CN105082115A - 一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构 - Google Patents

Abstract

一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，它涉及一种阀门旋拧机械手机构。本发明为了解决现有的救灾机器人无法实现有容差与阀门手轮对接并实现旋拧阀门的末端执行器，导致救灾作业效率低、作业成本高的问题。本发明的伺服电机的输出端与心轴连接，心轴上设有虎克铰机构；工具接口件安装在三爪机械手上；三个小伞齿轮分别安装在机械手座中的中心爪座内，大伞齿轮安装在机械手座的中部上端，心轴插装在大伞齿轮上，每个爪座内设有一个丝杠座，每个丝杠的一端与丝杠座连接，每个丝杠的另一端与一个小伞齿轮连接，机械手指安装在一根丝杠上并与一个爪座可滑动连接，两个分指分别安在另外两根丝杠上。本发明适用于可实现与阀门手轮柔顺对接的阀门旋拧机构。

Description

一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构

技术领域

本发明涉及一种阀门旋拧机械手机构，具体涉及一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构。

背景技术

面对国家核电站事故防范和救援的迫切需求以及核电站紧急救灾机器人的技术发展趋势，目前国内部分高校正全面启动对于核电站救援机器人的研究。而在核电站发生泄漏、人无法进入核电站进行操作的情况下，救灾机器人迫切需要一种可以实现有容差与阀门手轮对接并实现旋拧阀门的末端执行器，迫切需要一种在机械臂精度不高的情况下也可以实现旋拧阀门的执行器，导致现有的救灾作业效率低、作业成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的救灾机器人无法实现有容差与阀门手轮对接并实现旋拧阀门的末端执行器，导致救灾作业效率低、作业成本高的问题。进而提供一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构。

本发明的技术方案是：一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构包括传动机构、工具接口机构和三爪机械手，传动机构通过工具接口机构与三爪机械手连接，

传动机构包括伺服电机、心轴和虎克铰机构，伺服电机的输出端与心轴连接，心轴上设有虎克铰机构；

工具接口机构包括连接端和工具接口件，工具接口件安装在三爪机械手上，连接端安装在工具接口件上；

三爪机械手包括机械手座、大伞齿轮、三个小伞齿轮、三根丝杠、三个丝杠座、机械手指和两个分指，机械手座为三爪座，三个小伞齿轮分别安装在机械手座中的一个爪座内，大伞齿轮安装在机械手座的中部上端，且大伞齿轮分别与三个小伞齿轮啮合，心轴插装在大伞齿轮上，每个爪座内设有一个丝杠座，每个丝杠的一端与丝杠座连接，每个丝杠的另一端与一个小伞齿轮连接，机械手指安装在一根丝杠上并与一个爪座可滑动连接，两个分指分别安装在另外两根丝杠上并与一个爪座可滑动连接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明主体采用虎克铰机构、锥齿轮机构和丝杆传动机构，使机构末端可以实现与阀门手轮的柔性对接，减小装置与阀门手轮的对接接触力，起着保护装置和作用对象的作用。同时可调整机构末端的手指间距使其可以旋拧不同尺寸的阀门手轮，其调节范围可根据所需旋拧阀门的手轮尺寸范围拟定，在强度、刚度允许的情况下，可以尽量放大旋拧范围，这极大地提高了本发明的实用价值。本发明中的手指采用组合设计形式，分为根部手指和顶部手指，顶部手指的长度可调节，实现整个手指长度的可调节性，使其可以旋拧阀门手轮厚度不同的阀门。

2.本发明是针对五轮辐式阀门设计的，但只设计了三根机械手指，使其相互夹角分别为144°、144°、72°，这在节省材料的同时，可以保证对接动作的可靠性。利用丝杠传动，实现三个机械手指同时移动，工作效率提高了40-60％。本发明仅依靠齿轮传动实现对机构手指间距的调整，同现有机构相比具有结构简单，制作成本相对较低等优点。特别适合无法进行人为操作又急需关闭(开启)阀门的场合。

3.本发明中依靠调整机械手指间距来实现对阀门旋拧装置尺寸的调节，其动力由阀门旋拧装置上的伺服电机直接提供，不需要依靠机械臂提供动力，从而减小了对机械臂的要求。

4.本发明的原理不仅适合设计五轮辐式阀门旋拧装置，也可以设计适合其他阀门的旋拧装置。其区别仅在于小伞齿轮和丝杆的数目不同，结构简单，设计制造方便。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明整体结构的剖视图；图3是传动机构的结构示意图；图4是三爪机械手的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构包括传动机构、工具接口机构和三爪机械手，传动机构通过工具接口机构与三爪机械手连接，

传动机构包括伺服电机1、心轴2和虎克铰机构，伺服电机1的输出端与心轴2连接，心轴2上设有虎克铰机构；

工具接口机构包括连接端8和工具接口件9，工具接口件9安装在三爪机械手上，连接端8安装在工具接口件9上；

三爪机械手包括机械手座12、大伞齿轮13、三个小伞齿轮14、三根丝杠15、三个丝杠座16、机械手指17和两个分指18，机械手座12为三爪座，三个小伞齿轮14分别安装在机械手座12中的一个爪座内，大伞齿轮13安装在机械手座12的中部上端，且大伞齿轮13分别与三个小伞齿轮14啮合，心轴2插装在大伞齿轮13上，每个爪座内设有一个丝杠座16，每个丝杠15的一端与丝杠座16连接，每个丝杠15的另一端与一个小伞齿轮14连接，机械手指17安装在一根丝杠15上并与一个爪座可滑动连接，两个分指18分别安装在另外两根丝杠15上并与一个爪座可滑动连接。

传动机构由伺服电机提供动力，通过心轴和虎克铰机构将动力传输至大伞齿轮，大伞齿轮与小伞齿轮相配合，带动丝杠转动，实现机械手手指的开合动作。

工具接口机构可以与机械臂上驱动器端对接并锁紧，实现三爪机械手进行正向或反向旋转，从而开启或关闭阀门。

三爪机械手主要包括锥齿轮组、丝杠、机械手座和机械手指，动力由大伞齿轮通过小伞齿轮传输至丝杠，丝杠转动，实现三个机械手指同时移动，即开合动作。机械手指长度可进行更换，方便三爪机械手适用于旋拧不同型号的阀门。

具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的虎克铰机构包括十字轴外环4、中心轴5、螺栓轴6、十字轴内环7、十字轴20和多个内六角圆柱头螺钉3，十字轴外环4通过多个内六角圆柱头螺钉3与心轴2连接，十字轴20在竖直方向上的两端通过两个内六角圆柱头螺钉3实现与十字轴外环4的配合，螺栓轴6水平穿设在十字轴20上，十字轴内环7的一端与螺栓轴6的两端连接，十字轴内环7的另一端与心轴2连接。以上零件组成虎克铰机构，虎克铰机构可以实现输出端的小角度偏转，最大偏角可以达到5°～10°，避免了不必要的刚性接触，从而实现装置与阀门手轮的柔顺对接，起着减小接触力，保护装置和作业对象的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的三爪机械手还包括配重铁19，配重铁19安装在机械手座12上的任意一个爪座的外侧。运动更加灵活。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的三爪机械手还包括深沟球轴承10和挡圈11，深沟球轴承10嵌套在大伞齿轮13的轴端上，且深沟球轴承10通过挡圈11将深沟球轴承10固定。深沟球轴承10起着支撑大伞齿轮13的作用，减小大伞齿轮13的磨损，同时减小摩擦力。挡圈11起着调整大伞齿轮13与深沟球轴承10间隙的作用，使两者结合地更紧密。其它组成和连接关系与具体实施方式二或三相同。

具体实施方式五：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的机械手座12的六个竖直侧面上设有凹槽12-1。便于灵活的实现升降动作。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的机械手座12上的三爪座之间的夹角分别为144°、144°、72°。本发明是一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，属于三爪末端执行器，三爪夹角分别为144°、144°、72°，适合旋拧使用最广泛的五轮辐式阀门，在节省材料的同时保证了旋拧的稳定性、可靠性。同时，针对不同型号的阀门，本发明的机构原理同样适用。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

本实施方式实现末端执行器在机械臂的驱动下运动至阀门手轮前端，装置上的机械手指17将与阀门手轮接触，从而产生接触力，由于虎克铰装置的存在，在接触力的驱动下，可以实现三爪机械手的小角度偏转，从而实现机械手指17与阀门手轮的柔顺对接功能。之后再机械臂的旋转下，驱动阀门旋拧装置转动，实现旋拧阀门的功能。

结合图1至图4说明本发明的工作原理，旋拧阀门时，伺服电机1提供动力，带动心轴2进行旋转，心轴2通过内六角圆柱头螺钉3与十字轴外环4连接，十字轴20两端通过两个内六角圆柱头螺钉3实现与十字轴外环4的配合，另外两端插入螺栓轴6与十字轴内环7相配合，实现虎克铰机构旋转。虎克铰机构中十字轴内环7与大伞齿轮13键槽配合，大伞齿轮13与小伞齿轮14相啮合，小伞齿轮14连接丝杠15，丝杠15转动，从而使与丝杠15连接的机械手指17和机械手指分指18直线移动，实现与不同型号阀门手轮的配合。

工具接口机构的连接端4外沿有12个螺纹孔8-1，工具接口件9上外沿有12个螺纹孔，连接端4通过12个外六角圆柱头螺钉12-1与工具接口件9上端进行连接固定。

三爪机械手三个小伞齿轮14均固定在机械手座12上，大伞齿轮13与3个小伞齿轮14相啮合。小伞齿轮14与丝杠15一端配合并通过键连接实现径向定位，丝杠15另一末端与丝杠座16配合，提高丝杠15的稳定性。机械手指17与丝杠15通过螺纹副实现机械手指17的平移，丝杠座16通过螺钉固定在机械手座12上。机械手指17下端有2个螺纹孔17-1，机械手指分指18上端有2个螺纹孔18-1，通过螺钉使机械手指17和机械手指分指18固定。

传动机构末端通过键槽与大伞齿轮13进行配合。所述工具接口机构的工具接口件9下端外沿、机械手座12上端均有12个螺纹孔，通过12个外六角圆柱头螺钉相连接，实现工具接口机构与三爪机械手相配合。

传动机构由伺服电机1作为动力源，将动力分别传输至心轴2、十字轴外环4、十字轴20、十字轴内环7、大伞齿轮13、小伞齿轮14、丝杠15，从而实现丝杠15转动，通过螺旋传动实现3个机械手指同时移动，即机械手手指的开合动作。

工具接口机构中连接端8可以与机械臂上的驱动器端对接并锁紧，实现三爪机械手进行正向或反向旋转，从而开启或关闭阀门。

三爪机械手包括配重铁19，可根据实际情况安装在机械手座12上，调整三爪机械手的重心位置，避免机构在存放时出现倾斜情况。所述机械手座12共有6个侧面凹槽12-1，可以实现与存放机构的卡紧，方便机械臂更换不同末端执行器。所述机械手指分指18的长度可根据实际情况进行更换，提高三爪机械手对不同类型阀门的适应能力。

Claims (6)

1.一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：它包括传动机构、工具接口机构和三爪机械手，传动机构通过工具接口机构与三爪机械手连接，

传动机构包括伺服电机(1)、心轴(2)和虎克铰机构，伺服电机(1)的输出端与心轴(2)连接，心轴(2)上设有虎克铰机构；

工具接口机构包括连接端(8)和工具接口件(9)，工具接口件(9)安装在三爪机械手上，连接端(8)安装在工具接口件(9)上；

三爪机械手包括机械手座(12)、大伞齿轮(13)、三个小伞齿轮(14)、三根丝杠(15)、三个丝杠座(16)、机械手指(17)和两个分指(18)，机械手座(12)为三爪座，三个小伞齿轮(14)分别安装在机械手座(12)中的中心爪座内，大伞齿轮(13)安装在机械手座(12)的中部上端，且大伞齿轮(13)分别与三个小伞齿轮(14)啮合，心轴(2)插装在大伞齿轮(13)上，每个爪座内设有一个丝杠座(16)，每个丝杠(15)的一端与丝杠座(16)连接，每个丝杠(15)的另一端与一个小伞齿轮(14)连接，机械手指(17)安装在一根丝杠(15)上并与一个爪座可滑动连接，两个分指(18)分别安装在另外两根丝杠(15)上并与一个爪座可滑动连接。

2.根据权利要求1所述的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：虎克铰机构包括十字轴外环(4)、中心轴(5)、螺栓轴(6)、十字轴内环(7)、十字轴(20)和多个内六角圆柱头螺钉(3)，十字轴外环(4)通过多个内六角圆柱头螺钉(3)与心轴(2)连接，十字轴(20)在竖直方向上的两端通过两个内六角圆柱头螺钉(3)实现与十字轴外环(4)的配合，螺栓轴(6)水平穿设在十字轴(20)上，十字轴内环(7)的一端与螺栓轴(6)的两端连接，十字轴内环(7)的另一端与心轴(2)连接。

3.根据权利要求2所述的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：三爪机械手还包括配重铁(19)，配重铁(19)安装在机械手座(12)上的任意一个爪座的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：三爪机械手还包括深沟球轴承(10)和挡圈(11)，深沟球轴承(10)嵌套在大伞齿轮(13)的轴端上，且深沟球轴承(10)通过挡圈(11)将深沟球轴承(10)固定。

5.根据权利要求4所述的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：机械手座(12)的六个竖直侧面上设有凹槽(12-1)。

6.根据权利要求5所述的一种柔顺自适应阀门旋拧机械手机构，其特征在于：机械手座(12)上的三爪座之间的夹角分别为144°、144°、72°。