一种电磁驱动的多指柔性机械手爪及其控制方法

1.本发明涉及机械手爪领域，尤其涉及一种电磁驱动的多指柔性机械手爪及其控制。


背景技术：

2.在传统机械手爪技术领域，目前都是采用气缸驱动手爪，实现手爪的开合抓取动作。为了实现对不同材料、形状、大小物料的柔性抓取，需要把手爪设计成复杂的自适应结构或者手爪整体都采用柔性材料，这些手爪不仅体积大、控制复杂、可靠性差，而且制造成本高，而且也不能同时满足材料、形状、大小、姿态均不同的物料抓取需要。


技术实现要素：

3.本发明针对以上问题，提出了一种结构简单、控制方便、反应速度快并且手指长短可自适应调节、电磁驱动的多指柔性机械手爪，可方便、高效的抓取不同材料、形状、大小与放置姿态的物料。
4.本发明的技术方案为：所述多指柔性机械手爪包括连接模块、若干个（4个或4个以上）沿连接盘中心对称布置的手指模块以及控制模块、电源模块；所述连接模块包括连接盘3、电磁屏蔽罩4以及若干个与手指模块一一对应的连接杆2；所述连接盘3固定连接在电磁屏蔽罩4的顶口处，连接杆2沿连接盘3的周向均匀分布，并且均与连接盘3固定相连；所述手指模块包括电磁铁5、摆杆6、滑杆7、夹套8以及拉伸弹簧11，所述摆杆6的顶端与连接杆2的底端铰接，并且摆杆6的下部伸出至电磁屏蔽罩4之外；所述电磁铁5装在摆杆6的上部，并且处在电磁屏蔽罩4之内，所述滑杆7套接在所述摆杆6的下端，可沿摆杆6上下滑动；所述夹套8紧套在滑杆7上；所述拉伸弹簧11一端与电磁屏蔽罩4连接，一端与电磁铁5连接；所述控制模块plc控制器9，电源模块包括电源10，所述plc控制器9通过控制通入电磁铁5的电流方向来实现手爪开合；所述电源10用来给电磁铁5供电。
5.如图7所示，使用时，通过plc控制器9控制通入电磁铁5的电流方向来实现手指模块开合动作，从而使手爪有效抓取物体。当给相邻手指模块上的电磁铁5通入方向相反的直流电时，相邻电磁铁5之间磁极相反，单个手指模块上的电磁铁5受到其它电磁铁的电磁力作用，虽然需要克服弹簧拉力，但是由于电磁力远大于弹簧力，电磁铁5受到的合力方向指向中心点o，使得电磁铁5之间相互吸引，带动手指模块相互靠拢，从而夹取物体；当给所有电磁铁5通入方向相同的直流电时，所有电磁铁5磁极相同，使得电磁铁5之间相互排斥，同时在弹簧拉力的带动作用下，每个电磁铁5受到合力方向背向中心点o，手指模块相互分离，从而释放物体。本发明的手爪具有动作反应速度快、结构简单、控制方便等优点，可方便、高效地实现对不同大小与形状的物料的柔性抓取。
6.在物料抓取过程中，由于摆杆6和滑杆7设计为伸缩杆结构，可自适应调节手指模
块的长度，避免手爪与台面或物料间的刚性碰撞，同时，由于滑杆7比较长且可伸缩，可抓取不同高度的物料，从而体现手爪高度方向的适应性。
7.所述电磁屏蔽罩4采用高磁导率材料制作。如电磁纯铁、球墨铸铁、坡莫合金、硅钢等，其作用是蔽罩电磁铁5的磁场，防止磁场对待抓取导磁类材料如钢铁类时产生干扰。这样，当手爪抓取导磁类材料时，电磁屏蔽罩4可以有效防止磁场对待抓取物体产生的磁场力位移干扰，从而有效提高手爪抓取的准确度，使手爪可适用于抓取不同材料的物体。
8.所述手指模块具有4个或4个以上，分为若干对，并且沿连接盘中心轴线呈对称布置。
9.所述plc控制器9给相邻手指模块的电磁铁5同时通入方向相反的直流电时，手指模块收拢；给所有手指模块的电磁铁5同时通入方向相同的直流电时，手指模块张开。
10.所述手指模块的滑杆7可沿摆杆6上下滑动，初始状态时滑杆7处于摆杆6的最下端，当手爪下降滑杆7触碰到工作台面或物料时，滑杆7可沿摆杆6向上滑动。
11.所述电磁屏蔽罩4的底部开设有多个与摆杆6一一对应的径向滑槽，所述连接杆2的中部贯穿所述径向滑槽。从而在连接杆2的动作过程中，对其进行限位，从而提升柔性手爪整体的稳定性。
12.所述夹套8采用弹性材料制成，并且夹套8朝向连接盘轴心的端面上开设有多道沟槽。从而有效增加夹套在抓取物料时的摩擦力。
13.所述滑杆7内开设有凹型导轨；所述摆杆6的底端固定连接有与凹型导轨适配的滑块，并且凹型导轨的顶部固定连接有套接所述摆杆6的限位环。从而避免滑杆7下行过量，出现与摆杆分离的问题。
14.所述凹型导轨的截面为非圆形。从而在使用过程中，避免滑杆和摆杆出现相对旋转运动。
15.通过plc控制器9控制通入每个电磁铁5的电流方向；当给相邻手指模块上的电磁铁5通入方向相反的直流电时，相邻电磁铁5之间磁极相反，使得电磁铁5之间相互吸引，带动手指模块相互靠拢，从而夹取物体；当给所有电磁铁5通入方向相同的直流电时，所有电磁铁5磁极相同，使得电磁铁5之间相互排斥，手指模块相互分离，从而释放物体；当所有电磁铁5失电时，手指模块在重力和弹簧拉力作用下自由张开，复位到初始状态。
16.本发明涉及的电磁驱动的柔性机械手爪，在结构上对称分布，空间占用小，结构与控制简单，采用电磁铁磁力驱动，生产成本低，可靠性高。使用自适应伸缩杆结构调节手指模块的长度，避免手爪与工作台面发生刚性碰撞，从而实现手爪高度方向的柔性抓取，在抓取过程中手指模块从四周向物料中心靠拢，呈现出随形包络抓取，适用于对不同形状和不同尺寸物料的抓取，手爪自适应性强，抓取稳定可靠。
附图说明
17.图1是本案的总体图，图2是本案结构示意图，图3是手爪轴向剖面示意图，
图4是手爪的俯视图，图5是手爪使用状态参考图，图6是手指模块的伸缩方式示意图，图7为四个电磁铁位置分布状态图，图8是plc控制电路原理图，图9是手爪抓放物体的具体动作流程图。
18.图中1是法兰盘，2是连接杆，3是连接盘，4是电磁屏蔽罩，5是电磁铁，6是摆杆，7是滑杆，8是夹套，9是plc控制器，10是电源，11是拉伸弹簧；51是电磁铁一，52是电磁铁二，53是电磁铁三，54是电磁铁四。
具体实施方式
19.为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
20.本发明如图1-9所示，柔性机械手爪包括连接模块、手指模块、控制模块和电源模块。连接模块包括法兰盘1、连接杆2、连接盘3、电磁屏蔽罩4，连接模块是手爪主体部分；手指模块包括电磁铁5、摆杆6、滑杆7、夹套8和拉伸弹簧11，手指模块负责抓取物体，具体结构如图2、3、6所示；控制模块为plc控制器9，负责控制通入电磁铁5的电流方向，电源模块为电源10，负责给电磁铁5与plc控制器9供电。
21.法兰盘1底部与连接盘3通过连接杆2上部螺纹固定连接，连接杆2下部u型槽与摆杆6的顶端铰接，电磁屏蔽罩4与连接盘3通过螺钉固定连接，电磁铁5固定安装在摆杆6上部并布置在电磁屏蔽罩4内，连接电磁铁5的通电导线通过连接盘3内部凹槽引出法兰盘1处，与plc控制器9和电源10进行连接。滑杆7通过凹型导轨套接在摆杆6上，滑杆7的凹型导轨末端截面小于摆杆6的末端截面，从而防止滑杆7在摆杆6上脱落，用橡胶等弹性材料设计的夹套8套在滑杆7上，其夹套8夹取部位设有增强摩擦力的沟槽，拉伸弹簧11两端分别固定在电磁屏蔽罩4和电磁铁5上。由于电磁铁5电流方向改变瞬间，手爪打开有短暂延时，拉伸弹簧11的作用是给手爪打开提供协助拉力，使手爪打开时更加迅速。
22.所述电磁铁5、摆杆6、滑杆7、夹套8和拉伸弹簧11共同组成一个手指模块，多个手指模块在空间布局上以法兰盘1中心轴线呈对称分布，即手指模块的个数可以是4指、6指、8指等。
23.所述摆杆6和滑杆7设计为伸缩杆结构，手爪在准备工作时初始状态张开到最大，滑杆7下滑到摆杆6的底部位置，当手爪从某个高度下降抓取物料时，滑杆7端部先接近待抓取物料的工作台面并到达预定高度，然后plc控制器控制相邻手指的电磁铁5之间通反向的直流电，多个手指模块收拢，从四周向中心收缩夹住物料，实现对不同形状、姿态与尺寸的物料抓取。如果手爪在下降过程中，滑杆7碰到工作台面或物料，滑杆7回缩，手指模块变短，可避免手爪与台面或物料间的刚性碰撞。同时，由于滑杆7比较长且可伸缩，可抓取不同高度的物料，从而体现手爪高度方向的适应性。为了防止摆杆6和滑杆7的相对转动，将摆杆6和滑杆7的伸缩杆截面设计为非圆形。
24.若干个电磁铁中相邻的两个电磁铁分别连接在两个控制回路中，其中一个控制回路具有一个直流电源以及一个继电器，该控制回路中直流电源、继电器以及电磁铁依次串
联；另一个控制回路中具有两个正负极方向相反并且相并联的直流电源以及两个继电器，两个直流电源并联后与电磁铁串联，通过两个继电器分别控制两个直流电源的通断；具体来说：plc控制器9通过控制继电器x1、x2和x3的开闭状态来间接控制手指模块电磁铁5的通电方向，进而使得每个电磁铁5的磁极分布状态不同，电磁铁5之间相互作用从而控制手指模块开合。
25.当继电器x1、x3闭合，x2断开时，电磁铁一51、电磁铁二52、电磁铁三53、电磁铁四54之间相互排斥，手指模块打开；当继电器x2、x3闭合，x1断开时，电磁铁一51、电磁铁二52、电磁铁三53、电磁铁四54之间相互吸引，手指模块闭合；当继电器x1、x2、x3均断开时，电磁铁一51、电磁铁二52、电磁铁三53、电磁铁四54失电，手指模块在重力和弹簧拉力作用下呈自由张开状态。
26.其中手爪夹紧力大小根据可调直流电源的电压v1、v2、v3大小进行调节。
27.本发明针对6指、8指及以上偶数对手指模块组成的手爪在控制原理上同样适用。
28.本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。