CN108481311B - 一种变刚度柔顺抓取装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种变刚度柔顺抓取装置

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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，本发明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轴在不同轴时的传动不流畅问题，提高了整个抓取装置的系统性能。

与现有的其它变刚度原理技术相比，本发明具有足够大的变刚度范围，从而能够适应更大范围的抓取任务要求；本发明的变刚度原理属于机械式地结构控制原理，从而能够连续且快速地改变刚度；本发明通过宏观程度上地开合运动来适应不同被抓取对象的大小，通过微观程度上地刚度调整操作来适应不同被抓取对象的形状及质量，进而可以适应不同的抓取任务；由于其开合运动与刚度调整操作分别进行独立控制，从而降低了控制系统的复杂程度；由于其夹爪直接镶嵌在变刚度柔性并联机构的末端，从而使得该抓取装置具有很高的能量效率及能够快速地储存及释放能量。

与传统的刚性抓取技术相比，本发明通过引进刚度调整操作，实现了精密力控功能，从而只需通过一个夹持器便可进行对不同属性物体的抓取，避免了传统刚性夹持器耗时且笨重地更换末端抓取装置的过程；而对于工厂里的精密装配工序来说，其刚度调整操作增加了装配过程中的柔顺性与灵活度，从而大大地提高了装配环节的成功率。

附图说明

图1是本发明实施例抓取装置的左右二等角轴测图。

图2是本发明实施例抓取装置的上下二等角轴测图。

图3是本发明实施例的抓取装置在最小刚度状态下的立体示意图。

图4是本发明实施例的抓取装置在中间刚度状态下的立体示意图。

图5是本发明实施例的抓取装置在最大刚度状态下的立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图1于5对本发明的优选实施例做进一步详细说明，以便更清楚地理解本发明的目的、特点和优势。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1至图5是本实施例中变刚度柔顺抓取装置的立体结构示意图，其中的附图标记为：法兰连接盘1、外壳2、右旋蜗轮3、小齿轮4、滑块5、直线导轨6、片簧柔性关节7、8、9、10、柔性万向节11、12、13、14、夹爪15、右旋丝杠16、左旋丝杠17、左旋蜗轮18、刚度调整传动同步带19、开合运动传动同步带20、刚度调整电机21、开合运动电机22、花键23、左旋蜗杆24、右旋蜗杆25、刚度调整传动同步带轮26、开合运动传动同步带轮27。

在本发明所实施例中的变刚度柔顺抓取装置通过法兰连接盘1与机器人的末端之间通过螺栓连接固定，外壳2内部之间通过螺钉固定连接，其中开合运动电机22与刚度调整电机21分别通过两个托板固定在外壳2上，也就是说在运动过程中电机相对于外壳2是静止的，这也就避免了运动过程中电线缠绕进运动机构中这种危险情况的发生。

本实施例中的开合运动方向在本发明中指的是夹爪15在夹持物体过程中运动的方向，此方向为双向的，既可以向内夹持又可以向外夹持。

开合运动电机22的主轴上固定有开合运动传动同步带轮27，通过开合运动传动同步带20传动，将力矩传动给右旋丝杠16和左旋丝杠17，右旋丝杠16与左旋丝杠17是对接连接固定在一起的整体。右旋丝杠16与右旋滑块5的螺母进行螺旋配合，左旋丝杆17与左旋滑块5的螺母进行螺旋配合，通过螺旋传动使得两个滑块5沿着直线导轨6进行开合运动，进而通过变刚度柔性并联机构带动夹爪15进行开合运动。变刚度柔性并联机构由刚度调整电机21驱动以调整其刚度。

本发明中的变刚度柔性并联机构由四根相同且平行的柔性机构支链组成，在滑块5平面上呈正方形构型排列布置，其上下两端分别通过轴承连接于滑块5和夹爪15。每根柔性机构支链自上到下分别为柔性万向节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，并关于中间刚性连杆的中间平面成镜面对称分布。片簧柔性关节7、8、9、10的作用等效于刚性关节中的转动副，该四根柔性机构支链组成双平行四边形构型的并联构型，从而保证了两个夹爪15在相互开合运动方向及离轴运动方向上的平行度。

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。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。齿轮传动机构调整片簧柔性关节7、8、9、10的分布角度。滑块5上其中的一个小齿轮4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21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4啮合。

在实施例中左旋蜗轮18及右旋蜗轮3通过平键周向固定在主动柔性机构支链上，进而通过轴承固定在滑块5上。当滑块5沿着直线导轨6进行开合运动、而刚度调整电机21没有启动时，由于蜗轮蜗杆的反向自锁传动的特性，左旋蜗轮18及右旋蜗轮3分别自锁着左旋蜗杆24及右旋蜗杆25，从而让左旋蜗杆24及右旋蜗杆25通过花键23沿着花键轴进行滑动运动，如此的联动传动运动保证了开合运动与刚度调整操作是解耦的，从而降低了整个变刚度柔顺抓取装置系统的控制复杂性。

在本实施例中的刚度调整电机21同样通过刚度调整传动同步带19传动，将力矩传动给左旋蜗杆24和右旋蜗杆25，进而通过蜗轮蜗杆传动带动主动柔性机构支链的转动，进而通过主动柔性机构支链上的双联齿轮，依次向邻近的柔性机构支链上周向固定的小齿轮4传动，这样安排小齿轮4位置构型的目的是保证小齿轮4间的传动运动是开环的，从而巧妙地避免了闭环齿轮传动间的互相干扰问题，由于齿轮间隙的缘故，闭环齿轮传动还可能存在锁死的情况发生。

在本实施例中的小齿轮4传动属于外啮合齿轮传动，因而其四个小齿轮4中每两个相邻齿轮的传动方向是相反的，从而保证了四根柔性机构平行支链在转动过程中，每两个相邻的柔性机构支链形态都是关于开合运动方向及离轴刚度方向成轴对称的，在任意刚度状态下的对称分布构型消除了基于单根柔性机构支链构型夹持器的侧向屈曲不稳定问题，也即消除了基于单根柔性机构构型夹持器在离轴刚度方向上的寄生运动。又因为其变刚度原理是通过控制柔性机构自身的结构形态，进而改变了柔性机构在开合运动方向上的刚度，这样的机械式变刚度原理实现方式更容易实现，且变刚度响应速度非常快。

在本实施例中的单根柔性机构支链的两端位置分别是一个柔性万向节11、12、13、14，该柔性万向节11、12、13、14分别与滑块5及夹爪15通过轴承连接，当夹爪15刚接触到物体时，其每根柔性机构支链的两个柔性万向节11、12、13、14轴线是平行的，然而当滑块5继续运动时，此时这两个柔性万向节11、12、13、14的轴线就发生了偏离，而此时若想通过转动柔性机构支链来改变夹爪15在开合运动方向上的刚度时，这种双万向节传动的构型布置，便巧妙地解决了两根传动轴在不同轴时的传动不流畅问题，从而保证了变刚度柔性并联机构的稳定性构型，进而提高了整个变刚度柔顺抓取装置系统的稳定性及流畅度。

当每根柔性机构支链转动0°时，左右两个夹爪15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15处于最大刚度状态。最小刚度状态、中间刚度状态、最大刚度状态中的“刚度状态”，都是指变刚度柔顺抓取装置中夹爪15在开合运动方向上的刚度大小。

在本实施例中的变刚度柔顺抓取装置，当抓取易碎、较轻属性的物体时，宜选用图3中的最低刚度状态与图4中的中间刚度状态之间的刚度状态进行抓取。而当抓取硬质、较重属性的物体时，宜选用图4中的中间刚度状态与图5中的最高刚度状态之间的刚度状态进行抓取。

对于抓取策略来说，可以先通过控制开合运动电机22使夹爪15平移一定的距离，然后再通过控制刚度调整电机21改变夹爪15在开合运动方向上的刚度状态，这样的操作实际上等效为先在被抓取物体上施加一个比较小的力，然后再在被抓取物体上缓缓加力，直至该被抓取物体足以被夹爪15夹持住为止。也可以根据夹持任务的要求，首先通过控制刚度调整电机21，为夹爪15在开合运动方向上选择合适的刚度状态，然后再通过控制开合运动电机22，使夹爪15平移足够的距离，直至该被抓取物体足以被夹爪15夹持住为止，这种操作实际上等效为以较快的速度在被抓取物体上均匀加力。对于实际操作作业来说，当需要精密力控装配时，应该选择第一种夹持策略来进行装配操作，以提高装配环节的柔顺性与灵活度。当我们需要挑拣不同属性的被抓取对象时，应该选择第二种夹持策略来进行抓取操作，目的是根据不同被抓取对象的属性，选择合适的刚度状态以提高夹爪15的适应能力，从而提高了抓持的成功率，以及节省了一定的操作作业时间，进而提高了操作作业的效率。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，但应理解到，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围之内。

Claims (4)

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；

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，其上下两端分别通过轴承连接于滑块（5）和夹爪（15），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；

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；

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；

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；

所述滑块（5）上其中的一个小齿轮（4）是由两个同轴齿轮构成的双联齿轮，所述的双联齿轮与刚度调整电机（21）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（4）啮合；

所述的刚度调整电机（21）通过刚度调整传动同步带轮（26）和刚度调整传动同步带（19）驱动一个花键轴转动，所述的花键轴上设有能轴向自由滑动的左旋蜗杆（24）和右旋蜗杆（25），所述的左旋蜗杆（24）和右旋蜗杆（25）通过花键（23）与花键轴同步转动；所述的左旋蜗杆（24）与左侧滑块（5）上的左旋蜗轮（18）相配合；所述的右旋蜗杆（25）与右侧滑块（5）上的右旋蜗轮（3）相配合。

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：所述的直线导轨（6）一侧设有开合运动电机（22）驱动旋转的右旋丝杠（16）和左旋丝杠（17），所述的右旋丝杠（16）和左旋丝杠（17）分别与滑块（5）上的螺母进行螺旋配合。

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：所述的右旋丝杠（16）和左旋丝杠（17）同轴连接；所述的开合运动电机（22）通过开合运动传动同步带轮（27）和开合运动传动同步带（20）驱动所述的右旋丝杠（16）和左旋丝杠（17）同步转动。

4.根据权利要求1所述的变刚度柔顺抓取装置，其特征在于：当每根柔性机构支链转动0°时，左右两个夹爪（15）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（15）处于最大刚度状态。