括扁平吸盤、波紋吸盤、橢圓吸盤和特殊吸盤。扁平吸盤小巧的設(shè)計(jì)和小的內(nèi)部容積能使抓取時(shí)間最小化,抓取工件時(shí),具有良好的穩(wěn)定性。用于搬運(yùn)表面平整或稍微粗糙的扁平或輕微碟形的工件,如:金屬板,紙箱,玻璃板,塑料件和木板。波紋吸盤對(duì)不平整的表面有良好的適應(yīng)性,能夠輕柔地抓取易損工件。用于搬運(yùn)碟形的不平整的工件,如:汽車金屬板,紙箱,塑料件,鋁箔/熱塑包裝的產(chǎn)品,電子零件。橢圓吸盤能夠最佳的利用可吸取面,適用于長(zhǎng)的凸面工件。橢圓吸盤的典型的應(yīng)用區(qū)域:搬運(yùn)狹長(zhǎng)而且抓取面很小的工件:如管件,幾何形工件,木條,窗架,紙箱,錫箔/熱塑包裝產(chǎn)品。特殊吸盤因?yàn)槲P材料和形狀的特殊性,使其可用于特定應(yīng)用區(qū)域,如易碎的、多孔的、易變形的表面結(jié)構(gòu)。雖然真空吸盤根據(jù)吸盤的不同設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域,但是一般來說,其抓取方式單一,抓取后的運(yùn)動(dòng)完全取決于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
在小零件電子產(chǎn)品的裝配領(lǐng)域,因零件尺寸小,且裝配空間狹小易與其他零件干涉,夾鉗式執(zhí)行器的應(yīng)用范圍有限。所以考慮使用氣吸式抓手進(jìn)行小零件的裝配,該種抓取方式只接觸零件的一個(gè)面,便于裝配,又因?yàn)樾×慵馁|(zhì)量輕,對(duì)真空發(fā)生器要求不高。但是普通吸盤設(shè)備只能在垂直方向運(yùn)動(dòng),無法完成小零件在傾斜方向上的推、扣動(dòng)作。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了克服已有吸盤設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方式單一、靈活性較差、無法適用于小零件裝配的不足,本發(fā)明提供一種運(yùn)動(dòng)方式豐富、靈活性較好、有效適用于小零件裝配的小型軟體氣吸式抓手裝置,該氣吸式抓手桿件部分基于彈性材料形變?cè)碓O(shè)計(jì)而成,使用微流氣體驅(qū)動(dòng)和控制,相對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)更加節(jié)省空間,能夠高度靈活地在小空間中運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無法進(jìn)入環(huán)境的裝配作業(yè)
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種小型軟體氣吸式抓手裝置,包括吸盤及連接件部分和氣動(dòng)形變控制部分,所述吸盤及連接件部分包括吸盤和氣管,所述吸盤通過連接件與所述氣管的前端連接,所述氣管的末端設(shè)有與真空發(fā)生器連接的連接端;所述氣動(dòng)形變控制部分包括彈性關(guān)節(jié)和硬質(zhì)塑料墊片,所述彈性關(guān)節(jié)套裝在所述連接件與連接端之間的氣管上,相鄰的兩個(gè)彈性關(guān)節(jié)之間通過所述硬質(zhì)塑料墊片連接,所述彈性關(guān)節(jié)包括彈性材料制作的關(guān)節(jié)本體,所述關(guān)節(jié)本體中央開有供所述氣管穿過的通孔,所述關(guān)節(jié)本體的側(cè)邊一圈設(shè)有氣室,所述氣室與連通到關(guān)節(jié)本體外壁的氣道連通,所述氣道與微氣流驅(qū)動(dòng)器連通。
進(jìn)一步,所述氣室的橫截面呈腰形。
再進(jìn)一步,所述氣室等圓弧間隔設(shè)置在所述關(guān)節(jié)本體的一圈。
所述吸盤為微型波紋吸盤。
所述氣管為pu管。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:所述吸盤及連接件部分包括:吸盤類型的選擇,考慮小型零件,如低壓電器塑料零件等,質(zhì)量輕、平面光滑便于吸附,采用市場(chǎng)上通用的微型波紋吸盤。為使該裝置能夠彎曲,且因零件質(zhì)量輕對(duì)低壓要求不高,采用塑料軟管取代普通吸盤的剛性桿件。吸盤與軟管、真空發(fā)生器與軟管的連接均采用標(biāo)準(zhǔn)連接件,保證氣密性和連接的穩(wěn)定性。
所述氣動(dòng)形變控制部分包括:考慮到氣體質(zhì)量輕、反應(yīng)迅速,采用微氣流驅(qū)動(dòng)方式。首先根據(jù)使用需求和加工難度設(shè)計(jì)單個(gè)彈性關(guān)節(jié)內(nèi)部氣室的形狀和排布方式,在此基礎(chǔ)上,建立氣室群氣壓變化與該關(guān)節(jié)彎曲程度的物理模型。然后設(shè)計(jì)多個(gè)連續(xù)彈性關(guān)節(jié)如何配合,來完成整體彎曲一定角度的動(dòng)作。因每一個(gè)氣室對(duì)應(yīng)獨(dú)立的微管控制,可同時(shí)控制多段彎曲。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:
1)該氣吸式抓手裝置采用微流控制技術(shù),通過對(duì)每一個(gè)彈性關(guān)節(jié)內(nèi)每個(gè)氣室壓強(qiáng)的精確控制,能夠靈活地實(shí)現(xiàn)任意方向任意角度的多段彎曲;
2)該氣吸式抓手裝置能夠通過計(jì)算補(bǔ)償自身重力造成的彎曲,保證水平段的直線度,增加了定位精度;
3)該氣吸式抓手裝置配合機(jī)器人,使其彎曲的傳遞速度與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度一致,在吸盤不斷前進(jìn)的同時(shí)能夠保證某一段的水平高度不變,適用于復(fù)雜小環(huán)境的裝配任務(wù)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明氣吸式抓手裝置局部剖視圖;
圖2是彈性關(guān)節(jié)及內(nèi)部氣室結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明的彎曲示意圖;
圖4是圖3彎曲段彈性關(guān)節(jié)受力分析圖;
圖5是圖3水平段彈性關(guān)節(jié)受力分析圖;
圖6是應(yīng)用本發(fā)明在復(fù)雜環(huán)境作業(yè)的流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1~圖6,一種小型軟體氣吸式抓手裝置,包括吸盤及連接件部分和氣動(dòng)形變控制部分,所述吸盤及連接件部分包括吸盤2和氣管1,所述吸盤2通過連接件3與所述氣管1的前端連接,所述氣管1的末端設(shè)有與真空發(fā)生器連接的連接端4;所述氣動(dòng)形變控制部分包括彈性關(guān)節(jié)5和硬質(zhì)塑料墊片6,所述彈性關(guān)節(jié)5套裝在所述連接件與連接端之間的氣管上,相鄰的兩個(gè)彈性關(guān)節(jié)5之間通過所述硬質(zhì)塑料墊片6連接,所述彈性關(guān)節(jié)5包括彈性材料制作的關(guān)節(jié)本體,所述關(guān)節(jié)本體中央開有供所述氣管穿過的通孔,所述關(guān)節(jié)本體的側(cè)邊一圈設(shè)有氣室51,所述氣室51與連通到關(guān)節(jié)本體外壁的氣道52連通,所述氣道52與微氣流驅(qū)動(dòng)器連通。
進(jìn)一步,所述氣室51的橫截面呈腰形。
再進(jìn)一步,所述氣室51等圓弧間隔設(shè)置在所述關(guān)節(jié)本體的一圈。
所述吸盤2為微型波紋吸盤。
所述氣管1為pu管。
圖1是本發(fā)明氣吸式抓手裝置局部剖視圖。如圖所示,該裝置由吸盤及氣管等吸氣組件,和安裝于柔軟氣管上的彈性關(guān)節(jié)兩部分組成。該吸盤2采用微型波紋吸盤,最大直徑15mm。該氣管1采用與金屬連接件3和金屬連接端4匹配的pu管,既能夠承受一定的程度的低壓又具有極高的柔韌度。該彈性關(guān)節(jié)5由彈性材料,如彈性聚酯材料制造而成,通過內(nèi)部氣室膨脹或收縮驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲形變,帶動(dòng)氣管隨之彎曲。彈性關(guān)節(jié)之間用硬質(zhì)塑料墊片6連接,控制每一個(gè)彈性關(guān)節(jié)的形變方式。
為了合理設(shè)計(jì)吸盤吸附面積等參數(shù),根據(jù)理論力學(xué)原理,建立水平吸取及垂直起吊情況下吸附面積與起吊力之間的數(shù)學(xué)公式。計(jì)算如下:
當(dāng)水平吸取時(shí),根據(jù)真空壓力計(jì)算起吊力。
f=0.1×a×p...........................................(1)
f:理論起吊力(n)a:吸盤的吸附面積(cm2)p:真空壓力(kpa)。
當(dāng)垂直起吊時(shí),真空壓力的吸附力與吸附物和吸盤的吸附面的摩擦力即為維持物體的力(吸附力)。
f=μ×0.1×a×p........................................(2)
f:理論起吊力(n)μ:摩擦系數(shù)
a:吸盤的吸附面積(cm2)p:真空壓力(-kpa)
實(shí)際作業(yè)中還需要考慮運(yùn)動(dòng)的加速度等因素,但因?yàn)樾×慵|(zhì)量輕,普通真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空壓力遠(yuǎn)大于其重力,所以不予考慮。
彈性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)如圖2所示,該關(guān)節(jié)主體部分為圓柱體,中心開孔用于安裝在柔軟氣管上。如剖視圖a所示,每個(gè)氣室通過側(cè)面的小孔與對(duì)應(yīng)的外部微管連接,微管另一端連接氣動(dòng)控制器,該類微管直徑在1mm以內(nèi),為保持作圖整潔,所有附圖中均未畫出。該關(guān)節(jié)內(nèi)部氣室形狀設(shè)計(jì)便于膨脹時(shí)關(guān)節(jié)彎曲??紤]到設(shè)計(jì)的氣室越多,對(duì)彎曲方向的控制就越精確,而同時(shí)也增加了微管數(shù)量和控制難度,權(quán)衡之下,采用六個(gè)形狀相同、相對(duì)于軸心陣列的氣室,這樣六個(gè)氣室將該平面劃分為六塊,通過控制某幾個(gè)連續(xù)氣室的膨脹和與之對(duì)稱氣室的收縮,能夠在該平面內(nèi)精確地向某方向彎曲,通過氣壓強(qiáng)度來控制彎曲程度。
單個(gè)彈性關(guān)節(jié)內(nèi)部氣室壓強(qiáng)與其彎曲形變的關(guān)系分析如下:
首先,因硬質(zhì)塑料墊圈的限制,每個(gè)彈性關(guān)節(jié)與兩個(gè)墊圈的接觸面均為平面。進(jìn)一步,為了合理設(shè)計(jì)彈性關(guān)節(jié)直徑、長(zhǎng)度等參數(shù),根據(jù)理論力學(xué)、彈性力學(xué)原理,建立單個(gè)彈性關(guān)節(jié)的彎曲角度與其內(nèi)部施加的壓力之間的數(shù)學(xué)公式。如圖4(1)所示,兩側(cè)氣室體積的不同形成了該關(guān)節(jié)的彎曲,將該關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為彈性體受力分析,如圖4(2)所示,該彈性關(guān)節(jié)受到的內(nèi)部?jī)蓚?cè)的切應(yīng)力q1>q2,下端面對(duì)該關(guān)節(jié)的應(yīng)力為fn,建立坐標(biāo)系并寫出彎矩平衡方程
令
應(yīng)用位移邊界條件求積分方常數(shù)
eif″=-m(x)=fp(l-x)
得出
寫出彈性曲線方程
最大撓度及最大轉(zhuǎn)角
這樣就建立了彈性關(guān)節(jié)內(nèi)部受力與彎曲形變的關(guān)系。通過上述力學(xué)可行性分析,可以得到彈性關(guān)節(jié)尺寸與彎曲角度之間的關(guān)系,據(jù)此設(shè)計(jì)該彈性關(guān)節(jié)直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)。
具體實(shí)施案例如圖3所示,控制兩個(gè)彈性關(guān)節(jié)配合完成軟管在豎直平面上彎曲90°的動(dòng)作,理想狀態(tài)下下端兩個(gè)彈性關(guān)節(jié)保持水平,但因?yàn)闅夤芎完P(guān)節(jié)自身的柔性,在水平狀態(tài)下由于重力無法保持原來的形狀,需對(duì)這兩段關(guān)節(jié)進(jìn)行氣動(dòng)補(bǔ)償,即根據(jù)受力情況分別對(duì)這兩個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行彎曲補(bǔ)償,使得水平段保證直線度,提高定位精度。為了合理設(shè)計(jì)彈性材料密度等參數(shù),根據(jù)理論力學(xué)、材料力學(xué)原理,建立不同位置的彈性關(guān)節(jié)彎曲90°時(shí)內(nèi)部壓力與該裝置水平段重量之間的數(shù)學(xué)公式。根據(jù)該彎曲補(bǔ)償?shù)牧W(xué)平衡計(jì)算健全對(duì)彈性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。分析圖3中水平段彈性關(guān)節(jié)受力如圖5所示,該關(guān)節(jié)受到左邊吸盤等的重力造成的應(yīng)力f1,右端受到右邊關(guān)節(jié)的提拉力f2,通過增加內(nèi)部切應(yīng)力q1,q2來抵消f造成的扭矩,即滿足扭矩平衡方程:
在以上受力分析的基礎(chǔ)上,通過該氣吸式抓手裝置彎曲與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的配合,能夠完成在小環(huán)境內(nèi)多次彎曲前進(jìn)的特殊作業(yè),如圖6所示,機(jī)器人持續(xù)向下運(yùn)動(dòng),該氣吸式抓手裝置通過多次彎曲進(jìn)入普通機(jī)器人吸盤無法進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行作業(yè),且根據(jù)機(jī)器人下降速度控制彎曲的傳遞,使得中間水平段的高度始終不變,避免與該環(huán)境內(nèi)部發(fā)生干涉。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解,本領(lǐng)域技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)以及上述實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)所述變化例,在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容,在此不予贅述。
以上對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是,本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式,其中未盡詳細(xì)描述的設(shè)備和結(jié)構(gòu)應(yīng)該理解為用本領(lǐng)域中的普通方式予以實(shí)施;任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員,在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾,或修改為等同變化的等效實(shí)施例,這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。因此,凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化以及修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。