CN204487583U - 软体驱动径向开合式气动夹持装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，包括软体驱动单元和N个触手单元，N≥3，N个触手单元对称分布在软体驱动单元上；由于其驱动单元和触手单元均由高气密性特种橡胶构成，充入压缩空气后，软体驱动单元驱动触手单元张开或闭合，触手单元柔软可弯曲，能贴合多种几何轮廓，达到多种形状物体柔顺夹持的目的，且具有夹持力可调、触手单元开合角度可调等特点。本实用新型可方便地实现适应物体几何形状的柔顺夹持。由于采用了软体驱动单元并利用了压缩空气膨胀能，有益于环保与节能。本实用新型可用于食品夹持和包装、服务型机器人末端夹持器、混流生产线多种形状零件夹持等领域，具有良好的推广使用价值。

Description

软体驱动径向开合式气动夹持装置

技术领域

本实用新型属于气压传动领域，具体涉及一种软体驱动径向开合式气动夹持装置。

背景技术

在自动化夹持和搬送操作中，气压驱动的夹持器越来越多地应用于物品夹持与搬送，如支点开闭型气爪等。然而，目前的气压夹持装置多针对特定种类和规格的物品，对于形状不规则的物体还没有可靠高效的夹持方法。例如，在以工件自动搬送为重点的自动化柔性生产线上，要实现多种机型混流生产，就要使各种规格和尺寸的工件在同一条生产线上混流搬送，这是现有的夹持装置和夹持方法无法实现的。由于自动夹持和搬送任务依赖于灵活高效的柔顺夹持装置，所以发展新型柔顺夹持技术以适应物品形状和提高夹持能力是亟需研究的课题，具有非常重要的作用。

目前已有不少关于气动夹持器械的专利申请，例如：美国专利US6685422B2、中国专利201320578935.9等，市场上销售的气爪种类也较多，但它们的工作原理都是基于刚性气缸活塞移动带动夹持器末端运动而夹紧工件，基本上都采用了刚性气缸结合机械传动机构的基本结构。这类结构的缺点十分明显。一方面，装置柔顺性欠佳，夹持力也不易调节，对于易破损物体的适应性不佳；另一方面，夹持器对夹持物形状的适应性不足，夹持器不能根据夹持物形状进行自适应调节。随着技术的发展，需要柔性更好、适应性更强的柔顺夹持设备，这种设备的缺乏，大大影响了先进制造业混流加工、物品传送和现代物流等需求。

为了解决传统气动夹持器械存在的上述问题，技术人员进行了相关的研究，如中国专利申请201210562373.9和201310358580.7等。但这些研究仍然没有很好地全部解决气动执行器柔性和夹持器末端柔性等主要问题。例如：中国专利申请201210562373.9中提出了一种用于球状果实自动采摘器的末端执行机构，通过设计碗状夹持器实现了对部分球状果实的形状适应，但它采用气缸活塞轴带动拔叉和滑块在水平滑槽内做往返直线运动，没有显著增强柔顺性；其夹持末端采用碗状结构结合橡胶弹性材料来贴合果实，但碗状夹持器结构固定，且橡胶材料的弹性受温度湿度等环境因素影响很大，影响夹持物的适应性。而中国专利申请201310358580.7提出了基于变胞机构的自适应气动柔性抓取机械手爪，采用气缸驱动曲柄滑块机构和变胞铰链四杆机构。但其对物体的适应依赖于变胞结构机械运动副，手爪各关节驱动采用的是刚性气缸活塞驱动，依然属于刚性气缸结合机械传动机构的结构，气动执行器柔性和夹持器末端柔性仍有待提高。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，由于其软体驱动单元和触手单元均由硅橡胶软体构成，在硅橡胶软体充入压缩空气后能有效贴合多种几何轮廓，实现夹持手指与物体面接触，充分贴合物体表面，达到多种形状物体柔顺夹持的目的，且具有夹持力可调、夹持手指开合角度可调等特点。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，包括软体驱动单元和N个触手单元，N≥3，N个触手单元对称分布在软体驱动单元上；软体驱动单元包括上端盖、驱动气囊、下端盖、上密封圈、下密封圈、支撑杆、下端盖连接件；支撑杆为中空杆件，支撑杆与上端盖和下端盖同心，支撑杆一端与上端盖固定连接，另一端与下端盖固定连接，上端盖、下端盖和支撑杆均位于驱动气囊内，上端盖顶部设有一圈凹槽，驱动气囊一端设置在上端盖的凹槽中，通过上密封圈进行密封；下端盖底部设有一圈凹槽，驱动气囊另一端设置在下端盖的凹槽中，通过下密封圈进行密封；M个下端盖连接件均匀分布在下端盖底部，M=N；驱动气囊通过气管分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接。

触手单元包括连杆、末端气囊、充气软管和活页铰链，末端气囊固定在连杆一端，连杆另一端固定在驱动气囊上，连杆通过活页铰链与下端盖连接件连接，充气软管一端与末端气囊连接，另一端穿过支撑杆中心，分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接。

上述上端盖的横截面积不大于下端盖的横截面积。

上述驱动气囊选用高气密性特种橡胶。

上述高气密性特种橡胶优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。

上述末端气囊选用高气密性特种橡胶。

上述高气密性特种橡胶优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：（1）本实用新型采用软体驱动单元和触手单元，能柔顺适应多种形状物体，并较好地贴合物体表面，触手单元张开角度和夹持姿态可随物体形状的改变而自适应调节；（2）多个触手单元沿软体驱动单元圆周方向均布，触手单元收拢时能有效包络和夹持不同外形尺寸的物品，支撑杆与触手单元的连杆设计提供了夹持所需必要的刚度；（3）由于采用了软体驱动单元和触手单元，充分利用了压缩空气膨胀能，有益于环保与节能，适合于食品夹持和包装、服务型机器人末端夹持器、混流生产线多种形状零件夹持等领域。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为实施例1软体驱动单元和触手单元示意图。

图3为实施例未充气状态示意图。

图4为实施例充气状态示意图。

图5为实施例2软体驱动单元示意图。

图6为实施例2触手单元示意图。

具体实施方式  

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

结合图1，一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，包括软体驱动单元和N个触手单元，N≥3，N个触手单元对称分布在软体驱动单元上，软体驱动单元驱动触手单元张开或闭合，触手单元柔软可弯曲，仿照海葵等生物触手的功能，较好地贴合物体表面。

软体驱动单元包括上端盖1、驱动气囊2、下端盖3、上密封圈5、下密封圈7、支撑杆6、下端盖连接件14；支撑杆6为中空杆件，支撑杆6与上端盖1和下端盖3同心，支撑杆6一端与上端盖1固定连接，另一端与下端盖3固定连接，上端盖1、下端盖3和支撑杆6均位于驱动气囊2内，由于支撑杆6的长度不变，使得软体驱动器的轴向长度保持不变。上端盖1顶部设有一圈凹槽，驱动气囊2一端设置在上端盖1的凹槽中，通过上密封圈5进行密封；下端盖3底部设有一圈凹槽，驱动气囊2另一端设置在下端盖3的凹槽中，通过下密封圈7进行密封，形成密闭的软体腔室，充入压缩空气后，驱动气囊2发生径向膨胀；M个下端盖连接件14均匀分布在下端盖3底部，M=N；驱动气囊2通过气管分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接。

触手单元包括连杆12、末端气囊13、充气软管20和活页铰链21，末端气囊13固定在连杆12一端，连杆12另一端固定在驱动气囊2上，连杆12通过活页铰链21与下端盖连接件14连接，使得驱动气囊2径向膨胀时，带动N个触手单元的连杆12均绕活页铰链21的转轴转动，驱动N个触手单元合拢。充气软管20一端与末端气囊13连接，另一端穿过支撑杆6中心，分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接。

上端盖1的横截面积不大于下端盖3的横截面积，使得触手单元张开时有一定的包络面积，使被夹持物27能容纳在触手单元包络面积内。

上述驱动气囊2的材料为高气密性特种橡胶，高气密性特种橡胶柔软有弹性，具有防粘性能，优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。

上述末端气囊13的材料为高气密性特种橡胶，高气密性特种橡胶柔软有弹性，具有防粘性能，优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。

实施例1

结合图1-图4，本实施例中，软体驱动径向开合式气动夹持装置包括1个软体驱动单元和3个触手单元，3个触手单元对称分布在软体驱动单元上，驱动气囊2和末端气囊13均由硅橡胶制成。软体驱动单元和触手单元均采用第一气源8充气、第一真空源25抽气，完成夹持动作过程。

支撑杆6与上端盖1和下端盖3同心，支撑杆6一端与上端盖1螺纹连接并添加密封胶进行密封固定，另一端与下端盖3螺纹连接并添加密封胶进行密封固定。上端盖1顶部设有一圈凹槽，驱动气囊2一端设置在上端盖1的凹槽中，通过上密封圈5压实后，灌胶密封，即用胶水填注驱动气囊2、密封圈5以及上端盖1的接触面及缝隙，使上述三者之间完全密封。下端盖3底部设有一圈凹槽，驱动气囊2另一端设置在下端盖3的凹槽中，通过下密封圈7压实后灌胶密封，即用胶水填注驱动气囊2、下密封圈7以及下端盖3的接触面及缝隙，使上述三者之间完全密封。3个下端盖连接件14均匀分布在下端盖3底部，并通过螺栓固定。驱动气囊2通过气管分别与第一气源8的第一气阀9以及第一真空源25的第一真空阀10连接；连杆12一端通过胶水固定在驱动气囊2上，其粘合位置为一个点，即连接点24。末端气囊13固定在连杆12的另一端，连杆12通过活页铰链21与下端盖连接件14连接，使得驱动气囊2径向膨胀时，带动3个触手单元的连杆12均绕活页铰链21的转轴转动，驱动3个触手单元合拢。将充气软管20一端伸入末端气囊13并对其进行密封，另一端穿过支撑杆6中心，分别与第一气源8的第二气阀17以及第一真空源25的第二真空阀18连接。

驱动气囊2和末端气囊13均由第一气源8充气，压缩空气由第一气源8经第一气阀9进入驱动气囊2，使其发生径向膨胀，由于支撑杆6长度不变，驱动气囊2的轴向长度L不变，而连接点24与驱动气囊2中轴线的距离由R1增大至R2，驱动连杆12及末端气囊13合拢。压缩空气由第一气源8经第二气阀17进入末端气囊13，使末端气囊13变形，完成夹持操作。末端气囊13上安装有柔软可弯曲的薄膜式压力传感器28，检测夹持动作是否完成；若尚未完成夹持动作，驱动气囊2和末端气囊13继续充气，驱动气囊2和末端气囊13压力上升，触手单元进一步合拢，末端气囊13进一步贴合被夹持物；若薄膜式压力传感器28检测到有效夹持信号，则保持此刻供气压力，保持驱动气囊2的形状和触手单元合拢姿态，保持末端气囊13的弯曲角度和贴合姿态，直至夹持动作完成。夹持动作完成后，需要解除夹持状态时，驱动气囊2和末端气囊13均采用第一真空源25抽气，打开第二真空阀18抽吸触手单元末端气囊13中空气，末端气囊13内空气压力下降，触手单元松开；随后，打开第一真空阀10抽吸软体驱动器驱动气囊2中空气，驱动气囊2内空气压力下降，使软体驱动器径向收缩，带动连杆12和触手单元张开，卸除被夹持物，夹持操作结束。

动作过程说明如下：

（1）未充气阶段

准备夹持物体时，驱动气囊2和末端气囊13不充气，驱动气囊2一直处于非充气的最大收缩状态，连杆12张开，连接点24与驱动气囊2中轴线的距离为R1。被夹持物体27置于夹持装置触手单元包络范围中。

（2）驱动气囊2充气阶段

第一气阀9接通，第一真空阀10关闭，驱动气囊2进气，驱动气囊2发生径向膨胀，连接点24与驱动气囊2中轴线的距离为R2，R2大于R1，带动连杆12绕活页铰链21的转轴转动，3个触手单元均合拢，将物体包络在触手单元内。在这一过程中，通过控制驱动气囊2的供气压力和供气流量，可以控制触手单元的合拢角度和合拢速度。

（3）末端气囊13充气阶段

第二气阀17接通，第二真空阀18关闭，末端气囊13进气，经由末端气囊13内部流道，压缩空气进入末端气囊13。末端气囊13由硬度不同的硅橡胶制成，外侧硅橡胶较软，内侧硅橡胶较硬，且外侧硅橡胶内加工有沟槽；充气时，沟槽内的气腔容积增大，末端气囊13发生膨胀，但末端气囊13外侧硅橡胶部分和内侧硅橡胶部分膨胀幅度不同，外侧较软的硅橡胶材料膨胀幅度较大，内侧较硬的硅橡胶材料膨胀幅度较小，使触手单元向内侧弯曲，贴合物体表面，夹紧物体。通过控制末端气囊13的供气压力，可以控制触手单元的弯曲幅度和贴合物体的角度，并可控制夹持力的大小。

（4）夹持阶段

夹紧物体后，驱动气囊2和末端气囊13保持充气状态。此时仅需消耗少量压缩空气流量来补偿可能产生的泄露。

（5）解除夹持阶段

夹持动作完成后，需要解除夹持状态时，均采用第一真空源25抽气，抽吸触手单元末端气囊13和驱动气囊2中空气，第二气阀17关闭，第二真空阀18接通，末端气囊13中的空气被抽出，末端气囊13内空气压力下降，触手单元松开；随后，第一气阀9关闭，第一真空阀10接通，驱动气囊2中的空气被抽出，驱动气囊2内空气压力下降，使软体驱动器径向收缩，带动连杆12和触手单元张开，卸除被夹持物，夹持操作结束。

实施例2

结合图1、图3—图6，本实施例中，软体驱动径向开合式气动夹持装置包括1个软体驱动单元和6个触手单元，6个触手单元对称分布在软体驱动单元上，软体驱动单元和触手单元分别采用第一气源8、第二气源16充气，第一真空源25、第二真空源26抽气，完成夹持动作过程。

支撑杆6与上端盖1和下端盖3同心，支撑杆6一端与上端盖1螺纹连接并添加密封胶进行密封固定，另一端与下端盖3螺纹连接并添加密封胶进行密封固定。上端盖1顶部设有一圈凹槽，驱动气囊2一端设置在上端盖1的凹槽中，通过上密封圈5进行密封，在上密封圈5顶部通过螺栓固定有上压紧件29，上压紧件29使得上密封圈5密封更加紧密。下端盖3底部设有一圈凹槽，驱动气囊2另一端设置在下端盖3的凹槽中，通过下密封圈7进行密封，在下密封圈7顶部通过螺栓固定有下压紧件30，下压紧件30使得下密封圈7密封更加紧密。6个下端盖连接件14通过螺栓均匀固定在下端盖3底部，驱动气囊2通过气管分别与第一气源8的第一气阀9以及第一真空源25的第一真空阀10连接；连杆12一端通过胶水固定在驱动气囊2上，其粘合位置为一个点，即连接点24。末端气囊13固定在连杆12另一端；连杆12设有末端气囊13的一端通过活页铰链21与下端盖连接件14连接，使得驱动气囊2径向膨胀时，带动6个触手单元的连杆12均绕活页铰链21的转轴转动，从而驱动6个触手单元合拢。连杆12底部设有通气孔19与末端气囊13相通，将充气软管20一端连接在连杆12底部，并做气密性处理，充气软管20另一端穿过支撑杆6中心，分别与第二气源16的第二气阀17以及第二真空源26的第二真空阀18连接。

驱动气囊2和末端气囊13分别由第一气源8和第二气源16充气，压缩空气由第一气源8经第一气阀9进入驱动气囊2，使其发生径向膨胀，驱动连杆12及末端气囊13合拢；压缩空气由第二气源16经第二气阀17进入末端气囊13，使末端气囊13变形，完成夹持操作。末端气囊13上安装有柔软可弯曲的薄膜式压力传感器28，检测夹持动作是否完成；若尚未完成夹持动作，驱动气囊2和末端气囊13继续充气，触手单元进一步合拢，末端气囊13进一步贴合被夹持物；若薄膜式压力传感器28检测到有效夹持信号，则保持此刻供气压力，保持驱动气囊2的形状和触手单元合拢姿态，保持末端气囊13的弯曲角度和贴合姿态，直至夹持动作完成。夹持动作完成后，需要解除夹持状态时，驱动气囊2和末端气囊13分别采用第一真空源25和第二真空源26抽气，打开第二真空阀18抽吸触手单元末端气囊13中空气，触手单元松开；随后，打开第一真空阀10抽吸软体驱动器驱动气囊2中空气，软体驱动器径向收缩，带动连杆12和触手单元张开，卸除被夹持物，夹持操作结束。

驱动气囊2采用丁腈橡胶，末端气囊13采用聚氨酯橡胶。

动作过程说明如下：

（1）未充气阶段

准备夹持物体时，驱动气囊2和末端气囊13不充气，驱动气囊2一直处于非充气的最大收缩状态，连杆12张开，连接点24与驱动气囊2中轴线的距离为R1。被夹持物体27置于夹持装置触手单元包络范围中。

（2）驱动气囊2充气阶段

第一气源8供气，第一气阀9接通，第一真空阀10关闭，驱动气囊2进气，驱动气囊2发生径向膨胀，连接点24与驱动气囊2中轴线的距离为R2，R2大于R1，带动连杆12绕活页铰链21的转轴转动，6个触手单元均合拢，将物体包络在触手单元内。在这一过程中，通过控制驱动气囊2的供气压力和供气流量，可以控制触手单元的合拢角度和合拢速度。

（3）末端气囊13充气阶段

第二气源16供气，第二气阀17接通，第二真空阀18关闭，末端气囊13进气，经由末端气囊13内部流道，压缩空气进入末端气囊13。末端气囊13由硬度不同的聚氨酯橡胶制成，外侧聚氨酯橡胶较软，内侧聚氨酯橡胶较硬，且外侧聚氨酯橡胶内加工有沟槽；充气时，沟槽内的气腔容积增大，末端气囊13发生膨胀，但末端气囊13外侧聚氨酯橡胶部分和内侧聚氨酯橡胶部分膨胀幅度不同，外侧较软的聚氨酯橡胶材料膨胀幅度较大，内侧较硬的聚氨酯橡胶材料膨胀幅度较小，使触手单元向内侧弯曲，贴合物体表面，夹紧物体。通过控制末端气囊13的供气压力，可以控制触手单元的弯曲幅度和贴合物体的角度，并可控制夹持力的大小。

（4）夹持阶段

夹紧物体后，驱动气囊2和末端气囊13保持充气状态。此时仅需消耗少量压缩空气流量来补偿可能产生的泄露。

（5）解除夹持阶段

夹持动作完成后，需要解除夹持状态时，分别采用第一真空源25和第二真空源26，抽吸触手单元末端气囊13和驱动气囊2中空气。第二真空源26工作，第二气阀17关闭，第二真空阀18接通，末端气囊13中的空气被抽出，末端气囊13内空气压力下降，触手单元松开；随后，第一真空源25工作，第一气阀9关闭，第一真空阀10接通，驱动气囊2中的空气被抽出，驱动气囊2内空气压力下降，使软体驱动器径向收缩，带动连杆和触手单元张开，卸除被夹持物，夹持操作结束。

Claims (6)

1.一种软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：包括软体驱动单元和N个触手单元，N≥3，N个触手单元对称分布在软体驱动单元上；软体驱动单元包括上端盖（1）、驱动气囊（2）、下端盖（3）、上密封圈（5）、下密封圈（7）、支撑杆（6）、下端盖连接件（14）；支撑杆（6）为中空杆件，支撑杆（6）与上端盖（1）和下端盖（3）同心，支撑杆（6）一端与上端盖（1）固定连接，另一端与下端盖（3）固定连接，上端盖（1）、下端盖（3）和支撑杆（6）均位于驱动气囊（2）内，上端盖（1）顶部设有一圈凹槽，驱动气囊（2）一端设置在上端盖（1）的凹槽中，通过上密封圈（5）进行密封；下端盖（3）底部设有一圈凹槽，驱动气囊（2）另一端设置在下端盖（3）的凹槽中，通过下密封圈（7）进行密封；M个下端盖连接件（14）均匀分布在下端盖（3）底部，M=N；驱动气囊（2）通过气管分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接；

触手单元包括连杆（12）、末端气囊（13）、充气软管（20）和活页铰链（21），末端气囊（13）固定在连杆（12）一端，连杆（12）另一端固定在驱动气囊（2）上，连杆（12）通过活页铰链（21）与下端盖连接件（14）连接，充气软管（20）一端与末端气囊（13）连接，另一端穿过支撑杆（6）中心，分别与气源的气阀以及抽真空阀门连接。

2.根据权利要求1所述的软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：上述上端盖（1）的横截面积不大于下端盖（3）的横截面积。

3.根据权利要求1所述的软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：上述驱动气囊（2）选用高气密性特种橡胶。

4.根据权利要求3所述的软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：上述高气密性特种橡胶优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。

5.根据权利要求1所述的软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：上述末端气囊（13）选用高气密性特种橡胶。

6.根据权利要求5所述的软体驱动径向开合式气动夹持装置，其特征在于：上述高气密性特种橡胶优选丁腈橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶。