测量鳍条结构柔性机械手承载力和夹取力的实验装置

技术领域

本发明涉及机械手承载力领域的一种测量装置，具体涉及测量鳍条结构柔性机械手承载力和夹取力的实验装置。

背景技术

随着科技的进步和劳动力价格的增长，机器人产业迅猛发展。相对于传统的刚性机械手而言，柔性机械手在针对易损物体的快速抓取上具有极大的优势。在受相同外力的基础上，鳍条结构机械手的变形量比传统柔性机械手更大，发展前景光明，运用范围和方式极为广泛。

为了实现鳍条结构柔性机械手被更广泛地运用这一目标，就需要对不同前置条件和设计参数下的机械手进行性能验证，从而确定最优设计方案。目前针对鳍条结构柔性机械手的承载力的测量装置中，普遍存在成本高、装置复杂和效率低的现状，无法为柔性机械手的承载力提供量化指标。难以满足日益增长的针对鳍条结构柔性机械手承载力的实验验证需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供可用于测量鳍条结构柔性机械手承载力的实验装置，可以仅通过增加水瓶中水的质量来增大机械手受到的承载力，从而得到机械手的最大承载力。

本发明采用的技术方案是：

一、一种测量鳍条结构柔性机械手承载力和夹取力的实验装置：

包括装置框架、底板、鳍条结构柔性机械手和滑动组件；所述底板竖直固定安装在装置框架内的一侧，所述滑动组件水平安装在装置框架内的上部，且滑动组件与底板固定连接，所述鳍条结构柔性机械手平行于底板方向固定安装在滑动组件上，待实验组件设置在底板和鳍条结构柔性机械手之间，待实验组件同时接触连接到底板和鳍条结构柔性机械手。

所述滑动组件包括机械手夹具、滑块、锁定组件、驱动组件、齿条、下盖、支架和燕尾滑台底板；所述支架的一端固定连接到装置框架，所述支架的另一端通过燕尾滑台底板固定连接到底板，所述下盖平行于支架的底面固定安装在支架下部，所述下盖的底面间隔安装有两条平行于下盖的凸型轨道，所述齿条固定安装在下盖上，且正好卡在两条凸型轨道之间形成的条形凹槽内；所述滑块设置在下盖下方，且与下盖活动连接；所述滑块顶部两侧均开设有一个平行于齿条的条形槽，所述滑块通过自身的两个条形槽分别与下盖的两条凸型轨道的外侧滑动连接；所述滑块的两个平行于齿条的侧面正对着各开设有一个相同的通孔，所述驱动组件穿设滑块的两个通孔与滑块活动连接，且驱动组件同时与齿条啮合连接，所述锁定组件固定安装在滑块的一个条形槽内，所述鳍条结构柔性机械手通过机械手夹具固定安装在滑块的下部；

所述驱动组件主要由齿轮轴、轴套、垫圈和把手构成，所述轴套、垫圈和把手依次接触连接同轴套装在齿轮轴的一端，且把手设置在齿轮轴一端的末端处，所述驱动组件通过轴套与滑块进行活动连接，所述驱动组件通过齿轮轴与齿条进行啮合连接；所述齿轮轴的另一端依次穿过滑块开设的两个通孔，且齿轮轴与滑块不接触。

所述锁定组件主要由锁定螺母、扳手和锁定螺栓构成，所述锁定螺母和扳手均同轴套装在锁定螺栓上，所述滑块远离把手的条形槽内开设有一个螺纹槽，所述锁定组件固定在滑块远离把手的条形槽内，且锁定组件通过锁定螺栓与螺纹槽啮合连接。

所述待实验组件为加载组件或者压力组件，所述加载组件平行于底板方向设置在底板和鳍条结构柔性机械手之间；所述加载组件包括抓取物、环钩、壳体和水瓶；所述水瓶固定连接到壳体的一端，所述抓取物通过环钩固定连接到壳体的另一端，所述加载组件通过抓取物同时与底板和鳍条结构柔性机械手接触连接。

所述压力组件包括压力传感器、传感器支座、直流稳压电源和示波器；所述压力传感器通过传感器支座固定安装在底板上，所述压力传感器同时与直流稳压电源和示波器电连接。

所述鳍条结构柔性机械手整体为鳍条结构，所述鳍条结构柔性机械手与抓取物接触的侧面安装有多个水平间隔均布的条形软垫。

所述下盖上垂直于底板的方向标有刻度。

二、测量承载力的实验方法：

S1：利用拉力计测量鳍条结构柔性机械手能够承受的载荷；

S2：利用滑块控制鳍条结构柔性机械手沿着下盖水平移动，使得鳍条结构柔性机械手处于滑动组件上某一刻度处，且刚好把加载组件中的抓取物夹在底板和鳍条结构柔性机械手之间；

S3：多次往水瓶中增加相同质量的水；

S4：当抓取物刚好脱落时，停止加水，同时记录下水瓶中加入的总水量，即可测出鳍条结构柔性机械手的承载力；

S5：改变鳍条结构柔性机械手的硬度，重复步骤S1-S4，记录下不同硬度的鳍条结构柔性机械手在相同位置测量的承载力。

三、测量夹取力的实验方法：

S1：实验开始前，利用标准砝码对压力传感器进行标定，得出压力传感器所受夹取力大小和电压大小之间的关系式；

S2：首先利用滑块带动鳍条结构柔性机械手移动到初始位置，使得鳍条结构柔性机械手与压力传感器接触，且鳍条结构柔性机械手对压力传感器不施加夹取力，记录下此时的位置；然后移动鳍条结构柔性机械手逐渐挤压压力传感器，每移动相同的位移大小记录一次示波器显示的电压大小，重复上述步骤至少三次，再根据步骤S1得到的压力传感器所受夹取力大小和电压大小之间的关系式计算得到夹取力大小；最后再结合位移大小和夹取力大小的实验数据绘制出夹取力大小与位移大小的关系曲线图；

S3：对所述S2中所得的夹取力大小与位移大小的关系曲线图进行拟合，得到鳍条结构柔性机械手夹取力大小和位移大小之间的关系式。

本发明的有益效果是：

本发明所述用于测量柔性机械手承载力的实验装置，利用增加水瓶中水的质量来对实现对机械手的加载，相较于传统的承载力测量装置来说，成本大幅降低、实验所需原材料易得，且由水瓶来进行加载可以保证柔性机械手的受力方向始终为竖直方向。

本发明所述用于测量柔性机械手承载力的实验装置，可以通过带刻度的滑动组件移动柔性机械手，通过控制机械手的位移大小来控制机械手的变形程度，从而可以测得在不同变形程度下机械手的承载力大小。

本发明所述用于测量柔性机械手承载力的实验装置，其结构简单、原理直观、明确，安装和操作过程简易、便捷，能够有效提高实验效率。

本发明所述用于测量柔性机械手夹取力的实验装置，通过预实验标定了压力传感器所受压力—传感器电压读数的关系，最终实现了压力传感器所受压力—机械手位移关系式的获取，相较于传统的夹取力实验装置来说，实现了对夹取力的量化，即在后续实验中通过机械手的位移来控制夹取力的大小。

本发明所述用于测量柔性机械手夹取力的实验装置，利用带刻度的滑动组件实现机械手的移动，能够精确控制机械手的位移大小，可实现对机械手抓取位移大小的定量控制。

附图说明

图1为测量机械手承载力的实验装置结构示意图；

图2为滑动组件结构示意图；

图3为加载组件结构示意图；

图4为测量机械手夹取力的实验装置结构示意图。

图中所示：1、装置框架；2、底板；3、鳍条结构柔性机械手；4、滑动组件；4-1、机械手夹具；4-2、滑块；4-3、锁定螺母；4-4、扳手；4-5、锁定螺栓；4-6、齿轮轴；4-7、轴套；4-8、垫圈；4-9、把手；4-10、齿条；4-11、下盖；4-12、支架；4-13、燕尾滑台底板；5、加载组件；5-1、抓取物；5-2、环钩；5-3、壳体；5-4、水瓶；6、夹取力实验装置框架；7、压力传感器；8、传感器支座；9、直流稳压电源；10、示波器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的测量鳍条结构柔性机械手承载力和夹取力的实验装置分别进行说明。

如图1所示，本发明包括装置框架1、底板2、鳍条结构柔性机械手3和滑动组件4；底板2竖直固定安装在装置框架1内的一侧，滑动组件4水平安装在装置框架1内的上部，且滑动组件4与底板2固定连接，鳍条结构柔性机械手3平行于底板2方向固定安装在滑动组件4上，待实验组件设置在底板2和鳍条结构柔性机械手3之间，待实验组件同时接触连接到底板2和鳍条结构柔性机械手3。

具体的，装置框架1由十五根方形钢管组成，底板2在水平方向的位移和绕竖直轴的旋转被框架1侧边四根方形钢管固定、竖直方向的位移和绕水平轴的旋转在重力作用下被框架1底部的两根方形钢管固定。

如图2所示，滑动组件4包括机械手夹具4-1、滑块4-2、锁定组件、驱动组件、齿条4-10、下盖4-11、支架4-12和燕尾滑台底板4-13；支架4-12的一端固定连接到装置框架1，支架4-12的另一端通过燕尾滑台底板4-13固定连接到底板2，下盖4-11平行于支架4-12的底面固定安装在支架4-12下部，下盖4-11的底面间隔安装有两条平行于下盖4-11的凸型轨道，齿条4-10固定安装在下盖4-11上，且正好卡在两条凸型轨道之间形成的条形凹槽内；滑块4-2设置在下盖4-11下方，且与下盖4-11活动连接；滑块4-2顶部两侧均开设有一个平行于齿条4-10的条形槽，滑块4-2通过自身的两个条形槽分别与下盖4-11的两条凸型轨道的外侧滑动连接；滑块4-2的两个平行于齿条4-10的侧面正对着各开设有一个相同的通孔，驱动组件穿设滑块4-2的两个通孔与滑块4-2活动连接，且驱动组件同时与齿条4-10啮合连接，锁定组件固定安装在滑块4-2的一个条形槽内，鳍条结构柔性机械手3通过机械手夹具4-1固定安装在滑块4-2的下部；

驱动组件主要由齿轮轴4-6、轴套4-7、垫圈4-8和把手4-9构成，轴套4-7、垫圈4-8和把手4-9依次接触连接同轴套装在齿轮轴4-6的一端，且把手4-9设置在齿轮轴4-6一端的末端处，驱动组件通过轴套4-7与滑块4-2进行活动连接，驱动组件通过齿轮轴4-6与齿条4-10进行啮合连接；齿轮轴4-6的另一端依次穿过滑块4-2开设的两个通孔，且齿轮轴4-6与滑块4-2不接触。

锁定组件主要由锁定螺母4-3、扳手4-4和锁定螺栓4-5构成，锁定螺母4-3和扳手4-4均同轴套装在锁定螺栓4-5上，滑块4-2远离把手4-9的条形槽内开设有第二螺纹槽，锁定组件固定在滑块4-2远离把手4-9的条形槽内，且通过锁定螺栓4-5与第二螺纹槽啮合连接。扳动扳手4-4，使得锁定螺栓4-5沿着第二螺纹槽不断旋进，顶着滑块4-2设有第二螺纹槽的侧面远离对应的凸型轨道，使得滑块4-2另一个侧面不断向对应的凸型轨道挤压，进而将滑块4-2锁定在一个固定的位置。

待实验组件为加载组件5或者压力组件，加载组件5平行于底板2方向设置在底板2和鳍条结构柔性机械手3之间；如图3所示，加载组件5包括抓取物5-1、环钩5-2、壳体5-3和水瓶5-4；水瓶5-4固定连接到壳体5-3的一端，抓取物5-1通过环钩5-2固定连接到壳体5-3的另一端，加载组件5通过抓取物5-1同时与底板2和鳍条结构柔性机械手3接触连接。具体的，环钩5-2的两端均开设有一个缺口，环钩5-2通过两个缺口分别连接到抓取物5-1和壳体5-3。

如图4所示，压力组件包括压力传感器7、传感器支座8、直流稳压电源9和示波器10；压力传感器7通过传感器支座8固定安装在底板2上，压力传感器7同时与直流稳压电源9和示波器10电连接。

优选的，鳍条结构柔性机械手3整体为鳍条结构，鳍条结构柔性机械手3与抓取物5-1接触的侧面安装有多个水平间隔均布的条形软垫。

优选的，下盖4-11上垂直于底板2的方向标有刻度。

测量承载力的实验方法具体包括以下步骤：

S1：利用拉力计测量鳍条结构柔性机械手3能够承受的载荷，具体为：拉力计通过环钩5-2连接到抓取物5-1，利用拉力计平行于底板2向下对抓取物5-1施加拉力，当夹在鳍条结构柔性机械手3和底板2之间的抓取物5-1刚好被拉下时，记录下拉力计的示数，即鳍条结构柔性机械手3能够承受的载荷；

S2：利用滑块4-2控制鳍条结构柔性机械手3沿着下盖4-11水平移动，使得鳍条结构柔性机械手3处于滑动组件4上某一刻度处，且刚好把加载组件5中的抓取物5-1夹在底板2和鳍条结构柔性机械手3之间；

S3：多次往水瓶5-4中增加相同质量的水；

S4：当抓取物5-1刚好脱落时，停止加水，同时记录下水瓶5-4中加入的总水量，即可测出鳍条结构柔性机械手3的承载力；

S5：改变鳍条结构柔性机械手3的硬度，重复步骤S1-S4，记录下不同硬度的鳍条结构柔性机械手3在相同位置测量的承载力。

现以某承载力测量实验为例对测量鳍条结构柔性机械手承载力实验装置进行说明：该实验地点位于环境温度20℃的实验室中：

微调鳍条结构柔性机械手3将抓取物5-1固定在鳍条结构柔性机械手3和底板2之间，选取一个满足上述条件的任意位置，记录下此时该位置所对应的下盖4-11刻度为12mm；控制之后的每次实验中鳍条结构柔性机械手3所处位置均为下盖4-11刻度12mm处，然后用拉力计粗略测量鳍条结构柔性机械手3的承载力。

然后将水瓶5-4连接到抓取物5-1，往水瓶5-4中逐次增加质量为5g的水，使得鳍条结构柔性机械手3的承载不断增加，直至抓取物5-1刚好脱落，可得到鳍条结构柔性机械手3此时的承载力。

为测量不同硬度的鳍条结构柔性机械手3的承载力大小情况，本实验选取了硬度分别为60度、70度、80度和95度的鳍条结构柔性机械手3进行实验。实验数据记录如下表所示：

不同硬度鳍条结构柔性机械手的承载重量

由实验结果可以看出，鳍条结构柔性机械手3的承载重量随着硬度的增加而增加，考虑到鳍条结构柔性机械手3需要满足各种环境、各种对象的抓取要求，同时尽可能保证其结构强度也符合使用要求，并通过一定的刚度性能达到较大的抓取力和承载能力，因此在设计中选择Shore A 80度橡胶作为鳍条结构柔性机械手3的加工材料硬度。

测量夹取力的实验方法具体包括以下步骤：

S1：实验开始前，利用标准砝码对压力传感器7进行标定，得出压力传感器7所受夹取力大小和电压大小之间的关系式。具体为：将标准砝码作为载荷按照由小到大的顺序依次对压力传感器7施加压力，示波器10上会显示此时的电压大小，重复以上步骤三次后取平均值绘制出压力传感器7的电压大小—夹取力大小曲线图。将所得电压大小—夹取力大小曲线进行拟合，得出压力传感器7所受夹取力大小和电压大小之间的关系式，即可利用压力传感器7较为精准地测量机械手3的夹取力大小。

S2：首先利用滑块4-2带动鳍条结构柔性机械手3移动到初始位置，使得鳍条结构柔性机械手3与压力传感器7接触，且鳍条结构柔性机械手3对压力传感器7不施加夹取力，记录下此时的位置；然后移动鳍条结构柔性机械手3逐渐挤压压力传感器7，每移动相同的位移大小记录一次示波器10显示的电压大小，重复上述步骤至少三次，再根据步骤S1得到的压力传感器7所受夹取力大小和电压大小之间的关系式得到夹取力大小；最后再结合位移大小和夹取力大小的实验数据绘制出夹取力大小与位移大小的关系曲线图。

S3：对S2中所得的夹取力大小与位移大小的关系曲线图进行拟合，得到鳍条结构柔性机械手3夹取力大小和位移大小之间的关系式。

现以某夹取力测量实验为例对测量鳍条结构柔性机械手夹取力实验装置进行说明：该实验地点位于环境温度20℃的实验室中：

1)正式开始实验前，先对所使用的压力传感器7进行标定，利用规格分别为10g、20g、50g、100g、200g、300g、400g、500g的标准砝码按由小到大的顺序依次作用到压力传感器7接收端，重复以上步骤三次，然后根据实验数据绘制示波器10显示的电压大小随夹取力大小变化的曲线。

对示波器10显示的电压值随夹取力变化的曲线进行拟合得到示波器10显示的电压值大小与夹取力大小的方程。其中，标定结果如下表所示：

标定结果

示波器10显示的电压大小与夹取力大小的方程关系式为：

U＝aM+b

其中，U为传感器输出电压，单位为mV；a为灵敏度系数，经过拟合得到其值为0.2369mV/g；M是砝码的质量，单位为g；b是拟合方程的截距，其值为-0.3011mV。

由重力加速度g＝9.8N/kg，可得示波器10显示的电压大小与夹取力大小的关系式为：

U＝cF+d (1)

其中，

2)安装夹取力实验装置，将压力传感器7放置于传感器支座8上，使压力传感器7接收端对准鳍条结构柔性机械手3条形软垫的几何中心，压力传感器7与直流稳压电源9和示波器10电连接。

3)通过滑动组件4移动鳍条结构柔性机械手3，使鳍条结构柔性机械手3的条形软垫与压力传感器7刚好接触但不挤压；然后通过滑动组件4移动鳍条结构柔性机械手3，且每移动1mm的距离，记录一次示波器10的读数。实验中，压力传感器的上限测量值为15N，对应的，实验中最大可测机械手位移不超过30mm，否则更大变形情况的机械手的夹取力将会超过15N，重复上述步骤3次后对记录数据进行均值处理，最后根据示波器10显示的电压大小，计算得到鳍条结构柔性机械手3的夹取力大小。

其中，根据式(1)得出示波器10所示电压大小与夹取力大小的关系式为：

其中，U为示波器10显示的电压大小，单位为mV，因此，可以直接根据示波器10显示的电压大小计算得出施加在压力传感器7上的夹取力大小。

4)本实验中的关系曲线图，在位移不超过13mm时夹取力与位移大小基本呈现线性关系，在13mm之前柔性机械手的变形主要来自于其外侧软垫结构的变形，呈现出一定的基于软垫特性的规律性，位移大小超过13mm后，机械手主体也在压力下发生了较大的非线性变形，使得压力与位移大小的关系不再是简单的近似于线性的变化规律，鉴于13mm位移大小以内的数据已足够覆盖抓取易碎物体时的使用需求，因此仅截取这一部分数据进行分析即可。结合位移大小和夹取力大小的实验数据绘制出夹取力大小与位移大小的关系曲线图，再对所得的夹取力大小与位移大小的关系曲线图进行拟合，得到鳍条结构柔性机械手3夹取力大小和位移大小之间的关系式为：

F＝0.3555x

其中x表示鳍条结构柔性机械手3的位移大小，单位为mm。

因此，本发明能够利用滑块4-2调整鳍条结构柔性机械手3的位移大小来控制鳍条结构柔性机械手3对夹取对象施加的夹取力的大小。