CN110614644B - 一种多稳态结构夹持机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多稳态结构夹持机械手，包括机架，机架上固定有伺服电机，伺服电机输出端传动连接有沿机架长度方向伸缩的伸缩传动装置，伸缩传动装置前端连接有至少具有两种自平衡状态的多稳态结构。本发明结构设计合理，机械手可通过驱动力在两个自平衡状态之间相互转换，继而实现夹持机械手张开和闭合的两种形态的转变；采用刚性杆和拉伸弹簧联合设计，具有质量低、惯性力小、柔顺性好、便于携带等优点；机构工作时占用空间小，夹持速度快，机构结构简单巧妙，安装方便。

Description

一种多稳态结构夹持机械手

技术领域

本发明涉及工业机器人领域特别是小型夹持机械手领域，尤其涉及一种多稳态结构夹持机械手。

背景技术

张拉整体结构是一类轻质、网格状的空间结构体系，由预拉伸的绳单元和预压缩的杆单元相互连接而成。在没有任何外部支撑的情况下，靠杆和绳的预应力作用即可保持自身的几何构型，在受到保守力扰动时，总是趋向于恢复到初始的自平衡状态。结构受力大时，结构产生大变形，但外力撤去后它有恢复至初始形态的能力。传统的张拉整体结构，只有一种自平衡状态，新型张拉整体结构是一类具有多种自平衡状态的结构——多稳态张拉整体结构。利用这一结构特性，可针对设计一种基于多稳态结构的夹持机械手。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种具有多种自平衡状态的结构、质量低、惯性力小、柔顺性好、可折叠，工作时占用空间小，夹持速度快，机构结构简单，安装方便的一种多稳态结构夹持机械手。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种多稳态结构夹持机械手，包括机架，所述机架上固定有伺服电机，所述伺服电机输出端传动连接有沿机架长度方向伸缩的伸缩传动装置，所述伸缩传动装置前端连接有至少具有两种自平衡状态的多稳态结构。

进一步的，所述的多稳态结构设置在机架上，包括U形空心环连接件、沿机架长度方向对称设置的多个刚性杆和多个拉伸弹簧；所述的多个刚性杆包括从第一刚性杆、第二刚性杆、第三刚性杆和第四刚性杆；所述的第一刚性杆与第二刚性杆沿机架长度方向对称设置，且第一刚性杆与第二刚性杆靠近伺服电机一侧端部转动连接，所述第一刚性杆与第二刚性杆转动连接处形成第一节点；第一刚性杆对应第一节点的另一端为第二节点，并在第二节点处与第三刚性杆转动连接，第三刚性杆另一端转动连接有第一夹持手臂；第二刚性杆对应远离第一节点的端部为第七节点，并在第七节点处与第四刚性杆转动连接，第四刚性杆另一端转动连接有第二夹持手臂，所述的第一夹持手臂与第二夹持手臂对称设置；所述的多个拉伸弹簧包括第一拉伸弹簧、第二拉伸弹簧、第三拉伸弹簧、第四拉伸弹簧、第五拉伸弹簧、第六拉伸弹簧、第七拉伸弹簧、第八拉伸弹簧、第九拉伸弹簧和第十拉伸弹簧；所述机架靠近伺服电机的一端具有第六节点、另一端具有第五节点，所述第一拉伸弹簧连接在第六节点与第一节点之间，第二拉伸弹簧连接在第一节点第五节点之间；第三拉伸弹簧连接在第六节点与第二节点之间，第四拉伸弹簧连接在第六节点与第七节点之间；第五拉伸弹簧连接在第二节点与第五节点之间，第六拉伸弹簧连接在第七节点与第五节点之间；第七拉伸弹簧连接在第二节点与第一夹持手臂的非夹持端之间，第八拉伸弹簧连接在第七节点与第二夹持手臂的非夹持端之间；第九拉伸弹簧一端与第五节点连接、另一端与第一夹持手臂连接，第十拉伸弹簧一端与第五节点连接、另一端与第二夹持手臂连接；所述的第三拉伸弹簧与第四拉伸弹簧相对于机架长度方向对称设置，第五拉伸弹簧与第六拉伸弹簧相对于机架长度方向对称设置，第七拉伸弹簧与第八拉伸弹簧相对于机架长度方向对称设置，第九拉伸弹簧与第十拉伸弹簧相对于机架长度方向对称设置。

优选的，所述的伸缩传动装置为螺纹杆，所述螺纹杆一端与伺服电机输出端传动连接，另一端与U形空心环连接件的空心环限位连接。

相应的，为了便于第一刚性杆和第二刚性杆有效转动连接，所述的第一刚性杆与第二刚性杆在第一节点处通过转动副转动连接，所述转动副位于U形空心环连接件的空心环内。

更进一步的，所述的第一拉伸弹簧与第二拉伸弹簧结构相同，相对于转动副对称设置。

优选的，所述的第三刚性杆与第一夹持手臂通过销钉转动连接，所述的第四刚性杆与第二夹持手臂也通过销钉转动连接。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的一种多稳态结构夹持机械手，可通过驱动力在两个自平衡状态之间相互转换，继而实现夹持机械手张开和闭合的两种形态的转变。

（2）采用刚性杆和拉伸弹簧联合设计，拉伸弹簧始终保持张紧状态，整体结构具有质量低、惯性力小、柔顺性好、便于携带等优点。

（3）工作时占用空间小，夹持速度快。

（4）结构简单巧妙，安装方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明最优实施例中机械手闭合状态的结构示意图。

图2是本发明最优实施例中机械手张开状态的结构示意图。

图3是本发明最优实施例中传动装置结构示意图。

图中1、机架 2、第一刚性杆 3、第二刚性杆 4、第三刚性杆 5、第四刚性杆 6、第一夹持手臂 7、第二夹持手臂 8、U形连接件 9、第一拉伸弹簧 10、第二拉伸弹簧 11、第三拉伸弹簧 12、第四拉伸弹簧 13、第五拉伸弹簧 14、第六拉伸弹簧 15、第七拉伸弹簧 16、第八拉伸弹簧 17、第九拉伸弹簧 18、第十拉伸弹簧 19、伺服电机 20、螺纹杆 21、转动副22、销钉 ①、第一节点 ②、第二节点 ③、第三节点 ④、第四节点 ⑤、第五节点 ⑥、第六节点 ⑦、第七节点。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1至图3所示的一种多稳态结构夹持机械手，是本发明最优实施例，包括机架1，所述机架1上固定有伺服电机19，所述伺服电机19输出端传动连接有沿机架1长度方向伸缩的伸缩传动装置，所述伸缩传动装置前端连接有至少具有两种自平衡状态的多稳态结构。伸缩传动装置为螺纹杆20，所述螺纹杆20一端与伺服电机19输出端传动连接，另一端与U形空心环连接件8的空心环限位连接。

多稳态结构设置在机架1上，包括U形空心环连接件8、沿机架1长度方向对称设置的多个刚性杆和多个拉伸弹簧。多个刚性杆包括从第一刚性杆2、第二刚性杆3、第三刚性杆4和第四刚性杆5；所述的第一刚性杆2与第二刚性杆3沿机架1长度方向对称设置，且第一刚性杆2与第二刚性杆3靠近伺服电机19一侧端部转动连接，所述第一刚性杆2与第二刚性杆3转动连接处形成第一节点①；第一刚性杆2对应第一节点①的另一端为第二节点②，并在第二节点②处与第三刚性杆4转动连接，第三刚性杆4另一端转动连接有第一夹持手臂6；第二刚性杆3对应远离第一节点①的端部为第七节点⑦，并在第七节点处与第四刚性杆5转动连接，第四刚性杆5另一端转动连接有第二夹持手臂7，所述的第一夹持手臂6与第二夹持手臂7对称设置。所述的第三刚性杆4与第一夹持手臂6通过销钉22转动连接，所述的第四刚性杆5与第二夹持手臂7也通过销钉22转动连接。

多个拉伸弹簧包括第一拉伸弹簧9、第二拉伸弹簧10、第三拉伸弹簧11、第四拉伸弹簧12、第五拉伸弹簧13、第六拉伸弹簧14、第七拉伸弹簧15、第八拉伸弹簧16、第九拉伸弹簧17和第十拉伸弹簧18；所示机架1靠近伺服电机19的一端具有第六节点⑥、另一端具有第五节点⑤。第一夹持手臂6一端为夹持端，另一端为非夹持端，非第一加持手臂的非夹持端为第三节点③。第一夹持手臂6中段具有第四节点④。

所述的第三拉伸弹簧11与第四拉伸弹簧12相对于机架1长度方向对称设置，第五拉伸弹簧13与第六拉伸弹簧14相对于机架1长度方向对称设置，第七拉伸弹簧15与第八拉伸弹簧16相对于机架1长度方向对称设置。具体拉伸弹簧位置布局如下：

所述第一拉伸弹簧9连接在第六节点⑥与第一节点①之间，第二拉伸弹簧10连接在第一节点①第五节点⑤之间；第三拉伸弹簧11连接在第六节点⑥与第二节点②之间，第四拉伸弹簧12连接在第六节点⑥与第七节点⑦之间；第五拉伸弹簧13连接在第二节点②与第五节点⑤之间，第六拉伸弹簧14连接在第七节点⑦与第五节点⑤之间；第七拉伸弹簧15连接在第二节点②与第一夹持手臂6的非夹持端（即第三节点③）之间，第八拉伸弹簧16连接在第七节点⑦与第二夹持手臂7的非夹持端之间；第九拉伸弹簧17一端与第五节点⑤连接、另一端与第一夹持手臂6的第四节点④连接，相应的，第十拉伸弹簧18与第九拉伸弹簧17相对于机架1长度方向对称设置，第十拉伸弹簧18一端与第五节点⑤连接、另一端与第二夹持手臂7的对称位置处连接。

在拉伸弹簧选用布局中，为了使机械手能顺利开启闭合，具有可收缩性，减少工作空间，在机械手闭合时，第一夹持手臂6与第五拉伸弹簧13平行，第二夹持手臂7与第六拉伸弹簧14平行。为了保持稳态结构，相应添加了第七拉伸弹簧15和第九拉伸弹簧17，在拉伸弹簧选型中，第七拉伸弹簧15和第九拉伸弹簧17的刚度小于第一至第六拉伸弹簧的刚度。在本方案中，各个拉伸弹簧始终保持涨紧状态，机械手的夹紧力与多稳态结构的预应力有关。驱动力由伺服电机19提供，伺服电机19通过螺纹杆20驱动U形空心环连接件8运动从而使第一刚性杆2和第二刚性杆3运动，从而实现机械手的闭合和张开。多稳态结构的自平衡状态的位置与刚性杆、拉伸弹簧的参数有关。

如图3所示，为了便于第一刚性杆2和第二刚性杆3有效转动连接，所述的第一刚性杆2与第二刚性杆3在第一节点①处通过转动副21转动连接，所述转动副21内套于U形空心环连接件8的空心环内。U形空心环连接件8与螺纹杆20连接。U形空心环连接件8由伺服电机19通过螺纹杆20传递运动，实现往返直线运动，继而实现机械手的张开和闭合两种形态的转变，为了使该结构更加稳定，这里可以采用两层两个完全一样的平面多稳态结构，实施方式如上所述所述的第一拉伸弹簧9与第二拉伸弹簧10结构相同，相对于转动副21对称设置。

当本夹持机械手需要张开时，伺服电机19提供动力，通过螺纹杆20传递运动给U形空心环连接件8,后者向右运动，进而推动第一刚性杆2和第二刚性杆3向右运动，当第一刚性杆2和第二刚性杆3运动到平衡临界点时撤去驱动力，本夹持机械手会因惯性自趋于张开状态如图2所示的平衡状态B。当本夹持机械手需夹持物体时，只需反向转动伺服电机19，使得U形空心环连接件8向左运动，推动第一刚性杆2和第二刚性杆3向左运动，当第一刚性杆2和第二刚性杆3运动到平衡临界点时撤去驱动力，本夹持机械手会因惯性自趋于闭合状态如图1所示的平衡状态A。

如此设计的一种多稳态结构夹持机械手，结构设计合理，机械手可通过驱动力在两个自平衡状态之间相互转换，继而实现夹持机械手张开和闭合的两种形态的转变；采用刚性杆和拉伸弹簧联合设计，具有质量低、惯性力小、柔顺性好、便于携带等优点；机构工作时占用空间小，夹持速度快，机构结构简单巧妙，安装方便。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种多稳态结构夹持机械手，其特征在于：包括机架（1），所述机架（1）上固定有伺服电机（19），所述伺服电机（19）输出端传动连接有沿机架（1）长度方向伸缩的伸缩传动装置，所述伸缩传动装置前端连接有至少具有两种自平衡状态的多稳态结构；

所述的多稳态结构设置在机架（1）上，包括U形空心环连接件（8）、沿机架（1）长度方向对称设置的多个刚性杆和多个拉伸弹簧；所述的多个刚性杆包括第一刚性杆（2）、第二刚性杆（3）、第三刚性杆（4）和第四刚性杆（5）；所述的第一刚性杆（2）与第二刚性杆（3）沿机架（1）长度方向对称设置，且第一刚性杆（2）与第二刚性杆（3）靠近伺服电机（19）一侧端部转动连接，所述第一刚性杆（2）与第二刚性杆（3）转动连接处形成第一节点（①）；第一刚性杆（2）对应第一节点（①）的另一端为第二节点（②），并在第二节点（②）处与第三刚性杆（4）转动连接，第三刚性杆（4）另一端转动连接有第一夹持手臂（6）；第二刚性杆（3）对应远离第一节点（①）的端部为第七节点（⑦），并在第七节点（⑦）处与第四刚性杆（5）转动连接，第四刚性杆（5）另一端转动连接有第二夹持手臂（7），所述的第一夹持手臂（6）与第二夹持手臂（7）对称设置；所述的多个拉伸弹簧包括第一拉伸弹簧（9）、第二拉伸弹簧（10）、第三拉伸弹簧（11）、第四拉伸弹簧（12）、第五拉伸弹簧（13）、第六拉伸弹簧（14）、第七拉伸弹簧（15）、第八拉伸弹簧（16）、第九拉伸弹簧（17）和第十拉伸弹簧（18）；所述机架（1）靠近伺服电机（19）的一端具有第六节点（⑥）、另一端具有第五节点（⑤），所述第一拉伸弹簧（9）连接在第六节点（⑥）与第一节点（①）之间，第二拉伸弹簧（10）连接在第一节点（①）与第五节点（⑤）之间；第三拉伸弹簧（11）连接在第六节点（⑥）与第二节点（②）之间，第四拉伸弹簧（12）连接在第六节点（⑥）与第七节点（⑦）之间；第五拉伸弹簧（13）连接在第二节点（②）与第五节点（⑤）之间，第六拉伸弹簧（14）连接在第七节点（⑦）与第五节点（⑤）之间；第七拉伸弹簧（15）连接在第二节点（②）与第一夹持手臂（6）的非夹持端之间，第八拉伸弹簧（16）连接在第七节点（⑦）与第二夹持手臂（7）的非夹持端之间；第九拉伸弹簧（17）一端与第五节点（⑤）连接、另一端与第一夹持手臂（6）连接，第十拉伸弹簧（18）一端与第五节点（⑤）连接、另一端与第二夹持手臂（7）连接；所述的第三拉伸弹簧（11）与第四拉伸弹簧（12）相对于机架（1）长度方向对称设置，第五拉伸弹簧（13）与第六拉伸弹簧（14）相对于机架（1）长度方向对称设置，第七拉伸弹簧（15）与第八拉伸弹簧（16）相对于机架（1）长度方向对称设置，第九拉伸弹簧（17）与第十拉伸弹簧（18）相对于机架（1）长度方向对称设置；

所述的第一节点（①）位于U形空心环连接件（8）内，U形空心环连接件（8）与伸缩传动装置连接；

在机械手闭合时，第一夹持手臂（6）与第五拉伸弹簧（13）平行，第二夹持手臂（7）与第六拉伸弹簧（14）平行；

第七拉伸弹簧（15）和第九拉伸弹簧（17）的刚度小于第一至第六拉伸弹簧的刚度；

各个拉伸弹簧始终保持涨紧状态。

2.如权利要求1所述的一种多稳态结构夹持机械手，其特征在于：所述的伸缩传动装置为螺纹杆（20），所述螺纹杆（20）一端与伺服电机（19）输出端传动连接，另一端与U形空心环连接件（8）的空心环限位连接。

3.如权利要求2所述的一种多稳态结构夹持机械手，其特征在于：所述的第一刚性杆（2）与第二刚性杆（3）在第一节点（①）处通过转动副（21）转动连接，所述转动副（21）位于U形空心环连接件（8）的空心环内。

4.如权利要求3所述的一种多稳态结构夹持机械手，其特征在于：所述的第一拉伸弹簧（9）与第二拉伸弹簧（10）结构相同，相对于转动副（21）对称设置。

5.如权利要求1所述的一种多稳态结构夹持机械手，其特征在于：所述的第三刚性杆（4）与第一夹持手臂（6）通过销钉（22）转动连接，所述的第四刚性杆（5）与第二夹持手臂（7）也通过销钉（22）转动连接。

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