一种构型可变的气动自适应机械手及其使用方法与流程

1.本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种构型可变的气动自适应机械手及其使用方法。


背景技术：

2.随着制造业的高速发展，自动化抓取装置的高效性和低成本成为众多企业追求的目标。如何在满足个性化和定制化的前提下，更好地适用多品种、少批量的生产模式，并能实现高效、低成本抓取的目标，其难点在于自适应机械手抓取机构的设计。自适应机械手是一种自动抓取装置，它能自适应异状零件的形状和位置误差，具有抓取通用性。在许多应用中，如3c装配、机床上下料及机器人装配等众多领域，自适应机械手的精密抓取对操作成功具有重要意义，目前已成为制约精密装配的重要难点之一。
3.在自动化装配任务中，除了要求机械手具有一定的自适应性之外，还需要考虑多工序的连续操作问题，即零件被抓取后需要进行指定位置的装配。例如，在自动化装配线中，经常需要对同一批异状零件进行抛光打磨处理以降低表面粗糙度，因此在将通过夹具定位的零件抓取后必须准确将其插入打磨机中的夹具内。对于这种从一个固定夹具端到另一个固定夹具端的装配作业中，零件在抓取前的位姿可通过夹具定位容易获得。如果零件被抓取后其位姿在操作中发生了相对于机械手的改变(如滑动或转动)，系统将无法得到改变后零件准确的位姿信息，装配端就会产生误差，导致装配失败。工业上常采用的解决办法是利用视觉定位系统来重新获取零件的位姿信息，然后根据新的位姿信息调整机械臂的运动以消除误差。然而，这种解决办法不但增加装配系统成本，而且降低作业速度和效率，同时系统的实时性也会变差。要解决这个问题，就需要自适应机械手具有确保抓取后零件位姿不变的特性。采用这样的机械手进行抓取装配，只需对机械臂进行简单的路径规划，便可轻松完成装配任务，即降低了硬件成本又简化了控制系统。
4.现有技术缺点：1)目前现有的自适应机械手虽然可很好地适应异状零件形状，但是无法保证抓取后零件相对机械手的位姿不变，因此这类机械手的应用只局限于食品、药品、农业果蔬、以及物流等对抓取和装配精度要求较低的行业；2)机械手在抓取物体后，抓取力的一致性控制需要复杂的控制算法才能得到保证，增加了机械手成本。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种构型可变的气动自适应机械手及其使用方法，采用一个电磁阀控制两个气缸的同步运动，通过一种新型单连杆差动机构实现四个手指的协调运动，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，同时可保证抓取后零件相对机械手的位姿不变，该机械手具有结构简单、高自适应性及低成本等优点，克服现有自适应机械手无法保证抓取后零件相对机械手的位姿不变，同时降低机械手抓取力均匀性控制难度等问题，解决了上述背景技术中提到的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种构型可变的气动自适应机械手，
所述机械手包括壳体、电磁阀、线性气缸组件和抓取机构，所述壳体包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板，从六个面将抓取机构组合包围起来，所述的线性气缸组件是由两个线性气缸组成，所述的电磁阀同时控制两个线性气缸，实现线性气缸输出端的前进和后退，驱动抓取机构运动，完成对异状零件的抓取。
7.优选的，所述的抓取机构包括线性气缸、第一转轴、连杆、滑块、手指、滑轨和第二转轴。
8.优选的，所述的线性气缸固定在机械手壳体上，线性气缸的输出端通过第一转轴与连杆的转动中心连接，连杆两端通过滑槽和第二转轴与两个滑块相连，滑块与连杆之间可实现相对滑动和转动。
9.优选的，所述的滑块上设置有手指，滑块安装在滑轨上，手指随滑块的移动而移动。
10.优选的，所述的连杆能绕第一转轴转动，连杆转动角度取决于抓取异状零件的形状和手指的抓取位置。
11.一种构型可变的气动自适应机械手的使用方法，所述使用方法是当电磁阀接到控制信号时，可控制气体的通断，实现两个线性气缸输出端的前进和后退，驱动抓取机构运动从而带动手指运动，实现对异状零件的单驱动四个输出的差动抓取操作。
12.优选的，所述的单驱动四个输出的差动抓取具体包括四指机械手抓取、三指机械手抓取和二指机械手抓取。
13.优选的，所述的四指机械手抓取是指：两侧连杆能绕第一转轴转动，直至四个手指均接触到异状零件，两连杆的被动转动自由度被约束，实现了异状零件与机械手之间的相对位姿不变，完成了四指机械手抓取；
14.所述的三指机械手抓取是指：当某一侧的两手指由直杆固连，连杆将无法绕转轴转动，只能沿滑轨移动，而另一侧两手指的差动特性不变，此时机械手演变为三指自适应机械手，完成了三指机械手抓取；
15.所述的二指机械手抓取是指：当两侧手指都由直杆固连，两连杆均无法转动，此时自适应抓取特性来自于两线性气缸的彼此差动输出，机械手演变为两指自适应机械手，完成了二指机械手抓取。
16.本发明的有益效果是：本发明提出的自适应机械手采用一个电磁阀控制两个气缸的同步运动，通过一种新型单连杆差动机构实现四个手指的协调运动，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，同时可保证抓取后零件相对机械手的位姿不变，该机械手具有结构简单、高自适应性及低成本等优点，同时，本发明的机械手为构型可变的机械手，可演变为四指机械手、三指机械手和二指机械手，应用场景更广泛，此外，本发明采用电磁阀控制气缸动作，由于气体的可压缩性，机械手除了自适应特性外，还具有一定的柔顺性，由于气体压力的均匀性，各手指抓取力一致，可实现均匀抓取，从而简化了机械手的抓取力控制。
附图说明
17.图1为本发明机械手结构示意图；
18.图2为本发明机械手装配体爆炸示意图；
19.图3为本发明机械手抓取机构结构示意图；
20.图4为本发明机械手单侧抓取机构结构示意图；
21.图5为本发明机械手工作原理及抓取力分析示意图：
22.图6为本发明机械手可变构型抓取异状板状件示意图，(a)为四指自适应抓取，(b)为三指自适应抓取，(c)为两指自适应抓取；
23.图中，1
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壳体，2
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电磁阀，3
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抓取机构，4
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线性气缸，5
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第一转轴，6
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被抓取异状零件边界，7
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异状零件，8
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直杆，101
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上盖板，102
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前盖板，103
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右盖板，104
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左盖板，105
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后盖板、106
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下盖板，107
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基座，301
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连杆，302
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第二转轴，303
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滑块，304
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手指，305
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滑轨。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1
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6，本发明提供一种技术方案：一种构型可变的气动自适应机械手，如图1所示，主要由四部分组成：壳体1、电磁阀2、抓取机构3及线性气缸组件，线性气缸组件是由两个线性气缸4组成。本设计采用一个电磁阀同时控制两个线性气缸动作，当电磁阀接到控制信号时，可控制气体的通断，实现线性气缸输出端的前进和后退，驱动抓取机构运动，从而实现异状零件的抓取操作。
26.如图2所示，壳体包括上盖板101、下盖板106、前盖板102、后盖板105、左盖板104、右盖板103，从六个面通过螺钉将整个抓取机构包围起来，起固定、支撑和防护的作用。机械手通过安装在后盖板上的基座107可与机械臂相连。
27.如图3和图4所示，抓取机构主要包括线性气缸4、第一转轴5、连杆301、滑块303、手指304、滑轨305及第二转轴302组成。两个线性气缸均固定在机械手壳体1上，其输出端通过第一转轴5与连杆301的转动中心相连接，连杆两端通过滑槽和第二转轴302与两个滑块303相连，因此滑块与连杆之间可实现相对滑动和转动；滑块上装有一细长手指304，同时滑块安装在两个滑轨305上，保证各手指的平行移动。该机械手可实现利用一个电磁阀控制两个气缸带动四个手指运动，从而形成单驱动四个输出的差动抓取。
28.如图5所示，每个气缸输出端与连杆转动中心(o1或o2)相连，推动两侧连杆运动。以左侧机构为例，在抓取物体时，由于异状零件7的边界差异性，假设手指b先触碰零件，在气缸的驱动下，连杆ab将发生转动(转动角度为θ1)直到手指a触碰手指，其中该转动为被动自由度；若两手指同时触碰零件，则连杆不发生转动，右侧机构同理，其中每个气缸输出位移、两侧连杆转动角度取决于零件形状和机械手的抓取位置。两侧抓取机构的联合差动主要体现在两个气缸共用一路气源，当一个气缸停止运动后，另一个气缸在气体的驱动下会继续工作，直到四个手指均接触到物体为止。当四个手指同时接触到物体后，由于物体与机械手之间的约束限制，两连杆的被动转动自由度被约束，因此实现了异状零件与机械手之间的相对位姿不变。此外，气缸的推力或拉力由气体压力和气缸活塞横截面积决定(即，f＝p
·
s，p为气体压力，s为活塞面积)，本机械手采用两个同型号气缸，因此两气缸的驱动力相同(f1＝f2)。以左侧机构为例，由于手指安装在滑轨上，手指a、b处的抓取力相对转动点o1的力
臂相同，由受力分析可知，最终a、b手指处的抓取力相同(f1＝f2)。因此，该机械手通过机构的方法可保证四个手指的抓取力相同，从而实现了抓取力的均匀性，避免了抓取力的复杂控制。
29.如图6(a)所示，该四指机械手可自适应抓取异状零件；如图6(b)所示，当左侧的两手指由直杆8固连，连杆301将无法绕其转轴o1转动，只能沿滑轨移动，而右侧两手指的差动特性不变，此时机械手演变为三指自适应机械手；同理，如图6(c)所示，当两侧手指都由直杆8固连，两连杆均无法转动，此时自适应抓取特性来自于两气缸的彼此差动输出，此时机械手演变为两指自适应机械手。
30.一种构型可变的气动自适应机械手的使用方法，所述使用方法是当电磁阀接到控制信号时，可控制气体的通断，实现两个线性气缸输出端的前进和后退，驱动抓取机构运动从而带动手指运动，实现对异状零件的单驱动四个输出的差动抓取操作。所述的单驱动四个输出的差动抓取具体包括四指机械手抓取、三指机械手抓取和二指机械手抓取。
31.所述的四指机械手抓取是指：两侧连杆能绕第一转轴转动，直至四个手指均接触到异状零件，两连杆的被动转动自由度被约束，实现了异状零件与机械手之间的相对位姿不变，完成了四指机械手抓取。
32.所述的三指机械手抓取是指：当某一侧的两手指由直杆固连，连杆将无法绕转轴转动，只能沿滑轨移动，而另一侧两手指的差动特性不变，此时机械手演变为三指自适应机械手，完成了三指机械手抓取。
33.所述的二指机械手抓取是指：当两侧手指都由直杆固连，两连杆均无法转动，此时自适应抓取特性来自于两线性气缸的彼此差动输出，机械手演变为两指自适应机械手，完成了二指机械手抓取。
34.本发明提出的自适应机械手采用一个电磁阀控制两个气缸的同步运动，通过一种新型单连杆差动机构实现四个手指的协调运动，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，同时可保证抓取后零件相对机械手的位姿不变，该机械手具有结构简单、高自适应性及低成本等优点，同时，本发明的机械手为构型可变的机械手，可演变为四指机械手、三指机械手和二指机械手，应用场景更广泛，此外，本发明采用电磁阀控制气缸动作，由于气体的可压缩性，机械手除了自适应特性外，还具有一定的柔顺性，由于气体压力的均匀性，各手指抓取力一致，可实现均匀抓取，从而简化了机械手的抓取力控制。
35.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。