彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)串聯(lián)板彈簧骨架機(jī)械手的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)串聯(lián)板彈簧骨架機(jī)械手，此機(jī)械手由一個(gè)手掌和二個(gè)柔性手指，或一個(gè)手掌和三個(gè)柔性手指組成。每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同，主要由一個(gè)彈性波紋管單作用氣缸和一個(gè)串聯(lián)板彈簧組成；串聯(lián)的各板彈簧的尺寸根據(jù)被抓取對(duì)象的特點(diǎn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)的；機(jī)械手靠彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生抓持力。此機(jī)械手應(yīng)用于易碎的脆性物體，或形狀、大小變化的異形物體的抓持，屬于機(jī)器人、機(jī)電一體化的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；與機(jī)器人本體聯(lián)接，尤其適用于食品、農(nóng)產(chǎn)品、輕工產(chǎn)品的抓取、分揀和包裝等生產(chǎn)和物流領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]針對(duì)輕工和食品行業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)狀況，為滿(mǎn)足形狀復(fù)雜、物性多樣的原材料、半成品、成品的物流和包裝的需要，為解決簡(jiǎn)單勞動(dòng)的用工成本高、勞動(dòng)條件差等問(wèn)題，需要物流抓取機(jī)械手。就抓取的復(fù)雜對(duì)象的種類(lèi):①易變形的軟性物體(面包、軟包裝物品)；②易碎的脆性物體(禽蛋、玻璃陶瓷制品)形狀不規(guī)則的、大小差別大的物體(瓜果、蔬菜)異形的、位置狀態(tài)混亂且難理順的物體(酒瓶、化妝品瓶)；從上可見(jiàn)，復(fù)雜對(duì)象的材料性質(zhì)、形狀尺寸及位置狀態(tài)的差別較大。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手為夾鉗式或平行移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，只能抓取形狀大小相同、位置狀態(tài)一致、不會(huì)破損的剛性工件。仿人靈巧手需要感知復(fù)雜對(duì)象的空間位置和形狀，需要精確控制運(yùn)動(dòng)和抓取力，否則會(huì)損壞復(fù)雜對(duì)象或不能可靠抓取，但目前仿人靈巧手尚處在實(shí)驗(yàn)室研宄階段，且成本高、對(duì)使用環(huán)境要求高。
[0003]本發(fā)明彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)串聯(lián)板彈簧骨架機(jī)械手的特點(diǎn)是:對(duì)外載荷具有良好的柔性自由度和緩沖性能，因此抓取復(fù)雜對(duì)象時(shí)，柔性自適應(yīng)性好；同時(shí)，由于沒(méi)有氣缸活塞和活塞桿上橡膠密封的摩擦力，彈性波紋管單作用氣缸運(yùn)行平穩(wěn)、反應(yīng)靈敏。
[0004]本發(fā)明機(jī)械手的關(guān)鍵部件是柔性手指，亦稱(chēng)為柔性關(guān)節(jié)。本發(fā)明之前，專(zhuān)利申請(qǐng)(一種氣動(dòng)剛性可調(diào)的雙柔性多指手爪，201310123160.0)是一種采用氣缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，其缺點(diǎn)是:①由于存在氣缸活塞和活塞桿上橡膠密封的這兩個(gè)滑動(dòng)摩擦力，其動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差較大，且滑動(dòng)摩擦力大小還與活塞桿的受力狀況相關(guān)，摩擦力變化大，因此三個(gè)手指氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的同步性控制較復(fù)雜，位置伺服控制難度大；②未考慮板彈簧剛度與應(yīng)力的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，僅采用單個(gè)的等截面板彈簧，等截面板彈簧的柔性差；③機(jī)械手柔性手指是垂直安裝，僅僅適用于“指尖接觸”的捏取抓取方式，不能采用“手指和手掌多處接觸”的包絡(luò)抓取方式，應(yīng)用范圍較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明克服了上述不足，本發(fā)明機(jī)械手有二個(gè)柔性手指或三個(gè)柔性手指，每個(gè)柔性手指結(jié)構(gòu)相同。原理上柔性手指骨架為厚板彈簧4、剛性的螺紋板5、薄板彈簧7形成的串聯(lián)板彈簧柔性骨架，根據(jù)具體類(lèi)型復(fù)雜對(duì)象特點(diǎn)設(shè)計(jì)的厚板彈簧4、薄板彈簧7的形狀與尺寸，鉸鏈座9在薄板彈簧7上的安裝位置可調(diào)，形成了適應(yīng)具體類(lèi)型復(fù)雜對(duì)象的柔性自由度。
[0006]本發(fā)明的主要解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明機(jī)械手的一種結(jié)構(gòu)如附圖1、2所示，由二個(gè)相同的柔性手指和一個(gè)手掌盤(pán)I組成，二個(gè)相同的柔性手指左右對(duì)稱(chēng)地安裝在手掌盤(pán)I的導(dǎo)向槽中，靠手掌盤(pán)I上的中心孔定位中心距。柔性手指由指根2、彎板3、厚板彈簧4、螺紋板5、壓塊6、薄板彈簧7、壓板8、鉸鏈座9、二力桿10、彈性波紋管單作用氣缸11組成。本發(fā)明機(jī)械手的特征是:指根2在手掌盤(pán)I的導(dǎo)向槽中導(dǎo)向，螺釘穿過(guò)指根2上的腰形槽，將指根2固定在手掌盤(pán)I上，指根2上的腰形槽可以調(diào)節(jié)柔性手指的中心距，螺釘將厚板彈簧4夾緊在彎板3和指根2之間；兩個(gè)壓塊6分別將厚板彈簧4和薄板彈簧7夾緊在螺紋板5，厚板彈簧4和薄板彈簧7在螺紋板5夾緊處均勻腰形槽，便于調(diào)節(jié)厚板彈簧4和薄板彈簧7的實(shí)際工作長(zhǎng)度；壓板8上有四個(gè)螺釘?shù)穆菁y孔，用四個(gè)螺釘穿過(guò)鉸鏈座9將薄板彈簧7緊固定在壓板8上，薄板彈簧7沒(méi)有孔，便于調(diào)節(jié)鉸鏈座9在薄板彈簧7上的安裝位置，薄板彈簧7最下端形狀是曲面；二力桿10的兩端均為鉸鏈，分別與鉸鏈座9和彈性波紋管單作用氣缸11上的鉸鏈支座Ila形成鉸鏈聯(lián)結(jié)。
[0008]本發(fā)明機(jī)械手的另一種結(jié)構(gòu)如附圖3所示，由三個(gè)相同的柔性手指和一個(gè)手掌盤(pán)I組成，三個(gè)相同的柔性手指120°均布地安裝在手掌盤(pán)I的導(dǎo)向槽中，靠手掌盤(pán)I上的中心孔定位中心距。柔性手指的結(jié)構(gòu)與前面所述完全相同，由指根2、彎板3、厚板彈簧4、螺紋板5、壓塊6、薄板彈簧7、壓板8、鉸鏈座9、二力桿10、彈性波紋管單作用氣缸11組成。
[0009]如附圖4-6所示，彈性波紋管單作用氣缸11由底蓋la、橡膠墊2a、氣缸座3a、卡箍4a、彈性波紋管5a、導(dǎo)套6a、直線軸承7a、螺紋蓋8a、導(dǎo)桿9a、導(dǎo)桿座10a、鉸鏈支座11a、壓縮彈簧12a、尼龍調(diào)節(jié)片13a、彈簧蓋14a、內(nèi)六角螺釘15a、密封圈16a、直角管接頭17a、環(huán)狀瑋絲18a、經(jīng)絲19a組成。其特征是:底蓋la、橡膠墊2a、氣缸座3a通過(guò)螺釘固定在一起，導(dǎo)套6a上端的法蘭被氣缸座3a壓緊在橡膠墊2a上，導(dǎo)套6a法蘭下面的圓柱與氣缸座3a的最小孔間隙配合，保證導(dǎo)套6a與氣缸座3a的同軸度；橡膠的彈性波紋管5a用卡箍4a固定在氣缸座3a和導(dǎo)桿座1a上；為導(dǎo)桿9a導(dǎo)向的直線軸承7a安裝在導(dǎo)套6a內(nèi)，螺紋蓋8a旋在導(dǎo)套6a，軸向固定直線軸承7a ;導(dǎo)桿9a安裝在導(dǎo)桿座1a上，壓縮彈簧12a在導(dǎo)套6a內(nèi)，內(nèi)六角螺釘15a將尼龍調(diào)節(jié)片13a和彈簧蓋14a固定在導(dǎo)桿9a，彈簧蓋14a壓著壓縮彈簧12a，更換不同厚度的尼龍調(diào)節(jié)片13a，可以調(diào)節(jié)壓縮彈簧12a的預(yù)緊力，并可調(diào)節(jié)彈性波紋管單作用氣缸11的行程；鉸鏈支座Ila安裝在導(dǎo)桿座1a的對(duì)稱(chēng)中心上，調(diào)整彈性波紋管5a在導(dǎo)桿座1a上的相位角，保證鉸鏈支座Ila與鉸鏈座9、二力桿10共在一個(gè)平面上；直角管接頭17a螺紋安裝在氣缸座3a上，直角管接頭17a螺紋和氣缸座3a之間有密封圈16a ;橡膠的彈性波紋管5a內(nèi)有起加強(qiáng)作用的環(huán)狀瑋絲18a，及沿著彈性波紋管5a軸向輪廓分布、且與環(huán)狀瑋絲18a纏繞的經(jīng)絲19a。
[0010]如附圖7、8所示，手掌盤(pán)I上有四個(gè)導(dǎo)向槽，左邊的導(dǎo)向槽與右邊的導(dǎo)向槽左右對(duì)稱(chēng)，左邊的導(dǎo)向槽與右邊的上下二個(gè)導(dǎo)向槽120°均布，四個(gè)導(dǎo)向槽上有四個(gè)螺紋孔，四個(gè)螺紋孔的中心距相同。
[0011]如附圖9、10所示，厚板彈簧4的形狀從上到下依次為矩形、梯形和矩形，即厚板彈簧4中間梯形部分為變寬度。
[0012]如附圖11、12所示，薄板彈簧7的形狀從上到下依次為矩形、梯形、矩形和梯形，即薄板彈簧7的兩段梯形部分為變寬度，且薄板彈簧7的最下端形狀是曲面。
[0013]本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](I)考慮各個(gè)板彈簧剛度與應(yīng)力的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，串聯(lián)了兩個(gè)厚度不同的、變寬度的板彈簧，串聯(lián)板彈簧骨架的柔性好，且機(jī)械手串聯(lián)板彈簧骨架是斜向安裝；因此不僅適用于“指尖接觸”的捏取抓取方式(用于輕的抓取對(duì)象)，也能適用于“手指和手掌多處接觸”的包絡(luò)抓取方式(用于重的或易變形的抓取對(duì)象)，應(yīng)用范圍較大，抓取可靠性高。
[0015](2)彈性波紋管單作用氣缸11沒(méi)有橡膠密封產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，且采用直線軸承的滾動(dòng)摩擦的導(dǎo)向形式；因此能耗小、反應(yīng)快，無(wú)低速爬行現(xiàn)象，三個(gè)手指氣缸活塞運(yùn)動(dòng)的同步性控制較簡(jiǎn)單，手指位置和抓取力的伺服控制難度小。
[0016](3)彈性波紋管單作用氣缸11的橡膠波紋管僅僅軸向膨脹，受力均勻，壽命長(zhǎng)；彈性波紋管單作用氣缸11的橡膠波紋管和卡箍即使脫開(kāi)，還套在導(dǎo)套6a和導(dǎo)桿9a上，因此結(jié)構(gòu)安全可靠；同時(shí)，彈性波紋管單作用氣缸11還具有重量輕的顯著特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
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[0017]圖1為彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)串聯(lián)板彈簧骨架機(jī)械手的主視圖
[0018]圖2為彈性波紋管單作用氣缸驅(qū)動(dòng)串聯(lián)板彈簧骨架機(jī)械手二手指安裝的俯視圖
[0019]圖3為彈性波