一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪

1.本发明属于柔性机械手爪技术领域，涉及一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪。


背景技术：

2.目前，柔性机器人技术迅速发展，瑞典abb、德国库卡、日本fanuc和日本安川电机等企业，亦不断向市场推出性能更优的工业机器人。通常机器人由驱动、执行和控制这三个体系组成，根据被摄对象的形状和作业需求，其组织形态也各有差异，如吸附型、夹持型和承载型。与常规的刚性机械相比较，柔性机械属于一种依靠其自身零件的弹性形变来完成其设计的功能，它与一般的刚性机构不同，它具有很小的刚体和刚度；在性能方面，柔性机械相对于刚性机器来说有着明显的优越性，如高的齿轮比和低的摩擦磨损等，因此它被广泛地用于汽车、航空、制药、电子等行业，并逐步在部分领域替代了刚性机器。
3.文献(面向生活场景的负压阻塞复合式柔性手爪研究[j].江苏科技大学学报(自然科学版),2022,36(05):60-65.)提供了一种针对复杂生活场景设计的负压阻塞复合式柔性手爪(图2)，包括支架11、端盖ⅰ12、端盖ⅱ13、气囊14、弹簧15、吸盘16、吸盘气管17、进出气管18和过滤板19，气囊内部填充满阻塞颗粒，抓取物体时，柔性手爪在驱动机构的带动下执行水平与轴向运动，以实现对目标物的精准定位。首先吸盘和气囊接触物体，通过不断抽去吸盘内的空气，吸盘内部压力小于大气压力，吸盘与物体形成密封，从而吸住物体；同时，气囊在包裹物体后，通过抽气管抽去内部空气，气囊内部的塑性颗粒被压紧，刚度提高，使气囊能进一步锁紧物体；最后，在吸盘的吸力与气囊的锁紧作用下，通过驱动机构与传动机构实现对物体的搬运。放下物体时，气囊进气管向气囊内部通入空气使气囊刚度降低，同时，吸盘气管17向吸盘16内部充入空气使吸盘与物体吸力降低，直到物体脱离。该方案虽然通过吸盘与接触物体表面达到的真空度带来的压强实现了柔性夹取，但其对于线缆这种平面型的微小物体并不具有针对性。
[0004]
文献(仿舌表面结构的机械手爪设计与试验[j].机械设计与研究,2022,38(03):70-74.)通过模仿典型动物舌表面丝状乳突结构，采用微米级3d打印技术等加工手段，制备了带有微米级仿生结构的表面材料，并基于该材料，研制了一款仿生手爪样机。但是这种仿生设计材料价格昂贵，且在夹取时并不能与夹取面相贴合，使得夹取平放式线缆时爪指与线缆不好结合，也不具有针对性。
[0005]
上述方案虽然在一定程度上改善了机器人的柔性抓取性能，但其在手抓形变时向内弯曲，夹取目标也大多是大型器件或者规则物体，并不利于单个线缆和不规则线缆的抓取，而市面常见的具有连动杆的手爪连动杆(图1)虽然具有保持手爪稳定的作用，但对于线缆来说则不利于接触面接触，故在生产过程中，目前对于多种直径线缆的夹取主要采用人工的方式，工作效率较低，且无法进行有效的批量化加工。
[0006]
因此，研究一种针对直径细小的线缆的夹取、特别是针对多种直径的线缆的夹取的柔性夹取器，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

[0007]
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪。
[0008]
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
[0009]
一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，包括左指和右指；左指和右指都为平板状结构，左指的厚度面a与右指的厚度面b相对；
[0010]
左指和右指的指尖向下；
[0011]
左指的厚度面a上设有凸台；
[0012]
右指自厚度面b向右开设弯钩凹槽，弯钩凹槽的槽口与厚度面b共面，弯钩凹槽贯穿右指的前侧面和后侧面，弯钩凹槽的槽底(弯钩凹槽用于容置线缆，槽底即右指未变形时，线缆在弯钩凹槽中最终停留的位置)位于弯钩凹槽的槽口的右下方，厚度面b中位于弯钩凹槽的槽口下方且与其相邻的区域记为区域s，弯钩凹槽的内壁中位于弯钩凹槽的槽口下方、位于弯钩凹槽的槽底上方且与区域s相连的区域记为区域t，右指的前侧面、右指的后侧面、区域s、区域t共同围成集线板，集线板沿垂直于厚度面b的方向的厚度自上而下逐渐增大；
[0013]
左指和右指都由弹性材料制成，且弹性满足：在左指和右指张开时，将左指和右指的指尖与一个平面接触，施加向下的压力后，左指和右指均发生形变，左指的厚度面a与右指的厚度面b均与所述平面贴合；去除向下的压力后，左指和右指均恢复形变；
[0014]
弯钩凹槽用于在右指发生所述形变时勾住线缆；
[0015]
凸台用于在左指和右指闭合时，挤压集线板，以将线缆固定在弯钩凹槽内；
[0016]
弯钩凹槽的数量为n个，在右指的厚度面b上自上而下间隔排列且槽口宽度递增，n为大于1的正整数；凸台为半球形结构或球缺形结构；凸台的数量为n个，在左指的厚度面a上自上而下间隔排列且半径递增；n个凸台与n个弯钩凹槽一一对应配合，便于同时拾取多种直径线缆。
[0017]
作为优选的技术方案：
[0018]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，右指未形变时，弯钩凹槽的槽口宽度比所要勾住的线缆的直径宽大1mm，沿垂直于厚度面b的方向集线板的厚度范围为0.3～0.5mm，如此可保证线缆的顺利集取。
[0019]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，右指由硅胶制成；右指中集线板的邵氏硬度d值为80～90，右指中其它部分的邵氏硬度d值为60～70；手爪在进行线缆收集时，在手爪自然张开时对其向下施压，使得手爪变形，采用邵氏度低的材料易于变形与线缆放置面贴合；而对于集线板，在手爪收拢时与凸台相撞，为了保持集线板产生类似挡板一样的变形效果进而实现线缆的夹取稳定，因此采取邵氏硬度高的硅胶材料。
[0020]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，凸台为半球形结构；由于弯钩凹槽的设计本身就是与线缆相似的圆形结构，这样易于线缆进入弯钩凹槽，而凸台在手爪收拢时能够与集线板相撞，进而与弯钩凹槽实现嵌入的效果达到稳定夹取，因此凸台同样采用半球形结构。
[0021]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，厚度面a与厚度面b平行时，凸台的中心与对应的弯钩凹槽的槽口下边缘相对；凸台的半径比对应的弯钩凹槽的
槽口宽度小1mm；由于设计凸台的目的是为了与集线板在手爪收拢时达到嵌入的效果，进而实现线缆的稳固夹取，因此与凹槽之间留有间隙，能够更好的实现嵌入的效果。
[0022]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，左指和凸台均由硅胶制成；左指的邵氏硬度d值为60～70，凸台的邵氏硬度d值为80～90；左指采用易于变形的材料，因此邵氏硬度在60～70之间，而凸台则是为了在手爪收拢时给集线板一个外力，使得集线板向凹槽内变形，因此凸台采用与集线板同样硬度比较高的硅胶材料，邵氏硬度d值为80～90。
[0023]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，左指和右指未形变时，都为直角三角板状结构，左指和右指的指尖为直角三角板的最小角所在端，左指对应的直角三角板的直角所在端与右指对应的直角三角板的直角所在端相邻。
[0024]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，直角三角板的厚度为5～10mm，如此便于线缆进入对应的弯钩凹槽，如果手爪太厚，则不利于手爪自然张开后向下施压变形，且过厚的设计会使得线缆不平行于凹槽时，不容易进入凹槽内，这样不利于线缆的拾取；直角三角板的两条直角边中较长的直角边与较短的直角边的长度比值为2～3，如此便于实现手爪的形变夹取；由于弯钩凹槽的设计是由小到大排列的，采用直角三角板的两条直角边中较长的直角边与较短的直角边的长度比值为2～3的设计利于弯钩凹槽的排列和数量；另外因为手爪自然张开后要向下施压使得手爪贴合于线缆放置面，这样的比值设计易于向下施压后变形，贴合线缆放置面。
[0025]
如上所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，还包括电机、左齿轮和右齿轮；左齿轮与左指的指根连接，右齿轮与右指的指根连接，左齿轮和右齿轮相互啮合，电机与左齿轮或右齿轮连接，用于驱动其转动；本发明的可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪区别于传统的夹取装置，在自然张开时两指不保持平行(一般常见的手爪式装配有联动轴，在手爪张开闭合时爪指始终保持平行状态，这样在张开时便不利于爪指的变形，导致不利于线缆的收集)，在两齿轮的作用下实现张开和闭合两个状态。
[0026]
如图10和图11所示，当采用可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪进行桌面线缆夹取时，先张开手爪，此时左指和右指的指尖均与桌面接触，向下施压后，左指和右指均发生形变，左指的与右指的指端均与桌面贴合；当左指和右指在进行闭合的过程中时，线缆会经过由小到大排列的弯钩凹槽，从而进入对应尺寸的弯钩凹槽内；当左指和右指的两指端闭合时，线缆会顺着弯钩凹槽的弯道进入弯钩内侧实现夹取；当左指和右指完全闭合时，两指尖夹紧，手爪的凸台嵌入弯钩凹槽内，实现稳定夹取。
[0027]
有益效果
[0028]
本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，可以实现多种直径线缆的夹取，极大地降低人力成本，提高生产效率。
附图说明
[0029]
图1为现有技术的具有连动杆的手爪连动杆的结构示意图；
[0030]
图2为现有技术的负压阻塞复合式柔性手爪的结构示意图；
[0031]
图3为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪的结构示意图；
[0032]
图4为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪在使用中自然张开
的效果示意图；
[0033]
图5为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪的两指尖部分结构放大示意图；
[0034]
图6为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪的弯钩凹槽与线缆尺寸示意图；
[0035]
图7为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪的集线板的尺寸示意图；
[0036]
图8为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪的凸台与弯钩凹槽配合示意图；
[0037]
图9为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪夹紧时的结构示意图；
[0038]
图10为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪夹向下施压后右指集线过程受力形变仿真效果图，图中箭头方向为受力方向；
[0039]
图11为本发明的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪拾取线缆的示意图；
[0040]
其中，1-左指，2-凸台，3-弯钩凹槽，4-右指，5-厚度面a，6-厚度面b，7-集线板，11-支架，12-端盖ⅰ，13-端盖ⅱ，14-气囊，15-弹簧，16-吸盘，17-吸盘气管，18-进出气管，19-过滤板。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图5所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0042]
一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，如图3～10所示，包括左指1、右指4、左齿轮、右齿轮以及电机；
[0043]
左指1和右指4均为由硅胶制成的直角三角板状结构，直角三角板的厚度为5～10mm，直角三角板中较长的直角边与较短的直角边的长度比值为2～3；在未形变时，左指1和右指4的指尖均向下，指尖为直角三角板的最小角所在端；左指1对应的直角三角板的直角所在端与右指4对应的直角三角板的直角所在端相邻，左指1的厚度面a5与右指4的厚度面b6相对；
[0044]
如图3所示，右指4自厚度面b6向右开设有n个弯钩凹槽3，n为大于1的正整数，n个弯钩凹槽3在右指4的厚度面b6上自上而下间隔排列且槽口宽度递增；弯钩凹槽3的槽口与厚度面b6共面，弯钩凹槽3贯穿右指4的前侧面和后侧面，弯钩凹槽3的槽底位于槽口的右下方，如图7所示，厚度面b6中位于弯钩凹槽3的槽口下方且与其相邻的区域记为区域s，弯钩凹槽3的内壁中位于弯钩凹槽3的槽口下方、位于弯钩凹槽3的槽底上方且与区域s相连的区
域记为区域t，右指4的前侧面、右指4的后侧面、区域s、区域t共同围成集线板7，集线板7沿垂直于厚度面b6的方向的厚度自上而下逐渐增大；弯钩凹槽3用于在右指4发生形变时，勾住线缆；
[0045]
右指4中集线板7的邵氏硬度d值为80～90，右指4中其它部分的邵氏硬度d值为60～70；如图6和图8所示，右指4未形变时，弯钩凹槽3的槽口宽度比所要勾住的线缆的直径宽大1mm，沿垂直于厚度面b6的方向集线板7的厚度范围为0.3～0.5mm；
[0046]
如图5所示，左指1的厚度面a5上设有n个自上而下间隔排列且半径递增的半球形结构或球缺形结构的凸台2，n个凸台2与n个弯钩凹槽3一一对应配合，配合是指：厚度面a5与厚度面b6平行时，凸台2的中心与对应的弯钩凹槽3的槽口下边缘相对，凸台2的半径r比对应的弯钩凹槽3的槽口宽度小1mm，在左指1和右指4闭合时，凸台2挤压集线板7，以将线缆固定在弯钩凹槽3内；凸台2由硅胶制成；左指1的邵氏硬度d值为60～70，凸台2的邵氏硬度d值为80～90；
[0047]
左齿轮与左指1的指根连接，右齿轮与右指4的指根连接，左齿轮和右齿轮相互啮合，电机与左齿轮或右齿轮连接，用于驱动其转动。

技术特征：
1.一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，包括左指(1)和右指(4)；左指(1)和右指(4)都为平板状结构，左指(1)的厚度面a(5)与右指(4)的厚度面b(6)相对；左指(1)和右指(4)的指尖向下；左指(1)的厚度面a(5)上设有凸台(2)；右指(4)自厚度面b(6)向右开设弯钩凹槽(3)，弯钩凹槽(3)的槽口与厚度面b(6)共面，弯钩凹槽(3)贯穿右指(4)的前侧面和后侧面，弯钩凹槽(3)的槽底位于弯钩凹槽(3)的槽口的右下方，厚度面b(6)中位于弯钩凹槽(3)的槽口下方且与其相邻的区域记为区域s，弯钩凹槽(3)的内壁中位于弯钩凹槽(3)的槽口下方、位于弯钩凹槽(3)的槽底上方且与区域s相连的区域记为区域t，右指(4)的前侧面、右指(4)的后侧面、区域s、区域t共同围成集线板(7)，集线板(7)沿垂直于厚度面b(6)的方向的厚度自上而下逐渐增大；左指(1)和右指(4)都由弹性材料制成，且弹性满足：在左指(1)和右指(4)张开时，将左指(1)和右指(4)的指尖与一个平面接触，施加向下的压力后，左指(1)和右指(4)均发生形变，左指(1)的厚度面a(5)与右指(4)的厚度面b(6)均与所述平面贴合；去除向下的压力后，左指(1)和右指(4)均恢复形变；弯钩凹槽(3)用于在右指(4)发生所述形变时勾住线缆；凸台(2)用于在左指(1)和右指(4)闭合时，挤压集线板(7)，以将线缆固定在弯钩凹槽(3)内；弯钩凹槽(3)的数量为n个，在右指(4)的厚度面b(6)上自上而下间隔排列且槽口宽度递增，n为大于1的正整数；凸台(2)为半球形结构或球缺形结构；凸台(2)的数量为n个，在左指(1)的厚度面a(5)上自上而下间隔排列且半径递增；n个凸台(2)与n个弯钩凹槽(3)一一对应配合。2.根据权利要求1所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，右指(4)未形变时，弯钩凹槽(3)的槽口宽度比所要勾住的线缆的直径宽大1mm，沿垂直于厚度面b(6)的方向集线板(7)的厚度范围为0.3～0.5mm。3.根据权利要求2所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，右指(4)由硅胶制成；右指(4)中集线板(7)的邵氏硬度d值为80～90，右指(4)中其它部分的邵氏硬度d值为60～70。4.根据权利要求1所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，凸台(2)为半球形结构。5.根据权利要求4所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，厚度面a(5)与厚度面b(6)平行时，凸台(2)的中心与对应的弯钩凹槽(3)的槽口下边缘相对；凸台(2)的半径比对应的弯钩凹槽(3)的槽口宽度小1mm。6.根据权利要求1所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，左指(1)和凸台(2)均由硅胶制成；左指(1)的邵氏硬度d值为60～70，凸台(2)的邵氏硬度d值为80～90。7.根据权利要求1所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，左指(1)和右指(4)未形变时，都为直角三角板状结构，左指(1)和右指(4)的指尖为直角三角板的最小角所在端，左指(1)对应的直角三角板的直角所在端与右指(4)对应的直角三角
板的直角所在端相邻。8.根据权利要求7所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，直角三角板的厚度为5～10mm；直角三角板的两条直角边中较长的直角边与较短的直角边的长度比值为2～3。9.根据权利要求1所述的一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，其特征在于，还包括电机、左齿轮和右齿轮；左齿轮与左指(1)的指根连接，右齿轮与右指(4)的指根连接，左齿轮和右齿轮相互啮合，电机与左齿轮或右齿轮连接，用于驱动其转动。

技术总结
本发明涉及一种可夹取多种直径线缆的柔性机械二指手爪，包括左指和右指；左指和右指都为平板状结构，左指的厚度面a与右指的厚度面b相对；左指和右指的指尖向下；左指的厚度面a上设有凸台；右指自厚度面b向右开设弯钩凹槽，弯钩凹槽贯穿右指的前侧面和后侧面，弯钩凹槽与右指的厚度面b之间的部分为集线板；左指和右指都由弹性材料制成；弯钩凹槽用于在右指发生所述形变时勾住线缆；凸台用于在左指和右指闭合时，挤压集线板，以将线缆固定在弯钩凹槽内。本发明可以实现多种直径线缆的夹取，极大地降低人力成本，提高生产效率。提高生产效率。提高生产效率。


技术研发人员：冯艳 王昊祥 许多麒 张华
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/19