專利名稱：一種曲面物件抓取手爪的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于夾持裝置領域，具體涉及一種曲面物件抓取手爪。
2.背景技術在產品機械加工、裝配和運輸及其自動化過程中，大多采用機器人配合手爪實現曲面(含不完整曲面)物件的可靠抓取、搬運和精確放置，用來幫助或部分代替人來進行繁重、危險、重復等作業。
近年來，國內外機器人技術發展很快，如裝配機器人、噴漆機器人和焊接機器人等國內許多企業里都能見到。用于抓取簡單和表面形狀規則零件的機器人手爪結構形式現在很多，并且國外有機器人手爪技術方面的專著和圖冊介紹。但是對抓取多個曲線復合成的光滑表面物件，同時具有抓取并保持位姿不變的機器人手爪未見報道。
目前抓拿曲面物件的手爪，可分為磁吸和氣吸兩類，具有代表性的見圖1和圖2。圖1是一種磁吸式手爪，它利用電磁力和袋裝可變形式磁粉，吸住具有任意曲面形狀的磁性物件，對非磁性物件不適用。圖2是一種氣吸式手爪，它下端有一個橡膠吸盤，上面有彈簧緩沖壓下裝置，靠吸盤內腔的真空吸住曲面物件；以上兩種方式均無法保持曲面物件的位姿不變。
3.發明內容為了克服現有的手爪不能保持被抓取曲面物件的位姿不變的不足，本實用新型提供一種可抓取曲面物件且使被抓取物件保持位姿不變的手爪。
本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是設計的一種曲面物件抓取手爪，包括帶接頭架體、接觸力控制裝置及其控制系統、柔性定位裝置及其控制系統、無間隙剛性定位裝置及其控制系統；帶接頭架體分別與接觸力控制裝置、柔性定位裝置、無間隙剛性定位裝置連接；所述的柔性定位裝置為均布并聯自適應真空吸著的柔性抓取定位自鎖裝置；所述的無間隙剛性定位裝置為均布并聯無間隙剛性定位自鎖裝置。
帶接頭架體由接頭、帽蓋、平板和帶法蘭圓筒組成。
手爪各部分的連接關系為手爪上部是帶接頭架體，帶接頭架體上設置了接頭，接頭固定在架體的帽蓋上，與機器人手臂接口匹配連接；帽蓋上設置了安裝剛性定位裝置的動力-傳動裝置的連接接口；帽蓋下是柔性定位和剛性定位裝置動力-傳動裝置的動力供給同步分配器，它們固定在帶接頭架體的平板上；帽蓋上沿斜面周邊均布裝有多個剛性定位裝置；平板上設置了為接觸力控制裝置的導桿和傳感器連接的接口；平板下裝有接觸力控制裝置的導桿和壓力傳感器；同時平板連接著帶法蘭圓筒，帶法蘭圓筒在水平方向上，沿圓周均布裝有剛性定位裝置；接觸力控制裝置的導桿連接著活動套板，在它上面沿圓周均布裝有多個柔性定位裝置；最下面是水平剛性定位自鎖裝置。
接觸力控制裝置由導桿、活動套板、壓力傳感器和電器控制系統組成。接觸力控制裝置的導桿垂直安置在活動套板上。
柔性定位裝置為真空吸著柔性定位裝置，為自適應真空吸著柔性定位并聯自鎖裝置，吸盤接觸特種物件形成柔性定位層，它由一至多個帶滑塊移動副的吸盤組件在圓周上均布并聯組成，并且吸盤組件的軸線與吸盤吸附物件曲面的法線重合。
剛性定位裝置為無間隙剛性定位裝置，是無間隙無沖擊剛性定位并聯自鎖裝置，它由一至多個由帶到位自鎖的動力-傳動裝置和觸頭組成的定位組件均布并聯而成，多個觸頭接觸物件形成垂直剛性自鎖定位層，每一定位組件的軸線與觸頭接觸物件曲面的法線重合。
本實用新型手爪的真空吸著柔性定位裝置的吸盤接觸物件或放置物件時，壓力傳感器通過導桿裝置受壓，發送壓力模擬信號，當壓力達到預定值時，電器控制系統控制機器人手臂運動，實現特殊手爪行程位置的控制，達到控制接觸力，抓取和放置物件無沖擊的目的；柔性定位裝置為真空吸著柔性定位裝置。為自適應真空吸著柔性定位并聯自鎖裝置，吸盤接觸特種物件形成柔性定位層，柔性定位裝置利用吸盤可壓縮性和滑塊式移動副傳動使吸盤在一定的預壓力下自適應吸取物件。
手爪通過接頭與機器人手臂接口匹配連接，并自動對心同軸后，接上動力連接線，便可以進行物件的抓取、搬運和放置工作。具體工作程序如下將零件放置在固定座上，擺正姿態；機器人驅動手爪垂直下降至柔性定位裝置的吸盤接觸零件；接觸力控制裝置的壓力傳感器受導桿裝置的活動套極作用，達到預置壓力后，手爪停止下降，吸盤形成密封腔；剛性定位裝置的觸頭運動到位，并自鎖；手爪柔性定位裝置自適應吸取物件，并自鎖；機器人驅動手爪垂直上升到預定高度，水平搬運到預定位置，再垂直下降；直到接觸力控制裝置的壓力傳感器受導桿裝置的活動套板作用，達到預置壓力后，手爪停止下降；柔性定位裝置松開物件；剛性定位并聯自鎖裝置解鎖返回；機器人驅動手爪回到初始位置，準備下一件的抓取。
本實用新型的有益效果是實現了曲面物件的可靠、安全抓取，有效地保持了物件抓取和放置后的位姿，在實施抓取、搬運和放置物件到位的整個過程中自始至終保持了物件的位置姿態。經設計驗證和使用考核確認，可保持物件位姿不變的精度在0.050mm范圍內。
4.
圖1磁吸手爪示意圖圖2氣吸手爪示意圖圖3本實用新型的實施例1的結構示意圖圖4本實用新型的實施例1的柔性定位裝置結構示意圖圖5本實用新型的實施例1的手爪氣動控制線路圖圖6本實用新型的實施例2的結構示意圖圖中1.帶接頭架體 2.接觸力控制裝置 3.柔性定位裝置 4.剛性定位裝置 5.物件 6.固定座 7.活動套板 8.帶法蘭圓筒 9.平板 10.導桿 11.帽蓋 12.接頭 13.同步分配器 14.吸盤組件轉角固定軸 15.托桿 16.滑塊移動副的吸盤組件 17.吸盤5.具體實施方式
實施例1在圖3和圖4中，本實用新型的手爪包括帶接頭架體1對物件的接觸力控制裝置2及其控制系統、柔性定位裝置3及其控制系統、無間隙無沖擊剛性定位裝置4及其控制系統。
接頭12為帶內螺紋的標準莫氏錐柄，固定在帶接頭架體1的帽蓋11上，與機器人手臂連接，具有自動對心同軸的功能，帽蓋11、平板9和帶法蘭圓筒8連接成一體，帽蓋11下固定連接柔性定位和剛性定位裝置動力-傳動裝置的動力供給同步分配器13。帽蓋11的豎直方向上設置了剛性定位裝置4的動力-傳動裝置的連接接口；平板9上設置了為接觸力控制裝置2的導桿10和傳感器連接的接口；帶法蘭圓筒8在水平方向上設置了剛性定位裝置4的動力-傳動裝置的連接接口；接觸力控制裝置2由導桿10、活動套板7、壓力傳感器和電器控制系統組成，導桿10和壓力傳感器安裝在平板9上；柔性定位裝置3為真空吸著柔性定位裝置，是一個層面為自適應真空吸著柔性定位并聯自鎖裝置，吸盤17接觸特種物件形成柔性定位層，它由一至多個帶滑塊移動副的吸盤組件16在圓周上均布并聯組成，吸盤組件的軸線與吸盤吸附物件曲面的法線重合；柔性定位裝置中帶有吸盤17的滑塊移動副的吸盤組件16通過吸盤組件轉角固定軸14和托桿15固定連接在活動套板7上。剛性定位裝置4為無間隙剛性定位裝置，設定了二個層面為無間隙無沖擊剛性定位并聯自鎖裝置，它由三個由帶到位自鎖的動力-傳動裝置和觸頭組成的定位組件均布并聯而成，多個觸頭接觸物件形成垂直剛性自鎖定位層，每一定位組件的軸線與觸頭接觸物件曲面的法線重合或接近；物件5放置在固定座6上。
本實用新型的手爪是一種氣壓驅動的由三個層面的定位裝置，各定位裝置相對獨立，分別聯接在手爪架體上；第一個層面為三個均布并聯自適應真空吸著的定位自鎖裝置，吸爪工作時，吸著特種物件，并自鎖，從而形成柔性定位層；第二個層面為三個均布并聯氣壓驅動垂直無間隙剛性定位自鎖裝置，觸頭接觸特種物件，并自鎖，從而形成垂直剛性定位層；第三個層面為三個均布并聯氣壓驅動水平無間隙剛性定位自鎖裝置，觸頭接觸特種物件，并自鎖，從而形成水平剛性定位層。
選用機器人-單柱坐標鏜床(型號TG4132B)，其主要參數主軸升降行程(Z方向)精度≤0.01mm，工作臺水平行程(X、Y方向)精度≤0.002mm。
將本實用新型實施例1的手爪(LA03)與單柱坐標鏜床(型號TG4132B)連接后，按下面的工作程序完成特種物件的抓取將零件放置在固定座上，擺正位姿；手爪垂直下降至柔性定位裝置的吸盤接觸零件后停下；手爪驅動垂直剛性定位裝置的觸頭運動到位，達到力平衡后自鎖；手爪驅動水平剛性定位裝置的觸頭運動到位，達到力平衡后自鎖；柔性定位裝置自適應吸取物件，并自鎖；手爪抓取物件垂直提升100mm；水平搬運290mm到一預定位置，再垂直下降100mm后，接觸固定座后停下；手爪柔性定位裝置松開物件；剛性定位并聯自鎖裝置解鎖返回；手爪回到初始位置，準備下一件的抓取。
抓取特種物件的手爪，經設計驗證和使用考核確認，抓取、搬運后可保持物件位姿不變的精度在0.050mm范圍內。
實施例2圖6中，本實施例手爪的基本結構與實施例1相同，不同之處在于帽蓋上沿斜面周邊均布裝有5個剛性定位裝置的動力-傳動裝置，即第二個層面為5個均布并聯斜向無間隙剛性定位自鎖裝置，帶接頭架體1設計為罩式架體。
本實用新型手爪根據抓取物件的具體表面等物理特征和位姿精度要求可設計成一個柔性定位層和一至多個層面的多點剛性定位層，柔性定位層可設計成三至多點相對獨立的定位裝置分別聯接在導桿裝置的活動套板上，每個剛性定位層可設計成三至多點相對獨立的定位裝置分別聯接在手爪架體上。
本實用新型手爪的柔性定位層和每一剛性定位層在垂直方向上應達到一定的同軸度要求，同時與帶接頭架體的接頭軸線重合；每一定位層在水平方向上應達到一定的平面度要求，同時層內多點相對獨立的定位裝置在動作上應保持同步(如電力驅動應設置同步器，液力或氣力驅動應共用一個壓力源)。
本實用新型的無間隙無沖擊剛性定位裝置也可以是多個層面，根據位姿不變精度的要求和物體結構的具體情況而定，一至多個由帶到位自鎖的動力-傳動裝置的驅動可以是電動、氣動、液動或它們相互間的組合；手爪的導桿和活動套板裝置，根據需求，也可以設計成滑動、滾動導桿裝置。
觸頭根據被抓物件的材料和位姿不變的精度要求，可以選擇金屬或非金屬，如銅、鋁、尼龍、硬橡膠等。
權利要求1.一種曲面物件抓取手爪，其特征在于包括帶接頭架體(1)、接觸力控制裝置(2)及其控制系統、柔性定位裝置(3)及其控制系統、無間隙剛性定位裝置(4)及其控制系統；帶接頭架體(1)分別與接觸力控制裝置(2)、柔性定位裝置(3)、無間隙剛性定位裝置(4)連接；所述的柔性定位裝置(3)為均布并聯自適應真空吸著的柔性抓取定位自鎖裝置；所述的無間隙剛性定位裝置(4)為均布并聯無間隙剛性定位自鎖裝置。
2.根據權利要求1所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于帶接頭架體(1)由接頭(12)、帽蓋(11)、平板(9)和帶法蘭圓筒(8)組成。
3.根據權利要求1或2所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于手爪上部是帶接頭架體(1)，帶接頭架體(1)上設置了接頭(12)，接頭(12)固定在架體的帽蓋(11)上，與機器人手臂接口匹配連接；帽蓋(11)上設置了安裝剛性定位裝置(4)的動力-傳動裝置的連接接口；帽蓋(11)下是柔性定位和剛性定位裝置的動力-傳動裝置的動力供給同步分配器(13)，它們固定在帶接頭架體(1)的平板(9)上；帽蓋(11)上沿斜面周邊均布裝有多個剛性定位裝置(4)；平板(9)上設置了為接觸力控制裝置的導桿和傳感器連接的接口；平板(9)下裝有接觸力控制裝置的導桿(10)和壓力傳感器；同時平板(9)連接著帶法蘭圓筒(8)，帶法蘭圓筒(8)在水平方向上，沿圓周均布裝有剛性定位裝置(4)；接觸力控制裝置(2)的導桿(10)連接著活動套板(7)，在它上面沿圓周均布裝有多個柔性定位裝置(3)；最下面是水平的剛性定位裝置(4)。
4.根據權利要求1所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于接觸力控制裝置(2)由導桿(10)、活動套板(7)、壓力傳感器和電器控制系統組成。
5.根據權利要求1所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于柔性定位裝置(3)為真空吸著柔性定位裝置，為自適應真空吸著柔性定位并聯自鎖裝置，吸盤接觸特種物件形成柔性定位層，它由一至多個帶滑塊移動副的吸盤組件(16)在圓周上均布并聯組成，并且吸盤組件的軸線與吸盤吸附物件曲面的法線重合；柔性定位裝置(3)中帶有吸盤(17)的滑塊移動副的吸盤組件(16)通過吸盤組件轉角固定軸(14)和托桿(15)固定連接在活動套板(7)上。
6.根據權利要求1所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于剛性定位裝置(4)采用無間隙剛性定位自鎖裝置，由多個帶到位自鎖的動力-傳動裝置和觸頭組成的定位組件均布并聯而成，多個觸頭接觸物件形成垂直剛性自鎖定位層，每一定位組件的軸線與觸頭接觸物件曲面的法線重合。
7.根據權利要求4所述的一種曲面物件抓取手爪，其特征在于接觸力控制裝置(2)的導桿(10)垂直安置在活動套板(7)上。
專利摘要本實用新型由帶接頭架體(1)、接觸力控制裝置(2)及其控制系統、柔性定位裝置(3)及其控制系統、無間隙剛性定位裝置(4)及其控制系統組成。采用本實用新型可實現曲面物件的可靠、安全抓取、移動，在整個過程中自始至終保持被移動物體的位姿不變。本實用新型尤其適用于有較高位姿精度要求的曲面物件的自動抓取、搬運和精密裝配。
文檔編號B21J15/00GK2584315SQ0224478
公開日2003年11月5日 申請日期2002年11月15日 優先權日2002年11月15日
發明者李凡 申請人:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所