一种基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪

技术领域

本发明属于夹持机械技术领域，具体涉及一种基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪。

背景技术

目前市面上的夹爪主要由刚性机构组成，由电机驱动夹爪的夹持和释放。有一些典型的刚性夹爪的设计，例如中国建筑大学设计的平行夹持刚性夹爪，如图1所示，该夹爪由连杆机构、齿轮组和电机组成，电机和齿轮组驱动连杆机构的运动，由于连杆之间的长度配置得当，在夹持物体的过程中是平行接近物体的。电机的尺寸较小，驱动的能力有限，再经过齿轮组的减速，因此该夹爪在响应速度方面的性能一般，捕捉动态物体的能力较差。而且由于夹爪是完全由刚性机构组成的，在夹持物体的过程中不免产生缺乏缓冲的刚性冲击，响应速度越快或者是抓取物体越快，产生的应力冲击越大，一定程度上限制了刚性夹爪快速捕捉物体的能力。如果想要降低这个过程产生的应力冲击，则需要在夹爪上添加力传感器或位移传感器等，这又会一定程度增加夹爪的质量和成本。

研究者们对张拉整体结构的夹爪也有一定的探索，张拉整体结构由一系列承受压力的单元和提供拉力的单元(绳索或弹簧)组成，结构质量较小，有利于轻量化的设计；并且在受到冲击时可以通过弹簧吸收能量并产生较为柔顺的形变，从而具有较理想的缓冲能力。例如山东大学设计的三指张拉整体结构夹爪，如图2所示，由圆锥形的张拉整体结构单元组成。该夹爪能够抓取不同尺寸、形状和材料的物体，解决了传统机械夹爪质量较重的问题并提高了柔性抓取物体的能力。但是其在响应速度上还有欠缺，夹持物体过程需要通过电机牵拉张拉整体结构上的绳索，缓慢驱动其形变，从而逐渐抓取物体。同时驱动整个夹爪也需要数量较多的电机，因此其在小型化和快速响应方面的能力仍不是那么理想。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪，结构简单、质量轻，能捕捉由不同方向、速度接近夹爪的物体，具备易触发和快速响应的能力，适用于在空间环境下捕捉夹持快速运动的物体。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪，包括张拉整体关节、夹持机构；

所述张拉整体关节包括顶角转动相连的上三角板与下三角板，所述上三角板与下三角板的两侧底角分别对应设置弹簧连接；

所述弹簧下端连接绳索组成等效弹簧，绳索与安装在下三角板侧边的弹簧调节机构连接；

所述夹持机构包括对应与上三角板表面安装连接的上夹爪，以及对应与下三角板表面安装连接的下夹爪，所述上夹爪与下夹爪均设置为倾斜U型，且上夹爪靠近下夹爪的一侧U型边延长设置触发区域。

优选地，所述上三角板与下三角板内部分别通过螺栓连接与其形状相似的上连接板与下连接板，所述上连接板与下连接板通过轴承铰接在一起，并设置挡板限制轴承移动，挡板中间通过螺栓与连接孔连接紧固。

优选地，所述弹簧调节机构包括与绳索末端连接的滑座，滑座与设置在壳体内的丝杆螺纹连接，丝杆转动连接在壳体内部，且丝杆一端贯穿壳体；壳体内还开设有限位滑槽与滑座滑动连接，壳体通过侧面设置的安装板安装在下三角板侧边，壳体相对于被丝杆贯穿一端设置有顶盖与壳体连接。

优选地，所述绳索分别绕设置在下三角板底角的滑轮后与滑座连接。

本发明的有益效果是：

(1)该夹爪主体结构包括张拉整体关节、夹持机构，结构简单、质量较轻，有助于轻量化设计；

(2)弹性单元的引入使得该夹爪能够储存弹性势能并在工作的时候释放，具备易触发和快速响应的能量，适用于在空间环境下捕捉快速运动的物体。另外弹性单元使得夹爪具备一定的缓冲能力，减缓夹持物体时产生的冲击。

(3)在转动相连的上三角板与下三角板的基础上添加用于夹持物体的上下夹爪，下夹爪与下三角板固定，下三角板与机械臂等连接，上夹爪上设计有一段触发区域，在受到冲击后会带动张拉整体关节发生形变，上三角板与下三角板结构形状相似，在往夹持状态形变时，也具备适应夹持不同体积物体的能力，由于触发区域较大，夹爪能够夹持从多个方向、位置接近夹爪的物体，扩展了其捕捉运动物体的能力；

(4)该夹爪的力学性能便于调节，通过调节丝杆带动滑座的移动，牵拉绳索改变弹簧的等效原长可以调节其力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为现有平行夹持刚性夹爪示意图；

图2为现有三指张拉整体结构夹爪示意图；

图3为本发明的整体轴测结构示意图；

图4为本发明的张拉整体关节爆炸示意图；

图5为本发明的张拉整体关节正视结构示意图；

图6为本发明的弹簧调节机构爆炸示意图；

图7为本发明的张拉整体关节的多稳态示意图；

图8为夹爪实际中的捕捉动态物体的过程示意图，其中(a)为抓捕初速度为2m/s的网球示意图，(b)为抓捕初速度为4m/s的网球示意图，(c)为抓捕初速度为2m/s的棒球示意图，(d)为抓捕初速度为4m/s的棒球示意图；

图9为夹爪实际中的捕捉不同方向接近夹爪的物体的过程示意图；

图10为实施例2中张拉整体关节的结构参数示意图；

附图中，各标号所代表的结构名称为：

1-上三角板，101-上连接板，2-下三角板，201-下连接板，3-弹簧，301-绳索，4-上夹爪，401-触发区域，5-下夹爪，6-挡板，7-轴承，8-连接孔，9-螺栓，10-滑轮，11-弹簧调节机构，1101-滑座，1102-丝杆，1103-壳体，1104-限位滑槽，1105-安装板，1106-顶盖，1107-驱动电机。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

为了解决目前的张拉整体结构夹爪在小型化和快速响应方面的能力仍不理想的问题，参阅图3至图6所示，提出一种基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪，包括张拉整体关节、夹持机构；

张拉整体关节主要由顶角转动相连的上三角板1与下三角板2两个三角形刚体构成；上三角板1与下三角板2的两侧底角分别对应设置弹簧3连接，构成完整的张拉整体关节，参阅图7所示的多稳态示意图，初始状态下，上三角板1与下三角板2的双三角形结构处于高能量稳定平衡态，储存了一定的弹性势能，在受到合适的触发后会自发的释放弹性势能并向低能量稳定平衡态形变。

上三角板1与下三角板2内部分别通过螺栓9连接与其形状相似的上连接板101与下连接板201，上连接板101与下连接板201通过轴承7铰接在一起，并设置挡板6限制轴承7移动，挡板6中间通过螺栓9与连接孔8连接紧固。

弹簧3下端连接绳索301组成等效弹簧，通过改变绳索301长度从而实现改变等效原长的功能，通过添加绳索301，可以使弹簧3的原长延伸。另外，改变绳索301的长度还能够修改等效弹簧的原长。绳索301与安装在下三角板2侧边的弹簧调节机构11连接。

弹簧调节机构11包括与绳索301末端连接的滑座1101，滑座1101与设置在壳体1103内的丝杆1102螺纹连接，丝杆1102转动连接在壳体1103内部，且丝杆1102一端贯穿壳体1103；壳体1103内还开设有限位滑槽1104与滑座1101滑动连接，壳体1103通过侧面设置的安装板1105安装在下三角板2侧边，壳体1103相对于被丝杆1102贯穿一端设置有顶盖1106与壳体1103连接。

绳索301分别绕设置在下三角板2底角的滑轮10调节绳索301方向后与滑座1101连接。

为了快速调节丝杆1102转动，从而调节等效弹簧的原长，在丝杆1102贯穿壳体1103的一端设置驱动电机1107，驱动电机1107为正反转电机，旋转丝杆1102，滑座1101会向上或向下移动，等效于伸长或缩短绳索301长度，从而改变弹簧3等效原长。该设计不需要拆卸弹簧3便可以调节等效弹簧3的原长，使该夹爪的力学性能更容易调控。

夹持机构包括对应与上三角板1表面通过螺栓9安装连接的上夹爪4，以及对应与下三角板2表面通过螺栓9安装连接的下夹爪5；

上夹爪4与下夹爪5均设置为倾斜U型，且上夹爪4靠近下夹爪5的一侧U型边延长设置触发区域401。

下夹爪5和张拉整体关节的下三角板2与机械臂等连接固定不动。上夹爪4有触发区域401，触发区域401用于接受外力冲击，带动张拉整体关节形变，实现上夹爪4和下夹爪5合力夹持物体。

工作原理：下三角板2与机械臂等连接，上夹爪4上设计有一段触发区域401，在受到冲击后会带动张拉整体关节发生形变，上三角板1与下三角板2结构形状相似，在往夹持状态形变时，也具备适应夹持不同体积物体的能力，由于触发区域401较大，夹爪能够夹持从多个方向、位置接近夹爪的物体，具备易触发和快速响应的能力，适用于在空间环境下捕捉快速运动的物体。

如图8与图9所示，在实际工作中，夹爪能够成功捕捉不同速度、质量的物体，也能够捕捉从不同方向接近夹爪的物体。

实施例2

制作实施例1中的基于多稳态平衡构型设计的张拉整体快速响应夹爪：

张拉整体关节由3D打印PLA材料和激光切割的亚克力板材料制作，中间通过内径为16mm，外径为8mm，厚度为5mm的688ZZ轴承7连接以减小关节运动的摩擦力。如图10所示，张拉整体关节的三角形几何结构参数具体如下：a

弹簧3采用直径为4mm，长度为50mm，线径为0.8mm的弹簧3。弹簧3原长为50mm，但是可以通过系上绳索301来增加和改变弹簧3的原长。弹簧3等效原长参数设计如下：L

采用3D打印和激光切割技术，按照设计的stl和dwg格式图纸可以较精确地制造出所需结构。这些结构之间的连接方式主要通过螺栓9螺母紧固。

弹簧调节机构11由3D打印结构制作。3D打印结构按照设计的stl格式图纸可以较精确地制造出所需结构。丝杆1102的长度为50mm，滑座1101在丝杆1102上移动的范围接近50mm，也就是说，调节等效弹簧3原长的范围接近50mm。该机构通过螺栓9螺母和张拉整体关节连接。

夹持机构由激光切割的亚克力板材料制作，采用激光切割技术，按照设计的dwg格式图纸可以较精确地制造出所需结构。这些结构通过螺栓9螺母与张拉整体关节连接紧固。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。