一种仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手

摘要

本发明涉及一种仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手，属于机械手以及柔性机械手技术领域。包括柔性手臂、压力传感器、弹簧钢片、电磁开合装置、套筒、动力传动机构及液压动力装置；两个柔性臂内侧均嵌入一个弹簧钢片和一个压力传感器，利用弹簧钢片的回复力作为抓取目标物的夹紧力，通过压力传感器采集施加力的实际大小；两柔性臂末端通过电磁开合装置固定在一起；两个套筒分别套在两个柔性手臂的前端，并通过套筒上的安装孔与传动机构连接；整个柔性手臂部分通过相应的动力传动机构与所需要的工作平台进行安装并使用。所述机械手抓取动作多样，具有结构简单、成本低、适应性高、使用液压动力，运行平稳，能进行无极调节且可控性高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手，属于机械手，特别是柔性机械手技术领域。

背景技术

机械手大多是采用纯机械结构，刚性接触无法满足对易损物体的保护要求，对脆弱物体的抓取有很多不方便的地方。这类机械手爪通常具有以下不足：采用纯机械结构进行驱动以及实现抓取动作，动作僵化，难以灵活地处理形状多变的抓取对象；控制要求比较高，需要对力有很精细化的控制能力以及对力实时数据的快速反馈处理能力；结构复杂，这类机械手爪采用了大量的零部件及复杂的传动机构，也因此极大地增加了成本和制造难度。

鸡蛋、果实、玻璃杯等是生产生活中常见的事物，对于这类比较柔软或易碎的物体，在自动化生产方面的发展因为普通的刚性机械手存在难以控制以及成本高的问题而难以推广。

对于以上柔软或易碎物体的抓取，可以采用柔性机械手。以一种仿章鱼触手的软体机械手为例，它包括软体触手、气管、电气比例阀、应变片和电磁阀。触手内部有均匀分布的成组椭球形调压型腔，沿轴线方向有一条主气路。通过应变片、电磁阀和电气比例阀的配合，实现球形调压腔产生不同的形状变化，进而使触手弯曲缠绕物体，完成抓取动作。

但这种仿章鱼的柔性机械手具有以下缺陷：

(1)抓取对象的针对性太强，互换通用性差，且只能抓取柱形的物体，极大地限制了柔性机械手的功能性。

(2)结构较为复杂，数量众多的调压腔增大了制造难度和生产成本。

(3)控制难度大，抓取时对手爪各部分之间的动作配合要求较高；对于不同尺寸的抓取物体，需要改变较多的控制参量，如要对数量众多的应变片产生的电信号阈值进行动态调节。

上述机械手虽然可以实现对目标物体的柔性操作，然而在实际生产的应用中，仍有较大的改进空间。因此提出仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手，可以在较大的尺寸范围内，对不同形状的柔软或易碎物体进行抓取。

发明内容

本发明针对刚性机械手和现有仿章鱼的柔性机械手在柔软或易碎物体的抓取上存在适应性、经济性以及可控性较差的问题，提出了一种仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手。

为了达到上述目的，采取如下技术方案：

所述仿植物表皮气孔的复合型柔性机械手，包括柔性手臂、压力传感器、弹簧钢片、电磁开合装置、套筒、动力传动机构以及液压动力装置；

其中，柔性手臂的数量为两个，两个柔性手臂的外形如植物表皮气孔的一对保卫细胞，每个柔性手臂呈半月形；两个柔性手臂均采用弹性高、抗老化能力强的柔性材料，内部中空，手臂内侧壁厚而外侧壁薄，内部充满不可压缩的工作液；柔性手臂内侧用于夹持物体的表面有蜂窝状花纹；

压力传感器有两个，均为压阻式压力传感器；

弹簧钢片的数量为两个，采用弹性良好的弹簧钢材料；弹簧钢片的外形和柔性手臂的外形相贴合；

电磁开合装置包括平板和线圈；

其中，平板数量为2个，均由耐腐蚀的铁磁性材料制作而成，一平板中央有一个圆形凹坑，另一平板中央有一个凸起，且凸起和凹坑相互咬合；线圈内置在平板内部，由铁磁性材料构成；

套筒的数量为两个，外形与柔性手臂前端的形状配合，中间有一个孔与柔性手臂中空部分开孔大小及形状一致，套筒上端面有一个向内倾斜的带有两个安装孔的套筒臂，与动力传动机构的连接关系相匹配；

动力传动机构分为连杆机构和液压传动机构；液压动力装置由一个小型液压泵组成；

所述仿植物气孔的复合型柔性机械手中各部件的连接关系如下：

柔性手臂与套筒、弹簧钢片、电磁开合装置以及压力传感器相连；两个柔性手臂末端又通过电磁开合装置连接；液压动力装置和套筒通过动力传动机构连接。

所述仿植物气孔的复合型柔性机械手中各部件的安装过程如下：

两个柔性手臂内侧均嵌入一个弹簧钢片和一个压力传感器，利用弹簧钢片的回复力作为抓取目标物的夹紧力，通过压力传感器采集施加在物体上的力的实际大小；

两个柔性手臂末端通过电磁开合装置固定在一起；两个套筒分别套在两个柔性手臂的前端，液压动力装置通过套筒上的安装孔与动力传动机构连接；

柔性机械手通过动力传动机构与工作平台进行安装并投入使用；

所述仿植物气孔的复合型柔性机械手中各部件的功能如下：

柔性手臂作为抓取物体的主体，用于实现椭圆形套口的张开和夹紧以及对目标物体的柔性接触；弹簧钢片作为柔性手臂的骨架，提供抓取物体时的夹紧力；压力传感器实时采集压力的数据并反馈给工作平台；电磁开合装置通过线圈电流的通断实现两个柔性手臂末端的固定与分离，进而实现柔性机械手工作模式的切换；套筒作为柔性手臂和传动机构的连接部分；动力传动机构和液压动力装置实现对柔性手臂两种工作模式下的两种驱动。

所述仿植物气孔的复合型柔性机械手对夹取和套取两种工作模式的切换以及对目标物体进行抓取，包括如下步骤：

步骤1：电磁开合装置断电，两柔性手臂末端分开；

步骤2：液压动力装置通过与套筒臂连接的连杆机构对两个柔性手臂进行驱动，实现对较大尺寸的柔软或易碎物体的夹取；

步骤3：电磁开合装置通电，使得两个柔性手臂末端咬合固定，柔性机械手工作模式由夹取切换为套取；

步骤4：启动液压动力装置，向柔性手臂内部工作液施压，两柔性手臂在压力作用下分别向两侧变形弯曲，形成一个椭圆形套圈；

步骤5：柔性机械手通过工作平台移动到物体附近并将物体套住；

步骤6：液压动力装置放压，柔性手臂在弹簧钢片回复力作用下恢复原状，使套口缩小，在此过程中逐渐夹紧目标物体，当压力传感器的数值达到预定值后，液压动力装置将停止放压，实现套取动作。

有益效果

所述一种仿植物气孔的复合型柔性机械手，与现有的仿章鱼机械手相比，具有如下有益效果：

1.结构简单，大规模生产难度小；

2.制造成本低；

3.抓取动作多样，适应性高；

4.使用液压动力，运行平稳，能够进行无极调节；

5.操作简单，可控性高。

附图说明

图1是本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手仿照的植物表皮气孔的微观结构示意图；

图2是本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手的主视图结构示意图；

图3是本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手中一个柔性手臂的内部结构图；

图4是本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手在实施例2中的结构示意图；

图5是本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手在实施例1中的套取示意图；

图示说明：

1-保卫细胞，2-气孔，3-套筒，3-1-套筒臂，4-柔性手臂，6-电磁开合装置，7-柔性手臂内部空腔，8-目标物体，9-推杆，10-固定架，11-连杆。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手进行详细说明。

实施例1

本实施例详细阐述了本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手在夹取工作模式下，抓取较大目标的具体实施方法。

对于纯机械机构的机械手，抓取一些柔软或易碎的物品，比如抓取玻璃杯时，对抓取的控制精细度要求极高，而如果采用本发明套取的工作模式，一方面耗时相对较长，另一方面对目标物体的尺寸也有一定的限制。

通过对本发明工作方式的切换，采用夹取的工作模式，既可以保留普通刚性机械手工作效率高的优点，又可以完成对尺寸较大的物品的柔性抓取动作。

本实例的具体应用效果如图4，柔性手臂4末端电磁开合装置6失电后分开，柔性手臂4与套筒3连接，套筒3通过套筒臂3-1与连杆11连接，连杆11与推杆9连接，连杆11与固定架10铰接，固定架10与推杆9相交处开有一与推杆运动方向相同的导向槽。

工作时，电磁开合装置6失电后使两柔性手臂4末端分开，液压动力装置驱动推杆9沿着固定架10导向槽运动，推杆9推动连杆11使得柔性机械手夹紧物体，推杆9反向运动则可使得柔性机械手松开目标物体。此处由于蜂窝状柔软材质，所以可以进行易碎物品的夹取。

通过对工作模式的切换，本发明可以通过夹取的方式简单高效地完成较大尺寸的且要求柔性操作的物体的夹取，可以广泛应用于日用型机器人的领域。

实施例2

本实施例详细阐述了本发明一种仿植物气孔的复合型柔性机械手在较小目标，比如果蔬采摘方面的具体实施。

结构如图2和图3，套筒3套在柔性手臂4前端，柔性手臂4内部开有空腔7，空腔内部工作时注入不可压缩的工作液，弹簧钢片6嵌在柔性手臂7内侧，在原理上模仿了图1中保卫细胞1的结构，两个柔性手臂7末端通过电磁开合装置5连接在一起，形成一个套口，模仿了图1中两个半月形保卫细胞1形成的植物气孔2的形状。实际抓取时如图5所示，目标物体8也就是果实将被柔性机械手包裹夹紧。

工作时，电磁开合装置5通电，两柔性手臂4末端固连，动力装置向柔性手臂的内部空腔7施压，柔性手臂4在压力作用下膨胀并弯曲，形成一个椭圆形套口，接着机械手在工作平台的移动下将套口移动到果实周围，动力装置开始放压，柔性手臂4在弹簧钢片6的回复力下慢慢套紧果实，实现对物体的套取动作，抓取成功后在工作平台的驱动下可以将果实采摘下来。

而对于一些对柔性操作要求不高的或者尺寸相对较大的果蔬，柔性机械手可以对电磁开合装置5进行断电操作，两个柔性手臂4末端分开，两个柔性手臂4的工作模式由套取转换为夹取。

实施例3

在果园自动化采摘，特别是苹果，橘子等圆形果实的自动化采摘方面，传统机械手虽然可以实现采摘的目的，但存在通用性差和易对果实本身造成损伤的缺陷。相较之下本发明可以起到更加出色的效果：对不同形状，不同位置，不同角度的果实有着较强的适应能力，同时可以在几乎不损坏果实的前提下完成采摘目的。机械手的工作过程如前所述。

进一步地，对一棵树不同尺寸大小果实，通过机器视觉，进行判断，在两种模式下切换。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落人本发明保护的范围。