专利名称：带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手，机械手有二个或多个 柔性手指构成。每个柔性手指上均有一个气缸、单根牵引绳和一个具有两个转动自由度的 三活页串联铰链组成。仅靠套在三活页串联铰链的两个铰链芯轴上扭弹簧作用，产生和保 持抓取力，以抓持物体；靠气缸动力、绳牵引作用，三活页串联铰链伸直到初始位置，松开被 抓持物体。此柔性机械手是主动驱动松开、扭弹簧作用而被动地抓持的机械手，可应用于易 碎的脆性物体、和形状、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。
背景技术：
抓取机械手应用于易碎的脆性物体(如禽蛋、瓷器)和形状、大小变化的异形物体 (如瓜果、化妆品瓶子等)时，需要精确控制指关节位移和抓取力，否则会损坏这些类物品， 但因为成本和使用环境的限制，精确控制机械手难以在农业、轻工业等行业广泛应用。为克 服精确控制要求和制造成本等之间的矛盾，现有的机械手也有采用柔性的结构杆件，依靠 结构杆件的弹性变形实现自由度的柔性和抓取力的缓冲性；但结构杆件的弹性变形是非线 性的大挠度变形，也难以实时地、精确地计算与控制。本发明克服了现有机械手实时的精确控制与制造成本高的矛盾、受使用环境的限 制的缺陷，根据被抓物体的结构与尺寸、及其变化情况，在柔性机械手的结构和参数优化 后，确定结构尺寸、扭弹簧的刚性与预紧角度，利用两个铰链芯轴上套有扭弹簧的三活页串 联铰链的柔性作用，而不是依靠结构杆件的弹性变形，实现对物体形状、大小和抓取力的柔 性自适应，可采用简单的时间控制或压力控制，以简化机械手结构和降低控制部分的成本， 更好地应用于瓜果等的采摘、异形物体的抓取和分拣。
发明内容
本发明涉及带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手，机械手有二个或多个 柔性手指构成，柔性手指安装在厚度可换式机械手底座18的左右两侧。柔性手指的结构完 全相同，主要有一个气缸16、单根牵引绳10、一个具有两个转动自由度的三活页串联铰链7 和二个刚度不同的扭弹簧9组成。靠套在三活页串联铰链的两个铰链芯轴上扭弹簧作用， 产生和保持抓取力、以抓持物体；靠气缸动力、绳牵引作用，松开被抓取物体。本发明所提到 的阻尼是安装在气缸活塞杆上的阻尼弹簧，作用是减缓抓取运动时的手指速度，以减少对 被抓物体的冲击。为满足适应性广的要求，根据被抓物体，柔性机械手在结构尺寸上可调整(1)厚 度可换式机械手底座18的左右间的厚度尺寸m ； (2)小铰链支座2在导槽座1的导槽中调 整后的力矩尺寸η ;C3)三活页串联铰链7最下部的活页板与可调铰链支座14的调整角度、 并被可调铰链锁紧螺母13锁紧后保持的固定夹角θ。本发明的主要解决方案是这样实现的
如附图1、2、3、4、5所示，三活页串联铰链7是柔性手指的骨架与关节，它由三个活 页板、二个三活页串联铰链芯轴8组成，缓冲橡胶6粘贴在三活页串联铰链7的三个活页板 上；三活页串联铰链芯轴8上装有刚度不同的扭弹簧9，扭弹簧9的扭矩均作用在抓取物方 向、产生抓持力，牵引绳10牵引克服扭弹簧9扭矩、使三活页串联铰链7反向转动，松开抓 取物；三活页串联铰链7最下部活页板的端部卷成圆孔，与可调铰链芯轴12、可调铰链支座 14构成可调铰链，调整好角度后用可调铰链芯轴12上的可调铰链锁紧螺母13锁紧，可调铰 链支座14固定在底板17上；导槽座1、导轮支架4、导轮座11均安装在三活页串联铰链7 的活页上，牵引绳10的一端固定在小铰链3上，小铰链3的小铰链支座2的导向部分在导 槽座1的T形导槽中定向，小铰链支座2位置调整好后用内六角螺钉固定在导槽座1上；经 过安装在两个导轮支架4上的导轮5和安装导轮座11上导轮5导向，牵引绳10的另一端 被固定在牵引绳固定螺母15上；牵引绳固定螺母15安装在气缸16的活塞杆的螺纹上，气 缸16固定在底板17上；由上述零件构成了一个柔性手指部件。如附图1示，左右各一个柔性手指对称地安装在厚度可换式机械手底座18的左 右两侧，第二种安装方式左右各两个柔性手指并排、对称地安装在厚度可换式机械手底座 18的左右两侧，第二种安装方式左边两个柔性手指、右边一个柔性手指且安装在左边两 个柔性手指对应右侧的中间部位。如附图6所示，本发明单绳牵引多关节柔性机械手的柔性手指可以单独配有、也 可两两共用一个、也可全部共用一个气动部分，这个气动部分有二位四通阀19、气缸20、安 装在气缸20的活塞杆上的阻尼弹簧21、可调节流阀22、消声器23、二位通断阀M组成。压 缩空气从二位四通阀19上部一 口进入，二位四通阀19上部的另一口与可调节流阀22的入 口相连，可调节流阀22的出口与消声器23相连，二位通断阀M与可调节流阀22并联连接， 二位四通阀19下部两口分别接气缸20的两端，阻尼弹簧21安装在气缸20的活塞杆上。本发明与已有技术相比具有以下优点(1)带扭弹簧的、两个转动自由度的三活页串联铰链的结构可实现自由度的柔性 和抓取力的缓冲性，因此，柔性手指具有自由度柔性和作用力缓冲性的特点，实现对物体形 状、大小和抓取力的柔性自适应；(2)每个柔性手指均有一个气缸、单根牵引绳和一个具有两个转动自由度的三活 页串联铰链组成，结构简单，安装、维修方便，使用环境要求低；(3)根据被抓物体，结构尺寸上可调整厚度尺寸m、力矩尺寸η和固定夹角θ，以适 应不同尺寸、形状的物体，适应性广、通用性好；(4)采用时间控制或压力控制，大大降低了控制部分的成本；(5)气动系统使运动迅速，从而动作敏捷，生产效率高。
图1为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手的主视2为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手主视图的A-A剖局部放大3为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手主视图的B-B剖局部放大4为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手主视图的C向局部放大5为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手主视图的D处局部放大图
图6为带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手的气动原理图
具体实施例方式本发明带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手由导槽座1、小铰链支座2、 小铰链3、导轮支架4、导轮5、缓冲橡胶6、三活页串联铰链7、三活页串联铰链芯轴8、扭弹 簧9、牵引绳10、导轮座11、可调铰链芯轴12、可调铰链锁紧螺母13、可调铰链支座14、牵引 绳固定螺母15、气缸16、底板17、厚度可换式机械手底座18构成。本发明带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手的气动部分由二位四通阀 19、气缸20、阻尼弹簧21、可调节流阀22、消声器23、二位通断阀M组成。下面为本发明的工作原理及工作过程为满足适应性广的要求，根据被抓物体，柔性机械手在结构尺寸上可调整(1)厚 度可换式机械手底座18的左右间的厚度尺寸m ； (2)小铰链支座2在导槽座1的导槽中调 整后的力矩尺寸η ;C3)三活页串联铰链7最下部的活页板与可调铰链支座14的调整角度、 并被可调铰链锁紧螺母13锁紧后保持的固定夹角θ。抓取物体时，电磁铁IDT失电，电磁铁2DT失电，压缩空气通过二位四通阀19的右 位进入气缸20活塞的下部，克服阻尼弹簧21的作用，使活塞杆快速上移，气缸20活塞上部 气体通过二位四通阀19的右位和二位通断阀M左位，经过消声器23后直接排出；活塞上 移一段距离后，电磁铁2DT延时得电(上移距离和延时时间需要试验确定)，上部气体通过 二位通断阀M到右位，还通过可调节流阀22的阻尼孔后(开口大小需要试验确定)，再经 消声器23后排出；由于阻尼弹簧21和可调节流阀22的共同作用，手指接近被抓物体时，活 塞杆上移速度大大减慢，对抓取物的冲击较小。抓持物体时，活塞杆上已到终点，牵引绳10无作用力，仅靠套在三活页串联铰链7 的两个铰链芯轴上扭弹簧9作用，产生和保持抓取力，以抓持物体。松开物体时，电磁铁IDT得电，电磁铁2DT失电，压缩空气通过二位四通阀19的左 位直接进入气缸20活塞的上部，使活塞杆快速下移，气缸20活塞下部气体通过二位四通阀 19的左位和二位通断阀M左位，直接经消声器23后排出。靠气缸动力、牵引绳10作用力，三活页串联铰链的活页板反向运动，松开被抓取 物体，并回到初始位置。三活页串联铰链的初始位置不是三活页串联铰链的伸直状态，而是 满足抓取要求空间的位置，这样可减少抓取运动时间。从上所见，此柔性机械手是一种主动驱动松开、扭弹簧作用而被动抓持的机械手。
权利要求
1.带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手，其特征是左右各一个柔性手指对 称地安装在厚度可换式机械手底座(18)的左右两侧，和左右各两个柔性手指并排、对称地 安装在厚度可换式机械手底座(18)的左右两侧，还有厚度可换式机械手底座(18)的左边 两个柔性手指、右边一个柔性手指且安装在左边两个柔性手指对应右侧的中间部位，共三 种安装方式；柔性手指的结构完全相同，主要有一个气缸(16)、单根牵引绳(10)、一个具有 两个转动自由度的三活页串联铰链(7)和二个刚度不同的扭弹簧(9)组成；柔性手指可以 单独配有、和两两共用一个、和全部共用一个气动部分，共三种形式。
2.根据权利要求1所述的柔性手指，其特征是三活页串联铰链(7)是柔性手指的骨 架与关节，它由三个活页板、二个三活页串联铰链芯轴(8)组成，缓冲橡胶(6)粘贴在三活 页串联铰链(7)的三个活页板上；三活页串联铰链芯轴(8)上装有刚度不同的扭弹簧(9)， 扭弹簧(9)的扭矩均作用在抓取物方向、产生抓持力，牵引绳(10)牵引克服扭弹簧(9)扭 矩、使三活页串联铰链⑵反向转动，松开抓取物；三活页串联铰链(7)最下部活页板的端 部卷成圆孔，与可调铰链芯轴(12)、可调铰链支座(14)构成可调铰链，调整好角度后用可 调铰链芯轴(1 上的可调铰链锁紧螺母(1 锁紧，可调铰链支座(14)固定在底板(17) 上；导槽座(1)、导轮支架G)、导轮座(11)均安装在三活页串联铰链(7)的活页上，牵引绳 (10)的一端固定在小铰链(3)上，小铰链(3)的小铰链支座O)的导向部分在导槽座(1) 的T形导槽中定向，小铰链支座( 位置调整好后用内六角螺钉固定在导槽座(1)上；经过 安装在两个导轮支架⑷上的导轮(5)和安装导轮座(11)上导轮(5)导向，牵引绳(10) 的另一端被固定在牵引绳固定螺母(1 上；牵引绳固定螺母(1 安装在气缸(16)的活塞 杆的螺纹上，气缸(16)固定在底板(17)上；由上述零件构成了一个柔性手指部件。
3.根据权利要求1所述的气动部分，其特征是压缩空气从二位四通阀(19)上部一口 进入，二位四通阀(19)上部的另一口与可调节流阀02)的入口相连，可调节流阀02)的 出口与消声器(23)相连，二位通断阀04)与可调节流阀02)并联连接，二位四通阀(19) 下部的两口分别接气缸OO)的两端，阻尼弹簧安装在气缸OO)的活塞杆上。
全文摘要
本发明涉及带阻尼的气动式单绳牵引多关节的柔性机械手，机械手有二个或多个柔性手指构成，结构简单，维修方便，使用环境要求低。每个柔性手指上均有一个气缸、单根牵引绳和一个具有两个转动自由度的三活页串联铰链组成。仅靠套在三活页串联铰链的两个铰链芯轴上扭弹簧作用，产生和保持抓取力，以抓持物体；靠气缸动力、绳牵引作用，三活页串联铰链伸直到初始位置，松开被抓持物体。此机械手是主动驱动松开、扭弹簧作用而被动地抓持的机械手，且具有自由度柔性和作用力缓冲性的特点，能实现对物体形状、大小和抓取力的柔性自适应，可应用于易碎的脆性物体、和形状、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。
文档编号B25J15/12GK102092046SQ20101057989
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者吕兵, 章军 申请人:江南大学