[發(fā)明專利]一種氣動剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310123160.0
• 申請日: 2013-04-09
• 公開（公告）號: CN103213140A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 章軍;朱飛成;王芳;張秋菊
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號: B25J15/12
• 分類號: B25J15/12;B25J9/14
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技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明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，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，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)：

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)；③形狀不規(guī)則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)；④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。

傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)是由運動副連接的剛性桿件組成的，進(jìn)行運動、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)換運動、力或能量，但與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔順機(jī)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(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))。

本發(fā)明多指手爪的柔性手指就是一種柔順機(jī)構(gòu)，板彈簧是柔順機(jī)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。

本發(fā)明多指手爪的關(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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)增大而增大，需要增大板彈簧截面面積才能滿足強(qiáng)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：

本發(fā)明克服了上述不足，本發(fā)明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(jī)構(gòu)，四桿分別是：驅(qū)動桿(內(nèi)導(dǎo)向氣缸1a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10a組成)和位置可調(diào)的支座桿(壓板6a、鉸鏈支座7a組成)。

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。

本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的：

如附圖1、2所示，本發(fā)明多指手爪的一種結(jié)構(gòu)：有三個柔性手指1和一個矩形手掌2組成。一個柔性手指1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1分別被安裝在矩形手掌2右側(cè)對稱中心的兩側(cè)。

如附圖3、4所示，本發(fā)明多指手爪的另一種結(jié)構(gòu)：有三個柔性手指1和一個六邊形手掌3組成。三個柔性手指1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。