CN105058374A - 一种吊挂式机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吊挂式机械手，包括一移动机构、一伸缩机构与终端机构，其特征在于，所述移动机构固定在其他支撑设备上，能够带动所述伸缩机构实现水平面内的移动；所述伸缩机构连接一端连接所述终端机构，另一端连接所述移动机构，能够带动所述终端机构实现垂直于水平面方向的伸缩，以及水平面内的旋转。设计简单、结构合理，能够使用最简单的结构实现直角坐标系中的多自由度运动；便于拆卸，分级套筒结构可以让维修变得更加便利，只要拆除出故障的套筒即可实现维修，无需把所有的机械手全部拆卸；节省动力、安全可靠，独特的上缘、下缘结构，减少了阻力，节省了能源；设置位置自检结构，能够精确定位机械臂位置。

Description

一种吊挂式机械手

技术领域

本发明涉及自动化设备领域，具体涉及一种吊挂式机械手。

技术背景

国内目前正处于进行生产设备自动化从无到有的发展历程之中，目前自动化设备主要是将工厂原有的生产线中的设备尽可能的利用起来以节省企业成本。所以目前的自动化设备应该更加符合非定制化、普适化，能够简便地进行移植，才是符合当前企业，尤其是传统加工、制造型企业。

目前传统加工制造型企业的加工工艺中，有许多加工步骤仍然不能完全依靠自动化设备，人工监控、人工辅助操作是必不可少的部分。

机械手是自动化设备中最重要的一环，它集成了传统加工工艺中的多个步骤，例如起重、移位、固定、转移等等，然而便于机械自动化工作与便于人工操作的机械手结构存在本质上的差距，目前的设备很难做到这一点。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种吊挂式机械手，包括一移动机构、一伸缩机构与终端机构，其特征在于，

所述移动机构固定在其他支撑设备上，能够带动所述伸缩机构实现水平面内的移动；

所述伸缩机构连接一端连接所述终端机构，另一端连接所述移动机构，能够带动所述终端机构实现垂直于水平面方向的伸缩，以及水平面内的旋转。

较佳的，所述移动机构包括一第一平移机构与一第二平移机构；

所述第一平移机构包括一第一导轨与一架设在所述第一导轨上的第一动作模块；所述第二平移机构包括一第二导轨与架设在所述第二导轨上的第二动作模块；

所述第一动作模块能够沿所述第一导轨直线运动；所述第二动作模块能够沿所述第二导轨直线运动；

所述第一导轨与所述第二导轨方向垂直。

较佳的，所述第二导轨架设在所述第一动作模块上。

较佳的，所述伸缩机构包括一传动结构与一伸缩结构，所述伸缩结构连接所述终端机构与所述传动结构并在所述传动结构的带动下牵引所述终端机构动作；

所述伸缩结构包括相互嵌套、口径逐渐缩小的一上位套筒、若干中间套筒与一下位套筒，所述上位套筒、所述中间套筒与所述下位套筒能够沿与其相嵌套的套筒进行滑动。

较佳的，所述上位套筒、所述中间套筒下端向内延伸形成环状下缘，所述环状下缘与下一级套筒外壁接触，并能够沿其滑动；

所述下位套筒、所述中间套筒上端向外延伸形成环状上缘，所述环状上缘与上一级套筒内壁接触，并能够沿其滑动。

较佳的，所述上位套筒上端为上位套筒上缘，其能够与外部固定设备进行固定；

所述下位套筒下端为下位套筒下缘，所述下位套筒下缘向下与终端相固定，向上与所述传动结构连接。

较佳的，所述环状下缘包括一下缘远端挡板、一下缘近端挡板与若干滚珠；

所述下缘远端挡板为套筒下端向内延伸形成的环状挡板结构；

所述下缘近端挡板为一固定在套筒内壁上的环状挡板结构；

所述下缘远端挡板与所述下缘近端挡板之间形成环形槽，所述滚珠放置在所述环形槽内并与下一级套筒外壁相抵；

所述环状上缘包括一上缘远端挡板、一上缘近端挡板与若干滚珠；

所述上缘远端挡板为套筒上端向外延伸形成的环状挡板结构；

所述上缘近端挡板为一固定在套筒外壁上的环状挡板结构；

所述上缘远端挡板与所述上缘近端挡板之间形成环形槽，所述滚珠放置在所述环形槽内并与上一级套筒内壁相抵。

较佳的，所述上位套筒为第三套筒，所述下位套筒为第一套筒，所述中间套筒数量为1，为第二套筒。

较佳的，所述第三套筒内壁与所述第二套筒内壁设置限位装置，用于限定与其相嵌套的套筒的环状上缘的最低位置。

较佳的，所述第三套筒内壁设置由于压电花纹，所述压电花纹由压电材料薄片或薄膜构成；

所述第二套筒包括一环状上缘，所述环状上缘为第二上缘，所述第二上缘包括金属材料制成的一第二远端挡板与一第二近端挡板；

所述第二远端挡板与所述第二近端挡板分别与所述滚珠接触并分别电连接至一处理器，所述处理器能够根据所述第二远端挡板与所述第二近端挡板传递的信号判断；

所述第二远端挡板与所述第二近端挡板之间设置有若干第二滚珠，所述第二滚珠与所述第二远端挡板、所述第二近端挡板、所述第三套筒内壁与所述第二套筒外壁相接触；

所述第二滚珠包括一绝缘材料构成的绝缘带，所述绝缘带将所述第二滚珠分割为绝缘的正半球、负半球两部分，所述正半球、负半球在相交界的地方形成叉指电极；

所述压电花纹面积大于密度最小值η₀：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{3d_{33}{d}^2{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{33}}{4(1-k_{33}^2){\mathrm{\ϵ}}_{33}{D}_1{D}_2{\ln }^{\frac{k_{33}^{2}tT}{2\sqrt{1-k_{33}^2}(1+tT)}}}$

其中，d为滚珠直径，D₁为内壁内径、D₂为内壁外径，d₃₃为压电花纹压电系数，ε₃₃为压电花纹介电常数，ε为所述绝缘带2233介电常数，t为叉指电极叉指长度，k₃₃为压电花纹机电耦合系数，T为压电花纹厚度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：设计简单、结构合理，能够使用最简单的结构实现直角坐标系中的多自由度运动；便于拆卸，分级套筒结构可以让维修变得更加便利，只要拆除出故障的套筒即可实现维修，无需把所有的机械手全部拆卸；节省动力、安全可靠，独特的上缘、下缘结构，减少了阻力，节省了能源；设置位置自检结构，能够精确定位机械臂位置。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为本发明正视示意图；

图3为本发明伸缩结构示意图；

图4为本发明伸缩结构剖面示意图；

图5为本发明第三下缘结构示意图；

图6为本发明滚珠的结构示意图；

图7为本发明第二上缘的局部结构图；

图8为本发明第三套筒内壁结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对本发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

请参见图1所示，其为本发明结构示意图。

本发明所述的吊挂式机械手包括终端机构5、伸缩机构与移动机构4。

所述移动机构4吊挂在较高的支架上，能够带动机械手在一水平面内移动；

所述伸缩机构与所述移动机构4连接，在所述移动结构4的带动下在所述水平面内移动，所述伸缩机构能能够沿竖直方向进行伸缩，并且能够在水平方向上面自由旋转；

所述终端机构5与所述伸缩机构直接连接，并且执行具体的处理，例如处理流水线上的一道工序。

请参见图1所示，所述移动机构4包括两个部分：X轴平移机构与Y轴平移机构，所述X轴平移机构包括一第一导轨411与一第一动作模块412，所述Y轴评议机构包括一第二导轨421与一第二动作模块422。

为方便描述，将所述第一导轨411延伸的方向成为X方向，将所述第二导轨421所延伸的方向成为Y方向，将所述伸缩机构延伸的方向成为Z方向。

所述第一导轨吊挂在本机械手所处的空间环境中，例如工作车间的棚顶或支架，并且为整个机械手提供支撑力。所述第一动作模块412能够在所述第一导轨411上沿X方向进行移动。

所述第二导轨421架设在所述第一动作模块412上，所述第二动作模块422能够沿所述第二导轨421在Y轴方向上进行移动，所述伸缩机构安装在所述第二动作模块422上。

所述第一导轨411与所述第二导轨421方向垂直。

所以所述第一动作模块412在X轴方向上的移动与所述第二动作模块422在Y轴方向上的移动都将传导至所述伸缩机构，所述伸缩机构能够在Z轴方向上平移，并且能够在XY平面内旋转。

所述终端机构5与所述伸缩机构直接相连，所以所述伸缩机构的动作最终会传导至所述终端机构5，实现所述终端机构5的多自由度直角坐标系内移动。

请参见图3所示，其为本发明所述伸缩机构结构示意图。

所述伸缩机构包括一传动机构6，还包括相互嵌套的一第一套筒1、一第二套筒2与一第三套筒3，所述第一套筒连接终端机构与所述第二套筒2，所述第二套筒2连接所述第一套筒1与所述第三套筒3，所述第三套筒3连接所述第二套筒2与所述传动机构，所述传动机构与所述第三套筒3固定，并与所述第一套筒1连接，能够将动力直接传送至所述第一套筒1并带动所述第一套筒运动。

连接所述传动机构与所述终端机构，在所述传动机构6带动下，牵引所述终端机构5进行相应的动作。

本实施例中，包括三个嵌套的套筒，但是本专利并不限制套筒的数量，实际上，位置在最上与最下的套筒具有结构上的差异，位于中间的套筒结构均相同。即所述传动机构包括一上位套筒、一下位套筒与若干中间套筒，本实施例中，所述上位套筒为所述第三套筒，所述下位套筒为所述第一套筒，所述中间套筒数量为1，为所述第二套筒。

所述第一套筒1、所述第二套筒2与所述第三套筒3形状相似，整体上均为空心圆柱桶状结构，所述第一套筒1内径、外径最小，所述第三套筒内径、外径最大，所述第二套筒2介于二者之间。如此设置使所述第三套筒3套住所述第二套筒2、所述第二套筒2套住所述第一套筒1，并且所述第一套筒1可以缩回所述第二套筒2中，所述第二套筒2可以缩回到所述第三套筒3中，所述第一套筒1与所述第二套筒2可以同时缩回到所述第三套筒3中，以实现伸缩臂的伸缩。

套筒之间相互连接，在伸缩臂实现伸缩的过程中，还可以实现套筒之间的相对旋转。

请参见图4所示，图4为本发明所述伸缩机构剖面结构示意图。

所述第一套筒1包括第一上缘11与第一下缘12。

所述第一下缘12位于所述第一套筒下方，其为一密封结构，其上开设有用于与所述终端机构连接的终端连接结构，例如螺孔。所述第一下缘12上还设置有用于与所述传动结构连接的传动连接结构，例如挂钩。

所述第一上缘11位于所述第一套筒1上方、所述第二套筒2内部，其与所述第二套筒2内壁接触，能够保证套筒之间相对旋转、伸缩动作的完成。

类似地，所述第二套筒2包括一与所述第一上缘11类似的第二上缘21.

所述第二套筒还包括一第二下缘22，其位于所述第二套筒2下方，与所述第一套筒1外壁活动连接，能够在所述第一套筒1外壁上自由滑动。

类似的，所述第三套筒3包括一与所述第二下缘22类似的第三下缘32。

所述第三套筒3还包括一第三上缘31，所述第三上缘与外界固定设备相连接，例如吊顶导轨、支架等装置。

所述第二套筒2、所述第三套筒3还包括用于限制所述第二上缘21、所述第一上缘11的限位结构，以所述第二上缘21为例，所述第二上缘21能够在所述第三套筒3中的限位结构与所述第三上缘之间运动，但是所述第二上缘21的位置不能够低过所述限位结构。如果所述第二上缘21低过所述限位结构，将存在触碰所述第三下缘32而造成其损坏的危险。

请参见图5所示，其为所述第三下缘32的结构示意图。

所述上位套筒的下缘、所述下位套筒的上缘与所述中间套筒的上缘与下缘均采相同的结构，以所述第三下缘32为例说明。

所述第三下缘32包括内壁34上的一第三近端挡板321、一第三远端挡板322、若干滚珠323。

所述第三远端挡板322与所述第三套筒3为一体结构，其为所述第三套筒3在所述第二套筒2方向最远端向所述内壁34方向延伸形成的圆环结构。其用于为所述滚珠323提供向上的支撑，使其固定在所述第三下缘的位置。

所述第三近端挡板321整体为一固定在内壁34上的圆环结构，所述第三近端挡板321与所述第三远端挡板322之间形成环形槽，用于容置若干所述滚珠323，从而形成滑动结构，能够在所述第二套筒的外壁上，在所述传动结构的带动下进行运动，具体为套筒之间伸缩带来的沿套筒轴向的滑动，以及套筒之间旋转所带来的沿套筒径向的滑动。

所述第三近端挡板321整体为一圆环结构，为了便于安装，本实施例中，其为两块半圆环板拼接而成的，分别固定在所述内壁34上。

对于上位套筒的上缘与所述中间套筒的上缘，采用与所述第三下缘完全相同的结构。

对于下位套筒的上缘与中间套筒的上缘，采用与所述第三下缘相似的结构，其区别在于，上缘滑动结构是沿套筒向外延伸形成的，而并非与下缘滑动结构一样向内形成，而相应的，所述上缘滑动结构抵靠在上一级套筒的内壁上，而不是所述下缘滑动结构一样，抵靠在下一级套筒的外壁上。

请参见图6所示，图6为本发明滚珠的结构示意图。

第二上缘的滚珠223整体结构类似于普通的轴承滚珠，但是其与普通的轴承滚珠存在差别。

所述滚珠223为金属球型滚珠，其中间存在一条绝缘带2233，此绝缘带2233将所述滚珠223分割成两半：正半球2231与负半球2232。

所述绝缘带2233将所述滚珠分割成绝缘的两部分，但是并不影响整体滚珠223的完整球状结构，并不具有突出结构。所述正半球2231与所述负半球2232均为金属结构，二者与所述绝缘带2233形成叉指电极，所述正半球2231为正极，所述负半球2232为负极。实际上由于所述正半球2231与所述负半球2232材料、结构相同，并且完全对称，所以极性可互换，在实际工作状态中，两个半球随时随刻伴随着极性的互换。这种设置能够在不影响其减少滑动摩擦的功能前提下实现电荷的收集功能。

请参见图7所示，其为第二上缘的局部结构图。

所述滚珠223被所述第二远端挡板222与所述第二近端挡板221夹持，同时，所述第二远端挡板222与所述第二近端挡板221同时也是所述滚珠223的电极，所述第二远端挡板222与所述第二近端挡板221均为金属结构，在所述滚珠223的滚动过程中，能够收集所述正半球2231与所述负半球2232上面收集的电荷并通过引线传输出去。

所述第三远端挡板322与所述第三近端挡板321与一处理器电连接。

请参阅图8所示，其为所述第三套筒内壁34结构示意图。

所述第三套筒内壁34印刷有压电花纹341。所述压电花纹为具有一定图案形状的压电薄膜层，其压电材料可以选择柔性压电陶瓷片例如PZT-5，也可以选择刚性压电镀膜例如AlN、ZnO等。

所述压电花纹341本实施例中，为非直角的网状结构，所述滚珠223在所述第三套筒内壁34上进行滚动，对所述压电花纹341产生压力，所述压电花纹341受到压力，由于压电效应，在所述压电花纹341表面产生电荷，由于所述正半球2231与所述负半球2232收集不均匀，在所述滚珠223两端产生电势差，这种电势差被所述第三远端挡板322与所述第三近端挡板321收集起来。所述处理器通过检测套筒近端远端的电压差，监视目前套筒位置。此外，由于这种压电结构的设置可以自动将机械能转化为电能，未来可以实现位置检测电路的电能自给，可以实现能源的节省。

为保证检测结果的准确性，压电花纹需要有足够的密度分布，该密度分布(η)通过下式进行确定。

即η＞η₀，其中，η₀为密度最小值。

${\mathrm{\η}}_0=\frac{3d_{33}{d}^2{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{33}}{4(1-k_{33}^2){\mathrm{\ϵ}}_{33}{D}_1{D}_2{\ln }^{\frac{k_{33}^{2}tT}{2\sqrt{1-k_{33}^2}(1+tT)}}}$

其中，d为滚珠直径，D₁为内壁内径、D₂为内壁外径，d₃₃为压电花纹压电系数，ε₃₃为压电花纹介电常数，ε为所述绝缘带2233介电常数，t为叉指电极叉指长度，k₃₃为压电花纹机电耦合系数，T为压电花纹厚度。以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变和修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种吊挂式机械手，包括一移动机构、一伸缩机构与终端机构，其特征在于，

所述移动机构固定在其他支撑设备上，能够带动所述伸缩机构实现水平面内的移动；

所述伸缩机构连接一端连接所述终端机构，另一端连接所述移动机构，能够带动所述终端机构实现垂直于水平面方向的伸缩，以及水平面内的旋转。

2.如权利要求1所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述移动机构包括一第一平移机构与一第二平移机构；

所述第一平移机构包括一第一导轨与一架设在所述第一导轨上的第一动作模块；所述第二平移机构包括一第二导轨与架设在所述第二导轨上的第二动作模块；

所述第一动作模块能够沿所述第一导轨直线运动；所述第二动作模块能够沿所述第二导轨直线运动；

所述第一导轨与所述第二导轨方向垂直。

3.如权利要求2所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述第二导轨架设在所述第一动作模块上。

4.如权利要求1所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述伸缩机构包括一传动结构与一伸缩结构，所述伸缩结构连接所述终端机构与所述传动结构并在所述传动结构的带动下牵引所述终端机构动作；

所述伸缩结构包括相互嵌套、口径逐渐缩小的一上位套筒、若干中间套筒与一下位套筒，所述上位套筒、所述中间套筒与所述下位套筒能够沿与其相嵌套的套筒进行滑动。

5.如权利要求4所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述上位套筒、所述中间套筒下端向内延伸形成环状下缘，所述环状下缘与下一级套筒外壁接触，并能够沿其滑动；

所述下位套筒、所述中间套筒上端向外延伸形成环状上缘，所述环状上缘与上一级套筒内壁接触，并能够沿其滑动。

6.如权利要求5所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述上位套筒上端为上位套筒上缘，其能够与外部固定设备进行固定；

所述下位套筒下端为下位套筒下缘，所述下位套筒下缘向下与终端相固定，向上与所述传动结构连接。

7.如权利要求6所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述环状下缘包括一下缘远端挡板、一下缘近端挡板与若干滚珠；

所述下缘远端挡板为套筒下端向内延伸形成的环状挡板结构；

所述下缘近端挡板为一固定在套筒内壁上的环状挡板结构；

所述下缘远端挡板与所述下缘近端挡板之间形成环形槽，所述滚珠放置在所述环形槽内并与下一级套筒外壁相抵；

所述环状上缘包括一上缘远端挡板、一上缘近端挡板与若干滚珠；

所述上缘远端挡板为套筒上端向外延伸形成的环状挡板结构；

所述上缘近端挡板为一固定在套筒外壁上的环状挡板结构；

所述上缘远端挡板与所述上缘近端挡板之间形成环形槽，所述滚珠放置在所述环形槽内并与上一级套筒内壁相抵。

8.如权利要求7中任一项所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述上位套筒为第三套筒，所述下位套筒为第一套筒，所述中间套筒数量为1，为第二套筒。

9.如权利要求8所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述第三套筒内壁与所述第二套筒内壁设置限位装置，用于限定与其相嵌套的套筒的环状上缘的最低位置。

10.如权利要求8或9所述的吊挂式机械手，其特征在于，所述第三套筒内壁设置一压电花纹，所述压电花纹由压电材料薄片或薄膜构成；

所述第二套筒包括一环状上缘，所述环状上缘为第二上缘，所述第二上缘包括金属材料制成的一第二远端挡板与一第二近端挡板；

所述第二远端挡板与所述第二近端挡板分别与所述滚珠接触并分别电连接至一处理器，所述处理器能够根据所述第二远端挡板与所述第二近端挡板传递的信号判断；

所述第二远端挡板与所述第二近端挡板之间设置有若干第二滚珠，所述第二滚珠与所述第二远端挡板、所述第二近端挡板、所述第三套筒内壁与所述第二套筒外壁相接触；

所述第二滚珠包括一绝缘材料构成的绝缘带，所述绝缘带将所述第二滚珠分割为绝缘的正半球、负半球两部分，所述正半球、负半球在相交界的地方形成叉指电极；

所述压电花纹面积大于密度最小值η₀：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{3d_{33}{d}^2{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_{33}}{4(1-k_{33}^2){\mathrm{\ϵ}}_{33}{D}_1{D}_2{\ln }^{\frac{k_{33}^{2}tT}{2\sqrt{1-k_{33}^2}(1+tT)}}}$

其中，d为滚珠直径，D₁为内壁内径、D₂为内壁外径，d₃₃为压电花纹压电系数，ε₃₃为压电花纹介电常数，ε为所述绝缘带2233介电常数，t为叉指电极叉指长度，k₃₃为压电花纹机电耦合系数，T为压电花纹厚度。