[发明专利]串联活页铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器

说明书

技术领域：

本发明涉及串联活页铰链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，主要有一个内导向气缸、一个直线导轨(亦可直线轴承)和一个串联活页铰链组成；串联活页铰链的铰链心轴上各安装一个扭弹簧，扭弹簧的特性参数和预紧角根据被抓取对象的特点而优化设计出；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：

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)；③形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；④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。

本发明末端抓持器的柔性手指的特点是：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。

本发明末端抓持器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、活页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，驱动力不够大；②靠扭弹簧作用，回复到初始伸直状态；③驱动力作用于活页铰链骨架的方向不能调节，抓取物体的通用性不够好；④活页铰链的受力状态不好，人工肌肉输出力相当部分作用于扭弹簧、使之变形，从而减小了柔性关节输出的抓取力，随着活页铰链的角位移越大，花费在扭弹簧变形的力占比越大；⑤尤其是人工肌肉驱动下，随着活页铰链的角位移越大，角位移的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，活页铰链越难弯曲，亦即柔性手指活页铰链的角位移-气压的曲线斜率越来越小。

发明内容：

本发明克服了上述不足，本发明末端抓持器有三个柔性手指，每个柔性手指结构相同，柔性手指采用六杆机构，六杆分别是：驱动杆(内导向气缸1a的活塞杆和活塞杆铰链座14a组成)、带大扭弹簧4a和小扭弹簧6a的串联活页铰链5a形成的三个活页杆(上活页杆、中活页杆、下活页和直线导轨滑槽7a组成的滑动活页杆)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆11a、螺纹套12a、右螺纹铰链杆13a组成)和与二力杆协调的初始位置可调的支座杆(直线导轨滑块8a、铰链支座9a组成)。

驱动杆不是旋转运动，而是内导向气缸1a活塞杆的直线运动。通过调节二力杆长度，可以设定二力杆与串联活页铰链5a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串联活页铰链5a的受力情况，继而决定其弯曲效果；内导向气缸1a启动时，随着其活塞杆的伸长，直线导轨滑块8a一方面沿直线导轨滑槽7a滑动，另一方面推动串联活页铰链5a弯曲；直线导轨的存在使得串联活页铰链5a不受拉应力，更容易弯曲；抓取段10a接触到被抓物体后，直线导轨滑块8a基本不动，二力杆与直线导轨滑槽7a的最终夹角逐渐变大。

二力杆与串联活页铰链5a的夹角越大，使串联活页铰链5a产生弯曲的分力越大，增力效果越好。

根据被抓取物体，优化设计结构尺寸、两个扭弹簧弹性参数和预紧角，达到要求的抓持接触力时，内导向气缸1a内气压达到系统压力，二力杆与直线导轨滑槽7a的夹角不断增大，最终夹角超过摩擦角，产生自锁，内导向气缸1a不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明末端抓持器的一种结构如附图1、2所示，由三个柔性手指1和一个矩形手掌2组成，一个柔性手指1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1分别被安装在矩形手掌2右侧对称中心的两侧。