CN114029998B - 一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，包括动力驱动组件、驱动导向组件、抓取机构组件；其中，动力驱动组件包括安装底座、音圈电机磁体、音圈电机线圈；驱动导向组件包括柔性导向构件、环形壳体、柔性解耦铰链，柔性导向构件由导向构件输出端、柔性梁、支撑端三部分组成；抓取机构组件包括浮动端、三个组合式柔性直梁、三个抓取机构、基座，组合式柔性直梁包含两种柔性铰链：圆形柔性铰链和三自由度柔性铰链，抓取机构包含手指末端以及四个半圆形柔性铰链。本发明柔性欠驱动机械手由单电机驱动，通过自适应抓取机构实现了机械手在一定范围内适应零件形状变化和位置偏差，同时可用于异状零件抓取。

Description

一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手

技术领域

本发明涉及精密装配技术领域，更具体的说，涉及一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手。

背景技术

随着科学技术的高速发展，精密制造的自动化水平越来越高，主要体现在自动化抓取、装配自动化、提高生产率以及降低生产成本等方面。微小元器件的装配一直是精密制造的重要环节之一，其装配作业的质量对最终产品的性能有着至关重要的影响。精密微装配是一种对微小零部件装配精度要求非常高的微操作，由于人工装配作业效率低，精度难以保证，同时目前自动化精密装配的相对落后也制约着微小元器件的生产效率和性能。在精密装配环节中，微小零部件抓取的通用性和适应性至关重要，因此微操作机械手设计是精密装配成功的前提。

尽管目前微操作机械手的研究已经取得很大的进展，但在抓取范围、结构紧凑性、应对异状零件抓取的任务需求等方面还远不能满足需求。现有微操作机械手结构复杂、抓取范围较小、无法稳定抓取异状零件。目前，微操作机械手的难点之一是驱动问题。虽然机械手可以做得很小，但驱动装置的尺寸尚无法与结构相适应；另一方面，在结构特性方面，传统的机械抓手一般由刚性运动副连接而成，虽然其抓取范围较大，但由于运动副之间的间隙和摩擦等问题容易导致较差的运动精密，无法用于精密抓取。相反，微操作机械手构件间的连接是通过柔性铰链，可采用一体加工或者较少装配，这样结构方式具有高精度、高稳定性、无间隙和无摩擦等特点，尺寸也易控制。此外，柔性铰链沿特定方向作有限位移运动时，可储存一定的弹性势能，当驱动力和外力消除后，机构可依靠铰链的弹性力恢复原状。中国专利“基于压电陶瓷驱动的小型化柔性微夹钳(专利号：CN201310231678.6)”采用压电陶瓷驱动由柔性铰链组成的抓取机构，这类微操作机械手的两个手指运动为同步运动，即运动方向始终相反而位移量相同，因此它们不具有自适应抓取特性，无法适应零件形状和位置偏差，导致这类机械手只能抓取“浮动”的微小零件，无法抓取“固定”零件，而精密装配的绝大多数零件都是搁置在特制的夹具上，这种方式可保证零件初始位置和姿态不变。因此，目前现有的微操作机械手无法用于精密装配。

鉴于目前现有微操作机械手由于自身结构特性的限制，柔性和适应性较差，很难处理不同形状、大小和材质的异状微小零件。因此，设计一种具有自适应性、较大抓取范围的柔性欠驱动机械手，不仅可以实现异状微小零件的抓取、自动消除零件的位置误差，而且能自动适应零件的形状和大小、以及材料属性变化，对推动精密装配的发展具有重大意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，主要是为了应对现有微操作机械手结构复杂、适应性差及抓取对象单一等问题，其具体技术方案如下：

一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，包括动力驱动组件、驱动导向组件、抓取机构组件；

所述动力驱动组件包括安装底座以及音圈电机，所述音圈电机包括音圈电机磁体和音圈电机线圈，所述音圈电机磁体安装在所述安装底座上；

所述驱动导向组件包括柔性导向构件、环形壳体、柔性解耦铰链，所述安装底座与所述环形壳体之间通过螺钉连接；所述柔性导向构件由导向构件输出端、柔性梁、支撑端三部分组成，所述柔性梁共设三组，且呈120°对称并水平分布于所述导向构件输出端的外周；所述支撑端位于所述柔性梁中远离所述导向构件输出端的一端；所述音圈电机线圈、所述导向构件输出端以及所述柔性解耦铰链中靠近所述导向构件输出端的一端通过螺钉将三者固连在一起；三个所述支撑端通过螺钉与所述环形壳体连接；所述柔性解耦铰链至少具有两个转动自由度；

所述抓取机构组件包括浮动端、三个组合式柔性直梁、三个抓取机构、基座，所述柔性解耦铰链中远离所述导向构件输出端的一端连接所述浮动端；三个所述组合式柔性直梁呈120°对称安装在所述浮动端上，并组成一个浮动平台；所述组合式柔性直梁与所述抓取机构通过螺钉连接，三个所述抓取机构同样呈120°对称安装在所述基座上；所述组合式柔性直梁包含两种柔性铰链：圆形柔性铰链和三自由度柔性铰链；所述抓取机构包含手指末端以及四个半圆形柔性铰链，四个所述半圆形柔性铰链构成一个柔性平行四杆机构，使所述手指末端能够平移运动；所述圆形柔性铰链和所述半圆形柔性铰链均为单自由度转动铰链。

通过采用上述技术方案，本发明提出的一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，采用音圈电机驱动，通过多种柔性铰链协调组成的一种新型的自适应柔性抓取机构，其中由四个半圆形柔性铰链组成的柔性平行四杆抓取机构可以实现三个手指的平动，而中间的两自由度浮动平台可保证机械手能自动适应一定范围内的零件形状变化和位置偏差，并可用于异状零件抓取。

优选的，每组所述柔性梁由两个相同的平行梁组成。

优选的，所述手指末端设计为弧形结构。

优选的，所述抓取机构上还包括检测所述手指末端的位移的应变式位移传感器以及检测所述手指末端的抓取力的应变式力传感器。

本发明柔性欠驱动机械手由单电机驱动，通过自适应抓取机构实现了机械手在一定范围内适应零件形状变化和位置偏差，同时可用于异状零件抓取。相比现有微操作机械手，本发明机械手具有结构简单、自适应强、抓取精度高及成本低等优点，可以大规模生产，广泛应用于微小零件的精密装配。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为柔性欠驱动机械手的装配体图。

图2为柔性欠驱动机械手的装配体***视图。

图3为柔性导向构件的结构示意图。

图4为抓取机构组件的结构示意图。

图5为柔性解耦铰链的构型一——三自由度转动铰链。

图6为柔性解耦铰链的构型二——紧凑型两自由度转动铰链。

图7为柔性解耦铰链的构型三——大尺寸两自由度转动铰链。

图8为组合式柔性直梁和抓取机构的结构示意图。

图9为存在侧向偏差时机械手抓取固定对称零件示意图。

图10为存在倾角偏差时机械手抓取固定对称零件示意图。

图11为机械手抓取异状固定零件示意图。

具体实施方式

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。

实施例：

如图1所示，本发明一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，包括动力驱动组件1、驱动导向组件2、抓取机构组件3。

如图2所示，动力驱动组件1包括安装底座101以及音圈电机，音圈电机为机械手提供动力，安装底座101对音圈电机起防护和固定作用。音圈电机包括音圈电机磁体102和音圈电机线圈103，其中，音圈电机磁体102安装在安装底座101上。

驱动导向组件2包括柔性导向构件21、环形壳体22、柔性解耦铰链23，驱动导向组件2用以对音圈电机线圈103起线性导向作用。安装底座101与环形壳体22之间通过螺钉连接。

如图3所示，柔性导向构件21由导向构件输出端2101、柔性梁2102、支撑端2103三部分组成，柔性梁2102共设三组，且呈120°对称并水平分布于导向构件输出端2101的外周，每组柔性梁2102由两个相同的平行梁组成，这种结构具有很好的线性运动。支撑端2103位于柔性梁2102中远离导向构件输出端2101的一端。音圈电机线圈103、导向构件输出端2101以及柔性解耦铰链23中靠近导向构件输出端2101的一端通过螺钉将三者固连在一起。柔性导向构件21中的三个支撑端2103通过螺钉与环形壳体22连接。

如图4所示，抓取机构组件3主要包括浮动端31、三个组合式柔性直梁32、三个抓取机构33、基座34，柔性解耦铰链23中远离导向构件输出端2101的一端连接浮动端31。其中，三个组合式柔性直梁32呈120°对称安装在浮动端31上，并组成一个浮动平台。组合式柔性直梁32与抓取机构33通过螺钉连接，三个抓取机构33同样呈120°对称安装在基座34上。抓取机构33上包含手指末端3301。

在抓取过程中，当三个抓取机构33的手指末端3301的运动位移或施加的抓取力不同时，运动或力可通过三个组合式柔性直梁32的倾斜传递到浮动端31，因此浮动端31除了具有除音圈电机提供的线性自由度d_z外，还具有沿x轴和y轴的两个转动自由度θ_x和θ_y。由于柔性解耦铰链23连接导向构件输出端2101和浮动端31，导向构件输出端2101具有一个线性自由度dz，而浮动端31具有三个自由度d_z，θ_x和θ_y，因此，为了避免两者之间的运动干涉，柔性解耦铰链23应至少具有两个转动自由度θ_x和θ_y。图5-图7给出了三种解耦铰链构型，其中，图5为三自由度转动铰链，图6和图7为两自由度转动铰链，从结构尺寸上看图6较为紧凑，这三种铰链均能满足所需的解耦功能。

如图8所示，组合式柔性直梁32包含两种柔性铰链：圆形柔性铰链3201和三自由度柔性铰链3202。抓取机构33包含四个半圆形柔性铰链3303，构成一个柔性平行四杆机构，从而保证了其手指末端3301的平移运动，使得抓取更加稳定。圆形柔性铰链3201和半圆形柔性铰链3303均为单自由度转动铰链。

进一步的，本实施例中，手指末端3301设计为弧形结构，主要为了增大机械手与被抓物体之间的接触面积。

同时，由于应变片具有尺寸较小、灵敏度高及成本低等优势，本发明中各手指末端3301的位移采用应变式位移传感器3304检测；同理，各手指末端3301的抓取力采用应变式力传感器3302进行检测。

本发明抓取机构33中的平行四杆机构采用半圆形柔性铰链3303而不采用圆形柔性铰链3201，主要是因为前者相对后者变形较大，在相同材料前提下可得到较大的手指末端3301运动范围。

本发明中的抓取机构组件3具有结构简单、紧凑、自适应性强的特点，是该柔性欠驱动机械手重要组成部分。三个组合式柔性直梁32和一个浮动端31组成一个两自由度浮动平台，保证了机械手的自适应功能。

本发明的机械手可自动适应位置偏差，以抓取对称零件为例，当仅存在侧向误差时，如图9所示，为了清楚起见，图中只显示了两指。41为机械手中心线，42为对称零件中心线，两者偏差为Δ。对称零件51固定在夹具52中，当各手指未触碰到零件前，三个组合式柔性直梁32的倾斜角度相同，三个手指同步运动；假设右侧手指先触碰零件，由于运动限位而停止运动，左侧手指在音圈电机的驱动下继续运动直至其手指末端3301触碰到零件而停止运动，此时三个组合式柔性直梁32的倾斜角度不同，浮动端31发生偏转。因此，本发明所提出的柔性欠驱动机械手可自动适应机械手和零件之间的侧向误差。同理，如图10所示，当机械手抓取对称零件时存在倾角偏差，三个手指根据与零件之间的位置关系依次触碰物体，最终实现三指的稳定抓取。

当机械手抓取异状固定零件时，各手指相对零件的位置关系如图11所示，O₁和O₂分别为机械手中心位置和异状零件中心位置，抓取异状零件6，根据机械手的自适应特性，三个手指协调运动，根据零件形状的差异性，最终各手指末端相对位置满足d₃＞d₂＞d₁。

因此，本发明所设计的欠驱动柔性机械手抓取固定零件，机械手可以自动适应一定范围的位置偏差(侧向偏差和倾角偏差)，还可用于异状零件抓取。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，其特征在于，包括动力驱动组件(1)、驱动导向组件(2)、抓取机构组件(3)；

所述动力驱动组件(1)包括安装底座(101)以及音圈电机，所述音圈电机包括音圈电机磁体(102)和音圈电机线圈(103)，所述音圈电机磁体(102)安装在所述安装底座(101)上；

所述驱动导向组件(2)包括柔性导向构件(21)、环形壳体(22)、柔性解耦铰链(23)，所述安装底座(101)与所述环形壳体(22)之间通过螺钉连接；所述柔性导向构件(21)由导向构件输出端(2101)、柔性梁(2102)、支撑端(2103)三部分组成，所述柔性梁(2102)共设三组，且呈120°对称并水平分布于所述导向构件输出端(2101)的外周；所述支撑端(2103)位于所述柔性梁(2102)中远离所述导向构件输出端(2101)的一端；所述音圈电机线圈(103)、所述导向构件输出端(2101)以及所述柔性解耦铰链(23)中靠近所述导向构件输出端(2101)的一端通过螺钉将三者固连在一起；三个所述支撑端(2103)通过螺钉与所述环形壳体(22)连接；所述柔性解耦铰链(23)至少具有两个转动自由度；

所述抓取机构组件(3)包括浮动端(31)、三个组合式柔性直梁(32)、三个抓取机构(33)、基座(34)，所述柔性解耦铰链(23)中远离所述导向构件输出端(2101)的一端连接所述浮动端(31)；三个所述组合式柔性直梁(32)呈120°对称安装在所述浮动端(31)上，并组成一个浮动平台；所述组合式柔性直梁(32)与所述抓取机构(33)通过螺钉连接，三个所述抓取机构(33)同样呈120°对称安装在所述基座(34)上；所述组合式柔性直梁(32)包含两种柔性铰链：圆形柔性铰链(3201)和三自由度柔性铰链(3202)；所述抓取机构(33)包含手指末端(3301)以及四个半圆形柔性铰链(3303)，四个所述半圆形柔性铰链(3303)构成一个柔性平行四杆机构，使所述手指末端(3301)能够平移运动；所述圆形柔性铰链(3201)和所述半圆形柔性铰链(3303)均为单自由度转动铰链。

2.根据权利要求1所述的一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，其特征在于，每组所述柔性梁(2102)由两个相同的平行梁组成。

3.根据权利要求1所述的一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，其特征在于，所述手指末端(3301)设计为弧形结构。

4.根据权利要求1所述的一种面向异状零件精密装配的柔性欠驱动机械手，其特征在于，所述抓取机构(33)上还包括检测所述手指末端(3301)的位移的应变式位移传感器(3304)以及检测所述手指末端(3301)的抓取力的应变式力传感器(3302)。

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