一种刚柔耦合的机械爪及其抓取方法

本发明属于单侧夹指，具体主要涉及一种刚柔耦合的机械爪及其抓取方法。

背景技术：

1、随着技术的革新与发展，各式各样的机械夹爪为适应各种不同的工作环境而被创造与运用。机械夹爪被广泛运用于生产制造加工、物料运输、以及日常生活中的抓取分拣任务。目前，大多数的机械夹爪为刚性，传统的机械夹爪具有定位精度高、响应速度快、自由度高等优点，但刚性机械夹爪存在通用性差、制造成本高和柔度不足等问题。针对此问题，本发明提出了一种刚柔耦合的机械夹爪，能够稳定地抓取不同尺寸的物体并且能够很大程度上保持物体的完整性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种刚柔耦合的机械爪及其抓取方法。

2、本发明提供一种刚柔耦合的机械爪，包括基座和单侧夹指。两个单侧夹指均安装在基座上。所述的单侧夹指包括安装座、指节和气动人工肌肉。指节共有m个。m个由内向外依次通过销轴转动连接，形成m-1个转动关节。相邻两个转动关节共用同一指节。位于最内端的指节固定在安装座上。每个转动关节均对应一个带动转动关节恢复至初始位置的复位机构。

3、m-1个转动关节划分内向外依次相连的n个弯曲控制段；n≥2；每个弯曲控制段均由一个或多个转动关节组成。在由内向外的方向上，各弯曲控制段中包含的转动关节数量依次减少。每个弯曲控制段均对应一组气动人工肌肉。一组气动人工肌肉包括一根或并排设置的多根气动人工肌肉。气动人工肌肉的不同位置与对应的弯曲控制段中的所有指节固定。气动人工肌肉间隔设置在对应的各转动关节旋转轴线的同一侧。

4、作为优选，所述的基座与两个单侧夹指之间设置有用于调节两个单侧夹指的间距的开度调节机构。

5、作为优选，所述的开度调节机构包括电机、第一滑块、双向丝杠、滑道和第二滑块。滑道固定在基座上。两个第一滑块均滑动连接在滑道上。双向丝杠转动连接在基座上。两个第一滑块与双向丝杠上旋向相反的两个螺纹段分别成螺旋副。双向丝杠由电机驱动。两个单侧夹指中的安装座分别固定在第一滑块和第二滑块上。

6、作为优选，所述的基座上安装有用于为两个单侧夹指供气的气泵。

7、作为优选，所有指节上均环绕固定有软垫。软垫的外侧面呈凹凸不平状。

8、作为优选，位于最外端的指节的外端固定有呈弧形的指尖抓取块。所述的指尖抓取块上环绕固定有软垫。

9、作为优选，所述指节的数量m＝7。七个指节形成六个转动关节.六个转动关节划分为由内向外依次相连的三个弯曲控制段。第一个弯曲控制段由从内至外的第一至第三个转动关节组成。第二个弯曲控制段由从内至外的第四至第五个转动关节组成。第三个弯曲控制段由第六个转动关节组成。

10、作为优选，所述的复位机构包括扭簧安装板和扭簧。每个转动关节对应的两个指节上均固定有扭簧安装板。扭簧套置在转动关节对应的销轴上，且两端与对应的两个指节上的扭簧安装板固定。

11、作为优选，每个转动关节均对应一个止动结构。止动结构固定在对应转动关节中的前一个指节上；当转动关节上的两个指节转动至预设的极限角度时，后一个指节的外侧壁与前一个指节上的止动结构的内侧面提供的限位；前一个指节上的止动结构，以及后一个指节的外侧壁上均设置有弹性缓冲垫；弹性缓冲垫用于在止动结构和后一个指节接触时起到缓冲作用，延长指节的使用寿命。

12、作为优选，所有指节均呈中空结构；所有的复位机构、气动人工肌肉均设置在指节的内部腔室中。

13、作为优选，每个转动关节均对应有气动自锁机构；所述的气动自锁机构包括第一气动膨胀轮、第二气动膨胀轮。第一气动膨胀轮、第二气动膨胀轮与对应的两个指节分别固定；第一气动膨胀轮与对应的销轴同轴设置；初始状态下，第一气动膨胀轮与第二气动膨胀轮不接触；充压状态下，第一气动膨胀轮和第二气动膨胀轮膨胀为相互啮合的齿状结构。在第一气动膨胀轮和第二气动膨胀轮接触部分中，第一膨胀轮中齿状结构可以设置为几个，只需满足与第二气动膨胀轮相互啮合即可，但要注意在安装时需要调整第一膨胀轮的位置，以便于使第一膨胀轮中齿状结构能与第二气动膨胀轮相互啮合，设置几个齿状结构制造相对简单。第一膨胀轮中齿状结构也可以与第二膨胀轮齿状结构数量相同，在安装时不需要调整第一膨胀轮的位置，使用相同数量齿状结构在安装第一膨胀轮时相对方便。

14、作为优选，所述的气动人工肌肉包括密封帽和纤维编织套和橡胶管。纤维编织套包裹在橡胶管的外侧。两个密封帽与橡胶管的两端开口分别固定。橡胶管的内腔通过供气管引出。

15、该刚柔耦合的机械爪的抓取方法，过程如下：

16、若被抓取物体为棒状或条状物体，则将其中一个单侧夹指的内端靠近被抓取物体。之后靠近被抓取物体的单侧夹指的各弯曲控制段对应的气动人工肌肉按照由内至外的顺序依次充压缩短，使得被抓取物体被由内至外逐渐卷曲的单侧夹指的抱住，实现抓取。

17、若被抓取物体为块状物体，则将两个单侧夹指移动至被抓取物体的相反侧。之后，两个单侧夹指中部分或全部弯曲控制段对应的气动人工肌肉充压缩短，使得被抓取物体被两个单侧夹指的夹住，实现抓取。

18、本发明具有的有益效果是：

19、1、本发明提供的刚柔耦合的机械爪在由内至外的方向上，各弯曲控制段中的转动关节数量依次减少的结构，有助于同时兼顾操控精度、单侧夹指的活动范围和精简结构；原因在于：靠近内端的弯曲控制段的转动关节数量较多，能够通过一组气动人工肌肉实现大范围的弯曲；靠近外端的弯曲控制段的转动关节数量较少，能够通过一组气动人工肌肉实现更精准的弯曲控制。相较于所有关节均设置气动人工肌肉的结构，本实施例能够减少供气管数量，降低控制难度。

20、2、本发明提出的刚柔耦合的机械爪使用多个关节独立驱动的方法，并在每个关节设有止动结构，使得整个单侧夹指不仅具有多个自由度而且还能防止单侧夹指在抓取物体的过程中出现局部过载的情况，使单侧夹指对所要抓取的物体具有较好的自适应能力。

21、3、本发明采用两根单侧夹指分别控制的方法，不仅可以实现两根单侧夹指同时工作，也可以实现单根单侧夹指独立工作，对于在抓取范围内的规则与不规则的物体都可抓取；同时还可以根据抓取物体的大小来调整单侧夹指的位置，扩大了抓取范围。

22、4、本发明使用多组气动人工肌肉作为单侧夹指的驱动装置，在增加单侧夹指自由度的同时并使其整体重量减小。单侧夹指每个关节均设有软垫和扭簧，不仅保证了抓取物体的完整性还能使单侧夹指迅速回到初始状态。

技术特征：

1.一种刚柔耦合的机械爪，包括基座(1)和单侧夹指(2)；两个单侧夹指(2)均安装在基座(1)上；其特征在于：所述的单侧夹指(2)包括安装座(22)、指节和气动人工肌肉(28)；指节共有m个；m个由内向外依次通过销轴转动连接，形成m-1个转动关节；相邻两个转动关节共用同一指节；位于最内端的指节固定在安装座(22)上；每个转动关节均对应一个带动转动关节恢复至初始位置的复位机构；

2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所述的基座(1)与两个单侧夹指(2)之间设置有用于调节两个单侧夹指的间距的开度调节机构。

3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所述的开度调节机构包括电机(11)、第一滑块(13)、双向丝杠(14)、滑道(15)和第二滑块(17)；滑道(15)固定在基座(1)上；两个第一滑块(13)均滑动连接在滑道(15)上；双向丝杠(14)转动连接在基座(1)上；两个第一滑块(13)与双向丝杠(14)上旋向相反的两个螺纹段分别成螺旋副；双向丝杠(14)由电机(11)驱动；两个单侧夹指(2)中的安装座(22)分别固定在第一滑块(13)和第二滑块(17)上。

4.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：位于最外端的指节的外端固定有呈弧形的指尖抓取块；指尖抓取块和所有指节(27)上均环绕固定有软垫(23)；软垫(23)的外侧面呈凹凸不平状。

5.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所述指节的数量m＝7；七个指节形成六个转动关节.六个转动关节划分为由内向外依次相连的三个弯曲控制段；第一个弯曲控制段由从内至外的第一至第三个转动关节组成；第二个弯曲控制段由从内至外的第四至第五个转动关节组成；第三个弯曲控制段由第六个转动关节组成。

6.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所述的复位机构包括扭簧安装板(262)和扭簧(263)；每个转动关节对应的两个指节上均固定有扭簧安装板(262)；扭簧(263)套置在转动关节对应的销轴上，且两端与对应的两个指节上的扭簧安装板(262)固定。

7.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：每个转动关节均对应一个止动结构(265)；止动结构(265)固定在对应转动关节中的前一个指节上；当转动关节上的两个指节转动至预设的极限角度时，后一个指节的外侧壁受到前一个指节上的止动结构(265)的内侧面提供的限位；前一个指节上的止动结构，以及后一个指节的外侧壁上均设置有弹性缓冲垫。

8.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所有指节均呈中空结构；所有的复位机构、气动人工肌肉(28)均设置在指节的内部腔室中；每个转动关节均对应有气动自锁机构；所述的气动自锁机构包括第一气动膨胀轮(267)、第二气动膨胀轮(268)；第一气动膨胀轮(267)、第二气动膨胀轮(268)与对应的两个指节分别固定；第一气动膨胀轮(267)与对应的销轴同轴设置；初始状态下，第一气动膨胀轮(267)与第二气动膨胀轮(268)不接触；充压状态下，第一气动膨胀轮(267)和第二气动膨胀轮(268)膨胀为相互啮合的齿状结构。

9.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪，其特征在于：所述的气动人工肌肉(28)包括密封帽(281)和纤维编织套(282)和橡胶管；纤维编织套(282)包裹在橡胶管的外侧；两个密封帽(281)与橡胶管的两端开口分别固定；橡胶管的内腔通过供气管(21)引出。

10.如权利要求1所述的一种刚柔耦合的机械爪的抓取方法，其特征在于：过程如下：

技术总结
本发明公开了一种刚柔耦合的机械爪及其抓取方法。该机械爪包括基座和机械抓。单侧夹指包括安装座、指节和气动人工肌肉。指节共有m个。m个由内向外依次通过销轴转动连接，形成m‑1个转动关节。相邻两个转动关节共用同一指节。m‑1个转动关节划分内向外依次相连的n个弯曲控制段。每个弯曲控制段均由一个或多个转动关节组成。在由内向外的方向上，各弯曲控制段中包含的转动关节数量依次减少。每个弯曲控制段均对应一组气动人工肌肉。本发明提供的刚柔耦合的单侧夹指在由内至外的方向上，各弯曲控制段中的转动关节数量依次减少的结构，有助于同时兼顾操控精度、单侧夹指的活动范围和精简结构。

技术研发人员：钱俊彦,许明,刘硕
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15