[发明专利]直线电机驱动控制的串联活页铰链柔性手爪

说明书

技术领域：

本发明属于机器人、机电一体化的技术领域，涉及一种直线电机驱动控制的串联活页铰链柔性手爪，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场合。

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，需要物流抓取手爪。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。传统工业手爪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。

本发明手爪的柔性手指的特点是：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。

本发明手爪的关键部件是柔性手指，亦称为柔性关节。本发明之前，专利申请(一种多关节柔性机械手，200810023616.5)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、活页铰链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，靠扭弹簧作用，回复到初始伸直状态；②驱动力作用于活页铰链骨架的位置不能调节，抓取物体的通用性不够好；③活页铰链的受力状态不好，人工肌肉输出力相当部分作用于扭弹簧、使之变形，从而减小了柔性关节输出的抓取力，随着活页铰链的角位移越大，花费在扭弹簧变形的力占比越大；④尤其是人工肌肉驱动下，随着活页铰链的角位移越大，角位移的单位增量所需的人工肌肉内腔的压强增量越大，活页铰链越难弯曲，亦即柔性手指活页铰链的角位移-气压的曲线斜率越来越小，甚至气压增大也不能继续产生角位移、反而减小了角位移。

发明内容：

本发明直线电机驱动控制的串联活页铰链柔性手爪，手爪由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，主要由一个串联活页铰链和一个直线电机(又称为线性电机、线性马达、直线马达、直线驱动器)组成；串联活页铰链的铰链心轴上均安装一个扭弹簧，扭弹簧的特性参数和预紧角根据被抓取对象的特点而优化设计出；靠直线电机驱动产生抓持力，此多指手爪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。

本发明克服了上述不足，本发明多指手爪有三个柔性手指，每个柔性手指结构相同，柔性手指采用六杆机构，六杆分别是：驱动杆(直线电机的动子4a、推座3a、导向推杆7a和铰链座9a组成)、带大扭弹簧8a和小扭弹簧11a的串联活页铰链10a的三个活页杆(上活页、中活页、下活页)、长度可调的二力杆(左螺纹铰链杆14a、螺纹套15a、右螺纹铰链杆16a组成)和位置可调的支座杆(压板12a、铰链支座13a组成)。

驱动杆不是旋转运动，而是直线电机的动子4a带动推座3a、导向推杆7a和铰链座9a的直线运动。通过调节二力杆长度，使串联活页铰链的活页长度可以调节；二力杆长度越短，活页长度越短；二力杆长度越短，直线电机行程越短，初始状态时二力杆与串联活页铰链的夹角越大，串联活页铰链的弯曲效果越好。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

如附图1、2所示，本发明多指手爪的一种结构：由三个柔性手指1和一个矩形手掌2组成。一个柔性手指1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1分别被安装在矩形手掌2右侧对称中心的两侧。

如附图3、4所示，本发明多指手爪的另一种结构：由三个柔性手指1和一个六边形手掌3组成。三个柔性手指1分别被安装在六边形手掌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。