板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器，末端抓持器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，主要由一个内导向气缸、一个直线导轨(亦可直线轴承)和二个板弹簧组成，作为骨架的板弹簧分别是变形板弹簧和抓取板弹簧，靠气缸驱动产生抓持力。此末端抓持器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。
【专利说明】板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器
【技术领域】:
[0001]本实用新型涉及板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器，末端抓持器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，主要由一个内导向气缸、一个直线导轨(亦可直线轴承)和二个板弹簧组成，作为骨架的板弹簧分别是变形板弹簧和抓取板弹簧，靠气缸驱动产生抓持力。此末端抓持器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】:
[0002]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，需要物流抓取的末端抓持器。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。传统工业机械手(末端抓持器)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。
[0003]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)。
[0004]本实用新型末端抓持器的柔性手指就是一种柔顺机构，板弹簧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。
[0005]本实用新型末端抓持器的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本实用新型之前，授权专利(板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节，ZL200410065130.X)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、板弹簧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，驱动力不够大靠板弹簧作用，回复到初始伸直状态；③随着板弹簧的变形量越大，变形量的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，板弹簧越难弯曲，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，板弹簧受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大，需要增大板弹簧截面面积才能满足强度要求，而增大板弹簧截面积的同时又会使板弹簧大变形的难度增加，减小了柔性关节输出的抓取力。
【发明内容】
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[0006]本实用新型克服了上述不足，本实用新型末端抓持器有三个柔性手指，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12a组成)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆9a、螺纹套10a、右螺纹铰链杆Ila组成)、滑座杆(铰链支座7a、直线导轨滑块6a组成)、柔性刚性的组合杆(变形板弹簧4a、直线导轨滑槽5a组成)。
[0007]驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸Ia活塞杆的直线运动，内导向气缸Ia与变形板弹簧4a倾斜安装。通过调节二力杆长度，可以设定二力杆与变形板弹簧4a的初始夹角，二力杆越短、初始夹角越大，二力杆越长、初始夹角越小；该初始角度直接影响变形板弹簧4a的受力情况，继而决定其弯曲效果；内导向气缸Ia启动时，随着其活塞杆的伸长，直线导轨滑块6a —方面沿导轨滑槽5a滑动，另一方面推动变形板弹簧4a弯曲变形；直线导轨的存在使得变形板弹簧4a不受拉应力，只有弯曲变形；抓取板弹簧8a接触到被抓物体后，直线导轨滑块6a基本不动，二力杆与变形板弹簧4a起始端的夹角最终逐渐变大。
[0008]二力杆与变形板弹簧4a的夹角越大，使变形板弹簧4a产生弯曲变形的分力越大，增力效果越好。
[0009]根据被抓取物体，优化设计结构尺寸、两个板弹簧特性参数和预紧角，达到要求的抓持接触力时，内导向气缸Ia内气压达到系统压力，二力杆与直线导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过直线导轨滑块6a与直线导轨滑槽5a之间的摩擦角，产生自锁，内导向气缸Ia不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
[0010]本实用新型的主要解决方案是这样实现的:
[0011]本实用新型末端抓持器的一种结构如附图1、2所示，由三个柔性手指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分别被安装在矩形手掌2右侧对称中心的两侧。
[0012]本实用新型末端抓持器的另一种结构如附图3、4所示，由三个柔性手指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。
[0013]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斜角板3a上，活塞杆铰链座12a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，变形板弹簧4a的上端被螺栓螺母固定在指根板2a和斜角板3a之间，变形板弹簧4a的下端被螺栓螺母固定在直线导轨滑槽5a—端；活塞杆铰链座12a与右螺纹铰链杆Ila之间是铰链联接，铰链支座7a与左螺纹铰链杆9a之间铰链联接，铰链支座7a用螺钉固定在直线导轨滑块6a上，直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上直线移动；左螺纹铰链杆9a和右螺纹铰链杆Ila均旋在螺纹套IOa内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套10a，可使左螺纹铰链杆9a和右螺纹铰链杆Ila之间的相对距离增加或缩短；抓取板弹簧8a上端被螺栓螺母固定在直线导轨滑槽5a另一端，其下端是曲面，便于与被抓取物体接触。
[0014]本实用新型与已有技术相比具有以下优点:
[0015](I)柔性手指采用内导向气缸Ia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；靠内导向气缸Ia活塞杆反向作用，而不靠板弹簧作用，回复到初始伸直状态。
[0016](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，再调节二力杆的长度，设定二力杆与变形板弹簧4a的初始夹角，这样既保证了柔性自适应地可靠抓取、又不会损坏被抓物体，因此末端抓持器的通用性好。
[0017](3)随着气缸活塞杆不断伸长，由于二力杆与变形板弹簧4a的夹角不断增大，使变形板弹簧4a弯曲的分力不断增加，变形板弹簧4a越易弯曲；变形板弹簧4a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，增力作用越来越大。
[0018](4)根据被抓取物体，优化设计结构尺寸、两个板弹簧特性参数和预紧角，达到要求的抓持接触力时，内导向气缸Ia内气压达到系统压力，二力杆与直线导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上的摩擦角，产生自锁，内导向气缸Ia不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
[0019](5)尤其是变形板弹簧4a始终不受拉应力作用，为弯曲变形，所以可在满足强度要求的同时减小板弹簧截面积，而减小板弹簧截面积的同时又易于使板弹簧大变形，减小了气缸输出力使变形板弹簧4a变形的作用力，从而增加了柔性关节输出的抓取力。
【专利附图】
【附图说明】:
[0020]图1为矩形手掌的板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的A-A剖视图
[0021]图2为矩形手掌的板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的俯视图
[0022]图3为六边形手掌的板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的B-B剖视图
[0023]图4为六边形手掌的板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的俯视图
[0024]图5为板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器的柔性手指的主视图
【具体实施方式】:
[0025]下面为本实用新型的工作原理及工作过程:
[0026]如图1、2所示，研究与分析过程:对长形、矩形的复杂对象，理论分析和实验研究后，根据被抓取物体形状、尺寸的变化范围和材质情况，确定抓取接触力的安全范围，优化设计结构尺寸、两个板弹簧特性参数和预紧角，确定手掌尺寸，调节二力杆(左螺纹铰链杆9a、螺纹套10a、右螺纹铰链杆Ila组成)的长度。
[0027]优化目标是:达到要求的抓持接触力时，内导向气缸Ia内气压达到系统压力，最终夹角超过直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上的摩擦角，产生自锁，内导向气缸Ia不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。
[0028]本实用新型的动作过程:内导向气缸Ia运动使二力杆推动铰链支座7a，并用带动直线导轨滑块6a在直线导轨滑槽5a上直线移动；当抓取板弹簧8a接触被抓取物体时，直线导轨滑块6a基本不再运动，二力杆与直线导轨滑槽5a的夹角不断增大，最终夹角超过摩擦角，产生自锁，保持安全抓持状态；此时抓持接触力的大小，既保证安全抓取，又不损坏被抓取物体。
[0029]如图3、4所示，圆(球)形、短圆柱形的复杂对象，同样按照上述步骤，理论分析和实验研究后进行调节。
【权利要求】
1.板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器，其特征是:内导向气缸(Ia)的前端法兰用内六角螺栓固定在斜角板(3a)上，活塞杆铰链座(12a)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，变形板弹簧(4a)的上端被螺栓螺母固定在指根板(2a)和斜角板(3a)之间，变形板弹簧(4a)的下端被螺栓螺母固定在直线导轨滑槽(5a) —端；活塞杆铰链座(12a)与右螺纹铰链杆(Ila)之间是铰链联接，铰链支座(7a)与左螺纹铰链杆(9a)之间铰链联接，铰链支座(7a)用螺钉固定在直线导轨滑块(6a)上，直线导轨滑块(6a)在直线导轨滑槽(5a)上直线移动；左螺纹铰链杆(9a)和右螺纹铰链杆(Ila)均旋在螺纹套(IOa)内、并用螺母旋紧防松；顺、逆时针旋转螺纹套(10a)，可使左螺纹铰链杆(9a)和右螺纹铰链杆(Ila)之间的相对距离增加或缩短；抓取板弹簧(8a)上端被螺栓螺母固定在直线导轨滑槽(5a)另一端，其下端是曲面，便于与被抓取物体接触；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)分别被安装在矩形手掌(2)右侧对称中心的两侧，这是一种结构形式；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。
【文档编号】B25J15/12GK203380900SQ201320283147
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2013年5月23日
【发明者】章军, 王芳, 朱飞成, 张秋菊 申请人:江南大学