一種小型軟體氣吸式抓手裝置的制作方法

本發(fā)明涉及軟體吸盤裝置，尤其涉及一種小空間裝配的彈性彎曲關節(jié)的抓手裝置。

背景技術：

真空吸盤，又稱真空吊具，是真空設備執(zhí)行器之一。一般來說，利用真空吸盤抓取制品是最廉價的一種方法，因而在工業(yè)領域被廣泛使用。常用的真空吸盤包括扁平吸盤、波紋吸盤、橢圓吸盤和特殊吸盤。扁平吸盤小巧的設計和小的內(nèi)部容積能使抓取時間最小化，抓取工件時，具有良好的穩(wěn)定性。用于搬運表面平整或稍微粗糙的扁平或輕微碟形的工件，如：金屬板,紙箱,玻璃板,塑料件和木板。波紋吸盤對不平整的表面有良好的適應性，能夠輕柔地抓取易損工件。用于搬運碟形的不平整的工件，如：汽車金屬板，紙箱，塑料件，鋁箔/熱塑包裝的產(chǎn)品，電子零件。橢圓吸盤能夠最佳的利用可吸取面，適用于長的凸面工件。橢圓吸盤的典型的應用區(qū)域:搬運狹長而且抓取面很小的工件：如管件，幾何形工件，木條，窗架，紙箱，錫箔/熱塑包裝產(chǎn)品。特殊吸盤因為吸盤材料和形狀的特殊性，使其可用于特定應用區(qū)域，如易碎的、多孔的、易變形的表面結(jié)構(gòu)。雖然真空吸盤根據(jù)吸盤的不同設計可以應用于多種領域，但是一般來說，其抓取方式單一，抓取后的運動完全取決于機器人的運動。

在小零件電子產(chǎn)品的裝配領域，因零件尺寸小，且裝配空間狹小易與其他零件干涉，夾鉗式執(zhí)行器的應用范圍有限。所以考慮使用氣吸式抓手進行小零件的裝配，該種抓取方式只接觸零件的一個面，便于裝配，又因為小零件的質(zhì)量輕，對真空發(fā)生器要求不高。但是普通吸盤設備只能在垂直方向運動，無法完成小零件在傾斜方向上的推、扣動作。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有吸盤設備的運動方式單一、靈活性較差、無法適用于小零件裝配的不足，本發(fā)明提供一種運動方式豐富、靈活性較好、有效適用于小零件裝配的小型軟體氣吸式抓手裝置，該氣吸式抓手桿件部分基于彈性材料形變原理設計而成，使用微流氣體驅(qū)動和控制，相對于電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)動關節(jié)更加節(jié)省空間，能夠高度靈活地在小空間中運動，實現(xiàn)機器人無法進入環(huán)境的裝配作業(yè)

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種小型軟體氣吸式抓手裝置，包括吸盤及連接件部分和氣動形變控制部分，所述吸盤及連接件部分包括吸盤和氣管，所述吸盤通過連接件與所述氣管的前端連接，所述氣管的末端設有與真空發(fā)生器連接的連接端；所述氣動形變控制部分包括彈性關節(jié)和硬質(zhì)塑料墊片，所述彈性關節(jié)套裝在所述連接件與連接端之間的氣管上，相鄰的兩個彈性關節(jié)之間通過所述硬質(zhì)塑料墊片連接，所述彈性關節(jié)包括彈性材料制作的關節(jié)本體，所述關節(jié)本體中央開有供所述氣管穿過的通孔，所述關節(jié)本體的側(cè)邊一圈設有氣室，所述氣室與連通到關節(jié)本體外壁的氣道連通，所述氣道與微氣流驅(qū)動器連通。

進一步，所述氣室的橫截面呈腰形。

再進一步，所述氣室等圓弧間隔設置在所述關節(jié)本體的一圈。

所述吸盤為微型波紋吸盤。

所述氣管為pu管。

本發(fā)明的技術構(gòu)思為：所述吸盤及連接件部分包括：吸盤類型的選擇，考慮小型零件，如低壓電器塑料零件等，質(zhì)量輕、平面光滑便于吸附，采用市場上通用的微型波紋吸盤。為使該裝置能夠彎曲，且因零件質(zhì)量輕對低壓要求不高，采用塑料軟管取代普通吸盤的剛性桿件。吸盤與軟管、真空發(fā)生器與軟管的連接均采用標準連接件，保證氣密性和連接的穩(wěn)定性。

所述氣動形變控制部分包括：考慮到氣體質(zhì)量輕、反應迅速，采用微氣流驅(qū)動方式。首先根據(jù)使用需求和加工難度設計單個彈性關節(jié)內(nèi)部氣室的形狀和排布方式，在此基礎上，建立氣室群氣壓變化與該關節(jié)彎曲程度的物理模型。然后設計多個連續(xù)彈性關節(jié)如何配合，來完成整體彎曲一定角度的動作。因每一個氣室對應獨立的微管控制，可同時控制多段彎曲。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)該氣吸式抓手裝置采用微流控制技術，通過對每一個彈性關節(jié)內(nèi)每個氣室壓強的精確控制，能夠靈活地實現(xiàn)任意方向任意角度的多段彎曲；

2)該氣吸式抓手裝置能夠通過計算補償自身重力造成的彎曲，保證水平段的直線度，增加了定位精度；

3)該氣吸式抓手裝置配合機器人，使其彎曲的傳遞速度與機器人運動速度一致，在吸盤不斷前進的同時能夠保證某一段的水平高度不變，適用于復雜小環(huán)境的裝配任務。

附圖說明

圖1是本發(fā)明氣吸式抓手裝置局部剖視圖；

圖2是彈性關節(jié)及內(nèi)部氣室結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的彎曲示意圖；

圖4是圖3彎曲段彈性關節(jié)受力分析圖；

圖5是圖3水平段彈性關節(jié)受力分析圖；

圖6是應用本發(fā)明在復雜環(huán)境作業(yè)的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種小型軟體氣吸式抓手裝置，包括吸盤及連接件部分和氣動形變控制部分，所述吸盤及連接件部分包括吸盤2和氣管1，所述吸盤2通過連接件3與所述氣管1的前端連接，所述氣管1的末端設有與真空發(fā)生器連接的連接端4；所述氣動形變控制部分包括彈性關節(jié)5和硬質(zhì)塑料墊片6，所述彈性關節(jié)5套裝在所述連接件與連接端之間的氣管上，相鄰的兩個彈性關節(jié)5之間通過所述硬質(zhì)塑料墊片6連接，所述彈性關節(jié)5包括彈性材料制作的關節(jié)本體，所述關節(jié)本體中央開有供所述氣管穿過的通孔，所述關節(jié)本體的側(cè)邊一圈設有氣室51，所述氣室51與連通到關節(jié)本體外壁的氣道52連通，所述氣道52與微氣流驅(qū)動器連通。

進一步，所述氣室51的橫截面呈腰形。

再進一步，所述氣室51等圓弧間隔設置在所述關節(jié)本體的一圈。

所述吸盤2為微型波紋吸盤。

所述氣管1為pu管。

圖1是本發(fā)明氣吸式抓手裝置局部剖視圖。如圖所示，該裝置由吸盤及氣管等吸氣組件，和安裝于柔軟氣管上的彈性關節(jié)兩部分組成。該吸盤2采用微型波紋吸盤，最大直徑15mm。該氣管1采用與金屬連接件3和金屬連接端4匹配的pu管，既能夠承受一定的程度的低壓又具有極高的柔韌度。該彈性關節(jié)5由彈性材料，如彈性聚酯材料制造而成，通過內(nèi)部氣室膨脹或收縮驅(qū)動關節(jié)發(fā)生彎曲形變，帶動氣管隨之彎曲。彈性關節(jié)之間用硬質(zhì)塑料墊片6連接，控制每一個彈性關節(jié)的形變方式。

為了合理設計吸盤吸附面積等參數(shù)，根據(jù)理論力學原理，建立水平吸取及垂直起吊情況下吸附面積與起吊力之間的數(shù)學公式。計算如下：

當水平吸取時，根據(jù)真空壓力計算起吊力。

f＝0.1×a×p...........................................(1)

f：理論起吊力(n)a：吸盤的吸附面積(cm²)p：真空壓力(kpa)。

當垂直起吊時，真空壓力的吸附力與吸附物和吸盤的吸附面的摩擦力即為維持物體的力(吸附力)。

f＝μ×0.1×a×p........................................(2)

f：理論起吊力(n)μ：摩擦系數(shù)

a：吸盤的吸附面積(cm²)p：真空壓力(-kpa)

實際作業(yè)中還需要考慮運動的加速度等因素，但因為小零件質(zhì)量輕，普通真空發(fā)生器產(chǎn)生的真空壓力遠大于其重力，所以不予考慮。

彈性關節(jié)的設計如圖2所示，該關節(jié)主體部分為圓柱體，中心開孔用于安裝在柔軟氣管上。如剖視圖a所示，每個氣室通過側(cè)面的小孔與對應的外部微管連接，微管另一端連接氣動控制器，該類微管直徑在1mm以內(nèi)，為保持作圖整潔，所有附圖中均未畫出。該關節(jié)內(nèi)部氣室形狀設計便于膨脹時關節(jié)彎曲?？紤]到設計的氣室越多，對彎曲方向的控制就越精確，而同時也增加了微管數(shù)量和控制難度，權衡之下，采用六個形狀相同、相對于軸心陣列的氣室，這樣六個氣室將該平面劃分為六塊，通過控制某幾個連續(xù)氣室的膨脹和與之對稱氣室的收縮，能夠在該平面內(nèi)精確地向某方向彎曲，通過氣壓強度來控制彎曲程度。

單個彈性關節(jié)內(nèi)部氣室壓強與其彎曲形變的關系分析如下：

首先，因硬質(zhì)塑料墊圈的限制，每個彈性關節(jié)與兩個墊圈的接觸面均為平面。進一步，為了合理設計彈性關節(jié)直徑、長度等參數(shù)，根據(jù)理論力學、彈性力學原理，建立單個彈性關節(jié)的彎曲角度與其內(nèi)部施加的壓力之間的數(shù)學公式。如圖4(1)所示，兩側(cè)氣室體積的不同形成了該關節(jié)的彎曲，將該關節(jié)簡化為彈性體受力分析，如圖4(2)所示，該彈性關節(jié)受到的內(nèi)部兩側(cè)的切應力q1>q2，下端面對該關節(jié)的應力為fn，建立坐標系并寫出彎矩平衡方程

令

應用位移邊界條件求積分方常數(shù)

eif″＝-m(x)＝fp(l-x)

得出

寫出彈性曲線方程

最大撓度及最大轉(zhuǎn)角

這樣就建立了彈性關節(jié)內(nèi)部受力與彎曲形變的關系。通過上述力學可行性分析，可以得到彈性關節(jié)尺寸與彎曲角度之間的關系，據(jù)此設計該彈性關節(jié)直徑、長度等參數(shù)。

具體實施案例如圖3所示，控制兩個彈性關節(jié)配合完成軟管在豎直平面上彎曲90°的動作，理想狀態(tài)下下端兩個彈性關節(jié)保持水平，但因為氣管和關節(jié)自身的柔性，在水平狀態(tài)下由于重力無法保持原來的形狀，需對這兩段關節(jié)進行氣動補償，即根據(jù)受力情況分別對這兩個關節(jié)進行彎曲補償，使得水平段保證直線度，提高定位精度。為了合理設計彈性材料密度等參數(shù)，根據(jù)理論力學、材料力學原理，建立不同位置的彈性關節(jié)彎曲90°時內(nèi)部壓力與該裝置水平段重量之間的數(shù)學公式。根據(jù)該彎曲補償?shù)牧W平衡計算健全對彈性關節(jié)的設計。分析圖3中水平段彈性關節(jié)受力如圖5所示，該關節(jié)受到左邊吸盤等的重力造成的應力f1，右端受到右邊關節(jié)的提拉力f2，通過增加內(nèi)部切應力q1，q2來抵消f造成的扭矩，即滿足扭矩平衡方程：

在以上受力分析的基礎上，通過該氣吸式抓手裝置彎曲與機器人運動的配合，能夠完成在小環(huán)境內(nèi)多次彎曲前進的特殊作業(yè)，如圖6所示，機器人持續(xù)向下運動，該氣吸式抓手裝置通過多次彎曲進入普通機器人吸盤無法進入的區(qū)域進行作業(yè)，且根據(jù)機器人下降速度控制彎曲的傳遞，使得中間水平段的高度始終不變，避免與該環(huán)境內(nèi)部發(fā)生干涉。

本領域技術人員應該理解，本領域技術人員結(jié)合現(xiàn)有技術以及上述實施例可以實現(xiàn)所述變化例，在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，在此不予贅述。

以上對本發(fā)明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結(jié)構(gòu)應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化以及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。