[發(fā)明專利]串聯(lián)柔性鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310192159.3
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN104175324A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 章軍;王芳;朱飛成;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
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及串聯(lián)柔性鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器，末端抓持器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、一個直線導(dǎo)軌(亦可直線軸承)和一個串聯(lián)柔性鉸鏈組成；串聯(lián)柔性鉸鏈的構(gòu)型參數(shù)和構(gòu)型綜合根據(jù)被抓取對象的特點而優(yōu)化設(shè)計出；靠氣缸驅(qū)動產(chǎn)生抓持力，此末端抓持器應(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，需要物流抓取末端抓持器。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)末端抓持器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)。

本發(fā)明末端抓持器的柔性手指就是一種柔順機構(gòu)，串聯(lián)柔性鉸鏈?zhǔn)侨犴槞C構(gòu)的變形元件，本發(fā)明末端抓持器的特點是：對外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，因此抓取復(fù)雜對象時，柔性自適應(yīng)性好。

本發(fā)明末端抓持器的關(guān)鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關(guān)節(jié)。本發(fā)明之前，專利申請(一種多關(guān)節(jié)柔性機械手，200810023616.5)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、柔性鉸鏈骨架的柔性彎曲關(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；②靠柔性鉸鏈的彈性作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)；③驅(qū)動力作用于柔性鉸鏈骨架的方向不能調(diào)節(jié)，抓取物體的通用性不夠好；④柔性鉸鏈的受力狀態(tài)不好，人工肌肉輸出力相當(dāng)部分作用于柔性鉸鏈、使之變形，從而減小了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力，隨著柔性鉸鏈的變形角度越大，花費在柔性鉸鏈變形的力占比越大；⑤尤其受到的拉應(yīng)力隨人工肌肉內(nèi)腔壓強增大而增大，需要增大柔性鉸鏈截面面積才能滿足強度要求，而增大柔性鉸鏈截面積的同時又會使柔性鉸鏈角變形的難度增加，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)明末端抓持器有三個柔性手指，每個柔性手指結(jié)構(gòu)相同，柔性手指采用六桿機構(gòu)，六桿分別是：驅(qū)動桿(內(nèi)導(dǎo)向氣缸1a的活塞桿和活塞桿鉸鏈座12a組成)、串聯(lián)柔性鉸鏈4a的三個桿(上桿、中桿、下桿和直線導(dǎo)軌滑槽5a組成的滑動桿)、長度可調(diào)的二力桿(左螺紋鉸鏈桿9a、螺紋套10a、右螺紋鉸鏈桿11a組成)和與二力桿協(xié)調(diào)的初始位置可調(diào)的支座桿(直線導(dǎo)軌滑塊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1a活塞桿的直線運動。通過調(diào)節(jié)二力桿長度，可以設(shè)定二力桿與串聯(lián)柔性鉸鏈4a的初始夾角，二力桿越短、初始夾角越大，二力桿越長、初始夾角越小；該初始角度直接影響串聯(lián)柔性鉸鏈4a的受力情況，繼而決定其彎曲效果；內(nèi)導(dǎo)向氣缸1a啟動時，隨著其活塞桿的伸長，直線導(dǎo)軌滑塊6a一方面沿導(dǎo)軌滑槽5a滑動，另一方面推動串聯(lián)柔性鉸鏈4a彎曲；直線導(dǎo)軌的存在使得串聯(lián)柔性鉸鏈4a不受拉應(yīng)力，更容易彎曲；抓取段8a接觸到被抓物體后，直線導(dǎo)軌滑塊6a基本不動，二力桿與導(dǎo)軌滑槽5a的最終夾角逐漸變大。

二力桿與串聯(lián)柔性鉸鏈4a的夾角越大，使串聯(lián)柔性鉸鏈4a產(chǎn)生彎曲的分力越大，增力效果越好。

根據(jù)被抓取物體，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸、兩個扭彈簧彈性參數(shù)和預(yù)緊角，達到要求的抓持接觸力時，內(nèi)導(dǎo)向氣缸1a內(nèi)氣壓達到系統(tǒng)壓力，二力桿與導(dǎo)軌滑槽5a的夾角不斷增大，最終夾角超過摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導(dǎo)向氣缸1a不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。

本發(fā)明的主要解決方案是這樣實現(xiàn)的：