[发明专利]一种智能夹持装置及其主动控制方法

说明书

本发明提出一种智能夹持装置及其主动控制方法，智能夹持装置夹持爪的刚度可根据接触点变形而进行控制，利用压电控制MFC‑梁模型从而实现了夹持爪的刚度的可设计性。该装置在夹持过程中，可以智能调节夹持力的大小，实现平缓夹持住被夹物体。该装置可以根据实际需求，灵活设计夹持力变化曲线。本装置还可以根据被夹物体的尺寸，可以设计外侧旋转环的直径及内侧夹持爪的长度，实现对不同尺寸被夹物体的平缓夹持。

技术领域

本发明属于机电工程领域，涉及到结构力学原理和自动控制原理。

背景技术

现有的夹持装置一般采用机械式连接，夹持爪刚度是固定的，夹持力与夹持点的变形为线性关系，不能实现夹持力的平缓施加，特别是夹持脆性物体时容易导致物体损坏。而且现有的夹持装置通常是针对特定尺寸的被夹对象设计的，无法考虑到夹持对象几何外形的不确定性，适用性较差。

发明内容

为解决上述两类技术问题，本发明提出了一种智能夹持装置及其主动控制方法，能够实现夹持力智能调节、夹持尺寸范围大的目的。

如图1所示，智能夹持装置由以角速度ω转动的外侧旋转环、三个贴有MFC(Macro-fiber composite)压电片的内侧夹持爪组成，向不同的方向旋转外侧旋转环可实现对被夹物体的抓紧和松开。通过控制施加在MFC压电片的控制电压来实时改变夹持爪的刚度，从而可以在抓紧被夹物体时实现夹持力的平缓施加。

以图1所示夹持圆柱状物体为例来说明夹持原理。每个贴有MFC压电片的夹持爪可以简化为悬臂的MFC-梁模型，如图2所示。图中A点为夹持爪与旋转轴的接触点，p点为被夹物体与夹持爪接触点，梁模型的长、宽和高分别为L、b和h，p点到 A的距离为l_p，被夹物体直径为φ_p，p点处MFC-梁模型的变形和作用力分别为w_g和F_g。

采用线性压电守恒方程(参考论文Zhang S Q,Li Y X,Schmidt R.,Modeling andsimulation of macro-fiber composite layered smart structures,CompositeStructures,126 (2015)89–100)和线性梁假设来建立MFC-梁模型的运动控制方程，本发明核心是被夹物体与夹持爪接触点(p点)处夹持力，夹持力取决于夹持爪的刚度、接触点处变形和施加在MFC压电片的电压。p点处变形的控制方程可表示如下：

其中，m表示等效质量，c表示等效阻尼，F_r(w)表示梁的等效恢复力，F_m表示外部作用力，F_MFC表示MFC压电片的等效作用力。

基于欧拉-伯努利梁理论，梁的等效恢复力可以表示为变形的线性函数，即

F_r(w)＝k_lw (2)

其中，k_l表示等效刚度。而p点处MFC压电片的等效作用力也可以表示为电压(V)的线性函数，即

F_MFC＝k_lk_MFCV (3)

其中，k_MFC表示MFC压电片的变形-电压系数。

为保证夹持过程中能够实现对被夹物体的平缓抓紧，要求MFC-梁模型在p点处的等效夹持力F_t(w)-变形w_g关系曲线具有可设计性，可以表示为：

F_t(w)＝k_l(w-k_MFCV) (4)

则方程(1)可以重新写为