CN104070529B - 一种基于球面螺旋副的机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于球面螺旋副的机械手，所述机械手包括一球螺旋体、一机架机构、一旋转轴、二卡爪、二夹持梁以及二连杆，所述球螺旋体设置在机架机构内，所述旋转轴连接至球螺旋体底部，所述机架机构沿球螺旋体的两侧分别设置有一圆弧状滑槽，二滑块通过凸键嵌设在对应的滑槽中，各所述滑块均与球螺旋体上的球螺旋槽滑动啮合，各所述滑块分别通过一连杆与对应的夹持梁一端枢接，各所述夹持梁的另一端分别通过一球铰链与对应卡爪相链接，各夹持梁上均设有一肘部，各所述肘部均枢接在机架机构上。本发明能够实现各种特殊的运动功能并保证运动的精确可靠和构件力学上的安全稳定，从而实现对目标物体的操作。

Description

一种基于球面螺旋副的机械手

【技术领域】

本发明涉及一种基于球面螺旋副的机械手。

【背景技术】

机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，机械手是机器人的一个重要分支。机械手在抓取物料时，通常是模拟人手的抓取动作，通过机械手手指配合机械手手掌从外部夹持住物料的外表面，从而实现对物料的抓料及卸料。目前，大多机械手或夹持机构是采用液压缸和电机通过连杆机构直接链接驱动卡爪运动。如果液压缸和电机在遇到故障时，难以保证卡爪的安全性能。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于球面螺旋副的机械手，实现各种特殊的运动功能并保证运动的精确可靠和构件力学上的安全稳定，从而实现对目标物体的操作。

本发明是这样实现上述技术问题的：

一种基于球面螺旋副的机械手，所述机械手包括一球螺旋体、一机架机构、一旋转轴、二卡爪、二夹持梁以及二连杆，所述球螺旋体设置在机架机构内，所述旋转轴连接至球螺旋体底部，所述机架机构沿球螺旋体的两侧分别设置有一圆弧状滑槽，二滑块通过凸键嵌设在对应的滑槽中，各所述滑块均与球螺旋体上的球螺旋槽滑动啮合，各所述滑块分别通过一连杆与对应的夹持梁一端枢接，各所述夹持梁的另一端分别通过一球铰链与对应卡爪相链接，各夹持梁上均设有一肘部，各所述肘部均枢接在机架机构上。

进一步地，所述球螺旋体的螺旋角不大于滑块的摩擦角，其中，滑块的摩擦角为滑块处于滑动状态的临界角。

本发明具有如下优点：

本发明是一种具有定位精度高、结构紧凑、运动安全可靠和具有丰富工作特性的机械手。本发明是在为满足自动化和对精度要求的不断提高，对夹持机构的运动学、力学和安全性能提出的一种创新设计，本发明通过球螺旋体的球螺旋面绕固定轴旋转，驱动与之配合的滑块运动，将球螺旋面不同纬度上的各种独特运动和力学特性映射到最终的执行件的运动中，旨在实现各种特殊的运动功能并保证运动的精确可靠和构件力学上的安全稳定，从而实现对目标物体的操作。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明滑块与滑槽配合的局部示意图。

图3是本发明的运动速度分析图。

图4是本发明的加速度分析图。

图5是本发明的受力分析图。

图6是本发明基于质点在球螺旋线上的运动分析简图。

图7是本发明滑动摩擦实现自锁受力分析图。

附图标识说明：

1、球螺旋体2、机架机构

3、旋转轴4、卡爪

5、夹持梁6、连杆

7、滑块8、球铰链

11、球螺旋槽21、滑槽

51、肘部

【具体实施方式】

请参阅图1～7所示，对本发明的实施例进行详细的说明。

重点参阅图1～2，本发明涉及一种基于球面螺旋副的机械手，所述机械手包括一球螺旋体1、一机架机构2、一旋转轴3、二卡爪4、二夹持梁5以及二连杆6，所述球螺旋体1设置在机架机构2内，所述旋转轴3连接至球螺旋体1底部，所述机架机构2沿球螺旋体1的两侧分别设置有一圆弧状滑槽21，二滑块7通过凸键71嵌设在对应的滑槽21中，各所述滑块7均与球螺旋体1上的球螺旋槽11滑动啮合，各所述滑块7分别通过一连杆6与对应的夹持梁5一端枢接，各所述夹持梁5的另一端分别通过一球铰链8与对应卡爪4相链接，各夹持梁5上均设有一肘部51，各所述肘部51均枢接在机架机构2上。

所述球螺旋体1的螺旋角α不大于滑块7的摩擦角α₀₀，其中，滑块7的摩擦角为滑块7处于滑动状态的临界角。

在开始时，有旋转轴3将外部动力传入并带动球螺旋体1旋转，球螺旋体上1的球螺旋槽11与滑块7通过滑动啮合来传递动力。滑块7在滑槽21的约束下只能沿着滑槽21作轨迹为圆周的运动。滑块7通过连杆6与夹持梁5相连。在夹持梁5的另一端通过球铰链8与卡爪4相连，采用球铰链8的原因是：因为在夹持梁5与卡爪4相连的一端是做圆周运动，卡爪4在夹持物体时两个接触面的夹角就会变化，为了卡爪4在夹持物体时两个接触面始终保持与目标物体表面贴合使物体受力均匀，设计了球铰链8的连接形式。卡爪4的分离与闭合是由球螺旋体1通过顺时针和逆时针来控制的。

以下为本发明特性分析：

(一)基于球面螺旋副的机械手的几何学特性分析：

球螺旋曲面是由两个圆周运动合成的，初始位置时动坐标系OX’Y’Z’与定坐标系OXYZ的Y轴重合；初始位置时OZ’X’标架相对固定坐标系的OZX标架绕共同轴Y轴倾斜转过θ。

动点M初始位置在Y轴上M(0，b，0)在动系中绕Z’以角度参数u₂做圆周运动，同时动系绕定系的X轴以角度参数u₁做等速圆周运动。质点的两个圆周运动的合成运动在定坐标系中的运动轨迹即为等螺旋角的球面螺旋线。并存在等速回转运动的定比关系

球面螺旋线的数学模型为：

$\begin{array}{c}\stackrel{\→}{r}=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos u_1& -\sin u_1\\ 0& \sin u_1& \cos u_1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& 0& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& 0& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos u_2& \sin u_2& 0\\ -{\sin u}_2& \cos u_2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ b\\ 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}b\sin u_2\cos \mathrm{\θ}\\ b(\cos u_2{\cos u}_1+\sin u_2\sin \mathrm{\θ}{\sin u}_1)\\ b(\cos u_2\sin u_1-{\sin u}_2\sin \mathrm{\θ}{\cos u}_1)\end{array}\right].\end{array}---1-1$

因为有u₂＝u₁sinθ，所以可得到球面螺旋线关于u₁的偏导数：

$\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}=b\left(\begin{array}{c}\cos u_2\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ -\cos u_2\sin u_1{\cos }^2\mathrm{\θ}\\ \cos u_2\cos u_1{\cos }^2\mathrm{\θ}\end{array}\right),---1-2$

$\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2}=b\left(\begin{array}{c}-\sin u_2{\sin }^2\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ -{\cos }^2\mathrm{\θ}(\cos u_2{\cos u}_1-{\sin u}_2{\sin u}_1{\cos }^2\mathrm{\θ})\\ -{\cos }^2\mathrm{\θ}(\cos u_2{\cos u}_1+{\sin u}_2\cos u_1{\sin }^2\mathrm{\θ})\end{array}\right),---1-3$

$\frac{{\∂}^3\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^3}=b\left(\begin{array}{c}-\cos u_2{\sin }^3\mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ {\cos }^2\mathrm{\θ}(2\sin u_2{\cos u}_1\sin \mathrm{\θ}+{\cos u}_2{\sin u}_1(1+{\sin }^2\mathrm{\θ})\mathrm{\θ})\\ -{\cos }^2\mathrm{\θ}(-2\sin u_2{\sin u}_1\sin \mathrm{\θ}+{\cos u}_2\cos u_1\left({1+\sin }^2\mathrm{\θ}\right))\end{array}\right),---1-4$

$|\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}\×\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2}|b^2{\cos }^2{u}_2{\cos }^3\mathrm{\θ},---1-5$

$(\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1},\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2},\frac{{\∂}^3\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^3})=b^3{\cos }^3{u}_2{\cos }^5\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}.---1-6$

曲率： $\mathrm{\κ}=\frac{|\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}\×\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2}|}{{\left|\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}\right|}^3}=\frac{1}{b\cos u_2},---1-7$

挠率： $\mathrm{\τ}=\frac{(\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1},\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2},\frac{{\∂}^3\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^3})}{{|\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}\×\frac{{\∂}^2\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1^2}|}^2}=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{b\cos u_2\cos \mathrm{\θ}},---1-8$

螺旋角：球面螺旋线上每一点的切矢与球面轴线X的夹角。

在X轴上取一个单位向量

将切向量单位化 $\stackrel{\→}{t}=\frac{\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}}{\left|\frac{\∂\stackrel{\→}{r}}{{\∂u}_1}\right|}=(\sin \mathrm{\θ},-\sin u_1\cos \mathrm{\θ},\cos u_1\cos \mathrm{\θ})---1-9$

$<\stackrel{\&RightArrow;}{i},\stackrel{\&RightArrow;}{t}>=\arccos <\stackrel{\&RightArrow;}{i},\stackrel{\&RightArrow;}{t}>=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&theta;},$ 即螺旋角为 $\mathrm{\&alpha;}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\mathrm{\&theta;}.$

(二)基于球面螺旋副的机械手的运动学特性分析：

(1)位移分析

重点参阅图3，滑块7在初始位置a点时，为防止基于球面螺旋副的机械手上B点出现死点，角β₁必须满足条件：

${\mathrm{\&beta;}}_1<\arccos \left(\frac{r^2+L_4^2-{(L_1+L_2)}^2}{{2\mathrm{rL}}_4}\right).---2-1$

其中，L₁是A点与B点之间的距离；L₂是B点与C点之间的距离；L₃是C点与D点之间的距离；L₄是O点与C点之间的距离。

滑块7的最大角位移为β₀，最大弧长位移为rβ₀(其中r为滑块上A点所在圆弧运动轨迹的半径)。滑块7的角速度由基于球面螺旋副的机械手输入的球螺旋体1的角速度ω₀决定，由速度分析中的公式2-5可知，ω₀是一个定值时，ω₁也是定值，即为匀速转动。当两者都变化时，得到最一般的滑块的弧长位移公式：

$P_A=\underset{t}{\&Integral;}r{\mathrm{\&omega;}}_1\left(t\right)\mathrm{dt}---2-2$

当滑块7运动到b点即连杆6和球螺旋体7的半径在一条直线上时，基于球面螺旋副的机械手上的B点达到最大位移。机械手上B点随时间变化的弧长位移公式：

$P_B=\underset{t}{\&Integral;}{L}_2{\mathrm{\&omega;}}_3\left(t\right)\mathrm{dt}---2-3$

因为D点和B点都是以C点为圆心作圆周运动，因此可以得到D点随时间变化的弧长位移公式：

$P_D=\underset{t}{\&Integral;}{L}_3{\mathrm{\&omega;}}_3\left(t\right)\mathrm{dt}---2-4$

(2)速度分析

$\frac{2\mathrm{\&pi;\&eta;}}{{\mathrm{\&omega;}}_0}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&omega;}}_1},---2-5$

${\mathrm{\&omega;}}_1=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{2\mathrm{\&eta;}}.---2-6$

其中，ω₀是球螺旋体1的旋转角速度，ω₁是滑块7沿着圆弧状滑槽21的角速度，η是球螺旋体1上螺旋圈数。

根据图3有运动学公式：ν₂＝ν₁+ν₂₁。2-7

可得到 ${\mathrm{\&nu;}}_2=\frac{{\mathrm{\&nu;}}_1\cos {\mathrm{\&beta;}}_2}{\cos {\mathrm{\&alpha;}}_0}.---2-8$

又因为ν₁＝ω₁r，即可得到 ${\mathrm{\&nu;}}_2=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{1}r\cos {\mathrm{\&beta;}}_2}{\cos {\mathrm{\&alpha;}}_0}.---2-9$

其中，v₁为滑块7的绝对速度，v₂为夹持梁5上B点的绝对速度，v₂₁为B点相对于A点的相对速度。

由公式2-9可知，当ω₁为一个定值即滑块作匀角速度转动，随着时间的变化角度α₀(B点处的压力角)是减小的，而角度β₂(A点处的压力角)是增大的，又因为α₀和β₂都是锐角，因此，随着时间速度v₂是减小的。

因为B点和D点都是围着C点作圆周运动，所以满足关系式：

很容易得到D点的绝对速度：即可得到：

${\mathrm{\&nu;}}_3=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{0}r\cos {\mathrm{\&beta;}}_2{L}_3}{2\mathrm{\&eta;}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_0{L}_2}---2-10$

可得到卡爪相对于被夹持物的垂直速度为：

${\mathrm{\&nu;}}_3\cos {\mathrm{\&beta;}}_4=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{0}r\cos {\mathrm{\&beta;}}_2{L}_3}{2\mathrm{\&eta;}\cos {\mathrm{\&alpha;}}_0{L}_2}\cos {\mathrm{\&beta;}}_4,---2-11$

由公式2-11，随着时间变化β₄是增大的且为锐角，又因为v₂的变化与v₃是相同的，因此最终可以得知卡爪4靠近被加持物体的速度是越来越小的。由此可知，当输入的速度为定值时，卡爪4夹持物体速度有大变小能够满足对物体的保护，提高了安全性能。

(3)加速度分析

重点参阅图4，A点的加速度是输入点，是已知的。B点的加速度可以通过下式得到：

$\stackrel{\&RightArrow;}{a_B}=\stackrel{\&RightArrow;}{a_B^t}+\stackrel{\&RightArrow;}{a_B^n}=\stackrel{\&RightArrow;}{a_A^t}+\stackrel{\&RightArrow;}{a_A^n}+\stackrel{\&RightArrow;}{a_{\mathrm{BA}}^t}+\stackrel{\&RightArrow;}{a_{\mathrm{BA}}^n}---2-12$

方向沿A点运动轨迹的切线方向(A点的切向加速度)，如果滑块7匀速圆周运动则切向加速度为零；方向指向圆周轨迹的圆心(A点的法向加速度)；方向垂直于连杆AB(B点相对于A点的相对切向加速度)；方向沿着连杆由B指向A(B点相对于A点的相对法向加速度)。

最终因为D点和B点在同一个转动体上，因此由

α_D＝α_B2-13

ω_D＝ω_B2-14

${\mathrm{\&alpha;}}_B=\frac{a_B^t}{L_2}---2-15$

${\mathrm{\&omega;}}_B=\sqrt{\frac{a_B^n}{L_2}}---2-16$

$a_D^t=L_3{\mathrm{\&alpha;}}_D---2-17$

$a_D^n=L_3{\mathrm{\&omega;}}_D^2---2-18$

D点加速度的大小虽和B点不同，但是变化规律是相同的。(α_D为D点的角加速度，ω_D为D点的角速度；α_B为B点的角加速度，ω_B为B点的角速度)

包含A-B和B-C-D点的构件为两个刚体。刚体在点A-B之间和点B-D之间具有不同但类似的运动学特征，可根据需要选取不同的点为输出，从而获得不同的运动。

(三)基于球面螺旋副的机械手的力学特性分析：

在驱动力M₀下通过球螺旋曲面的作用转化成滑块7的驱动力M₁。连杆6自身重力可以忽略视为二力杆，只有R_BA和R_AB(其受力如图5所示)。

对卡爪受力分析可得平衡力矩的矢量公式：

$\stackrel{\&RightArrow;}{R_{\mathrm{AB}}}\&CenterDot;L_2\&CenterDot;\cos \mathrm{\&phi;}+\stackrel{\&RightArrow;}{M_3}+\stackrel{\&RightArrow;}{R_{\mathrm{ED}}}\&CenterDot;L_3\&CenterDot;\cos \mathrm{\&psi;}=0.---3-1$

根据受力分析图最终可得到：

$R_{\mathrm{ED}}=\frac{R_{\mathrm{AB}}\&CenterDot;L_2\cos \mathrm{\&phi;}-M_3}{L_3\&CenterDot;\cos \mathrm{\&psi;}}.---3-2$

与是一对作用力与反作用力所以大小相等方向相反。

即： $R_{\mathrm{DE}}=\frac{R_{\mathrm{AB}}\&CenterDot;L_2\cos \mathrm{\&phi;}-M_3}{L_3\&CenterDot;\cos \mathrm{\&psi;}}.---3-3$

R_BA是B点指向A点的力，R_AB是A点指向B点的力。R_DE是D点指向E点的力，R_ED是E点指向D点的力。M₃是C点处的力矩。角φ和角ψ分别如图9中所示。

螺旋运动形式能够实现运动间的转化，也能实现力之间的转化，在运动上比单纯的直线和回转运动更加平稳可靠，在力学上能够实现一定的杠杆特性，通过控制主动件和从动件的转化可以达到省力或简化运动距离的特性。

对球面螺旋曲面几何特性的分析和研究，把球面螺旋曲面投影到旋转轴所在的平面内时(如图6)，在轮廓圆上将运动分解成轴向和径向，当运动方向靠近赤道圆时，投影在径向上的运动速度由最大值趋于零，在赤道圆上为零。将运动映射到机械手的两个卡爪上，当机械手要夹持物体时，卡爪处于分离状态，并且卡爪与被夹持物体之间存在一定间隙，卡爪从最大分离状态到刚好接触物体时的运动称为空载运动，行程相对长。应满足要求：运动快、力小；当卡爪从刚好接触到持物体到把物体夹紧时称为有载运动，行程相对短。应满足的要求：运动慢、力大。此外，螺旋啮合面采用滑动接触通过控制螺旋角的大小完全可以实现啮合副的自锁特性，这一特性防止机械手在夹持运动状态下突然失去动力时，由于自锁物体不会掉落，起到安全保护功能。

针对实现机构自锁功能，滑块与球螺旋体间的滑动接触可以抽象为滑块在斜面上(如图7所示)。实现自锁的条件是：

Gsinα≤F_f＝μN＝μGcosα3-4

可得到，α≤α₀₀＝arctanμ3-5

(α₀₀是摩擦角----即滑块处于滑动状态的临界角，μ是滑块与球螺旋面之间的滑动摩擦系数，F_f最大滑动摩擦力)

本发明是一种具有定位精度高、结构紧凑、运动安全可靠和具有丰富工作特性的机械手。本发明是在为满足自动化和对精度要求的不断提高，对夹持机构的运动学、力学和安全性能提出的一种创新设计，本发明通过球螺旋体的球螺旋面绕固定轴旋转，驱动与之配合的滑块运动，将球螺旋面不同纬度上的各种独特运动和力学特性映射到最终的执行件的运动中，旨在实现各种特殊的运动功能并保证运动的精确可靠和构件力学上的安全稳定，从而实现对目标物体的操作。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种基于球面螺旋副的机械手，其特征在于：所述机械手包括一球螺旋体、一机架机构、一旋转轴、二卡爪、二夹持梁以及二连杆，所述球螺旋体设置在机架机构内，所述旋转轴连接至球螺旋体底部，所述机架机构沿球螺旋体的两侧分别设置有一圆弧状滑槽，二滑块通过凸键嵌设在对应的滑槽中，各所述滑块均与球螺旋体上的球螺旋槽滑动啮合，各所述滑块分别通过一连杆与对应的夹持梁一端枢接，各所述夹持梁的另一端分别通过一球铰链与对应卡爪相链接，各夹持梁上均设有一肘部，各所述肘部均枢接在机架机构上。

2.如权利要求1所述的一种基于球面螺旋副的机械手，其特征在于：所述球螺旋体的螺旋角不大于滑块的摩擦角，其中，滑块的摩擦角为滑块处于滑动状态的临界角。