一种纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法及其结构

技术领域

本发明涉及农业机械的技术领域，尤其是指一种纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法及其结构。

背景技术

自适应柔顺夹持器利用柔性结构的弹性变形实现物体的包裹，可适应不用形状、尺寸物体的，广泛应用于易损对象、非结构化对象的柔性抓取等操作。根据柔性变形的来源，可将柔顺夹持器的夹爪分为被动式和主动式。被动式夹爪单纯依靠夹爪和物体的接触作用促使夹爪结构发生弹性的弯曲变形，实现被夹物体的包裹，例如，目前广泛应用的利用鳍型效应的柔顺夹爪；主动式夹爪除了依靠物体接触作用产生的被动变形以外，还同时利用了夹爪的驱动输入产生的主动变形，是两种变形的耦合作用实现了物体的包裹。与主动式夹爪相比，被动式夹爪是单纯依靠内部结构特征来实现物体的自适应包裹，具有结构简单、紧凑、通用性强等优点。

然而，现有的自适应柔顺夹爪以主动式为主，关于被动式柔顺夹爪的构型非常少，只有著名的鳍型效应柔顺夹爪属于这一类型，原因是这类夹爪的构型设计难度较高，且缺乏相关的设计方法。当前已有相关研究采用拓扑优化方法实现自适应柔顺夹爪的构型设计，但都集中在主动式柔顺夹爪，采用常规技术手段难以实现纯被动式柔顺夹爪的拓扑优化设计。为此，本发明提出一种纯被动式自适应柔顺夹爪的拓扑优化设计方法及其结构，可为纯被动式柔顺夹爪的构型设计提供方法支撑，同时提供新型的纯被动式柔顺夹爪构型结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种纯被动式自适应柔顺夹爪的拓扑优化设计方法及其结构，能够创新设计出纯被动式自适应柔顺夹爪，实现对不同形状、尺寸物体的纯被动变形式自适应包裹夹持，有效提高柔顺夹爪的夹持自适应性和通用性。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：

一种纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法，采用主动变形辅助策略实现被动式自适应柔顺夹爪的拓扑优化设计，所设计的柔顺夹持器能够单纯依靠柔顺夹爪与物体接触所产生的被动弹性变形实现对不同形状、尺寸物体的自适应包裹夹持；

所述拓扑优化设计采用矩形设计域，设有一条固定边和一条接触边，其余两条边自由；所述固定边的两端分别设置固定节点，用于描述被动式自适应柔顺夹爪与机架的连接关系；所述接触边的中点设有一个接触输入点，其远离固定边的末端点设为夹爪运动输出点；所述接触输入点上加载有一个垂直于接触边、指向设计域内部的单位力，用于描述夹持物体对夹爪的接触作用力；所述夹爪运动输出点上期望产生垂直于接触边、弯向夹持物体的包裹运动；

所述主动变形辅助策略为：将远离接触边的固定节点替换为辅助输入点；所述辅助输入点上加载有一个垂直于固定边、指向设计域内部的单位辅助输入力，用于放大接触输入点加载力在夹爪运动输出点上产生的包裹位移，以保证拓扑优化的顺利进行；所述主动变形辅助策略在接触输入点、辅助输入点和夹爪运动输出点上分别设置线性弹簧，并将被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计目标描述为在接触作用力和辅助输入力的共同作用下最大化夹爪的输出位移。

一种采用上述的纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法所设计的柔顺夹爪结构，包括外轮廓部分和内连接部分；所述外轮廓部分包括连接梁、接触梁、爪背折梁和爪背直梁；所述连接梁平行并靠近于夹爪的固定边，分别与接触梁、爪背直梁的近固定端部分垂直固连；所述接触梁为夹爪与物体的接触边界，呈直梁形状，与爪背直梁平行，其一端与夹爪的机架固连；所述爪背折梁通过其长端与接触梁的末端固连，并通过其短端与爪背直梁的末端固连，向夹爪内部中心弯折；所述爪背直梁的固定端与夹爪的机架固连；所述内连接部分包括细直梁、粗直梁、细折梁和厚折梁；所述细直梁的一端与爪背直梁的近固定端处相连接，其另一端与粗折梁的折点处相连接；所述粗直梁一端与接触梁的近固定端处相连接，粗直梁的另一端分别与细折梁、厚折梁的短端相连接；所述细折梁的长端与爪背折梁的折点处相连接，向细直梁方向弯折；所述粗折梁的长端与爪背直梁末端相连接，向细直梁方向弯折。

进一步，所述连接梁、接触梁、爪背折梁和爪背直梁的长度比为0.5：1：0.6：0.6，厚度比为0.4：0.7：0.6：1。

进一步，所述爪背折梁的长端与短端的长度比为1:0.5，折角为165度。

进一步，所述细直梁、粗直梁、细折梁和厚折梁的长度比为0.9：0.9：1：0.9，厚度比为0.6：1：0.4：0.7。

进一步，所述细折梁的长端与短端的长度比为1:0.5，折角为158度；所述粗折梁的长端与短端的长度比为1:0.6，折角为162度。

一种采用上述的纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法所设计的柔顺夹爪结构，包括连接折梁、接触梁、爪背折梁、爪背直梁、细直梁和粗直梁；所述连接折梁靠近于夹爪的固定边，其长端与接触梁的近固定端处相连接，其短端与爪背直梁的近固定端处相连接，向夹爪结构内部弯折；所述接触梁为夹爪与物体的接触边界，呈直梁形状，其一端与夹爪的机架固连；所述爪背折梁通过其长端与接触梁的末端固连，并通过其短端与爪背直梁的末端固连，向夹爪内部中心弯折；所述爪背直梁的固定端与夹爪的机架固连；所述细直梁倾斜设置在夹爪结构内部，其一端同时与爪背折梁短端和爪背直梁末端相连接，其另一端在接触梁靠近固定端的四等分点处与接触梁相连接；所述粗直梁倾斜设置在夹爪结构内部，其一端在爪背折梁的折角处与爪背折梁相连接，其另一端在接触梁的中点位置与接触梁相连接。

进一步，所述连接折梁、接触梁、爪背折梁、爪背直梁、细直梁和粗直梁的长度比为0.5：1：0.6：0.6：0.5：0.5，厚度比为0.2：0.4：0.8：1：0.4：0.5。

进一步，所述连接折梁的长端与短端的长度比为1:0.3，折角为166度。

进一步，所述爪背折梁的长端与短端的长度比为1:0.9，折角为145度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明所提的设计方法能够实现纯被动式自适应柔顺夹爪的拓扑优化设计，解决当前设计方法不能获得纯被动式自适应柔顺夹爪的问题，为纯被动式自适应柔顺夹爪提供新颖的拓扑构型。

2、本发明所提的两种被动式自适应柔顺夹爪具有良好的形状、尺寸自适应性和夹持性能，可广泛应用于易损、非结构化等物体抓取的末端执行器。

3、本发明所提的两种被动式自适应柔顺夹爪为一体式结构，简单且可靠，具有通用性强等优点，可用在平动夹持器、转动夹持器以及主动式夹持器上。

附图说明

图1为本发明方法所用的主动变形辅助设计策略示意图。

图2为本发明方法所设计的一种纯被动式自适应柔顺夹爪结构示意图。

图3为本发明方法所设计的另一种纯被动式自适应柔顺夹爪结构示意图。

图4为本发明两种被动式自适应柔顺夹爪在平移夹持圆柱物体时的变形示意图。

图5为本发明两种被动式自适应柔顺夹爪在转动夹持圆柱物体时的变形示意图。

图6为本发明两种被动式自适应柔顺夹爪安装在主动式夹持器上的变形示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例公开了一种纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法，该方法是采用主动变形辅助策略实现被动式自适应柔顺夹爪的拓扑优化设计，所设计的柔顺夹持器可单纯依靠柔顺夹爪与物体接触所产生的被动弹性变形实现对不同形状、尺寸物体的自适应包裹夹持。

如图1中(a)所示，所述的拓扑优化设计采用矩形设计域，设有一条固定边ab和一条接触边bc，其余两条边cd和ad自由；所述的固定边ab的两端分别设置固定节点a和b，用于描述被动式柔顺夹爪与机架的连接关系；所述的接触边的中点设有一个接触输入点e，其远离固定边的末端点设为夹爪运动输出点c；所述的接触输入点e上加载有一个垂直于接触边、指向设计域内部的单位力f

如图1中(b)所示，所述的主动变形辅助策略为：将远离接触边ab的固定节点a替换为辅助输入点；所述的辅助输入点上加载有一个垂直于固定边、指向设计域内部的单位辅助输入力f

如图2所示，为一种采用上述的纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法所设计的柔顺夹爪结构，包括外轮廓部分和内连接部分；所述的外轮廓部分包括连接梁1、接触梁2、爪背折梁3和爪背直梁4，四梁的长度比为0.5：1：0.6：0.6，四梁的厚度比为0.4：0.7：0.6：1；所述的连接梁1平行并靠近于夹爪的固定边，分别与接触梁2、爪背直梁4的近固定端部分垂直固连；所述的接触梁2为柔顺夹爪与物体的接触边界，呈直梁形状，与爪背直梁4平行，其一端与夹爪的机架固连；所述的爪背折梁3通过其长端与接触梁2的末端固连，并通过其短端与爪背直梁4的末端固连，其长端与短端的长度比为1:0.5，向柔顺夹爪内部中心弯折，折角为165度；所述的爪背直梁4的固定端与夹爪的机架固连；所述的内连接部分包括细直梁5、粗直梁6、细折梁7和厚折梁8，四梁的长度比为0.9：0.9：1：0.9，四梁的厚度比为0.6：1：0.4：0.7；所述的细直梁5的一端与爪背直梁4的近固定端处相连接，其另一端与粗折梁8的折点处相连接；所述的粗直梁6一端与接触梁2的近固定端处相连接，粗直梁6的另一端与细折梁7、厚折梁8的短端相连接；所述的细折梁7的长端与爪背折梁3的折点处相连接，其长端与短端的长度比为1:0.5，向细直梁5方向弯折，折角为158度；所述粗折梁8的长端与爪背直梁4末端相连接，其长端与短端的长度比为1:0.6，向细直梁5方向弯折，折角为162度。

如图3所示，为另一种采用上述的纯被动式自适应柔顺夹爪拓扑优化设计方法所设计的柔顺夹爪结构，包括连接折梁1、接触梁2、爪背折梁3、爪背直梁4、细直梁5和粗直梁6，六梁的长度比为0.5：1：0.6：0.6：0.5：0.5，六梁的厚度比为0.2：0.4：0.8：1：0.4：0.5；所述的连接折梁1靠近于夹爪的固定边，其长端与接触梁2的近固定端处相连接，其短端与爪背直梁4的近固定端处相连接，其长端与短端的长度比为1:0.3，向柔顺夹爪结构内部弯折，折角为166度；所述的接触梁2为柔顺夹爪与物体的接触边界，呈直梁形状，其一端与夹爪的机架固连；所述的爪背折梁3通过其长端与接触梁2的末端固连，并通过其短端与爪背直梁4的末端固连，其长端与短端的长度比为1:0.9，向柔顺夹爪内部中心弯折，折角为145度；所述的爪背直梁4的固定端与夹爪的机架固连；所述的细直梁5倾斜设置在柔顺夹爪结构内部，其一端同时与爪背折梁3短端和爪背直梁4末端相连接，另一端在接触梁2靠近固定端的四等分点处与接触梁2相连接；所述粗直梁6倾斜设置在柔顺夹爪结构内部，其一端在爪背折梁3的折角处与爪背折梁3相连接，另一端在接触梁2的中点位置与接触梁2相连接。

以上两种所设计的纯被动式自适应柔顺夹爪对不同形状和尺寸的物体都具有良好的包裹自适应性，图4-5给出了这两种纯被动式自适应柔顺夹爪的部分夹持效果图，其中，图4是将柔顺夹爪安装在平移夹持器上抓取圆柱物体的变形图，图5则是将柔顺夹爪安装在转动夹持器上抓取圆柱物体的变形图。从图上可看出，所设计的被动式自适应柔顺夹爪的接触边能较好地贴合被夹物体，夹爪的爪尖向被夹物体方向弯曲并形成包裹效应；通过实验测试也发现，所设计的被动式自适应柔顺夹爪形成包裹的同时能提供良好的负重能力。同时，从图4-5也能看出纯被动式自适应柔顺夹爪的优势，即柔顺夹爪可在不同运动形式的夹持器上使用，方便快捷，无需重新设计。

另一方面，以上两种所设计的纯被动式自适应柔顺夹爪也可用在主动式夹持器上，图6给出了两种自适应柔顺夹爪安装在主动式夹持器上的变形示意图，该主动式夹持器通过刚性连杆机构驱动柔顺夹爪主动变形；从图上可见，所设计的柔顺夹爪在主动模式下亦能具有良好的自适应包裹效果，进一步说明了本发明所提设计方法及其结构的有效性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。