一種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪，多指手爪有一個手掌和三個柔性手指組成，一個柔性手指被安裝在矩形手掌的左側(cè)對稱中心處，另外二個柔性手指分別被安裝在矩形手掌右側(cè)對稱中心的兩側(cè)，這是一種結(jié)構(gòu)形式；三個柔性手指分別被安裝在六邊形手掌的三個對應(yīng)邊處，這是另一種結(jié)構(gòu)形式；每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要有一個內(nèi)導(dǎo)向氣缸和一個板彈簧組成；多指手爪用于易碎的脆性物體，或形狀、大小變化的異形物體的抓持；多指手爪特點是：對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。本實用新型屬于機器人、機電一體化的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，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)和物流場合。
【專利說明】—種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本實用新型涉及一種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪，屬于機器人、機電一體化 的應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；與機器人本體聯(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)和物流場合。
【背景技術(shù)】:
[0002]針對輕工和食品行業(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，為解決簡單勞動的用工成本高、勞動條件差等問題，需要 物流抓取多指手爪。就抓取的復(fù)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(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，復(fù)雜對象的 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式結(jié) 構(gòu)，只能抓取形狀大小相同、位置狀態(tài)一致、不會破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復(fù) 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(fù)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]傳統(tǒng)剛性機構(gòu)是由運動副連接的剛性桿件組成的，進行運動、力或能量傳遞或轉(zhuǎn) 換的機械裝置。柔順機構(gòu)(Compliant Mechanisms)也能傳遞或轉(zhuǎn)換運動、力或能量,但與剛 性機構(gòu)不同，柔順機構(gòu)不僅由運動副傳遞運動，還至少從其柔性部件的變形中獲得一部分 運動。柔順機構(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)。
[0004]本實用新型多指手爪的柔性手指就是一種柔順機構(gòu)，板彈簧是柔順機構(gòu)的變形元 件，其特點是:對外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，因此抓取復(fù)雜對象時，柔性自 適應(yīng)性好。
[0005]本實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， 授權(quán)專利(板彈簧骨架液氣動式柔性彎曲關(guān)節(jié)，ZL200410065130.X)提出了一種橡膠波紋 管膨脹加載式氣動人工肌肉驅(qū)動器驅(qū)動的、板彈簧骨架的柔性彎曲關(guān)節(jié)，其缺點是:①橡膠 波紋管氣動人工肌肉驅(qū)動器的內(nèi)腔壓強不夠大，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越小；④尤其是人工肌肉驅(qū)動下，板彈簧受到 的拉應(yīng)力隨人工肌肉內(nèi)腔壓強增大而增大，需要增大板彈簧截面面積才能滿足強度要求， 而增大板彈簧截面積的同時又會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。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]多指手爪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(jié)構(gòu)；每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要有一個內(nèi)導(dǎo)向氣缸和一個板彈簧組成；作為骨架的板彈簧被分為 變形段和抓取段，兩段長度可相對調(diào)節(jié)，故稱雙柔性；靠氣缸驅(qū)動產(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。
[0007]本實用新型克服了上述不足，本實用新型多指手爪有三個柔性手指，每個柔性手 指結(jié)構(gòu)相同，柔性手指采用柔順?biāo)臈U機構(gòu)，四桿分別是:驅(qū)動桿(內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia的活塞桿和 活塞桿鉸鏈座5a組成)、柔性桿(即板彈簧4a)、長度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿8a、螺 紋套9a、右螺紋鉸鏈桿IOa組成)和位置可調(diào)的支座桿(壓板6a、鉸鏈支座7a組成)。
[0008]驅(qū)動桿不是旋轉(zhuǎn)運動，而是內(nèi)導(dǎo)向氣缸活塞桿的直線運動。通過調(diào)節(jié)二力桿長度， 使板彈簧彎曲部分(即變形段)的長度可以調(diào)節(jié)；二力桿長度越短，板彈簧彎曲部分(即變 形段)的長度越短；二力桿長度越短，氣缸行程越短，初始狀態(tài)時二力桿與板彈簧的夾角越 大，板彈簧的彎曲效果越好。
[0009]本實用新型的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的:
[0010]如附圖1、2所示，本實用新型多指手爪的一種結(jié)構(gòu):有三個柔性手指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(cè)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(cè)對稱中心的兩側(cè)。
[0011]如附圖3、4所示，本實用新型多指手爪的另一種結(jié)構(gòu):有三個柔性手指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(yīng)邊處。其中三個 對應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較大，適合大直徑物體抓取；三個對應(yīng)邊的內(nèi)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5a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，板彈 簧4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之間，板彈簧4a的中間被螺栓螺母 固定在壓板6a和鉸鏈支座7a之間，板彈簧4a的最下端是曲面、便于接觸被抓取物體；活塞 桿鉸鏈座5a與右螺紋鉸鏈桿IOa之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座7a與左螺紋鉸鏈桿8a之間 鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿8a和右螺紋鉸鏈桿IOa均旋在螺紋套9a內(nèi)、并用螺母旋緊防松； 順、逆時針旋轉(zhuǎn)螺紋套9a，可使左螺紋鉸鏈桿8a和右螺紋鉸鏈桿IOa之間的相對距離增加 或縮短。
[0013]本實用新型與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0014](I)柔性手指采用氣缸代替橡膠波紋管氣動人工肌肉驅(qū)動器，承受的氣體壓強大， 產(chǎn)生的驅(qū)動力大、產(chǎn)生的抓取力大；靠氣缸活塞桿反向作用，而不靠板彈簧作用，回復(fù)到初 始伸直狀態(tài)。
[0015](2)對材料性質(zhì)、形狀尺寸及位置狀態(tài)的差別較大的復(fù)雜對象，通過抓取實驗和分 析計算，再調(diào)節(jié)板彈簧彎曲部分(即變形段)的長度，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠抓 取、又不會損壞，因此多指手爪的通用性好。
[0016](3)隨著氣缸活塞桿不斷伸長，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的氣缸 內(nèi)壓強增量越小，亦即柔性手指的彎曲角度-氣壓的曲線斜率越來越大。
[0017](4)尤其是板彈簧受到的拉應(yīng)力隨氣缸內(nèi)腔壓強增大而減少，可在滿足強度要求的同時減小板彈簧截面積，而減小板彈簧截面積的同時又易于使板彈簧大變形，減小了氣缸輸出力使板彈簧變形的作用力，從而增加了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。
【專利附圖】

【附圖說明】:[0018]圖[0019]圖[0020]圖[0021]圖[0022]圖
【具體實施方式】:
[0023]下面為本實用新型的工作原理及工作過程:
[0024]如圖1、2所示，根據(jù)長形、矩形的復(fù)雜對象，實驗研究和理論分析后，調(diào)節(jié)二力桿 (左螺紋鉸鏈桿8a、螺紋套9a、右螺紋鉸鏈桿IOa組成)的長度，再調(diào)整壓板6a和鉸鏈支座7a固定在板彈簧4a中間的位置。板彈簧4a的一段(指根板2a和直角板3a夾緊處以下到壓板6a和鉸鏈支座7a夾緊處以上)是變形段，抓取承受氣缸驅(qū)動而產(chǎn)生大變形、釋放時提供彈性回復(fù)力使手指伸直并彈性回復(fù)；壓板6a和鉸鏈支座7a夾緊的板彈簧4a下側(cè)一段是抓取段(最下端是曲面)，復(fù)雜對象的抓取接觸部位就在板彈簧4a抓取段。
[0025]如圖3、4所示，圓形、短 圓柱形的復(fù)雜對象，同樣按照上述步驟，實驗研究和理論分析后進行調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪，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(5a)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，板彈簧(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之間，板彈簧(4a)的中間被螺栓螺母固定在壓板^a)和鉸鏈支座(7a)之間，板彈簧(4a)的最下端是曲面、便于接觸被抓取物體；活塞桿鉸鏈座(5a)與右螺紋鉸鏈桿(IOa)之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座(7a) 與左螺紋鉸鏈桿(8a)之間鉸鏈聯(lián)接，左螺紋鉸鏈桿(8a)和右螺紋鉸鏈桿(IOa)均旋在螺紋套(9a)內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時針旋轉(zhuǎn)螺紋套(9a)，可使左螺紋鉸鏈桿(8a)和右螺紋鉸鏈桿(IOa)之間的相對距離增加或縮短；由前述這些零件構(gòu)成柔性手指(1)，對于每個結(jié)構(gòu)相同的柔性手指(I)，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；一個柔性手指(I)被安裝在矩形手掌(2)的左側(cè)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(cè)對稱中心的兩側(cè)，這是一種結(jié)構(gòu)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(yīng)邊處，這是另一種結(jié)構(gòu)形式。
【文檔編號】B25J15/12GK203380898SQ201320177452
【公開日】2014年1月8日 申請日期: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 申請人:江南大學(xué)