一种基于刚性约束的大负载柔性机械手制造技术

本发明专利技术公开了一种基于刚性约束的大负载柔性机械手，包括固定机械手手指的刚性固定架，以及三个柔性机械手手指，每根手指均通过气管与驱动装置相连，柔性机械手采取三爪抓取方案。当给手指施加正压时，由于手指一侧变形被限制应变层限制，所以手指会产生一侧弯曲，三个手指配合完成抓取动作。手指上布置有能够放置刚性约束的凹槽，刚性约束可以更好的限制手指的周向变形。相比于传统的柔性机械手和刚性机械手，本发明专利技术集成了柔性机械手控制简单、制作方便、操作灵活、重量轻和刚性机械手输出力大的优点，可以同时实现灵活抓取和大负载输出，为高安全性和高输出力需求的应用场合提出了一种新的解决方案，在工业抓手领域具有很大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于刚性约束的大负载柔性机械手
本专利技术属于工业抓手
，涉及一种基于刚性约束的大负载柔性机械手，适用于对安全性和负载能力要求较高的应用场合。
技术介绍
由于人工成本的逐年上升和在各种复杂、恶劣环境下的工作需要，为了降低成本，提高工作效率，工业机器人的需求正在逐年上升。在2013年中国的工业机器人销量就已经达到36860台，超越日本成为全球第一大机器人市场。在工业机器人的设计中，大负载的搬运或抓取机械手设计更加复杂，由于会产生较大的变形，整体系统的能耗增大，控制难度也会增加。软体机器人对环境的适应性强，交互安全性高，在医疗、军事、工业等各个领域的应用潜力都不容小觑，软体机器人的研究已经引起了越来越多国内外学者的关注，已经成为一个热门研究领域。软体机器人自身的身体就是一种计算资源，已经将部分功能“编码”在身体中，部分“工作”已经由身体完成，从而使得任务变得容易，降低机器人计算问题和相关控制的复杂性。目前，人们对于软体抓手的研究也有很多，但是由于软体机器人多由超弹性材料制成，拥有无限自由度，整体输出力较小，很难满足实际用于的输出力要求，所以应用范围较小。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于刚性约束的大负载柔性机械手。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种基于刚性约束的大负载柔性机械手，包括固定机械手手指的刚性固定架和三个柔性机械手手指；每根柔性机械手手指上均设置有用于限制单侧材料变形的限制应变层，每根柔性机械手手指均通过气管与气动驱动装置相连，通过向三个柔性机械手手指施加正压，在限制应变层的限制下，柔性机械手手指会产生一侧弯曲，完成抓取动作。本专利技术进一步的改进在于：刚性固定架表面设置有三个用来安装柔性机械手手指的固定点。柔性机械手手指包括弹性材料制成的本体和刚性约束框；本体的表面开设有用于嵌入刚性约束框的凹槽，刚性约束框的截面形状与柔性机械手手指相同。两个柔性机械手手指布置在刚性固定架的一侧，另一个柔性机械手手指布置在对侧；限制应变层均粘贴于柔性机械手手指的内侧表面。限制应变层为不可拉伸的纺织网。柔性机械手手指为梯形结构。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术基于刚性约束的大负载柔性机械手，柔性机械手本体还是采用超弹性材料，保证工作过程中的安全性，控制的灵活性及便捷性，拥有柔性机械手机器人的各项优异的性能，并且重量极轻，制作简单，制作周期短。另外，相比于传统的纤维约束，本专利技术大负载刚柔混合机械手采用刚性约束来限制手指的周向变形，避免了能量流失，大幅度的提高了输出力，为对安全性和负载能力要求较高的应用场合提出了新的解决方案。附图说明图1为基于刚性约束的大负载柔性机械手整体结构示意图；图2为基于刚性约束的大负载柔性机械手俯视图；图3为基于刚性约束的大负载柔性机械手手指结构示意图；图4为基于刚性约束的大负载柔性机械手刚性固定架结构示意图；图5为基于刚性约束的大负载柔性机械手刚性固定约束框结构示意图。其中：1-刚性固定架；2-机械手手指；3-刚性约束框；4-限制应变层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1和2，本专利技术基于刚性约束的大负载柔性机械手，包括用于固定柔性机械手手指的刚性固定架1、三个柔性机械手手指2、刚性约束框3和限制应变层4。当给手指施加正压时，由于手指一侧变形被限制应变层4限制，所以手指会产生一侧弯曲，三个手指配合完成抓取动作。手指上布置有能够放置刚性约束的凹槽，刚性约束可以更好的限制手指的周向变形，保证更大的输出力。柔性机械手手指均为弯曲变形结构，且表面布置有安装刚性约束的凹槽，本体一侧布置用于限制单侧变形的限制应变层；柔性机械手手指表面布置的凹槽中嵌入与手指横截面相同的刚性约束框；柔性机械手手指固定在刚性固定架上，手指根部凸起嵌入至刚性固定架的凹槽中；柔性机械手手指的截面形状为梯形，柔性机械手手指变形所需的气压和产生的输出力与柔性机械手手指的截面形状及外在变形约束有关；柔性机械手手指通过纯弯曲结构实现，每根柔性机械手手指都可以产生弯曲变形，通过控制气压的大小来控制弯曲角度和输出力的大小，完成抓取动作。本专利技术的原理：如图1所示，本专利技术是基于刚性约束优良的截面约束性能而提出的一种大负载柔性机械手，可以用于对于安全性和输出力要求较高的工业场合，解决柔性机械手输出力不足和传统刚性抓手安全性低、控制难度大的问题。本专利技术包括对现有周向约束方式的改进，变形约束的实现方式不在采用双向纤维缠绕，通过将刚性矩形框安装在机械手手指表面的凹槽中实现对于周向膨胀变形的限制，这种约束方式效果更好，手指整体能达到更大的输出力，可以承重重量达到自重的40倍以上。如图2所示，柔性机械手手指的布置方式为两个为一组，剩下一个单独一组，相对布置。如图3所示，柔性机械手手指呈梯形，输出力比矩形更大，手指表面均匀布置凹槽，方便刚性约束嵌入本体中。本专利技术的工作过程：如图1所示，本专利技术利用刚性约束和柔性本体的结合，解决了纯柔性抓手输出力小，典型的刚性抓手灵活性差，安全性低，控制难度大的问题。通过控制输入气压的大小，实现柔性机械手手指弯曲角度和输出力的调整，完成不同的抓取需求，既能实现灵巧抓取，又可以实现大于自身自重几十倍的大负载抓取。通过刚柔混合的设计，整体系统的可控性、灵活性、安全性和力输出性能都得到了很大提高。本专利技术可提供的输出力上限取决于刚性约束框的强度。本专利技术可通过控制外部电压来控制整体结构的刚度变化。本专利技术并不仅仅局限于机械抓手领域的使用，可以在任何需要限制周向变形的场合使用，来提高输出力的大小。以上内容仅为说明本专利技术的技术思想，不能以此限定本专利技术的保护范围，凡是按照本专利技术提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本专利技术权利要求书的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于刚性约束的大负载柔性机械手，其特征在于，包括固定机械手手指的刚性固定架(1)和三个柔性机械手手指(2)；每根柔性机械手手指(2)上均设置有用于限制单侧材料变形的限制应变层(4)，每根柔性机械手手指(2)均通过气管与气动驱动装置相连，通过向三个柔性机械手手指(2)施加正压，在限制应变层(4)的限制下，柔性机械手手指(2)会产生一侧弯曲，完成抓取动作。

【技术特征摘要】
1.一种基于刚性约束的大负载柔性机械手，其特征在于，包括固定机械手手指的刚性固定架(1)和三个柔性机械手手指(2)；每根柔性机械手手指(2)上均设置有用于限制单侧材料变形的限制应变层(4)，每根柔性机械手手指(2)均通过气管与气动驱动装置相连，通过向三个柔性机械手手指(2)施加正压，在限制应变层(4)的限制下，柔性机械手手指(2)会产生一侧弯曲，完成抓取动作。2.根据权利要求1所述的基于刚性约束的大负载柔性机械手，其特征在于，刚性固定架(1)表面设置有三个用来安装柔性机械手手指(2)的固定点。3.根据权利要求1所述的基于刚性约束的大负载柔性机械手，其特征在于，柔性机械手...

【专利技术属性】
技术研发人员：张进华，李宝童，洪军，王韬，李玥，王煜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61