[发明专利]一种基于柔性机构的被动式双稳态夹取装置及其控制方法

说明书

本发明属于夹具设备技术领域，公开了一种基于柔性机构的被动式双稳态夹取装置及其控制方法，所述基于柔性机构的被动式双稳态夹取装置设置有：用以负责整个被动式夹取机构的张开与闭合的柔性双稳态机构组件；在夹取机构的夹取过程中对连接及触发机构和柔性双稳态机构之间的位移进行竖直方向限制的叉式剪切机构限位组件；用以负责提供及传递夹取过程中触发柔性双稳态机构组件工作的触发力的连接及触发机构组件；用以负责夹取过程中更好的贴合夹取物体的表面的柔性鳍条效应组件。本发明采用纯机械结构，由外部环境变化触发夹取机构夹紧物体表面，依靠双稳态机构的自锁特性维持整个夹取机构稳定夹紧，较以往发明更进一步节省能源。

技术领域

本发明属于夹具设备技术领域，尤其涉及一种基于柔性机构的被动式双稳态夹取装置及其控制方法。

背景技术

目前，现有的夹取机构大多采用外置电机进行驱动，通过电机持续消耗能源以达到夹紧物体的目的，整体结构具有较大的结构复杂度、体积与重量。同时，受限于以外置电机为机构运动的驱动力，该类夹取机构在无法提供稳定能源的领域里无法大规模应用。而基于环境触发的纯机械式被动夹取机构，可以使得夹取机构在夹取过程中仅依靠机械结构的变化来为夹取机构提供驱动力，无需额外安装电机，不必持续消耗能源，具有很重要的实用价值。柔性机构是一种依靠机构中的柔性元素来传递运动、力或能量的机构，它不同于传统的柔性杆件，采用大变形柔性杆件替代刚性机构中的传统刚性杆件，其设计的宗旨是积极地利用元件的弹性变形来改善和提高机构的性能。将柔性机构的概念应用于夹取机构的夹爪上可以范围性适应被夹取物表面的不同形状。

双稳态机构是一种具备两种稳定状态的机构，夹取机构在工作过程中具有两种状态，即张开状态和闭合状态。而现有的夹取机构一般仅具有单一稳态，这使得维持另一稳态仍需要消耗能量，例如在夹取机构夹取物体时需要电机持续工作以保持稳定闭合状态。因此，采用双稳态概念应用于夹取机构的设计使得夹取机构能实现自锁的特性以节约能耗。

现有相关的专利：机械手抓取机构(CN202011205218.2)，现有专利方案不仅为主动驱动夹持，且具有多个驱动装置，自由度较多，导致该机构结构复杂且重量较大。同时，夹持模块采用全刚性机构，导致整个夹取机构柔顺性差。该发明为简单夹持机构的模块化，针对性差，并且不具备自锁功能，夹持过程中需要持续消耗能源。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的夹取机构多内置电机驱动模块，在夹取过程中会消耗额外能源；并且在夹取瞬间可能存在的瞬时冲击力。

(2)现有的夹取机构复杂。

解决以上问题及缺陷的难度为：首先，使用被动驱动代替主动驱动难度较大。当夹取装置无法通过外部驱动装置进行夹取时，必须寻找一种替代方式，将抓取装置工作环境中的某种势能转化为激发夹取装置工作的能量。其次，将机械结构简化难度较大。如果实现被动夹取的功能，必须要采用一套复杂的刚性连接将外部环境的某种势能转化为出发夹取装置工作的能量。同时，传统的刚性连接在夹取过程中存在瞬时冲击力，也会对工件造成损坏。因此，针对现有问题，如何满足夹取装置既采用被动夹取并且具有简单机械机构具有较大难度。

解决以上问题及缺陷的意义为：若以上问题及缺陷被解决，则可以极大的提高特种作业的效率。例如，在某些工况下，夹取装置长时间无法得到能源供应，若采用主动夹取方式，则该装置作业时间很大限度受到机器鞋带的能源大小决定。若工作一段时间往返补充能源则工作效率将大大降低。同时，若采用改进后的结构，可以显著降低夹取过冲中的瞬时冲击力，在工作过程中最大程度的保护被夹取物体的安全。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于柔性机构的被动式双稳态夹取装置及其控制方法。本发明采用纯机械结构，由外部环境变化触发夹取机构夹紧物体表面，依靠双稳态机构的自锁特性维持整个夹取机构稳定夹紧，较以往发明更进一步节省能源。