[发明专利]板弹簧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：

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)；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。

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)。

本发明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。

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，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；②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：

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，柔性手指采用柔顺四杆机构，四杆分别是：驱动杆(内导向气缸1a的活塞杆和活塞杆铰链座12a组成)、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)、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)。

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，内导向气缸1a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。

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。

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1a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：