一种多关节柔性机械手.pdf

本发明涉及一种多关节柔性机械手，属于机器人、机电一体化的应用技术领域。机械手有三个灵巧手指，三根灵巧手指各自安装在三爪卡盘的三个卡爪上，靠流体驱动膨胀肌肉的作用产生抓持力；每个灵巧手指上均具有单根膨胀肌肉和多个单自由度关节，膨胀肌肉是具有柔顺性的、轴向膨胀型人工肌肉，通过膨胀肌肉与活页铰链骨架或柔性铰骨架装配，设计出由多个单自由度关节构成的灵巧手指；单根膨胀肌肉的柔顺性和多个关节的结构可实现自由度的柔性和抓持力的缓冲性，灵巧手指具有自由度柔性和作用力缓冲性的特点；此机械手应用于易碎的脆性物体，和形状、大小变化的异形物体的抓持。

1.  一种多关节柔性机械手，其特征是：三根灵巧手指(1)分别倾斜地安装在三爪卡盘(3)的卡爪(2)上，每根灵巧手指(1)的抓持作用面上均粘贴有缓冲橡胶(4)。

2.  根据权利要求1所述的灵巧手指(1)，其特征是：灵巧手指(1)的一种结构是采用柔性铰骨架，柔性铰骨架可以是两柔性铰，也可以由更多柔性铰构成；其具体结构是：
膨胀肌肉(13)靠卡箍(12)夹紧在头座(5)和尾座(11)的波纹卡口上，膨胀肌肉(13)、头座(5)和尾座(11)构成的封闭空腔；流体通过接头(10)进入封闭空腔，接头(10)旋在尾座(11)上，中间有密封圈(9)密封；两柔性铰骨架(8)的两端由螺钉固定在头座(5)和尾座(11)上，中间夹有调节块(6)和指骨(7)；膨胀肌肉(13)壁内有环形纬丝(16)、和沿轮廓分布的、与环形纬丝(16)编织在一起的经丝(15)，在膨胀肌肉(13)波纹的波谷处套有刚性箍(14)。

3.  根据权利要求1所述的灵巧手指(1)，其特征是：灵巧手指(1)的另一种结构是采用活页铰链骨架，活页铰链骨架可以是两活页铰链，也可以由更多活页铰链构成；其具体结构是：
膨胀肌肉(13)靠卡箍(12)夹紧在头座(5)和尾座(11)的波纹卡口上，膨胀肌肉(13)、头座(5)和尾座(11)构成的封闭空腔；流体通过接头(10)进入封闭空腔，接头(10)旋在尾座(11)上，中间有密封圈(9)密封；两活页铰链骨架(18)的两端由螺钉固定在头座(5)和尾座(11)上，中间夹有调节块(6)和指骨(7)；膨胀肌肉(13)壁内有环形纬丝(16)、和沿轮廓分布的、与环形纬丝(16)编织在一起的经丝(15)，在膨胀肌肉(13)波纹的波谷处套有刚性箍(14)。

4.  根据权利要求3所述的两活页铰链骨架(18)，其特征是：扭弹簧(17)安装在铰链芯轴(18a)上，扭弹簧(17)位于中间活页(18b)的中部，中间活页(18b)的外侧是边活页(18c)；中间活页(18b)四个角除了用于安装铰链芯轴(18a)的四个圈圆之外，还留有四个凸边，凸边的作用是在铰链伸直状态时，扭弹簧(17)被预紧，铰链不能再顺时针转动。

一种多关节柔性机械手
技术领域：
本发明涉及一种多关节柔性机械手，机械手有三个灵巧手指，每个灵巧手指上均具有单根膨胀肌肉和多个单自由度关节，靠流体驱动膨胀肌肉的作用产生抓持力；此机械手应用于易碎的脆性物体，和形状、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。
背景技术：
抓持机械手应用于易碎的脆性物体(如禽蛋、瓷器)和形状、大小变化的异形物体(如水果、化妆品瓶子)时，需要精确控制位移和抓持力，否则会损坏这些类物品，但因为成本问题，精确控制机械手难以在农业、轻工业等行业广泛应用。为克服精确控制要求和制造成本之间的矛盾，现有的机械手也常采用柔性的结构杆件，靠结构杆件的弹性变形实现自由度的柔性和抓持力的缓冲性；但结构杆件的弹性变形是非线性的大挠度变形，也难以实时的精确计算与控制。
本发明克服了现有机械手实时的精确控制与制造成本的矛盾，利用柔性关节和驱动肌肉的特性，而不是依靠弹性变形的结构杆件，实现对物体形状、大小和抓持力的柔性自适应，采用时间控制或压力控制，以降低机械手结构和控制部分的成本，更好地应用于水果的采摘、分拣和异形物体的抓持。
发明内容：
本发明通过膨胀肌肉与活页铰链骨架或柔性铰骨架装配，由多个单自由度关节构成了灵巧手指；三根灵巧手指各自安装在三爪卡盘的三个卡爪上，形成多关节柔性机械手。
本发明构造的是具有柔顺性的、轴向膨胀型肌肉，膨胀肌肉主体是弹性波纹管，而且在膨胀肌肉壁内，不能伸长的、柔性的经丝和纬丝被编织，从而限制弹性波纹管径向膨胀、而轴向弹性膨胀是不费力的。膨胀肌肉的柔顺性表现为膨胀肌肉在铰链骨架限制下的顺应性变形行为。
本发明的主要解决方案是这样实现的：
如附图1、2所示，三根灵巧手指1分别倾斜地安装在三爪卡盘3的卡爪2上，每根灵巧手指1的抓持作用面上均粘贴有缓冲橡胶4。
如附图3、4、5所示，灵巧手指1的一种结构是采用柔性铰骨架，柔性铰骨架可以是两柔性铰，也可以由更多柔性铰构成；附图3给出的是两柔性铰骨架8的形式。膨胀肌肉13靠卡箍12夹紧在头座5和尾座11的波纹卡口上，膨胀肌肉13、头座5和尾座11构成的封闭空腔；流体通过接头10进入封闭空腔，接头10旋在尾座11上，中间有密封圈9密封；两柔性铰骨架8的两端由螺钉固定在头座5和尾座11上，中间夹有调节块6和指骨7；膨胀肌肉13壁内有环形纬丝16、和沿轮廓分布的、与环形纬丝16编织在一起的经丝15，在膨胀肌肉13波纹的波谷处套有刚性箍14。
如附图6、7所示，两柔性铰骨架8是由弹簧钢制造。
如附图8所示，灵巧手指1的另一种结构是采用活页铰链骨架，活页铰链骨架可以是两活页铰链，也可以由更多活页铰链构成；附图8给出的是两活页铰链骨架18的形式。膨胀肌肉13靠卡箍12夹紧在头座5和尾座11的波纹卡口上，膨胀肌肉13、头座5和尾座11构成的封闭空腔；流体通过接头10进入封闭空腔，接头10旋在尾座11上，中间有密封圈9密封；两活页铰链骨架18的两端由螺钉固定在头座5和尾座11上，中间夹有调节块6和指骨7；同前所述，膨胀肌肉13壁内有环形纬丝16、和沿轮廓分布的、与环形纬丝16编织在一起的经丝15，在膨胀肌肉13波纹的波谷处套有刚性箍14。
如附图9、10所示，两活页铰链骨架18由铰链芯轴18a、中间活页18b、和边活页18c构成。扭弹簧17安装在铰链芯轴18a上，扭弹簧17位于中间活页18b的中部(附图9、10为表示清楚，拆卸了扭弹簧17)，中间活页18b的外侧是边活页18c；中间活页18b四个角除了用于安装铰链芯轴18a的四个圈圆之外，还留有四个凸边；凸边的作用是在铰链伸直状态时，扭弹簧17被预紧，铰链不能再顺时针转动，逆时针转动需要克服扭弹簧17的扭矩。
本发明与已有技术相比具有以下优点：
三爪卡盘的卡爪可以手动调整，适应不同尺寸的物体；每个灵巧手指上均具有单根膨胀肌肉和多个单自由度关节；单根膨胀肌肉的柔顺性和多个关节的结构可实现自由度的柔性和抓持力的缓冲性，因此，灵巧手指具有自由度柔性和作用力缓冲性的特点。利用柔性关节和驱动肌肉的特性，而不是依靠弹性变形的结构杆件，实现对物体形状、大小和抓持力的柔性自适应，采用时间控制或压力控制，以降低机械手结构和控制部分的成本，更好地应用于水果的采摘、分拣和异形物体的抓持。
附图说明：
图1为多关节柔性机械手结构简图的A-A剖视图
图2为多关节柔性机械手结构简图的俯视图
图3为柔性铰骨架灵巧手指的装配图的主视图
图4为柔性铰骨架灵巧手指的装配图的B处局部放大视图
图5为柔性铰骨架灵巧手指的装配图的C-C剖视图
图6为两柔性铰骨架的主视图
图7为两柔性铰骨架的俯视图
图8为活页铰链骨架灵巧手指的装配图
图9为两活页铰链骨架的主视图
图10为两活页铰链骨架的装配图
具体实施方式：
下面为本发明的工作原理及工作过程：
流体通过接头10进入膨胀肌肉13内腔，产生偏心力矩，使两柔性铰骨架8或两活页铰链骨架18在铰接处发生逆时针转动，三根灵巧手指同时弯曲，物体被抓持。灵巧手指的各铰接处的角度变化与抓持力的大小和位置有关，由于膨胀肌肉的柔顺性，产生柔性、自适应地抓持效果。三根灵巧手指的膨胀肌肉13内腔的压力可以相同，采用时间控制；也可以单独调节各灵巧手指的膨胀肌肉13内腔的压力，采用压力控制。