板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器，末端抓持器有一個(gè)手掌和三個(gè)柔性手指組成，手掌有矩形和六邊形兩種結(jié)構(gòu)；每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要由一個(gè)內(nèi)導(dǎo)向氣缸、一個(gè)直線導(dǎo)軌(亦可直線軸承)和二個(gè)板彈簧組成，作為骨架的板彈簧分別是變形板彈簧和抓取板彈簧，靠氣缸驅(qū)動(dòng)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(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。
【專利說明】板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器，末端抓持器有一個(gè)手掌和三個(gè)柔性手指組成，手掌有矩形和六邊形兩種結(jié)構(gòu)；每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要由一個(gè)內(nèi)導(dǎo)向氣缸、一個(gè)直線導(dǎo)軌(亦可直線軸承)和二個(gè)板彈簧組成，作為骨架的板彈簧分別是變形板彈簧和抓取板彈簧，靠氣缸驅(qū)動(dòng)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(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)】
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[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(dòng)的用工成本高、勞動(dòng)條件差等問題，需要物流抓取的末端抓持器。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)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)機(jī)械手(末端抓持器)為夾鉗式或平行移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，只能抓取形狀大小相同、位置狀態(tài)一致、不會(huì)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(yùn)動(dòng)和抓取力，否則會(huì)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(shí)驗(yàn)室研究階段。
[0003]傳統(tǒng)剛性機(jī)構(gòu)是由運(yùn)動(dòng)副連接的剛性桿件組成的，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)、力或能量,但與剛性機(jī)構(gòu)不同，柔順機(jī)構(gòu)不僅由運(yùn)動(dòng)副傳遞運(yùn)動(dòng)，還至少從其柔性部件的變形中獲得一部分運(yùn)動(dòng)。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))。
[0004]本發(fā)明末端抓持器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(diǎn)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(shí)，柔性自適應(yīng)性好。
[0005]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，授權(quán)專利(板彈簧骨架液氣動(dòng)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(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的、板彈簧骨架的柔性彎曲關(guān)節(jié)，其缺點(diǎn)是:①橡膠波紋管氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)腔壓強(qiáng)不夠大，驅(qū)動(dòng)力不夠大靠板彈簧作用，回復(fù)到初始伸直狀態(tài)；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(dòng)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(shí)又會(huì)使板彈簧大變形的難度增加，減小了柔性關(guān)節(jié)輸出的抓取力。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明克服了上述不足，本發(fā)明末端抓持器有三個(gè)柔性手指，每個(gè)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(dòng)桿(內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia的活塞桿和活塞桿鉸鏈座12a組成)、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Ila組成)、滑座桿(鉸鏈支座7a、直線導(dǎo)軌滑塊6a組成)、柔性剛性的組合桿(變形板彈簧4a、直線導(dǎo)軌滑槽5a組成)。
[0007]驅(qū)動(dòng)桿不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia與變形板彈簧4a傾斜安裝。通過調(diào)節(jié)二力桿長度，可以設(shè)定二力桿與變形板彈簧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變形板彈簧4a的受力情況，繼而決定其彎曲效果；內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia啟動(dòng)時(shí)，隨著其活塞桿的伸長，直線導(dǎo)軌滑塊6a —方面沿導(dǎo)軌滑槽5a滑動(dòng)，另一方面推動(dòng)變形板彈簧4a彎曲變形；直線導(dǎo)軌的存在使得變形板彈簧4a不受拉應(yīng)力，只有彎曲變形；抓取板彈簧8a接觸到被抓物體后，直線導(dǎo)軌滑塊6a基本不動(dòng)，二力桿與變形板彈簧4a起始端的夾角最終逐漸變大。
[0008]二力桿與變形板彈簧4a的夾角越大，使變形板彈簧4a產(chǎn)生彎曲變形的分力越大，增力效果越好。
[0009]根據(jù)被抓取物體，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、兩個(gè)板彈簧特性參數(shù)和預(yù)緊角，達(dá)到要求的抓持接觸力時(shí)，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia內(nèi)氣壓達(dá)到系統(tǒng)壓力，二力桿與直線導(dǎo)軌滑槽5a的夾角不斷增大，最終夾角超過直線導(dǎo)軌滑塊6a與直線導(dǎo)軌滑槽5a之間的摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。
[0010]本發(fā)明的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]本發(fā)明末端抓持器的一種結(jié)構(gòu)如附圖1、2所示，由三個(gè)柔性手指I和一個(gè)矩形手掌2組成。一個(gè)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(gè)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)。
[0012]本發(fā)明末端抓持器的另一種結(jié)構(gòu)如附圖3、4所示，由三個(gè)柔性手指I和一個(gè)六邊形手掌3組成，三個(gè)柔性手指I分別安裝在六邊形手掌3的三個(gè)對應(yīng)邊處。其中三個(gè)對應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較大，適合大直徑物體抓?。蝗齻€(gè)對應(yīng)邊的內(nèi)切圓半徑較小，適合小直徑物體抓取。
[0013]如附圖5所示，前述的柔性手指I是一個(gè)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)六角螺栓固定在斜角板3a上，活塞桿鉸鏈座12a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，變形板彈簧4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和斜角板3a之間，變形板彈簧4a的下端被螺栓螺母固定在直線導(dǎo)軌滑槽5a—端；活塞桿鉸鏈座12a與右螺紋鉸鏈桿Ila之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座7a與左螺紋鉸鏈桿9a之間鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座7a用螺釘固定在直線導(dǎo)軌滑塊6a上，直線導(dǎo)軌滑塊6a在直線導(dǎo)軌滑槽5a上直線移動(dòng)；左螺紋鉸鏈桿9a和右螺紋鉸鏈桿Ila均旋在螺紋套1a內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺紋套10a，可使左螺紋鉸鏈桿9a和右螺紋鉸鏈桿Ila之間的相對距離增加或縮短；抓取板彈簧8a上端被螺栓螺母固定在直線導(dǎo)軌滑槽5a另一端，其下端是曲面，便于與被抓取物體接觸。
[0014]本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0015](I)柔性手指采用內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia代替橡膠波紋管氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)器，承受的氣體壓強(qiáng)大，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力大、產(chǎn)生的抓取力大；靠內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia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)。
[0016](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(shí)驗(yàn)和分析計(jì)算，再調(diào)節(jié)二力桿的長度，設(shè)定二力桿與變形板彈簧4a的初始夾角，這樣既保證了柔性自適應(yīng)地可靠抓取、又不會(huì)損壞被抓物體，因此末端抓持器的通用性好。
[0017](3)隨著氣缸活塞桿不斷伸長，由于二力桿與變形板彈簧4a的夾角不斷增大，使變形板彈簧4a彎曲的分力不斷增加，變形板彈簧4a越易彎曲；變形板彈簧4a的變形量越大，變形量的單位增量所需的氣缸內(nèi)壓強(qiáng)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，增力作用越來越大。
[0018](4)根據(jù)被抓取物體，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、兩個(gè)板彈簧特性參數(shù)和預(yù)緊角，達(dá)到要求的抓持接觸力時(shí)，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia內(nèi)氣壓達(dá)到系統(tǒng)壓力，二力桿與直線導(dǎo)軌滑槽5a的夾角不斷增大，最終夾角超過直線導(dǎo)軌滑塊6a在直線導(dǎo)軌滑槽5a上的摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。
[0019](5)尤其是變形板彈簧4a始終不受拉應(yīng)力作用，為彎曲變形，所以可在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)減小板彈簧截面積，而減小板彈簧截面積的同時(shí)又易于使板彈簧大變形，減小了氣缸輸出力使變形板彈簧4a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】
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[0020]圖1為矩形手掌的板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的A-A剖視圖
[0021]圖2為矩形手掌的板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的俯視圖
[0022]圖3為六邊形手掌的板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的B-B剖視圖
[0023]圖4為六邊形手掌的板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的俯視圖
[0024]圖5為板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器的柔性手指的主視圖

【具體實(shí)施方式】
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[0025]下面為本發(fā)明的工作原理及工作過程:
[0026]如圖1、2所示，研究與分析過程:對長形、矩形的復(fù)雜對象，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究后，根據(jù)被抓取物體形狀、尺寸的變化范圍和材質(zhì)情況，確定抓取接觸力的安全范圍，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸、兩個(gè)板彈簧特性參數(shù)和預(yù)緊角，確定手掌尺寸，調(diào)節(jié)二力桿(左螺紋鉸鏈桿9a、螺紋套10a、右螺紋鉸鏈桿Ila組成)的長度。
[0027]優(yōu)化目標(biāo)是:達(dá)到要求的抓持接觸力時(shí)，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia內(nèi)氣壓達(dá)到系統(tǒng)壓力，最終夾角超過直線導(dǎo)軌滑塊6a在直線導(dǎo)軌滑槽5a上的摩擦角，產(chǎn)生自鎖，內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia不用蓄能保壓裝置，也能保持安全抓持狀態(tài)。
[0028]本發(fā)明的動(dòng)作過程:內(nèi)導(dǎo)向氣缸Ia運(yùn)動(dòng)使二力桿推動(dòng)鉸鏈支座7a，并用帶動(dòng)直線導(dǎo)軌滑塊6a在直線導(dǎo)軌滑槽5a上直線移動(dòng)；當(dāng)抓取板彈簧8a接觸被抓取物體時(shí)，直線導(dǎo)軌滑塊6a基本不再運(yùn)動(dòng)，二力桿與直線導(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，保持安全抓持狀態(tài)；此時(shí)抓持接觸力的大小，既保證安全抓取，又不損壞被抓取物體。
[0029]如圖3、4所示，圓(球)形、短圓柱形的復(fù)雜對象，同樣按照上述步驟，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究后進(jìn)行調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明涉及板彈簧的自鎖增力型柔順末端抓持器，其特征是:一個(gè)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(gè)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(gè)柔性手指(I)分別被安裝在六邊形手掌(3)的三個(gè)對應(yīng)邊處，這是另一種結(jié)構(gòu)形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性手指，其特征是:內(nèi)導(dǎo)向氣缸(Ia)的前端法蘭用內(nèi)六角螺栓固定在斜角板(3a)上，活塞桿鉸鏈座(12a)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，變形板彈簧(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和斜角板(3a)之間，變形板彈簧(4a)的下端被螺栓螺母固定在直線導(dǎo)軌滑槽(5a) —端；活塞桿鉸鏈座(12a)與右螺紋鉸鏈桿(Ila)之間是鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座(7a)與左螺紋鉸鏈桿(9a)之間鉸鏈聯(lián)接，鉸鏈支座(7a)用螺釘固定在直線導(dǎo)軌滑塊(6a)上，直線導(dǎo)軌滑塊(6a)在直線導(dǎo)軌滑槽(5a)上直線移動(dòng)；左螺紋鉸鏈桿(9a)和右螺紋鉸鏈桿(Ila)均旋在螺紋套(1a)內(nèi)、并用螺母旋緊防松；順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺紋套(1a)，可使左螺紋鉸鏈桿(9a)和右螺紋鉸鏈桿(Ila)之間的相對距離增加或縮短；抓取板彈簧(8a)上端被螺栓螺母固定在直線導(dǎo)軌滑槽(5a)另一端，其下端是曲面，便于與被抓取物體接觸。
【文檔編號】B25J15/12GK104175326SQ201310192226
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月23日
【發(fā)明者】章軍, 王芳, 朱飛成, 張秋菊 申請人:江南大學(xué)