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CN203380900U板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器[caired.com-彩红网3D模型平面素材专利检索网站源码]

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。
CN203380900U板弹簧的自锁增力型柔顺末端抓持器[caired.com-彩红网3D模型平面素材专利检索网站源码]
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:

[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。

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

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