[实用新型]串联柔性铰链的自锁增力型柔顺末端抓持器

说明书

技术领域：

本实用新型涉及串联柔性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)和一个串联柔性铰链组成；串联柔性铰链的构型参数和构型综合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。

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)。

本实用新型末端抓持器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，本实用新型末端抓持器的特点是：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，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、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；②靠柔性铰链的弹性作用，回复到初始伸直状态；③驱动力作用于柔性铰链骨架的方向不能调节，抓取物体的通用性不够好；④柔性铰链的受力状态不好，人工肌肉输出力相当部分作用于柔性铰链、使之变形，从而减小了柔性关节输出的抓取力，随着柔性铰链的变形角度越大，花费在柔性铰链变形的力占比越大；⑤尤其受到的拉应力随人工肌肉内腔压强增大而增大，需要增大柔性铰链截面面积才能满足强度要求，而增大柔性铰链截面积的同时又会使柔性铰链角变形的难度增加，减小了柔性关节输出的抓取力。

发明内容：

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12a组成)、串联柔性铰链4a的三个杆(上杆、中杆、下杆和直线导轨滑槽5a组成的滑动杆)、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11a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6a、铰链支座7a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柔性铰链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串联柔性铰链4a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6a一方面沿导轨滑槽5a滑动，另一方面推动串联柔性铰链4a弯曲；直线导轨的存在使得串联柔性铰链4a不受拉应力，更容易弯曲；抓取段8a接触到被抓物体后，直线导轨滑块6a基本不动，二力杆与导轨滑槽5a的最终夹角逐渐变大。

二力杆与串联柔性铰链4a的夹角越大，使串联柔性铰链4a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，内导向气缸1a不用蓄能保压装置，也能保持安全抓持状态。