一种变刚度柔顺抓取装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种变刚度柔顺抓取装置，包括滑动设置在直线导轨上的两个滑块，滑块由一个开合运动电机驱动并能作相对靠近和远离运动。每个滑块通过变刚度柔性并联机构连接有一个用于抓取作业的夹爪，变刚度柔性并联机构由一个刚度调整电机驱动以调整其刚度。在工作状态，通过开合运动电机驱动，控制夹爪在开合运动方向上的平行夹持位移；通过刚度调整电机驱动，控制夹爪在开合运动上的夹持刚度。本发明专利技术能够连续地改变其开合运动方向上的夹持刚度，适应对不同形状、不同质量物体的夹持作业，可以作为机器人的末端执行器，尤其适用于在非结构化环境里的操作作业、精密装配等领域。

A variable stiffness compliant grasping device

The invention discloses a flexible grasping device with variable stiffness, including two sliders sliding on a linear guide, which are driven by an open-close motion motor and can move relatively close and far away. Each slider is connected by a flexible parallel mechanism with variable stiffness to a gripper for grasping operation. The flexible parallel mechanism with variable stiffness is driven by a stiffness adjusting motor to adjust its stiffness. In the working state, the clamping displacement of the gripper in the direction of the opening and closing motion is controlled by the opening and closing motor drive, and the clamping rigidity of the gripper in the opening and closing motion is controlled by adjusting the stiffness of the motor drive. The invention can continuously change the clamping stiffness in the direction of opening and closing motion, adapt to the clamping operation for different shapes and different mass objects, and can be used as the end effector of the robot, especially suitable for the operation in unstructured environment, precision assembly and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种变刚度柔顺抓取装置
本专利技术涉及用于机器人领域的末端执行装置，具体涉及一种变刚度柔顺抓取装置。
技术介绍
近年来，越来越多的机器人与人一起出现在工厂的车间里进行工作，这也就是所谓的“人机协作”场景；然而，在这过程当中，人、机器人及外界非结构化环境之间必然要发生不可避免的碰撞，因此，安全性将成为下一代机器人的重要性能指标。由于机器人末端执行器是机器人与人及外界对象直接接触的唯一接口，因此，着重考虑机器人末端执行器这个关键零部件的安全性至关重要。从执行抓取及装配任务的角度来说，机器人末端执行器主要分为刚性夹持器、柔性夹持器、软体夹持器及多指灵巧手四大类。传统的刚性夹持器主要以能够夹持住物体为目的，从而限制其所夹持对象的属性只能为硬质物体。虽然著名夹具公司SCHUNK雄克已经商业化地生产了一系列刚性夹持器，同样可以执行复杂地抓取工作及用于人机协作，但是其精密的驱动技术及昂贵的传感器等感知元件在很大程度上导致了其性价比往往较低。柔性夹持器是一类基于柔性机构的夹持器，在前期的科学研究过程中，由于柔性机构的变形小、精度高及一体化设计无摩擦、无装配问题等优点，其往往被设计成微型夹持器用于需要精密操作、精密装配的手术及半导体行业领域。虽然其通过巧妙的结构设计可以实现变刚度功能，然而基于单根柔性机构支链构型的夹持器在夹持作业过程中，存在疲劳寿命低、夹持力小、不能够完成平行夹持作业操作的缺点，还有当其在非结构化环境下进行夹持作业时，易受到外界干扰，不能够保证其夹持作业过程中夹爪的稳定性，从而造成其系统稳定性及流畅性差的问题。软体夹持器在目前的学术领域可谓是炙手可热的焦点，如：基于Jamming原理、基于SMA、SMP驱动原理的一系列软体抓手等，它们之所以受到更多学者的关注，既因为其属于前沿的软体机器人领域，也由于3D打印、智能材料驱动等新一代科学技术的突破让其拥有制造成本低、无噪音、可变刚度、可编程控制等优点，然而由于其灵活的自由度及材料刚度的限制，其在抓持过程中的稳定性及抓持精度受到了一定的影响，同时其变刚度响应速度往往很慢且变刚度范围较小，这同样限制了其对被抓持物体的自适应能力。根据驱动方式，灵巧手主要分为全驱动灵巧手及欠驱动灵巧手，全驱动灵巧手最成功的商业化产品是英国机器人公司的Shadow机器人灵巧手，但是由于其结构复杂，从而造成其系统复杂且体积往往庞大，从而造成其制造成本昂贵；欠驱动灵巧手最成功的的商业化产品是加拿大Robotiq公司的机器人抓手，虽然其巧妙的驱动结构，这大大地提高了其自适应能力，然而对于这样一个欠驱动系统的末端执行器机构，它的静力学及动力学问题目前亟需解决，同时其制造成本相比于夹持器来说，仍然有点昂贵。综上所述，鉴于在非结构化环境里的抓持作业及精密装配领域的操作作业，具有力控功能的夹持器迫切需要，其既能保证在夹持作业过程中的安全性，又能通过其柔顺性及灵活性的特性保证夹持作业的成功率。但是具有复杂及高精密感知元件的刚性夹持器往往制造成本昂贵，性价比低下且作业效率低；柔性夹持器类末端执行器虽然既具有柔性机构的优点，也可以通过巧妙地设计来实现其变刚度的功能，但是由于其基于单根柔性机构支链的构型在夹持物体的过程中所存在的寄生运动而引起的侧向屈曲不稳定问题依然存在，同时其无法保证在夹持作业过程中始终平行夹持物体，这种现象对于某些高精密操作作业任务来说往往降低其成功率，另外其还存在系统稳定性及流畅度问题；软体夹持器类末端执行器虽然其制造简单、成本低，但是对于精密装配及需要较大抓取力等领域说，其抓持过程中的动态稳定性、抓持精度、及最大夹持力往往不能满足这些高精密的任务要求；而多指灵巧手类末端执行器，由于其系统的复杂性，其成本往往很高，而且其丰富的自由度及灵活性，对于很多夹持任务来说实际上并不需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种变刚度柔顺抓取装置，通过关于X轴、Y轴、Z轴三维对称式设计柔性并联机构的方法，不仅能够保证其开合运动方向上的双向平行夹持作业，适应对不同尺寸物体的夹持作业；而且能够连续地改变其开合运动方向上的夹持刚度，且同时通过自身结构的对称性设计约束，消除其在刚度调整过程中不被期望方向上的寄生运动的发生，以适应对不同形状、不同质量物体的夹持作业。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变刚度柔顺抓取装置，包括滑动设置在直线导轨上的两个滑块，滑块由一个开合运动电机驱动并能作相对靠近和远离运动。每个滑块通过变刚度柔性并联机构连接有一个用于抓取作业的夹爪，变刚度柔性并联机构由一个刚度调整电机驱动以调整其刚度。工作状态时，通过开合运动电机驱动，控制夹爪在开合运动方向上的平行夹持位移；通过刚度调整电机驱动，控制夹爪在开合运动上的夹持刚度。上述的变刚度柔性并联机构包括设于每个滑块与夹爪之间的四根相同且平行的柔性机构支链，各个柔性机构支链呈正方形构型排列布置，每两根相邻的柔性机构支链的布置角度关于其中间垂直于滑块的平面呈现镜面对称分布。这解决了在不同刚度状态下基于单根柔性机构支链构型的侧向屈曲问题，保证了变刚度柔性并联机构在任意刚度状态下的稳定性，同时保证了其夹持过程中平行夹持作业的工作状态。上述的刚度调整电机通过齿轮传动机构调整各个柔性机构支链的分布角度以调整变刚度柔性并联机构的刚度状态。每根上述的柔性机构支链分别由串联的柔性万向节、片簧柔性关节、中间刚性连杆、片簧柔性关节、柔性万向节组成，齿轮传动机构调整片簧柔性关节的分布角度。上述的齿轮传动机构包括与每一根柔性机构支链同轴转动的小齿轮，每两个相邻小齿轮的转动方向相反。上述滑块上其中的一个小齿轮是由两个同轴齿轮构成的双联齿轮，双联齿轮与刚度调整电机驱动的蜗轮同轴固定连接，并且双联齿轮分别与邻近的小齿轮啮合。双联齿轮再分别同时与邻近的小齿轮进行传动，从而保证四根传动轴上的小齿轮在排列布置位置时上下错开，以形成一个开环传动，从而避免了刚度调整操作传动环节中齿轮间的相互干涉问题。上述的刚度调整电机通过刚度调整传动同步带轮和刚度调整传动同步带驱动一个花键轴转动，花键轴上设有能轴向自由滑动的左旋蜗杆和右旋蜗杆，左旋蜗杆和右旋蜗杆通过花键与花键轴同步转动。左旋蜗杆与左侧滑块上的左旋蜗轮相配合。右旋蜗杆与右侧滑块上的右旋蜗轮相配合。上述的直线导轨一侧设有开合运动电机驱动旋转的右旋丝杠和左旋丝杠，右旋丝杠和左旋丝杠分别与滑块上的螺母进行螺旋配合。上述的右旋丝杠和左旋丝杠同轴连接。开合运动电机通过开合运动传动同步带轮和开合运动传动同步带驱动右旋丝杠和左旋丝杠同步转动。当每根柔性机构支链转动0°时，左右两个夹爪处于最低刚度状态，当每根柔性机构支链转动90°时，左右两个夹爪处于最大刚度状态。要夹持易碎、轻质物品时，宜采用小刚度状态进行夹持，而当要夹持硬质、较大型物体时，宜采用大刚度状态进行夹持。与现有的相同变刚度原理技术相比，本专利技术通过双平行四边形柔性并联机构的三维对称式构型设计，保证了其夹爪在夹持运动过程中能够平行夹持作业；通过四根相同且平行的柔性机构支链的平衡约束，消除了其在刚度调整过程中不被期望方向上寄生运动的发生，解决了基于单根柔性机构支链夹持器的侧向屈曲不稳定性问题；通过将单根柔性机构支链的两端设计成对称式柔性万向节，解决了刚度调整过程中两根传动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：包括滑动设置在直线导轨(6)上的两个滑块(5)，所述的滑块(5)由一个开合运动电机(22)驱动并能作相对靠近和远离运动；每个所述的滑块(5)通过变刚度柔性并联机构连接有一个用于抓取作业的夹爪(15，)所述的变刚度柔性并联机构由一个刚度调整电机(21)驱动以调整其刚度。

【技术特征摘要】
1.一种变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：包括滑动设置在直线导轨(6)上的两个滑块(5)，所述的滑块(5)由一个开合运动电机(22)驱动并能作相对靠近和远离运动；每个所述的滑块(5)通过变刚度柔性并联机构连接有一个用于抓取作业的夹爪(15，)所述的变刚度柔性并联机构由一个刚度调整电机(21)驱动以调整其刚度。2.根据权利要求1所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：所述的变刚度柔性并联机构包括设于每个滑块(5)与夹爪(15)之间的四根相同且平行的柔性机构支链，各个柔性机构支链呈正方形构型排列布置，每两根相邻的柔性机构支链的布置角度关于其中间垂直于滑块(5)的平面呈现镜面对称分布。3.根据权利要求2所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：所述的刚度调整电机(21)通过齿轮传动机构调整各个柔性机构支链的分布角度以调整变刚度柔性并联机构的刚度状态。4.根据权利要求3所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：每根所述的柔性机构支链分别由串联的柔性万向节(11、12、13、14)、片簧柔性关节(7、8、9、10)、中间刚性连杆、片簧柔性关节(7、8、9、10)、柔性万向节(11、12、13、14)组成，所述的齿轮传动机构调整片簧柔性关节(7、8、9、10)的分布角度。5.根据权利要求4所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：所述的齿轮传动机构包括与每一根柔性机构支链同轴转动的小齿轮(4)，每两个相邻小齿轮(4)的转动方向相反。6.根据权利要求5所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：所述滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨桂林，李建钢，王慰军，方灶军，陈庆盈，张驰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33