气动柔性关节抓持装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了气动柔性关节抓持装置及其控制方法。抓持装置包括安装件和多个抓持机构；抓持机构包括与安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、第二刚性臂、设于第二刚性臂的软性抓手；第一关节驱动器包括第一连接轴、与第一刚性臂连接的第一刚性壳体、与第二刚性臂连接的第二刚性壳体、第一充气体，第一连接轴连接第一、二刚性臂，第一、二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，第一充气体设于第一或第二刚性壳体内，第一充气体一端与第一或第二刚性臂固接且该端具有第一进气口，第一充气体另一端在充气状态下延伸至与第二或第一刚性臂相抵，以使第二刚性臂相对第一刚性臂运动。本方案的抓持装置具有刚柔耦合、自适应性强、控制简单、抓取力大等优点。抓取力大等优点。抓取力大等优点。

【技术实现步骤摘要】
气动柔性关节抓持装置及其控制方法


[0001]本专利技术涉及机械抓手领域，具体的是一种气动柔性关节抓持装置及其控制方法。

技术介绍

[0002]在工业物流运输过程中，抓取和操控是主要的与环境交互的方式之一。常见的刚性机械抓手具有力臂大，控制精度高的优势，但不适宜抓取不规则、软质易碎品。同时，在工业生产、农业、养殖业、水产市场、航空航天、救援救灾等都需要一种有着很强自适应能力的通用抓取装置，而人机交互环境对安全性的高要求限制了刚性机械抓手的应用。理想的抓手应该能够自适应物体形状，尽可能增大接触面积，自调节抓取力的大小。
[0003]为了实现抓手的自适应抓取，研究者聚焦于各类软材料抓手。此类型抓手全身由软材料组成，虽能够自适应物体形状，但其抓取力、刚度都略显不足，因而负载能力不足。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术中的缺陷，本专利技术实施例提供了一种气动柔性关节抓持装置及其控制方法，其刚性臂将作为力的承载部件，承载上限很高。因此，本实施例的关节驱动器可以加载极大的气压以获得高负载；而抓持装置在抓取物体时，关节驱动器具有一定的自适应调节能力，软性抓手可以对被抓物体进行自适应包裹。
[0005]本申请实施例公开了：一种气动柔性关节抓持装置，包括：安装件和连接于所述安装件上的多个抓持机构；所述抓持机构包括与所述安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、通过所述第一关节驱动器与所述第一刚性臂连接的第二刚性臂、设置于所述第二刚性臂的软性抓手；所述第一关节驱动器包括第一连接轴、与所述第一刚性臂连接的圆弧状第一刚性壳体、与所述第二刚性臂连接的圆弧状第二刚性壳体、第一充气体，所述第一连接轴用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂，所述第一刚性壳体和所述第二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，所述第一充气体套设于所述第一刚性壳体或所述第二刚性壳体内，所述第一充气体的一端与所述第一刚性臂或所述第二刚性臂固定连接且该端具有第一进气口，所述第一充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第二刚性臂或所述第一刚性臂相抵，从而使得所述第二刚性臂相对于所述第一刚性臂运动。
[0006]具体地，所述第一关节驱动器还包括用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂的第一弹性连接件。
[0007]具体地，所述第一充气体具有所述第一进气口的一端与所述第一刚性臂连接，所述第一刚性臂设有用于与所述第一进气口连通的第一气道。
[0008]具体地，所述抓持机构还包括设置于所述第二刚性臂和所述软性抓手之间的第三刚性臂、用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二关节驱动器，所述软性抓手设置于所述第三刚性臂远离所述第二关节驱动器的一端。
[0009]具体地，所述第二关节驱动器包括第二连接轴、与所述第二刚性臂连接的圆弧状的第三刚性壳体、与所述第三刚性臂连接的圆弧状的第四刚性壳体、第二充气体，所述第二
连接轴用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂，所述第三刚性壳体和所述第四刚性壳体相互套设且同轴设置，所述第二充气体套设于所述第三刚性壳体或所述第四刚性壳体内，所述第二充气体的一端与所述第二刚性臂或所述第三刚性臂固定连接且该端具有第二进气口，所述第二充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第三刚性臂或所述第二刚性臂相抵，以使得所述第三刚性臂相对于所述第二刚性臂运动。
[0010]具体地，所述第二关节驱动器还包括用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二弹性连接件。
[0011]具体地，所述第二充气体具有所述第二进气口的一端与所述第二刚性臂连接，所述第二刚性臂上设有与所述第二进气口连通的第二气道。
[0012]具体地，所述软性抓手为硅胶气囊，所述硅胶气囊具有第三进气口，所述第三刚性臂具有与所述第三进气口连通的第三气道。
[0013]本申请实施例还公开了：一种如本实施例所述的气动柔性关节抓持装置的控制方法，包括如下步骤：
[0014]以一对抓持机构为模型，在抓持机构上取第一连接轴的轴心为点A、第二连接轴的轴心为点B、软性抓手抓取物体时力的作用点为点C、拉伸弹簧与第二刚性臂的连接处为点D，构建软性抓手的理论力学模型，所述理论力学模型如下：
[0015][0016][0017]式中，F1为第一充气体对第二刚性臂的作用力；F2为第二充气体对第二刚性臂和第三刚性臂的作用力；α为第三刚性臂与第二刚性臂的夹角；β为第一刚性臂与第二刚性臂的夹角；δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角；γ为拉伸弹簧与第一刚性臂的夹角；L8为两个抓持机构固定位置间距；L9为被抓物体的尺寸；L7为第三刚性臂的臂长；L6为F2在第三刚性臂的作用点与点C之间的距离；L5为第二刚性臂的臂长；L4为力F2在第二刚性臂的作用点与点A的距离；L3为点A和点D之间的距离；L2为力F1在第二刚性臂的作用点与点A的距离；M3为扭簧的扭力；Fx4为软性抓手受到物体的正压力；Fy4为第三刚性臂受到被抓物体的摩擦力；F
s
为拉伸弹簧的拉力；
[0018]采集被抓物体的尺寸、重量和摩擦系数并代入所述理论力学模型，以计算出F1、F2，其中，通过被抓物体的重量和摩擦系数可以获得理论力学模型中的Fx4，将F1、F2分别代入如下公式中，从而计算出第一充气体或第二充气体所需要输入的气压P：
[0019][0020]式中，F为F1或F2，L为第一充气体或第二充气体的受力中心到转矩的距离，θ为膨胀转角，K为厚度为1.5mm的硅胶单位面积拉伸产生的拉力；L
i
为内壁面距转动中心距离，L
o
为外壁面距转动中心距离；H为第一充气体或第二充气体的环宽，H
b
为第一充气体或第二充气体的壁厚；D为第一充气体或第二充气体的宽度。
[0021]具体地，所述理论力学模型中，
[0022][0023][0024]式中，L8为两个抓持机构固定位置间距，L9为被抓物体的尺寸，L7为第三刚性臂的臂长，L5为第二刚性臂的臂长，δ为被抓物体的被夹持面与第一刚性臂的夹角。
[0025]本专利技术至少具有如下有益效果：
[0026]1.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其关节驱动器采用刚性外壳包裹充气体的方式，理论上，在保证了刚性外壳对充气体的包裹密封性的情况下，充气体内气压可以达到的极限值仅与刚性外壳的结构强度以及外壳的密封性相关，在受力方面，刚性臂将作为力的承载部件，承载上限很高。因此，本实施例的关节驱动器可以加载极大的气压以获得高负载；而抓持装置在抓取物体时，关节驱动器具有一定的自适应调节能力，软性抓手可以对被抓物体进行自适应包裹；本实施例所提出的抓持装置充分发挥了柔性材料强大的膨胀力以及软体封闭结构良好的受力特性和刚性结构优良的力学性能，形成了类似手指的经典指状构造，从而具有优秀的负载能力和控制性能。
[0027]2.本实施例的气动柔性关节抓持装置，其结构和控制方法较为简单。
[0028]3.通过本实施例的理论力学模型所计算出的软性抓手对物体的压力与实际测试的压力相比，结果较为接近本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气动柔性关节抓持装置，其特征在于，包括：安装件和连接于所述安装件上的多个抓持机构；所述抓持机构包括与所述安装件连接的第一刚性臂、第一关节驱动器、通过所述第一关节驱动器与所述第一刚性臂连接的第二刚性臂、设置于所述第二刚性臂的软性抓手；所述第一关节驱动器包括第一连接轴、与所述第一刚性臂连接的圆弧状第一刚性壳体、与所述第二刚性臂连接的圆弧状第二刚性壳体、第一充气体，所述第一连接轴用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂，所述第一刚性壳体和所述第二刚性壳体相互套设且呈同轴设置，所述第一充气体套设于所述第一刚性壳体或所述第二刚性壳体内，所述第一充气体的一端与所述第一刚性臂或所述第二刚性臂固定连接且该端具有第一进气口，所述第一充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第二刚性臂或所述第一刚性臂相抵，从而使得所述第二刚性臂相对于所述第一刚性臂运动。2.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第一关节驱动器还包括用于连接所述第一刚性臂和所述第二刚性臂的第一弹性连接件。3.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第一充气体具有所述第一进气口的一端与所述第一刚性臂连接，所述第一刚性臂设有用于与所述第一进气口连通的第一气道。4.根据权利要求1所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述抓持机构还包括设置于所述第二刚性臂和所述软性抓手之间的第三刚性臂、用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二关节驱动器，所述软性抓手设置于所述第三刚性臂远离所述第二关节驱动器的一端。5.根据权利要求4所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二关节驱动器包括第二连接轴、与所述第二刚性臂连接的圆弧状的第三刚性壳体、与所述第三刚性臂连接的圆弧状的第四刚性壳体、第二充气体，所述第二连接轴用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂，所述第三刚性壳体和所述第四刚性壳体相互套设且同轴设置，所述第二充气体套设于所述第三刚性壳体或所述第四刚性壳体内，所述第二充气体的一端与所述第二刚性臂或所述第三刚性臂固定连接且该端具有第二进气口，所述第二充气体的另一端能在充气状态下延伸至与所述第三刚性臂或所述第二刚性臂相抵，以使得所述第三刚性臂相对于所述第二刚性臂运动。6.根据权利要求5所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二关节驱动器还包括用于连接所述第二刚性臂和所述第三刚性臂的第二弹性连接件。7.根据权利要求5所述的气动柔性关节抓持装置，其特征在于，所述第二充气体具有所述第二进气口的一端与所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋全胜，马鸣，王皓辰，沈晔湖，牛福洲，朱其新，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：