新颖柔性关节及其抓持机械手的结构
图l
人工手模型
l
简述
机器人的一个很关键的部分是机械手9工业机械手相对来说夹持机构控制器较多9对位置的要求比较容易实现0而一只真正的操作机械手9要有较好的柔性处理技术9因此这只机械手的手指灵活性要求越来越高9且有更多的适应性和更多的灵巧性0
如图l 所示9对机械手灵巧性而言9人手是一个极好的原型0其关节的灵活性及控制9是设计和制造机械人所要研究的关键问题0人类在劳动过程中9不断地改造自己9促进了四肢手与足的机能分化9并取得了技术与文化;不论我们所研究机器人的手的用途为何9目的
都是代替人类的手作业0虽然人手的各关节在尺寸和形状上存在不同9但其运动可简单地划
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新颖柔性关节及其抓持机械手的结构
章
军!!须文波"
!l.江南大学机械工程学院
2.江南大学信息工程学院江苏无锡
2l4036"
摘要"本文提出两类基于弹性波壳伸缩驱动的柔性关节1介绍了以螺旋弹簧\板弹簧为骨架1以波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力的关节结构和工作原理1并简要说明了由这类柔性关节构成的机器人抓持器0关节的弯曲角度\抓持器的抓持力与弹性体内腔的流体压力有关1此原创性关节和抓持器具有缓冲性好\抓持力大的特点0
关键词"柔性关节9驱动器9机械手9弹性波壳中图分类号"T P24l
文献标识码"A
文章编号"1005-1295(2005)06-0017-03
Abstract in this paper the pneumatics fiexibie joint is introduced,in which the eiastomeric beiiows is driven by pneumatic or hydrauiic pressure.The piate-spring or heiix-spring are used as a fiexibie framework.The principie and structure of the joint are described,so as the mamipuiator structure made of the joint.The connections are demonstrated between angie dispiacement of the joint and pressure in eiastomeric beiiows,or between grabbing force and air pressure in it.The actuator of manipuiator can be befittingiy made of this originai joint for its better cushion and more powerfui force.!!
Key words fiexibie jointg actuatorg manipuiatorg eiastomeric beiiows
Original Structure of Flexible Joint and Grabbing Manipulator
Z HANG Jun l 9X U Wen !bo 2
(l.Schooi of Mechanicai Engineering 9Southern Yangtze University 9Wuxi 2l4036
2.Schooi of information Engineering 9Southern Yangtze University 9Wuxi 2l40369China )
收稿日期"2005-09-12
作者简介"章军 l965~ 1男1江苏溧水人1博士研究生1主要研究方向为包装机械1柔性关节驱动器\机
械手\机器人的研究1已发表论文20多篇1正在申请发明专利6项1获授权实用新型专利6项0
设计探讨
新颖柔性关节及其抓持机械手的结构 章军9须文波
l7
包装与食品机械2005年第23卷第6期
图2
美国IOWA 手
分为弯曲\伸展和扭转0
当代电动机械手或液\气压驱动的机械手都是作往复运动或旋转运动9而用来构造机械手的关节时9要把往复或旋转运动转换成所要求的其他运动方式9通常必需有一套机械装置0以这种方式设计的机器人关节可能具有高精确度和大输出功率0采用这些机械组合机构设计的机械手9以各种电机或以液气压缸和马达为动力源的驱动方式是刚性结构9冲击大9定位精度低时9刚性结构会损坏被接触物体0而且9它们体积大\结构复杂以及价格昂贵9而且灵活性也远远落后于人体的关节0所以灵巧的机械手驱动部件的发展成为机器人研究和制造者的共同兴趣0为克服上述不足9人们研究和设计一系列的柔性关节9多柔性关节可组成机械手0如图2所示的美国IOWA 手9类似于中国
的提线木偶9以螺旋弹簧为骨架9牵引线在刚性导管抽拉9驱动手指弯曲9但是其驱动力太小 1 0
2
圆形弹性体膨胀驱动的弯曲关节
如图3所示9机械手由指尖\指关节9指
节\指座关节和底座等构成0指尖\指关节和指节的连接是 圆筒弹性体14的一端由夹紧环
5连接在关节尾座1上9其另一端同样与关节头座11相连9直角接头3经过小密封垫4密封9拧在关节尾座1上9通压缩空气源的软管2与直角管接头3连接9关节尾座1内装有铰链支座69通过铰链7与导向板8连接9导向板8在关节头座11上的腰形槽内滑动9限制关节受侧外力而侧弯9圆筒弹性体14外套有圆筒弹簧99圆筒弹簧9两端的弹簧丝同一侧被压紧片10固定在夹紧环5上9另一侧被捆绑丝15交叉捆绑成弹簧自由状态9捆绑丝15穿过导丝架179由紧定螺钉18固定在张紧螺钉16上的丝孔内9张紧螺钉16调整捆绑丝15的松紧程度9指尖节13通过大密封垫12密封9与关节头座11螺纹连接9指节19和指尖节13的外面套着有增加摩擦力的网纹或齿痕的缓冲弹性皮肤209指
节19一端通过大密封垫密封与关节尾座1相螺纹连接0
指节\指座关节和底座的连接是 指节19的另一端通过大密封垫密封与关节头座1相连9指座关节与指关节的不同之处在于将圆筒弹性体14\圆筒弹簧9和夹紧环5换成圆锥弹性体
21\圆锥弹簧22和底座夹紧环239但它们的上\下端连接方式同指关节9圆锥弹簧22的大端与直径较大的底座夹紧环23相连9圆锥弹性体21的大端通过底座夹紧环23与底座24连接9底座24与机械手的手掌连接 2 0
3
弹性波壳膨胀驱动的弯曲关节
如图4所示9弹性波壳5c 的单节弹性波壳
的纵截面形状为G V U\
G U U 或G !U 等形状9
弹性波壳5b 壁内含有环形纬丝19和缠绕环形纬丝的缠绕经丝209这样弹性波壳5b 径向不易
1-关节尾座2-软管3-直角接头4-小密封垫5-夹紧环6-铰链支座7-铰链
8-导向板
9-圆筒弹簧
10-压紧片
11-关节头座12-大密封垫13-指尖节14-圆筒弹性体15-捆绑丝16-张紧螺钉
17-导丝架
18-紧定螺钉19-指节
20-弹性皮肤
21-圆锥弹性体
22-圆锥弹簧
23-底座夹紧环
24-底座
图3
机械手指的工作图
18
变形,其承载能力强;类似于油管总成,弹性波壳总成由扣紧外壳5b 将弹性波壳5c 滚压或模压密封固定在法兰内套5d 的环槽中,连接密封螺母5a 空套在法兰内套5d 上;旋转连接密封螺母5a ,经大密封圈3,将弹性波壳总成两端分别密封夹紧在头座2或尾座8的螺纹上,它们形成封闭的弯曲关节的流体膨胀空腔O
其余的结构基本同图3所描述,特点是:弹性波纹管的变形对流体压力的变化敏感,弹性波壳弹性伸长~弯曲的变形力很小(可忽略不计>,要求流体流量小,耗能小,从而使柔性关节动作灵活
[3~5]
O
图5所示,用卡箍夹紧弹性波壳的简单形
式,板弹簧骨架具有更大的承载能力,采用偏心安装的固定铰链机构,可实现单自由度的弯曲O 当然,无固定铰链机构的有更好的柔度O
4
机器人的末端抓持器
图6所示的采用柔性关节的抓持器,可以
由单或双关节构成O 在导向下,调整正反螺纹的螺杆,得到不同尺寸m ,可适应不同直径的圆形工件O
柔性关节的特点是:(l >各关节可以象人手指关节一样灵活弯曲,能够独立而控制各关节弯曲角度和实现在不同受力状态下机械手的抓握力O (2>弹性结构的关节部件,缓冲性好,对于脆性材料~质软材料的物体的抓取效果更好,同时对定位精度~协调性的要求可适当降低O (3>驱动力较大,从而有较大的抓持力O
作者构思的柔性关节,作为机器人末端抓持器,通过检测内腔压力,控制关节的弯曲角度和抓持力的大小O 但在动态情况下的多关节或模仿人类其它关节的应用场合,还需在弹性力学~流体力学~伺服系统~计算机控制等方面,做深入~系统的研究O
参考文献:
[l ]jingzhou Yang,Esteban Pena Pitarch.A multi-fingered
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[P ].中国专利,专利号200420025274.82005-07-l5.[5]章军,须文波,吕兵.板弹簧骨架液气动式柔性弯
曲关节[P ].中国专利,公开号l6l85802005-05-25.[6]章军,须文波,范本隽.板弹簧柔性手指关节弯曲
的模型研究[j ].机械设计与研究2005,l7(l >53-55.
l-中间节2-头座
3-大密封圈4-弹簧固定座5a-连接密封螺母5b-扣紧外壳
5c-弹性波壳5d-法兰内套6-弹簧固定压板7-调整垫片8-尾座9-小密封圈l0-直角管接头ll-软管
l2-厚度调整圈l3-张丝座l4-导丝架l5-张丝螺杆l6-固丝螺钉l7-固定丝
l8-螺旋弹簧
l9-环形纬丝
20-缠绕经丝
图4
螺旋弹簧骨架柔性关节
l-头节
2-头座
3-卡箍
4-弹性波壳5-板弹簧6-垫块~尾座7~8-密封垫9-管接头l0-软管~座
ll-长铰链
l2-铰链芯轴
l3-短铰链座
图5
板弹簧骨架柔性关节
图6两种机器人的末端抓持器
新颖柔性关节及其抓持机械手的结构-章军,须文波
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新颖柔性关节及其抓持机械手的结构
作者：章军， 须文波， ZHANG Jun， XU Wen-bo
作者单位：章军,ZHANG Jun(江南大学机械工程学院)， 须文波,XU Wen-bo(江南大学信息工程学院,江苏,无锡,214036)
刊名：
包装与食品机械
英文刊名：PACKAGING AND FOOD MACHINERY
年，卷(期)：2005,23(6)
被引用次数：1次
参考文献(6条)
1.章军;须文波;范本隽板弹簧柔性手指关节弯曲的模型研究[期刊论文]-机械设计与研究 2005(01)
2.章军;须文波;吕兵板弹簧骨架液气动式柔性弯曲关节 2005
3.章军;须文波;吕兵波壳伸缩式灵活弯曲关节 2005
4.章军;须文波;吕兵螺旋弹簧骨架流体驱动式弯曲关节 2005
5.章军;须文波;吕兵气动式柔性限自由度机械手指 2005
6.Jingzhou Yang;Esteban Pena Pitarch A multi-fingered hand prosthesis[外文期刊] 2004(39)
本文读者也读过(9条)
1.章军.杨宏健.陆利峰全自动气动式塑性平面滚压成形机的设计[期刊论文]-包装与食品机械2004,22(3)
2.章军.须文波.范本隽.Zhang Jun.Xu Wenbo.Fan Benjuan一种铰链式气动缓冲性关节的建模与动态仿真[期刊论文]-机械科学与技术2006,25(7)
3.章军.陆利峰.杨宏健全自动气动式塑性平面辊压成形机的设计[期刊论文]-江南大学学报(自然科学版)2004,3(4)
4.范本隽.章军.须文波.陈安军.Fan Benjuan.Zhang Jun.Xu Wenbo.Chen Anjun一种气动柔性机械指关节结构及其对操作压强的响应计算[期刊论文]-机械科学与技术2006,25(8)
5.章军.王建勤.须文波.ZHANG Jun.Wang Jian-qin.XU Wen-bo带超声波的电极旋转式脉冲放电设备的研究开发[期刊论文]-轻工机械2005,23(1)
6.章军.须文波.Zhang Jun.Xu Wenbo一种气-液复合驱动柔性关节的建模与动态仿真[期刊论文]-中国机械工程2006,17(15)
7.章军纸形蔬菜滚筒干燥成形设备的研究[期刊论文]-轻工机械2002(4)
8.王干永.章军.宋浩.WANG Ganyong.ZHANG Jun.SONG Hao小型缸的气-液串联复合驱动系统的动态仿真[期刊论文]-机床与液压2007,35(3)
9.章军以ISO9001为构架的零件检测与质量管理系统的研究[期刊论文]-制造技术与机床2003(8)
引证文献(1条)
1.王正刚.朱龙英.葛友华.赵书晓清理垃圾机械手的设计[期刊论文]-机械设计与制造 2009(7)
本文链接：https://www.360docs.net/doc/0118974106.html,/Periodical_bzyspjx200506005.aspx