CN102785251A - 配药机器人的机械手爪 - Google Patents

Abstract

一种配药机器人的机械手爪，包括：机架；双螺纹丝杠，可转动地设于机架上，双螺纹丝杠的两端分别设有螺纹部，并且螺纹部的螺纹旋向相反；左手指及右手指，分别与双螺纹丝杠的两个螺纹部相配合，双螺纹丝杠转动，而带动左手指与右手指相向或背向移动；电机，其旋转轴带动双螺纹丝杠转动；编码器，用于检测电机的旋转轴的旋转位置；手爪控制器，与电机及编码器连接，用于控制电机转动及处理编码器反馈的信号；其中，左手指及右手指均设有楔形槽，左手指的楔形槽与右手指的楔形槽相对应，以将药瓶夹持于左手指的楔形槽与右手指的楔形槽共同形成的夹持空间内。上述机械手抓具有尺寸测量、自适应、自动定心、抓取力可控的功能。

Description

配药机器人的机械手爪

【技术领域】

本发明涉及一种夹持机构，特别是涉及一种配药机器人的机械手爪。

【背景技术】

目前，在配药机器人中，需要机械手爪抓取安瓿瓶、西林瓶、注射器、输液袋等，在各个配药工位之间进行操作，由于各种药瓶、药具规格繁多，种类复杂等原因，需要操作机械手具有以下功能：

（1）自适应功能，机械手爪能够适应各种大小不一药瓶，实现不管对于大药瓶还是小药瓶，都能够对其进行可靠抓取。

（2）自动定心功能，即使药瓶摆放位置有较大误差，也能够在抓住药瓶的时候，使得药瓶自动定心，使得不管药瓶是大是小，抓取后，其中心都在同一位置。

（3）抓取力可控，由于药瓶一般由玻璃构成，易碎，这就要求机械手爪的抓取力可控，避免抓取过程中玻璃药瓶的破碎（力过大）或者抓不稳（力过小）。

（4）尺寸测量功能，能够在实现抓取的同时，测出药瓶的直径。传统的机械手爪，有的具有自适应功能，能够实现抓取各种大小不一的药瓶；有的具有自动定心功能，能够实现抓取后，其中心都在同一位置；有的能够对抓取力进行控制，避免抓取过程中玻璃药瓶的破碎（力过大）或者抓不稳（力过小）；但没有一种机械手爪，能够同时具有上述的四个功能。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有尺寸测量、自适应、自动定心、抓取力可控功能的机械手爪，可实现了对各种大小药瓶的可靠抓取。

一种配药机器人的机械手爪，其特征在于，包括：

机架；

双螺纹丝杠，可转动地设于所述机架上，所述双螺纹丝杠的两端分别设有螺纹部，并且螺纹部的螺纹旋向相反；

左手指及右手指，分别与所述双螺纹丝杠的两个螺纹部相配合，所述双螺纹丝杠转动，而带动所述左手指与所述右手指相向或背向移动；

电机，其旋转轴带动所述双螺纹丝杠转动；

编码器，用于检测所述电机的旋转轴的旋转位置；及

手爪控制器，与所述电机及编码器连接，用于控制所述电机转动及处理所述编码器反馈的信号；

其中，所述左手指及右手指均设有楔形槽，所述左手指的楔形槽与所述右手指的楔形槽相对应，以将药瓶夹持于所述左手指的楔形槽与所述右手指的楔形槽共同形成的夹持空间内。

相较于传统的配药机器人的机械手爪，上述机械手爪至少具有以下优点：

（1）左、右手指上设有楔形槽，当物品与左手指与右手指的楔形槽的槽壁都接触后，左手指与右手指的合力会继续推动物品向抓取中心点移动，直至物品到达抓取中心点，实现物品在抓取过程中的自适应、自动定心。

（2）由于采用编码器检测电机的旋转轴的转动位置，在机械手爪的标定完成后，在以后的抓取过程中，只要得到编码器反馈值数值，就可以推算出所抓取的药瓶的直径，从而实现尺寸测量的功能。

（3）由于通过电机驱动双螺纹丝杠转动，电机的输入电流由手爪控制器控制，因而可以通过控制电机的输入电流大小来改变电机的输出力矩的大小，从而得到适中的夹紧力，保证物品的可靠抓取，避免抓取过程中玻璃药瓶等的破碎（力过大）或者抓不稳（力过小），进而实现抓取力控制功能。

在其中一个实施例中，所述机架为矩形框体结构，所述双螺纹丝杠的两端分别可转动地穿过所述机架的相对两侧。

在其中一个实施例中，所述机架的另一侧边设有缺口，所述左手指及右手指均包括：

滑块，镶嵌有螺母，所述螺母套设于所述双螺纹丝杠的螺纹部上；及夹持部，设于所述滑块的一侧，并位于所述机架的缺口处，所述夹持部设有两个所述楔形槽。

在其中一个实施例中，还包括上壳及下壳，所述上、下壳分别盖设于所述机架的开口两侧，以使所述上、下壳与所述机架共同形成一个封闭的容置腔，所述电机及滑块收容于所述容置腔内。

在其中一个实施例中，所述夹持部的中部设有镂空部。

在其中一个实施例中，所述楔形槽为V形、等腰梯形或抛物线。

在其中一个实施例中，，还包括传动机构，所述传动机构设于所述双螺纹丝杠的一端，所述电机的旋转轴通过所述传动机构带动所述双螺纹丝杠转动。

在其中一个实施例中，所述传动机构为齿轮副、同步带轮副或链轮副。

在其中一个实施例中，所述传动机构为齿轮副，其包括相互啮合的大、小齿轮，其中，所述小齿轮安装在所述电机的旋转轴上，所述大齿轮安装在所述双螺纹丝杠的一端。

在其中一个实施例中，还包括两个导轨，所述两个导轨设于所述机架上，并且与所述双螺纹丝杠平行设置，所述双螺纹丝杠位于所述两个导轨之间；所述两个导轨的中部穿过所述左、右手指，并且两端固定，以使所述左、右手指沿所述两个导轨可滑动。

【附图说明】

图1为本发明实施方式的配药机器人的机械手爪的立体图；

图2为图1所示的机械手爪的分解图；

图3为图1所示的机械手爪的抓取物品时的自适应、自动定心过程的示意图；

图4为图1所示的机械手爪实现尺寸测量功能时的示意图；

图5为图1所示的机械手爪的抓取物品时的抓取力与电机转矩的关系图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1及图2，本发明实施方式的配药机器人的机械手爪100，用于抓取安瓿瓶、西林瓶、注射器、输液袋等。

机械手爪100包括机架110、双螺纹丝杠120、左手指131、右手指133、电机140、编码器150、及手爪控制器（图未标）。机架110用于承载双螺纹丝杠120、左手指131、右手指133及电机140等。左手指131及右手指133用于夹持安瓿瓶、西林瓶、注射器、输液袋等。电机140用于驱动双螺纹丝杠120转动，双螺纹丝杠120用于带动左手指131与右手指133移动，以改变左手指131与右手指133之间的夹持间距。手爪控制器作为编码器150及电机140的控制装置。

具体在本实施方式中，机架110为矩形框体结构，即，机架110包括四个侧板，四个侧板的端部固定连接起来，以围成矩形的框体。机架110的另一侧边设有缺口111。当然，机架110不限于为矩形框体结构，也可为其他形状的结构。

双螺纹丝杠120可转动地设于机架110上。双螺纹丝杠120的两端分别设有螺纹部，并且螺纹部的螺纹旋向相反。换句话说，双螺纹丝杠120为双头丝杠，一段为左旋，另一段为右旋。具体在本实施方式中，双螺纹丝杠120的两端分别可转动地穿过机架110的相对两侧；双螺纹丝杠120的安装方式为简支，一端为一对角接触轴承，一端为一对深沟球轴承。

左手指131及右手指133，分别与双螺纹丝杠120的两个螺纹部相配合，双螺纹丝杠120转动，而带动左手指131与右手指133相向或背向移动。

其中，左手指131及右手指133分别设有楔形槽131a、133a，左手指131的楔形槽131a与右手指133的楔形槽133a相对应，以将药瓶夹持于左手指131的楔形槽131a与右手指133的楔形槽133a共同形成的夹持空间内。楔形槽131a、133a为V形、等腰梯形或抛物线。在图示的实施方式中，楔形槽131a、133a为V形。

左手指131与右手指133的结构可以相同，也可不同。具体在本实施方式中，左手指131与右手指133的结构相同，左、右手指133均包括滑块及夹持部。滑块镶嵌有螺母（图未标），螺母套设于双螺纹丝杠120的螺纹部上。夹持部设于滑块的一侧，并位于机架110的缺口111处。夹持部设有两个楔形槽131a、133a。

进一步地，为了提高左手指131及右手指133的夹持力度，以及滑动时的稳定性，夹持部的中部设有镂空部，从而减轻夹持部的重量。

电机140的旋转轴带动双螺纹丝杠120转动。电机140可以直接驱动双螺纹丝杠120转动，也可通过传动机构带动双螺纹丝杠120转动，传动机构可以为齿轮副、同步带轮副、链轮副等。电机140用螺钉固定在机架110上，但在本发明中，不限于固定在机架110上。

具体在本实施方式中，电机140通过传动机构170带动双螺纹丝杠120转动，传动机构170设于双螺纹丝杠120的一端。具体的，传动机构170为齿轮副，其包括相互啮合的大、小齿轮171、173，其中，小齿轮173安装在电机140的旋转轴上，大齿轮171安装在双螺纹丝杠120的一端。

编码器150用于检测电机140的旋转轴的旋转位置。具体在本实施方式中，编码器150为绝对值编码器150，固定在电机140的旋转轴上，用来检测电机140的旋转轴的旋转位置。当然，在本发明中，编码器150不限于绝对值编码器150，也可为其他类型的编码器150，只需其能检测到电机140的旋转轴的转动位置即可。

手爪控制器与电机140及编码器150连接，用于控制电机140转动及处理编码器150反馈的信号。具体在本实施方式中，手爪控制器固定在机架110内，通过控制线路与电机140及编码器150相连接，用来控制电机140及处理编码器150返回的信号，同时与上位机相连，实时反馈手爪状态。

配药机器人的机械手爪100还包括与手爪控制器的电连接的两个光电开关160，两个光电开关160安装在机架110上，用于限制左、右手指131、133的极限位置，当左、右手指131、133运动到极限位置，则手爪控制器控制电机140停止工作。

配药机器人的机械手爪100还包括上壳181、下壳183。上壳181、下壳183分别盖设于机架110的开口两侧，以使上壳181、下壳183与机架110共同形成一个封闭的容置腔，电机140及滑块收容于容置腔内，防止灰尘等杂物进入容置腔内，影响导轨和双螺纹丝杠120工作。

配药机器人的机械手爪100还包括两个导轨190，两个导轨190设于机架110上，并且与双螺纹丝杠120平行设置，双螺纹丝杠120位于两个导轨190之间。两个导轨190的中部穿过左、右手指133，并且两端固定，以使左、右手指133沿两个导轨190可滑动，用来导向和增加机械手爪的刚度。具体在本实施方式中，左手指131、右手指133同时与导轨190连接，并且中间镶嵌一个可换的两个直线轴承（图未标），导轨190穿过直线轴承。

下面结合图3至图5来说明上述机械手爪100的自适应、自动定心、尺寸测量及抓取力控制功能，并且，在下文中以“楔形槽131a、133a为V形”为例进行说明，本领域技术人员根据本发明公开的内容，可轻易得知楔形槽131a、133a为其他形状的情况，例如，楔形槽131a、133a为等腰梯形、抛物线的形状，在此不再赘述。

请参阅图3，一般来说，机械手爪的抓取中心在O点，当要抓取的物品中心不在O点时，一般需要平动机械手爪才能把物品抓取到O’点，而本发明中的机械手爪却可以在抓取的时候，自动把物品自动定位到O点。

具体过程如下：当物品中心在O”点时，当机械手爪的左手指131与右手指133合拢的时候，由于左手指131与右手指133的楔形槽131a、133a的结构，使得当左手指131与右手指133中的一只碰到物品后，会推动物品向另外一只移动，当物品与左手指131与右手指133的楔形槽131a、133a的槽壁都接触后，左手指131与右手指133的合力会继续推动物品向抓取中心O点移动，直至物品到达抓取中心O点，实现物品在抓取过程中的自动定心。由此可知，这样就可以实现不管药瓶等物品的大小，摆放的位置偏差，每次抓取后，药瓶的中心与左手指131及右手指133的抓取中心都是重合的。

请参阅图4，在进行尺寸测量之前，整个机械手爪100已经进行过标定，具体的标定步骤如下：取标准的标定样块（例如：直径D=20毫米），让机械手爪进行抓取操作，当样块被夹紧后（例如：夹紧力F=20N），读取这时候编码器150返回的数值N（例如：N=10圈），这时，可以得出在夹紧力F=20N时：

L*sin(θ/2)=D/2    (1)

N=K*L              (2)

由公式(1)(2)可得抓取物直径D与编码器150反馈值N之间的关系如下：

D=2N/K*sin(θ/2)   (3)

式中：L为手指运行的距离，θ为楔形角，D为抓取物直径，N为编码器150反馈值，K为比例系数。

标定完成后，在以后的抓取过程中，只要得到编码器150反馈值数值，就可以推算出所抓取的药瓶的直径。

请参阅图5，抓取力控制功能说明如下：手爪控制器通过控制电流的大小，控制电机140的输入电流，而电机140输入电流的大小，与电机140输出转矩成正比，电机140输出转矩通过传动机构170，传给双螺纹丝杠120，双螺纹丝杠120带动左手指131与右手指133，抓取物品。通过上述关系可知，只要控制输入电机140的电流大小，就可以实现抓取力控制。

在本实施例中，以传动机构170为齿轮副为例进行说明，若传动机构170为其他结构，本领域技术人员可根据本发明公开的内容相应修改下述关系即可。

根据电机140在转矩控制模式时，其输出的转矩T与输入电流I存在如下关系：

T1=K*I      （4）

电机140输出转矩经过传动系统带动手指进行抓取，抓取力F与电机140转矩T关系如下：

T2=T1*Z2/Z1*η1              （5）

F*P=T2*2π*η2               （6）

综合可得：电机140输入电流I与手爪抓取力F的关系如下：

F=2π*K*Z2*I*η1*η2/（Z1*P）（7）

式中：T为电机140转矩；F为手爪夹紧力；K为电机140转矩与电机140输入电流比例系数；I为电机140输入电流；Z1、Z2为齿轮齿数；P为丝杠螺距；η1为齿轮传动效率；η2为丝杠传动效率。根据公式（7）可知，可以通过控制电机140的输入电流大小来改变电机140的输出力矩T的大小，从而得到适中的夹紧力F，保证物品的可靠抓取，避免抓取过程中玻璃药瓶等的破碎（力过大）或者抓不稳（力过小）。

需要说明的是，上述关系式的计算可由手爪控制器来完成，也可由上位机来完成。

相较于传统的配药机器人的机械手爪100，上述机械手爪100至少具有以下优点：

（1）左、右手指131、133上设有楔形槽131a、133a，当物品与左手指131与右手指133的楔形槽131a、133a的槽壁都接触后，左手指131与右手指133的合力会继续推动物品向抓取中心点移动，直至物品到达抓取中心点，实现物品在抓取过程中的自适应、自动定心。

（2）由于采用编码器150检测电机140的旋转轴的转动位置，在机械手爪100的标定完成后，在以后的抓取过程中，只要得到编码器150反馈值数值，就可以推算出所抓取的药瓶的直径，从而实现尺寸测量的功能。

（3）由于通过电机140驱动双螺纹丝杠120转动，电机140的输入电流由手爪控制器控制，因而可以通过控制电机140的输入电流大小来改变电机140的输出力矩的大小，从而得到适中的夹紧力，保证物品的可靠抓取，避免抓取过程中玻璃药瓶等的破碎（力过大）或者抓不稳（力过小），进而实现抓取力控制功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种配药机器人的机械手爪，其特征在于，包括：

机架；

双螺纹丝杠，可转动地设于所述机架上，所述双螺纹丝杠的两端分别设有螺纹部，并且螺纹部的螺纹旋向相反；

左手指及右手指，分别与所述双螺纹丝杠的两个螺纹部相配合，所述双螺纹丝杠转动，而带动所述左手指与所述右手指相向或背向移动；

电机，其旋转轴带动所述双螺纹丝杠转动；

编码器，用于检测所述电机的旋转轴的旋转位置；及

手爪控制器，与所述电机及编码器连接，用于控制所述电机转动及处理所述编码器反馈的信号；

其中，所述左手指及右手指均设有楔形槽，所述左手指的楔形槽与所述右手指的楔形槽相对应，以将药瓶夹持于所述左手指的楔形槽与所述右手指的楔形槽共同形成的夹持空间内。

2.如权利要求1所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述机架为矩形框体结构，所述双螺纹丝杠的两端分别可转动地穿过所述机架的相对两侧。

3.如权利要求2所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述机架的另一侧边设有缺口，所述左手指及右手指均包括：

滑块，镶嵌有螺母，所述螺母套设于所述双螺纹丝杠的螺纹部上；及

夹持部，设于所述滑块的一侧，并位于所述机架的缺口处，所述夹持部设有两个所述楔形槽。

4.如权利要求3所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，还包括上壳及下壳，所述上、下壳分别盖设于所述机架的开口两侧，以使所述上、下壳与所述机架共同形成一个封闭的容置腔，所述电机及滑块收容于所述容置腔内。

5.如权利要求3所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述夹持部的中部设有镂空部。

6.如权利要求1所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述楔形槽为V形、等腰梯形或抛物线。

7.如权利要求1~6任一项所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，还包括传动机构，所述传动机构设于所述双螺纹丝杠的一端，所述电机的旋转轴通过所述传动机构带动所述双螺纹丝杠转动。

8.如权利要求6所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述传动机构为齿轮副、同步带轮副或链轮副。

9.如权利要求7所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，所述传动机构为齿轮副，其包括相互啮合的大、小齿轮，其中，所述小齿轮安装在所述电机的旋转轴上，所述大齿轮安装在所述双螺纹丝杠的一端。

10.如权利要求1~6任一项所述的配药机器人的机械手爪，其特征在于，还包括两个导轨，所述两个导轨设于所述机架上，并且与所述双螺纹丝杠平行设置，所述双螺纹丝杠位于所述两个导轨之间；所述两个导轨的中部穿过所述左、右手指，并且两端固定，以使所述左、右手指沿所述两个导轨可滑动。

Images