专利名称：柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的制作方法
技术领域：
:本发明涉及柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪，多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，手掌有矩形和六边形两种结构；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个串联柔性铰链组成；靠气缸驱动产生抓持力，此多指手爪应用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持，属于机器人、机电一体化的应用技术领域；与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流领域。
背景技术：
:针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取多指手爪。就抓取的复杂对象的种类:①易变形的软性物体(面包、软包装物品)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。传统工业多指手爪为夹钳式或平行移动式结构，只能抓取形状大小相同、位置状态一致、不会破损的刚性工件。仿人灵巧手需要感知复杂对象的空间位置和形状，需要精确控制运动和抓取力，否则会损坏复杂对象或不能可靠抓取，但目前仿人灵巧手尚处在实验室研究阶段。传统刚性机构是由运动副连接的刚性杆件组成的，进行运动、力或能量传递或转换的机械装置。柔顺机构(Compliant Mechanisms)也能传递或转换运动、力或能量,但与刚性机构不同，柔顺机构不仅由运动副传递运动，还至少从其柔性部件的变形中获得一部分运动。柔顺机构的两大优越性:降低成本(减少零件数目、减少装配、简化制造、减轻质量)和提高性能(提高精度、增加可靠性、减少磨损、减少维护)。本发明多指手爪的柔性手指就是一种柔顺机构，串联柔性铰链是柔顺机构的变形元件，其特点是:对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，因此抓取复杂对象时，柔性自适应性好。本发明多指手爪的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本发明之前，专利申请(一种多关节柔性机械手，200810023616.5)提出了一种橡胶波纹管膨胀加载式气动人工肌肉驱动器驱动的、串联柔性铰链骨架的柔性弯曲关节，其缺点是:①橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器的内腔压强不够大，靠串联柔性铰链作用，回复到初始伸直状态；②串联柔性铰链的工作长度不能调节，抓取物体的通用性不够好；③随着串联柔性铰链的变形量越大，变形量的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，串联柔性铰链越难弯曲，亦即柔性手指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越小；④尤其是人工肌肉驱动下，串联柔性铰链受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大，需要增大串联柔性铰链最小截面面积才能满足强度要求，而增大串联柔性铰链最小截面积的同时又会使串联柔性铰链大变形的难度增力口，增加了气缸输 出力使串联柔性铰链变形的作用力，从而减小了柔性关节输出的抓取力。发明内容:本发明克服了上述不足，本发明多指手爪有三个柔性手指，每个柔性手指结构相同，柔性手指采用柔顺四杆机构，四杆分别是:驱动杆(内导向气缸Ia的活塞杆和活塞杆铰链座IOa组成)、柔性杆(即串联柔性铰链4a)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆7a、螺纹套8a、右螺纹铰链杆8a组成)和位置可调的支座杆(压板5a、铰链支座6a组成)。驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸活塞杆的直线运动。通过调节二力杆长度，使串联柔性铰链弯曲部分(即变形段)的长度可以调节；二力杆长度越短，串联柔性铰链弯曲部分(即变形段)的长度越短；二力杆长度越短，气缸行程越短，初始状态时二力杆与串联柔性铰链的夹角越大，串联柔性铰链的弯曲效果越好。本发明的主要解决方案是这样实现的:如附图1、2所示，本发明多指手爪的一种结构:有三个柔性手指I和一个矩形手掌2组成。一个柔性手指I被安装在矩形手掌2的左侧对称中心处，另外二个柔性手指I分别被安装矩形手掌2右侧对称中心的两侧。如附图3、4所示，本发明多指手爪的另一种结构:有三个柔性手指I和一个六边形手掌3组成。三个柔性手指I分别被安装在六边形手掌3的三个对应边处。其中三个对应边的内切圆半径较大，适合大直径物体抓取；三个对应边的内切圆半径较小，适合小直径物体抓取。如附图5所示，前述的柔性手指I是一个部件，其安装结构是:内导向气缸Ia的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板3a上，活塞杆铰链座IOa螺纹安装在内导向气缸Ia的活塞杆端部、并用螺母 旋紧防松；指根板2a被螺钉固定在矩形手掌2或六边形手掌3上，串联柔性铰链4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和直角板3a之间，串联柔性铰链4a的下端被螺栓螺母固定在压板5a和铰链支座6a之间，串联柔性铰链4a的最下端是曲面、便于接触被抓取物体；活塞杆铰链座IOa与右螺纹铰链杆9a之间是铰链联接，铰链支座6a与左螺纹铰链杆7a之间铰链联接，左螺纹铰链杆7a和右螺纹铰链杆9a均旋在螺纹套8a内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套8a，可使左螺纹铰链杆7a和右螺纹铰链杆9a之间的相对距离增加或缩短。本发明与已有技术相比具有以下优点:(I)柔性手指采用气缸代替橡胶波纹管气动人工肌肉驱动器，承受的气体压强大，产生的驱动力大、产生的抓取力大；靠气缸活塞杆反向作用，而不靠扭弹簧作用，串联柔性铰链回复到初始伸直状态。(2)对材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大的复杂对象，通过抓取实验和分析计算，再调节二力杆作用于串联柔性铰链下端的位置，这样既保证了柔性自适应地可靠抓取、又不会损坏，因此多指手爪的通用性好。(3)由于本发明增力机构的作用，随着气缸活塞杆不断伸长，由于二力杆与串联柔性铰链的夹角不断增大，使串联柔性铰链弯曲的分力不断增加，串联柔性铰链越易弯曲；串联柔性铰链的变形量越大，变形量的单位增量所需的气缸内压强增量越小，亦即柔性手指的弯曲角度-气压的曲线斜率越来越大。(4)尤其是串联柔性铰链受到的拉应力随气缸内腔压强增大而减少，可在满足强度要求的同时减小串联柔性铰链最小截面面积，而减小串联柔性铰链最小截面积的同时又易于使串联柔性铰链大变形，减小了气缸输出力使串联柔性铰链变形的作用力，从而增加了柔性关节输出的抓取力。
:图1为矩形手掌的柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的A-A剖视2为矩形手掌的柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的俯视3为六边形手掌的柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的B-B剖视4为六边形手掌的柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的俯视5为柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪的柔性手指的主视图
具体实施方式
:下面为本发明 的工作原理及工作过程:如图1、2所示，根据长形、矩形的复杂对象，实验研究和理论分析后，调节二力杆(左螺纹铰链杆7a、螺纹套8a、右螺纹铰链杆8a组成)的长度，再调整压板5a和铰链支座6a固定在串联柔性铰链4a下端的位置。串联柔性铰链4a承受气缸驱动而产生大变形，压板5a和铰链支座6a夹紧的串联柔性铰链4a最下端是曲面段，复杂对象的抓取就在串联柔性铰链4a的曲面段。如图3、4所示，圆形、短圆柱形的复杂对象，同样按照上述步骤，实验研究和理论分析后进行调节。
权利要求
1.本发明涉及柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪，其特征是:一个柔性手指(I)被安装在矩形手掌(2)的左侧对称中心处，另外二个柔性手指(I)分别被安装矩形手掌(2)右侧对称中心的两侧，这是一种结构形式；或者三个柔性手指(I)分别被安装在六边形手掌(3)的三个对应边处，这是另一种结构形式。
2.根据权利要求1所述的柔性手指，其特征是:内导向气缸(Ia)的前端法兰用内六角螺栓固定在直角板(3a)上，活塞杆铰链座(IOa)螺纹安装在内导向气缸(Ia)的活塞杆端部、并用螺母旋紧防松；指根板(2a)被螺钉固定在矩形手掌(2)或六边形手掌(3)上，串联柔性铰链(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和直角板(3a)之间，串联柔性铰链(4a)的下端被螺栓螺母固定在压板(5a)和铰链支座^a)之间，串联柔性铰链(4a)的最下端是曲面、便于接触被抓取物体；活塞杆铰链座(IOa)与右螺纹铰链杆(9a)之间是铰链联接，铰链支座^a)与左螺纹铰链杆(7a)之间铰链联接，左螺纹铰链杆(7a)和右螺纹铰链杆(9a)均旋在螺纹套(8a)内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套(8a)，可使左螺纹铰链杆(7a)和右螺纹 铰链杆(9a)之间的相对距离增加或缩短。
全文摘要
本发明涉及柔顺机构的气动串联柔性铰链多指手爪，多指手爪有一个手掌和三个柔性手指组成，手掌有矩形和六边形两种结构；每个柔性手指结构相同，主要有一个内导向气缸和一个串联柔性铰链组成；靠气缸驱动产生抓持力，此多指手爪应用于易碎的脆性物体，或形状、大小变化的异形物体的抓持；多指手爪的柔性手指就是一种柔顺机构，串联柔性铰链是柔顺机构的变形元件，其特点是对外载荷具有良好的柔性自由度和缓冲性能，柔性自适应性好。属于机器人、机电一体化的应用技术领域；与机器人本体联接，尤其适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣和包装等生产和物流领域。
文档编号B25J9/14GK103213138SQ20131012306
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者章军, 朱飞成, 王芳, 张秋菊 申请人:江南大学