[發明專利]串聯活頁鉸鏈的自鎖增力型柔順末端抓持器

有效

• 申請號: 201310192160.6
• 申請日: 2013-05-23
• 公開（公告）號: CN104175325A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 章軍;王芳;朱飛成;張秋菊
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B25J15/12
• 分類號: B25J15/12;B25J15/10;B25J9/14
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域：

本發明涉及串聯活頁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構；每個柔性手指結構相同，主要有一個內導向氣缸、一個直線導軌(亦可直線軸承)和一個串聯活頁鉸鏈組成；串聯活頁鉸鏈的鉸鏈心軸上各安裝一個扭彈簧，扭彈簧的特性參數和預緊角根據被抓取對象的特點而優化設計出；靠氣缸驅動產生抓持力，此末端抓持器應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、機電一體化的應用技術領域；與機器人本體聯接，尤其適用于食品、農產品、輕工產品的抓取、分揀和包裝等生產和物流領域。

背景技術：

針對輕工和食品行業的大規模生產狀況，為滿足形狀復雜、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形狀不規則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)；④異形的、位置狀態混亂且難理順的物體(酒瓶、化妝品瓶)；從上可見，復雜對象的材料性質、形狀尺寸及位置狀態的差別較大。傳統工業末端抓持器為夾鉗式或平行移動式結構，只能抓取形狀大小相同、位置狀態一致、不會破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復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。

本發明末端抓持器的柔性手指的特點是：對外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，因此抓取復雜對象時，柔性自適應性好。

本發明末端抓持器的關鍵部件是柔性手指，亦稱為柔性關節。本發明之前，專利申請(一種多關節柔性機械手，200810023616.5)提出了一種橡膠波紋管膨脹加載式氣動人工肌肉驅動器驅動的、活頁鉸鏈骨架的柔性彎曲關節，其缺點是：①橡膠波紋管氣動人工肌肉驅動器的內腔壓強不夠大，驅動力不夠大；②靠扭彈簧作用，回復到初始伸直狀態；③驅動力作用于活頁鉸鏈骨架的方向不能調節，抓取物體的通用性不夠好；④活頁鉸鏈的受力狀態不好，人工肌肉輸出力相當部分作用于扭彈簧、使之變形，從而減小了柔性關節輸出的抓取力，隨著活頁鉸鏈的角位移越大，花費在扭彈簧變形的力占比越大；⑤尤其是人工肌肉驅動下，隨著活頁鉸鏈的角位移越大，角位移的單位增量所需的人工肌肉內腔的壓強增量越大，活頁鉸鏈越難彎曲，亦即柔性手指活頁鉸鏈的角位移-氣壓的曲線斜率越來越小。

發明內容：

本發明克服了上述不足，本發明末端抓持器有三個柔性手指，每個柔性手指結構相同，柔性手指采用六桿機構，六桿分別是：驅動桿(內導向氣缸1a的活塞桿和活塞桿鉸鏈座14a組成)、帶大扭彈簧4a和小扭彈簧6a的串聯活頁鉸鏈5a形成的三個活頁桿(上活頁桿、中活頁桿、下活頁和直線導軌滑槽7a組成的滑動活頁桿)、長度可調的二力桿(左螺紋鉸鏈桿11a、螺紋套12a、右螺紋鉸鏈桿13a組成)和與二力桿協調的初始位置可調的支座桿(直線導軌滑塊8a、鉸鏈支座9a組成)。

驅動桿不是旋轉運動，而是內導向氣缸1a活塞桿的直線運動。通過調節二力桿長度，可以設定二力桿與串聯活頁鉸鏈5a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活頁鉸鏈5a的受力情況，繼而決定其彎曲效果；內導向氣缸1a啟動時，隨著其活塞桿的伸長，直線導軌滑塊8a一方面沿直線導軌滑槽7a滑動，另一方面推動串聯活頁鉸鏈5a彎曲；直線導軌的存在使得串聯活頁鉸鏈5a不受拉應力，更容易彎曲；抓取段10a接觸到被抓物體后，直線導軌滑塊8a基本不動，二力桿與直線導軌滑槽7a的最終夾角逐漸變大。

二力桿與串聯活頁鉸鏈5a的夾角越大，使串聯活頁鉸鏈5a產生彎曲的分力越大，增力效果越好。

根據被抓取物體，優化設計結構尺寸、兩個扭彈簧彈性參數和預緊角，達到要求的抓持接觸力時，內導向氣缸1a內氣壓達到系統壓力，二力桿與直線導軌滑槽7a的夾角不斷增大，最終夾角超過摩擦角，產生自鎖，內導向氣缸1a不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態。

本發明的主要解決方案是這樣實現的：

本發明末端抓持器的一種結構如附圖1、2所示，由三個柔性手指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右側對稱中心的兩側。