本發(fā)明具體涉及一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

機(jī)器人手爪是用來握持工件或物體的部件，是機(jī)器人制造體系中重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。傳統(tǒng)的機(jī)器人手爪，主要采用機(jī)械傳動(dòng)裝置和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接的結(jié)構(gòu)形式，通常由電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，然而此種剛性夾持方式在手爪工作過程中容易對(duì)物體表面造成損傷，不適用于易碎物體如玻璃、水晶等夾持和拾取。在一些發(fā)明設(shè)計(jì)中都期望增強(qiáng)機(jī)器人手爪的夾持精確性和實(shí)用性，例如在專利號(hào)為ep3098035ai中公開了一種可以平行開閉的手爪，由夾緊本體、一對(duì)下顎和一個(gè)活塞等剛性部件組成，下顎之間安裝擺動(dòng)桿，由主活塞帶動(dòng)下鄂進(jìn)行分離運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平行開閉，但是柔性化程度不足。在中國專利cn105034016a中公開了一種用于取放多種結(jié)構(gòu)型式的物料彈性手爪，主要通過控制絲杠兩端的旋轉(zhuǎn)方向，控制左右兩爪同時(shí)向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)，以減少或增大抓取范圍，由于該手爪采用傳動(dòng)螺母、絲杠等剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)，針對(duì)傳動(dòng)過程中存在的誤差，不能及時(shí)有效地對(duì)夾持力度進(jìn)行控制。

綜上所述，現(xiàn)有機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)存在一定的制約性，普遍采用剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu)和直接驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)于機(jī)器人手爪在夾持過程中存在的傳動(dòng)誤差、柔性不足、握持力控制不精準(zhǔn)等問題無法做及時(shí)的修正和反饋，只具有一定范圍內(nèi)的應(yīng)用適應(yīng)性，因而需要發(fā)明一種新型握力可控式機(jī)器人彈性手爪以彌補(bǔ)上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決大部分機(jī)器人手爪的傳動(dòng)誤差、柔性不足等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪設(shè)計(jì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪，包括手爪結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)；

所述的手爪結(jié)構(gòu)，為握力可控式機(jī)器人彈性手爪的結(jié)構(gòu)；手爪結(jié)構(gòu)以柔性鉸鏈為基本特征結(jié)構(gòu)，由三個(gè)手指1、驅(qū)動(dòng)面3和固定底板4構(gòu)成的一體握持結(jié)構(gòu)，三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的手指1成120°分布；

所述的手指1包含一階彈性系統(tǒng)8和二階彈性系統(tǒng)9，一階彈性系統(tǒng)8由第一指節(jié)1-1、第三指節(jié)1-3和第一柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)組成，二階彈性系統(tǒng)9由第二指節(jié)1-2、第三指節(jié)1-3、第四指節(jié)1-4、第二柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)和第三柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)組成，基于柔性鉸鏈為基本特征結(jié)構(gòu)的一階彈性系統(tǒng)8和二階彈性系統(tǒng)9形成無間隙低副傳動(dòng)的手指；第一指節(jié)1-1與固定底板4相接，第一指節(jié)1-1與第三指節(jié)1-3間為第一柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)，第一柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)是一個(gè)單軸不對(duì)稱的柔性鉸鏈，并且在關(guān)節(jié)處嵌入應(yīng)變片2；第二指節(jié)1-2與第三指節(jié)1-3間為第二柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)，第二柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)是一個(gè)單軸不對(duì)稱的柔性鉸鏈，第二指節(jié)1-2與驅(qū)動(dòng)面3相接；第三指節(jié)1-3與第四指節(jié)1-4間為第三柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)，第三柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)是一個(gè)并聯(lián)-同位配置的雙軸柔性鉸鏈；通過調(diào)節(jié)第四指節(jié)1-4的形狀，實(shí)現(xiàn)多形態(tài)物體的握持；

所述的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服氣缸5和驅(qū)動(dòng)桿6；伺服氣缸5的拉桿端通過驅(qū)動(dòng)桿6固定在驅(qū)動(dòng)面3上，伺服氣缸5通過固定螺釘7固定在固定底板4；

所述的控制機(jī)構(gòu)包括應(yīng)變檢測模塊、信號(hào)放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和stm32型微控制器，用于控制伺服氣缸5的通氣量，調(diào)整彈性手爪的握持力度，達(dá)到柔順化控制目的。

本發(fā)明的有益效果：一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪，具有無機(jī)械摩擦、無間隙和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并且在握持工件或目標(biāo)時(shí)具有一定的柔順性和自適應(yīng)性。將應(yīng)變片嵌入在柔性鉸鏈處，用于檢測柔性關(guān)節(jié)處的形變，通過控制電路精確控制握持力度，能夠使其智能化和柔性化程度更高。

附圖說明

圖1為一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪的立體結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖2為一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪的立體結(jié)構(gòu)示意圖2。

圖3為一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪示意框圖。

圖4為一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪控制示意框圖。

圖中：1手指；1-1第一指節(jié)；1-2第二指節(jié)；1-3第三指節(jié)；1-4第四指節(jié)；2應(yīng)變片；3驅(qū)動(dòng)面；4固定底板；5伺服氣缸；6驅(qū)動(dòng)桿；7固定螺釘；8一階彈性系統(tǒng)；9二階彈性系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

一種握力可控式機(jī)器人彈性手爪，包括手爪結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)；

所述的手爪結(jié)構(gòu)，為握力可控式機(jī)器人彈性手爪的結(jié)構(gòu)；手爪結(jié)構(gòu)由三個(gè)手指1(包含一個(gè)一階彈性系統(tǒng)8和一個(gè)二階彈性系統(tǒng)9)、驅(qū)動(dòng)面3和固定底板4構(gòu)成的一體握持結(jié)構(gòu)，三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的手指成120°分布；

所述的手指1包含一階彈性系統(tǒng)8和二階彈性系統(tǒng)9，一階彈性系統(tǒng)8由第一指節(jié)1-1、第三指節(jié)1-3和第一柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)組成，二階彈性系統(tǒng)9由第二指節(jié)1-2、第三指節(jié)1-3、第四指節(jié)1-4、第二柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)和第三柔性鉸鏈的關(guān)節(jié)組成，基于柔性鉸鏈為基本特征結(jié)構(gòu)的一階彈性系統(tǒng)8和二階彈性系統(tǒng)9形成無間隙低副傳動(dòng)的手指；第一指節(jié)1-1與固定底板4相接，第一指節(jié)1-1與第三指節(jié)1-3間采用第一柔性鉸鏈形式的關(guān)節(jié)，其特征在于該柔性鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)單軸不對(duì)稱的柔性鉸鏈，并且在關(guān)節(jié)處嵌入應(yīng)變片2；第二指節(jié)1-2與第三指節(jié)1-3間采用第二柔性鉸鏈形式的關(guān)節(jié)，其特征在于該柔性鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)單軸不對(duì)稱的柔性鉸鏈，第二指節(jié)1-2與驅(qū)動(dòng)面3相接；第三指節(jié)1-3與第四指節(jié)1-4間采用第三柔性鉸鏈形式的關(guān)節(jié)，其特征在于該柔性鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)并聯(lián)-同位配置的雙軸柔性鉸鏈；通過調(diào)節(jié)第四指節(jié)1-4的形狀，實(shí)現(xiàn)多形態(tài)物體的握持；設(shè)計(jì)中，采用有限元方法，進(jìn)行仿真分析，其應(yīng)力分布如附圖3所示，其應(yīng)力主要分布在柔性鉸鏈處且較小，能量消耗少，弱化對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向的限制，符合設(shè)計(jì)要求。第一指節(jié)1-1的長度為35mm，第二指節(jié)1-2的長度為21mm，第三指節(jié)1-3的長度為30mm。為了便于設(shè)計(jì)，采用剛體等效法，將柔性鉸鏈等效為傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)副，進(jìn)行握持力和驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算，整個(gè)彈性手爪等效的機(jī)械原理機(jī)構(gòu)簡圖如附圖4所示，經(jīng)過計(jì)算，若驅(qū)動(dòng)力為10n，則產(chǎn)生的握持力的大約為16n。彈性手爪含有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的曲面結(jié)構(gòu)，難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工，而3d打印技術(shù)是面向三維數(shù)據(jù)原型的直接先進(jìn)加工手段，可以針對(duì)需求快速地制造難加工零件。因此，通過3d打印技術(shù)，將彈性手爪整體化制造出來，可以有效地保證彈性手爪加工質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)要求。另外，3d打印技術(shù)是一種數(shù)字化的加工技術(shù)，可以在加工過程中對(duì)時(shí)間和步驟進(jìn)行精確控制，因此在打印過程中可將所使用的應(yīng)變片嵌入在柔性鉸鏈處，實(shí)現(xiàn)彈性手爪的一體化制造。

所述驅(qū)動(dòng)方法，采用的氣動(dòng)執(zhí)行元件是伺服氣缸5，使用壓縮空氣作為能量源，結(jié)構(gòu)緊湊可靠且具有抗沖擊能力，伺服氣缸5固定在固定底板4，由四個(gè)固定螺釘7進(jìn)行固定，伺服氣缸5的驅(qū)動(dòng)桿6安裝在驅(qū)動(dòng)面3中心，用于拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)面3做活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)彈性手爪握持動(dòng)作。

所述力控制方法，在每個(gè)手指的第一柔性鉸鏈形式的關(guān)節(jié)處分別嵌入應(yīng)變片2，此應(yīng)變片為全橋應(yīng)變片，用于檢測關(guān)節(jié)處的形變，并且將形變轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，采用機(jī)械工程測試技術(shù)中全橋應(yīng)變片電路的計(jì)算公式，得出輸出電壓值。其計(jì)算公式如下：

式中：uin為輸入電壓，uout為輸出電壓，δrab、δrbc、δrcd、δrad分別為電阻rab、rbc、rcd、rad的變化值。

應(yīng)變片產(chǎn)生形變導(dǎo)致電阻值發(fā)生改變，a、d兩點(diǎn)形成電勢差，產(chǎn)生輸出電壓，電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大模塊放大，然后將放大后的信號(hào)傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：uo為模擬信號(hào)量，urfe基準(zhǔn)電壓，dn為數(shù)字量。

將輸出的數(shù)字信號(hào)反饋給stm32型微控制器進(jìn)行處理，判斷壓力是否滿足設(shè)定的閾值，并輸出相應(yīng)的電流脈沖信號(hào)，控制氣動(dòng)伺服控制閥的流量和開閉時(shí)間，調(diào)節(jié)通入伺服氣缸內(nèi)的空氣量，驅(qū)動(dòng)伺服氣缸拉桿的運(yùn)動(dòng)，并且通過驅(qū)動(dòng)桿6帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)面3運(yùn)動(dòng)，從而控制彈性手爪對(duì)物體的握持力度。