夹持装置及作业机械

技术领域

本发明涉及智能机械设备技术领域，具体设计一种夹持装置及作业机械。

背景技术

随着机械设备的智能化发展，刚性机械手因柔顺性欠缺，对于被抓取物体存在着不能忽略的潜在危害，而使得应用受限。

软体机械手是具有柔顺性与安全性的一类新型抓持器，但是，此类机械手往往需要持续提供驱动力，存在能量效率低及驱动策略复杂的问题。

为解决目前机械手难以兼具柔顺性、高能效性和驱动策略简单化的问题，提供一种夹持装置及作业机械。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种夹持装置及作业机械，以解决现有机械手难以兼具柔顺性、高能效性和驱动策略简单化的问题。

第一方面，本发明提供了一种夹持装置，包括支撑组件、至少两组双稳态元件以及驱动组件。进一步的，双稳态元件具有固定端和夹持端，其中固定端均支撑于支撑组件，各夹持端之间配合设置。更进一步的，驱动组件连接于各夹持端，用于驱动各夹持端相互远离。

有益效果：需要说明的是，本方案中，双稳态元件具有稳定状态与次稳定状态，且从稳定状态向次稳定状态变形过程中，双稳态结构在外力作用下会变形并积累能量；当撤除外力后，双稳态元件会快速变形并释放能量，最终维持在稳定状态。

本方案中，双稳态元件的各夹持端配合设置以用于夹持物品，首先，双稳态元件相较于刚性机械手，柔顺性得到改善。其次，驱动组件只需为夹持端提供驱动力，使得各夹持端由稳定状态向着次稳定状态变形，即可使得各夹持端相互远离。此时，夹持装置为打开状态，可用于靠近并包覆待夹持物品。当驱动组件撤除驱动力，双稳态元件由次稳定状态向着稳定状态快速变形，完成夹持动作。此时，夹持装置为闭合状态。因此，本方案的夹持装置只需要驱动组件提供驱动力使夹持端相互远离即可，夹持动作时，无需再提供驱动力，大大提高了能量效率，且驱动策略简单。

在一种可选的实施方式中，驱动组件包括柔性驱动结构，柔性驱动结构具有牵引端和至少两个驱动端，各驱动端分别与一双稳态元件的夹持端连接，牵引端通过驱动端驱动夹持端相互远离。

有益效果：柔性驱动结构中，牵引端能够通过驱动端同时驱动各夹持端，使得各双稳态元件同时发生变形，从而实现夹持装置的快速打开，操作简单便捷。

在一种可选的实施方式中，柔性驱动结构包括相连接的第一驱动绳和至少两根第二驱动绳，第一驱动绳远离第二驱动绳的一端形成牵引端，第二驱动绳远离第一驱动绳的一端形成驱动端。

有益效果：采用第一驱动绳和第二驱动绳分别形成牵引端和驱动端，材料简单，易于生产制造。

在一种可选的实施方式中，柔性驱动结构还包括升降件，第一驱动绳通过升降件与第二驱动绳连接。

有益效果：在第一驱动绳和第二驱动绳之间设置升降件，能够提高驱动力的传递效率，避免驱动力因各第二驱动绳间的张力而抵消。

在一种可选的实施方式中，驱动组件还包括支座，支座内构造有限位腔，升降件可升降地设置于限位腔内。

有益效果：限位腔能够对升降件起到限位作用，使得升降件沿预定的方向移动，提高驱动力的传递效率。

在一种可选的实施方式中，驱动组件还包括至少两组滑轮，滑轮可转动的设置于支撑组件，各滑轮的外周壁分别与一根第二驱动绳抵接。

有益效果：各第二驱动绳与滑轮抵接，减小第二驱动绳移动时受到的摩擦，减少驱动绳的磨损，并进一步保证驱动力的传递效率。

在一种可选的实施方式中，夹持装置还包括至少两组柔性元件，柔性元件包覆于双稳态元件的内侧。

有益效果：柔性元件包覆在双稳态元件的内侧，当夹持物品时，柔性元件先与物品接触，进一步提高夹持装置的柔顺性。

在一种可选的实施方式中，柔性元件具有弹性，且柔性元件张紧固定于固定端和夹持端之间；柔性元件的中部形成有弯折部，弯折部固定于双稳态元件的外侧。

有益效果：该方案中，柔性元件张紧固定于固定端和夹持端之间，当驱动组件驱动各夹持端相互远离时，带动柔性元件进一步拉伸并积累能量。当撤除驱动力时，拉伸状态的柔性元件在物体表面形成的高应变力能有效地阻止被抓握物体受外力从夹持装置中滑动或脱落。

在一种可选的实施方式中，支撑组件包括第一支撑件和至少两个第二支撑件，第一支撑件的周向间隔布置有至少两个支撑臂，各支撑臂分别穿设于一第二支撑件内，各双稳态元件的固定端分别抵接于一支撑臂和第二支撑件之间。

有益效果：第一支撑件通过设置支撑臂，并与第二支撑件相配合，将各双稳态元件的固定端固定，并为双稳态元件提供可靠的支撑，使得夹持装置构成为一整体结构，可靠性较高。

第二方面，本发明还提供了一种作业机械，包括如上述任一实施例的夹持装置、动力单元和控制单元。进一步的，动力单元连接于驱动组件，用于为驱动组件提供或者撤除驱动力。更进一步的，控制单元用于控制动力单元。

有益效果：因为该作业机械包括本发明的夹持装置，具有与夹持装置相同的效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种夹持装置闭合状态的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种夹持装置打开状态的结构示意图；

图3为本发明实施例的双稳态元件与柔性元件安装示意图；

图4为本发明实施例的一种夹持装置的局部结构爆炸图。

附图标记说明：

1、支撑组件；11、第一支撑件；111、支撑臂；112、第一直槽孔；12、第二支撑件；121、长条孔；122、第二直槽孔；123、安装槽；13、限制件；

2、双稳态元件；21、固定端；22、夹持端；

3、驱动组件；31、第一驱动绳；32、升降件；321、贯穿孔；33、第二驱动绳；34、支座；341、中心孔；35、滑轮；

4、柔性元件；41、弯折部；

5、压紧件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

刚体机械手是目前工业上最常用的抓持工具，具有力大、控制精准等优势而广泛在工业界中被使用。然而，刚体件并不是被抓取的主流物体。无论是日常场景的食物、日常用品抓持，还是工业生产中品类繁多产品的夹取，亦或是人机交互中的机械手与人的写作，刚体机械手对于柔顺性的欠缺以及对于被抓取物体潜在的危害性都不能忽略。

而软体机械手是具有柔顺性与安全性的一类新型抓持器，但是，此类机械手往往需要持续提供驱动力，存在能量效率低及驱动策略复杂的问题。

基于此，本申请提供了一种夹持装置及作业机械，以解决现有机械手难以兼具柔顺性、高能效性和驱动策略简单化的问题。

下面结合图1至图4，描述本发明夹持装置及作业机械的实施例。

根据本发明的实施例，一方面，提供了一种夹持装置，包括支撑组件1、至少两组双稳态元件2以及驱动组件3。进一步的，双稳态元件2具有固定端21和夹持端22，其中固定端21均支撑于支撑组件1，各夹持端22之间配合设置。更进一步的，驱动组件3连接于各夹持端22，用于驱动各夹持端22相互远离。

需要说明的是，双稳态元件2具有稳定状态与次稳定状态，且从稳定状态向次稳定状态变形过程中，双稳态结构在外力作用下会变形并积累能量；当撤除外力后，双稳态元件2会快速变形并释放能量，最终维持在稳定状态。

在该实施例中，双稳态元件2的各夹持端22配合设置以用于夹持物品，首先，双稳态元件2相较于刚性机械手，柔顺性得到改善。其次，驱动组件3只需为夹持端22提供驱动力，使得各夹持端22由稳定状态向着次稳定状态变形，即可使得各夹持端22相互远离。此时，如图2所示，夹持装置为打开状态，可用于靠近并包覆待夹持物品。当驱动组件3撤除驱动力，双稳态元件2由次稳定状态向着稳定状态快速变形，并完成夹持动作。此时，如图1所示，夹持装置为闭合状态。因此，本方案的夹持装置柔顺性得到改善，且无需持续提供驱动力，大大提高了能量效率，且驱动策略简单，抓取物品迅速。夹持装置依靠双稳态元件2的应变能夹持物品，若被夹持物品要离开夹持装置，则需要克服双稳态元件2的应变能，因此，本申请提供的夹持装置具有较高的夹持可靠性，且无需通过外力维持夹持动作，能量效率高，且进一步简化了夹持装置的驱动策略。

本申请对驱动组件3所提供的驱动力的大小不做具体限定，只要能够实现夹持装置抓取物品的功能即可。其中，驱动组件3提供的驱动力仅用于抵消双稳态元件2的应变能，因此驱动组件3提供的驱动力的大小可以根据双稳态元件2的材质、尺寸等进行适应性调整，以最小化驱动能量与恢复力，高效且节能。需要说明的是，本申请中驱动组件3为夹持端22提供的驱动力应当小于双稳态元件2变形为另一稳定状态的临界值。

示例性的，参阅图3和图4，双稳态元件2的固定端21支撑于支撑组件1的顶部，且朝向背离支撑组件1的方向延伸布置。示例性的，双稳态元件2可以设置有3组。示例性的，双稳态元件2可以是具有双稳态特性的弹性金属片。示例性的，该弹性金属片可以构造为弧状结构。可以理解的是，本申请的双稳态元件2的设置数量也可以是2组、4组、5组或者其他数量；本申请的双稳态元件2也可以是具有双稳态特性的复合材料或者其他材质。

进一步的，在一些实施例中，驱动组件3包括柔性驱动结构，柔性驱动结构具有牵引端和至少两个驱动端，各驱动端分别与一双稳态元件2的夹持端22连接，牵引端通过驱动端驱动夹持端22相互远离。柔性驱动结构中，牵引端能够通过驱动端同时驱动各夹持端22，使得各双稳态元件2同时发生变形，从而实现夹持装置的快速打开，操作简单便捷。

具体的，参阅图1和图2，在一些实施例中，柔性驱动结构包括相连接的第一驱动绳31和至少两根第二驱动绳33，第一驱动绳31远离第二驱动绳33的一端形成牵引端，第二驱动绳33远离第一驱动绳31的一端形成驱动端。采用第一驱动绳31和第二驱动绳33分别形成牵引端和驱动端，材料简单，易于生产制造。第一驱动绳31与第二驱动绳33之间可直接连接或通过其他结构间接连接，只要第一驱动绳31能够带动第二驱动绳33、进而驱动双稳态元件2的夹持端22即可。

在一些实施例中，柔性驱动结构还包括升降件32，第一驱动绳31通过升降件32与第二驱动绳33连接，以提高驱动力的传递效率，避免驱动力因各第二驱动绳33间的张力而抵消。

在一些实施例中，驱动组件3还包括支座34，支座34内构造有限位腔，升降件32可升降地设置于限位腔内。限位腔能够对升降件32起到限位作用，使得升降件32沿预定的方向移动，提供驱动力的传递效率。

示例性的，双稳态元件2支撑于支撑组件1的顶部，支座34连接于支撑组件1的底部，优选的，支座34与支撑组件1为同轴设置。其中，支座34与支撑组件1可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接；优选的，支座34螺栓连接于支撑组件1的底部。

具体可以实现的，以图1所示为例，夹持装置具有三组双稳态元件2，三组双稳态元件2沿支撑组件1的周向间隔布置，优选为均匀间隔布置。相应的，第二驱动绳33设有三根，三根第二驱动绳33的驱动端分别与一个双稳态元件2的夹持端22连接。其中，第二驱动绳33与双稳态元件2之间可以是粘接，或者，双稳态元件2的夹持端22可以设置有穿孔，第二驱动绳33穿过该穿孔并打结。

示例性的，参阅图2，沿升降件32的升降方向，升降件32的周向均匀布置有三个贯穿孔321。各第二驱动绳33远离驱动端的一端均分别与其中一个贯穿孔321连接。示例性的，第二驱动绳33可以粘接于贯穿孔321内；示例性的，第二驱动绳33还可以穿过贯穿孔321并打结。

进一步的，第一驱动绳31设置有一根，第一驱动绳31靠近第二驱动绳33的一端连接于升降件32的中部，且第一驱动绳31沿升降件32的升降方向设置，第一驱动绳31位于升降件32的底部。示例性的，支座34的底部的还设置有中心孔341，第一驱动绳31一端与升降件32的中部连接，另一端垂直穿过中心孔341，并伸出于支座34，形成柔性驱动结构的牵引端。这种驱动组件结构，第一驱动绳31的牵引端通过升降件32能够对第二驱动绳33以及双稳态元件2的夹持端22施加稳定且均衡的驱动力，使各夹持端22能更平稳且匀速地相互远离，有利于提高夹持装置夹持操作的可靠性。

需要说明的是，以图1所示为例，升降件32的升降方向即为支座34的高度方向。

在一些实施例中，驱动组件3还包括至少两组滑轮35，滑轮35可转动的设置于支撑组件1，各滑轮35的外周壁分别与一根第二驱动绳33抵接，减小第二驱动绳33移动时受到的摩擦，减少第二驱动绳33的磨损，进一步保证驱动力的传递效率。

示例性的，如图1和图2所示，滑轮35设置有三个，且三个滑轮35分别与一个双稳态元件2对应布置，即滑轮35沿支撑组件1的周向间隔布置，各第二驱动绳33的驱动端与双稳态元件2的夹持端22固定连接，另一端通过滑轮35引入支座34的限位腔内，并与升降件32的贯穿孔固定连接。

进一步的，在一些实施例中，将各双稳态元件2相对的一侧定义为内侧，相背的一侧定义为外侧，夹持装置还包括至少两组柔性元件4，柔性元件4包覆于双稳态元件2的内侧。当夹持物品时，柔性元件4先与物品接触，进一步提高夹持装置的柔顺性，同时有助于保护被抓握物品表面免受刚性双稳态元件2的损坏。

更为具体的，柔性元件4具有弹性，且柔性元件4张紧固定于固定端21和夹持端22之间；柔性元件4的中部形成有弯折部41，弯折部41固定于双稳态元件2的外侧。在该实施例中，柔性元件4张紧固定于固定端21和夹持端22之间，当驱动组件3驱动各夹持端22相互远离时，带动柔性元件4进一步拉伸并积累能量。当撤除驱动力时，拉伸状态的柔性元件4在物体表面形成的高应变力能有效地阻止被抓握物体受外力从夹持装置中滑动或脱落。

示例性的，柔性元件4可以是硅橡胶片。示例性的，如图1和图3所示，柔性元件4设置有三个。

具体的，双稳态元件2与柔性元件4的具体安装过程如图3所示，柔性元件4一端与双稳态元件2的固定端21共同支撑于支撑组件1，另一端与夹持端22固定连接，且柔性元件4被拉直并张紧。处于张紧状态的柔性元件4两侧的中部被外翻并固定在双稳态元件2的外侧，形成弯折部41。此时，柔性元件4进入预拉伸状态，柔性元件4的顺应性和非破坏性以便于进一步提高夹持装置的柔顺性。

在该实施例中，当双稳态元件2受到驱动组件3的拉动时，由稳定状态向着次稳定状态发生变形，各双稳态元件2的驱动端相互远离，带动柔性元件4进一步拉伸。此时，驱动组件3提供的驱动力与双稳态元件2变形积累的弹性力相互平衡，夹持装置稳定在高能量的次稳态，执行靠近待抓握目标物体的预抓取准备动作。当驱动组件3撤除驱动力后，三组双稳态元件2在自身的弹性力带动下迅速闭合，夹持装置向初始零变形的稳定状态回归，并且停留在与被抓握的目标物体保持紧密接触的状态，完成对目标物体的抓取。

更进一步的，在一些实施例中，支撑组件1包括第一支撑件11和至少两个第二支撑件12，第一支撑件11的周向间隔布置有至少两个支撑臂111，各支撑臂111分别穿设于一第二支撑件12内，各双稳态元件2的固定端21分别抵接于一支撑臂111和第二支撑件12之间。该实施例中，第一支撑件11通过设置支撑臂111，并与第二支撑件12相配合，将各双稳态元件2的固定端21固定，并为双稳态元件2提供可靠的支撑，使得夹持装置构成为一整体结构，可靠性较高。优选的，双稳态元件2、第二支撑件12与支撑臂111的设置数量相同。

以图1和图2所示为例，示例性的，第一支撑件11沿周向间隔布置有3个支撑臂111，相邻的两个支撑臂111之间的夹角为120°。示例性的，驱动组件3包括有支座34，支座34螺栓连接于第一支撑件11的下方。

以图4所示为例，第二支撑件12设有可供支撑臂111穿入的容置腔，且第二支撑件12的顶部开设有长条孔121，该长条孔121与上述容置腔相连通。双稳态元件2的固定端21能够穿过长条孔121并进入容置腔内，从而抵接于支撑臂111的顶面与容置腔的顶壁之间。示例性的，柔性元件4的其中一端与固定端21共同由长条孔121穿入容置腔内，并抵接于支撑臂111与的顶面与容置腔的顶壁之间。

示例性的，支撑臂111上设置有第一直槽孔112，相应的，第二支撑件12设置有第二直槽孔122，第一直槽孔112和第二直槽孔122均沿支撑臂111的延伸方向延伸布置。第一直槽孔112与第二直槽孔122能够通过螺栓连接，以将固定端21和柔性元件4固定于支撑臂111与第二支撑件12之间。另外，通过调节螺栓在第一直槽孔112和第二直槽孔122内的位置，能够实现双稳态元件2与第一支撑件11中心点的距离的调节，从而提高对待夹持的物体的适应性。

示例性的，第二支撑件12远离支撑臂111的一端还开设有安装槽123，滑轮35可转动的安装在安装槽123内。具体的，滑轮35可以通过螺钉安装在安装槽123内，螺钉作为滑轮35转动时的转动轴。优选的，滑轮35的转动轴与支撑臂111的延伸方向垂直。

进一步的，在一些实施例中，支撑组件1还包括至少两个限制件13，各限制件13分别安装在第二支撑件12上，并抵近双稳态元件2的底部。在双稳态元件2受到驱动组件3的驱动，各夹持端22相互远离时，限制件13能够限制双稳态元件2的底部区域的变形，使得双稳态元件2的上部获得更大的变形，从而使得双稳态元件2在由稳定状态向次稳定状态变形的过程中积累更大的能量，提高夹持装置的抓取能力。示例性的，以图1和图2所述示为例，限制件13的设置数量为三个。

需要说明的是，双稳态元件2的底部与底端为不同的概念，底部具体是指双稳态元件2暴露在第二支撑件12之上并靠近第二支撑件12的区域，底端是指双稳态元件2穿入第二支撑件12内并抵接在容置腔内的部分，即双稳态元件2的固定端21。

更进一步的，在一些实施例中，支撑组件1还包括压紧件5，压紧件5用于将第二支撑件12压紧固定于第一支撑件11上。具体的，第一支撑件11的顶部设有螺纹孔，压紧件5螺栓连接于第一支撑件11的螺纹孔上，且压紧件5压紧第二支撑件12靠近第一支撑件11中心的一端。

根据本发明的实施例，另一方面，还提供了一种作业机械，包括如上述实施例中的夹持装置、动力单元和控制单元。进一步的，动力单元连接于驱动组件3，用于为驱动组件3提供或者撤除驱动力。更进一步的，控制单元用于控制动力单元。

具体的，动力单元可以为舵机(图中未示出)，第一驱动绳31的牵引端与舵机的摇臂连接。实际使用时，控制单元控制摇臂转动一定角度，从而驱动第一驱动绳31带动升降件32在限位腔内向下移动，升降件32通过第二驱动绳33驱动双稳态元件2的各夹持端22相互远离，夹持装置被打开。夹持装置靠近待抓取的物品，控制舵机的摇臂回转至原始位置，双稳态元件2快速向着稳定状态变形，最终夹持住物品。

示例性的，控制单元可以包括JDY-31蓝牙模块、Arduino UNO开发板、直流锂电池和移动智能手机。具体的，Arduino UNO开发板用于接收信号，直流锂电池用于为ArduinoUNO开发板提供电能，JDY-31蓝牙模块接入Arduino UNO开发板，用于连接UNO开发板及移动智能手机。移动智能手机进行蓝牙连接，使用蓝牙调试软件发出控制舵机转动的信号。

进一步的，在一些实施例中，夹持装置的双稳态元件2设置有两组，两组双稳态元件2的固定端21分别支撑于支撑组件11上，两组双稳态元件2的夹持端22相对设置，以共同夹持物品。

在另外一些实施例中，夹持装置的双稳态元件2还可以设置有四组，四组双稳态元件2的夹持端配合设置，以共同夹持物品。

可以理解的是，本申请中，双稳态元件的设置数量还可以是5组、6组或者其他。

进一步的，双稳态元件2、第二支撑件12与支撑臂111的设置数量可以相同也可以不同。示例性的，支撑臂111的设置数量可以多于第二支撑件12及双稳态元件2的设置数量，多出的支撑臂111可以作为备用。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。