CN106041890B - 一种带有打滑机构的自适应抓取机械手及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，包括机械手基座和一组机械手指，其中机械手指为三节式，且每相邻两节的连接处设有机械关节，机械手基座上设有控制装置和位置检测装置；所述机械关节设有打滑机构和驱动装置，其中驱动装置、位置检测装置均与控制装置连接。其结构简单、成本低，无需复杂的控制系统和计算方法，机械关节采用纯机械结构，将其与机械手指相配合，适用于抓取不同形状的物体，包括不规则物体，可以实现双向抓取，并保持稳定的抓取力。

Description

一种带有打滑机构的自适应抓取机械手及其工作方法

技术领域

本发明涉及机械手的技术领域，特别涉及一种带有打滑机构的自适应抓取机械手。

背景技术

关节机器人，也称关节手臂机器人或关节机械手臂，是当今工业领域中最常见的工业机器人的形态之一，适合用于诸多工业领域的机械自动化作业。对于关节机器人，关节是其重要组成部分，实现了机械手臂的相对运动。

在利用机械手臂抓取物体时，末端会设置数个相互协调运动的机械手指，机械手指分别分为数节且通过关节连接。目前，对于抓取不同大小、不同形状的物体，机械手指的自适应程度还不高。

中国专利申请公开说明书CN104303709A公开一种具有仿生几何结构特征的蜓爪式末端执行器，该机械手由框架式机械平台、智能控制系统、反馈系统、传动系统、电力辅助系统组成；在机械手接触果蔬时，通过传感器的力值反馈调节伺服电机的转动幅度，从而来调节爪指内部的高强度柔性聚酰胺绳的收紧或舒张，进而实现对不同大小，不同形状的果蔬进行稳定抓取的目的，提高了末端执行器即机械手指的自适应能力，但是这种设计的结构以及控制方法都较为复杂，其中间环节越多，出现故障和失效的可能性就越大，并且，累计的误差（包括测量误差、计算误差等）也就越大。

发明内容

发明的目的：本发明公开一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，其结构简单、成本低，无需复杂的控制系统和计算方法，机械关节采用纯机械结构，将其与机械手指相配合，适用于抓取不同形状的物体，包括不规则物体，可以实现双向抓取，并保持稳定的抓取力。

技术方案：为了实现以上目的，本发明公开了一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，包括机械手基座和一组机械手指，其中机械手指为三节式，且每相邻两节的连接处设有机械关节，机械手基座上设有控制装置和位置检测装置；所述机械关节设有打滑机构和驱动装置，其中驱动装置、位置检测装置均与控制装置连接。这种设计结构简单、成本低，无需复杂的控制系统和计算方法，机械关节采用纯机械结构，将其与机械手指相配合，适用于抓取不同形状的物体，包括不规则物体，可以实现双向抓取，并保持稳定的抓取力；打滑机构具有打滑保护的功能，不仅可以保护机械关节的部件不受损坏，更防止抓坏物体。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述机械关节还包括同轴设置的第一转轴和第二转轴，套设于第一转轴上的传动齿轮，以及设置在第一转轴和第二转轴上的第一支架、第二支架，打滑机构包括可相对回转的第一连接机构和第二连接机构，其中第一连接机构套设在第一转轴上，第二连接机构套设在第二转轴上，第一连接机构和第二连接机构之间设有打滑摩擦片；驱动装置设置在第一支架上并与传动齿轮相连接。这种设计的机械关节用于连接外部机械手指，在抓取物体时，驱动装置驱动机械关节转动，由此带动机械手指抓紧物体；当机械手指收紧物体达到一定程度时，即物体对机械手指的反作用力达到设定值时，打滑机构开始打滑以起到保护作用，同时机械手指停止前进；这样，不仅可以保护齿轮、马达等部件不受损坏，更使抓取力保持稳定，防止抓坏物体；另外，当物体有所松动，物体对机械手指的反作用力减小、低于设定值时，打滑机构停止打滑，机械手指进一步转动抓紧物体，以此可以保持稳定的抓取力，并适用于不同形状的物体，包括不规则物体，使抓取过程安全、可靠；第一连接机构和第二连接机构的相对回转具有双向性，既实现正向抓取的打滑保护，又实现反向抓取的打滑保护。。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述第二连接机构设有中空腔体，打滑摩擦片设置在第二连接机构的中空腔体壁上；第一连接机构一端设置在第二连接机构的中空腔体内，其与打滑摩擦片接触。这种设计结构简单，实现了打滑保护的功能，若外部作用力对第二连接机构产生的扭矩足够其克服摩擦力，则第二连接机构相对第一连接机构转动，实现打滑功能，若外部力减小或消失，则摩擦力使第二连接机构与第一连接机构连结。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述第一支架包括第一底板和分别设置在第一底板两端的两个第一侧板，第二支架包括第二底板和分别设置在第二底板两端的两个第二侧板；第一转轴一端分别与第一侧板、第二侧板相连接，第二转轴一端分别与另一侧的第一侧板、第二侧板相连接。这种设计结构紧凑并且牢固、稳定。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述驱动装置包括马达，以及与马达连接的减速齿轮组，其中减速齿轮组与传动齿轮相连接，马达固定安装在第一支架上。这种设计马达直接安装在第一支架上，可以减少部品数量，节约生产成本。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述第二连接机构的中空腔体壁上设有安装打滑摩擦片用的凹槽。这种设计可以起到固定打滑摩擦片的作用，防止打滑摩擦片在摩擦力作用下发生变形、移位甚至脱落的状况。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述机械手指上设有橡胶套，且橡胶套表面设有防滑纹。这种设计既保护了机械手指，也保护了被抓物体，防止机械手指和物体间的碰伤；防滑纹的设计提高了机械手指和物体间的摩擦力，降低物体滑落的可能，使抓取物体更可靠。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述机械手指端部设有指端摩擦片。这种设计大大提高机械手指和物体间的摩擦力，防止物体滑落，可以抓取较重的物体。

进一步的，上述一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，所述马达为步进电机或伺服电机。

一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，从物体外部抓取物体的具体工作方法如下：1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；2）机械手的一组机械手指打开至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置；3）控制装置发出指令使机械关节开始动作，则机械手通过一组三节式机械手指开始抓取物体并逐渐收紧；4）当机械手指某个部位的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节打滑，三节式机械手指的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指相应的一节继续抓紧；5）当超过总数一半的机械关节打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；6）若超过设定时间时，打滑的机械关节还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节开始动作，马达反转，一组机械手指打开以松开物体；从中空物体内部抓取物体的具体工作方法如下：1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；2）机械手的一组机械手指合拢至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置，一组机械手指伸入中空物体内部；3）控制装置发出指令使机械关节开始反向动作，则机械手通过一组三节式机械手指开始反向抓取物体并逐渐收紧；4）当机械手指某个部位的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节打滑，三节式机械手指的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指相应的一节继续抓紧；5）当超过总数一半的机械关节打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；6）若超过设定时间时，打滑的机械关节还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节开始动作，马达转动至设定状态，一组机械手指合拢至设定程度以松开物体。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，其结构简单、成本低，无需复杂的控制系统和计算方法，机械关节采用纯机械结构，将其与机械手指相配合，适用于抓取不同形状的物体，包括不规则物体，可以实现双向抓取并保持稳定的抓取力；可以保护齿轮、马达等部件不受损坏，更防止抓坏物体；既实现正向抓取的打滑保护，又实现反向抓取的打滑保护；保护机械手指和被抓物体、防碰伤；正常工作时的连轴可靠性高，打滑摩擦片安装稳定；大大提高机械手指和物体间的摩擦力，防止物体滑落，可以抓取较重的物体。

附图说明

图1为本发明所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的结构示意图；

图2为本发明所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的机械关节的结构示意图；

图中：1-机械手基座，2-机械手指，3-机械关节，31-第一转轴，32-第二转轴，33-传动齿轮，34-第一支架，341-第一底板，342-第一侧板，35-第二支架，351-第二底板，352-第二侧板，36-打滑机构，361-第一连接机构，362-第二连接机构，363-摩擦片，37-驱动装置，371-马达，372-减速齿轮组，4-橡胶套，5-指端摩擦片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明具体实施方式进行详细的描述。

实施例

本发明的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手，如图1和图2所示，包括机械手基座1和一组机械手指2，一组机械手指2的数量为3~5个，机械手指2为三节式，且每相邻两节的连接处设有机械关节3，机械手指2上设有橡胶套4；橡胶套4表面设有防滑纹；机械手指2端部设有摩擦片5；机械手基座1上设有控制装置和位置检测装置；所述机械关节3包括同轴设置的第一转轴31和第二转轴32，套设于第一转轴31上的传动齿轮33，设置在第一转轴31和第二转轴32上的第一支架34、第二支架35，以及打滑机构36和驱动装置37，其中驱动装置37、位置检测装置均与控制装置连接；打滑机构36包括可相对回转的第一连接机构361和第二连接机构362，其中第一连接机构361套设在第一转轴31上，第二连接机构362套设在第二转轴32上，第一连接机构361和第二连接机构362之间设有摩擦片363；第二连接机构362设有中空腔体，摩擦片363设置在第二连接机构362的中空腔体壁上；第一连接机构361一端设置在第二连接机构362的中空腔体内，其与摩擦片363接触；第二连接机构362的中空腔体壁上设有安装摩擦片363用的凹槽，凹槽呈环形阵列状分布在中空腔体壁一周，其中可以选择性的安装入摩擦片363，通过增减摩擦片363数量来调整摩擦力大小，摩擦片363呈环形阵列状分布。

第一支架34、第二支架35分别与机械手指2上相邻的两节固定连接，第一支架34包括第一底板341和分别设置在第一底板341两端的两个第一侧板342，第二支架35包括第二底板351和分别设置在第二底板351两端的两个第二侧板352；第一转轴31一端分别与第一侧板342、第二侧板352相连接，第二转轴32一端分别与另一侧的第一侧板342、第二侧板352相连接；第一支架34上设有驱动装置37，驱动装置37包括马达371，以及与马达371连接的减速齿轮组372，其中减速齿轮组372与传动齿轮33相连接，马达371固定安装在第一支架34上。

传动齿轮33与第一转轴31固定连接，第一连接机构361与第一转轴31固定连接，第二连接机构362与第二转轴32固定连接，第一侧板342与第一转轴31转动连接且设有轴承，与第二转轴32转动连接且设有轴承；第二侧板352与第一转轴31转动连接且设有轴承，与第二转轴32固定连接。

机械关节用于连接机械手指2上相邻的两节，工作原理如下：在抓取物体时，驱动装置驱动传动齿轮33、第一转轴31和第一连接机构361转动，正常抓取时，在摩擦力作用下，第一连接机构361带动第二连接机构362、第二转轴32和第二支架35转动，即带动机械手指抓取物体并逐渐收紧物体，此时机械手指对物体会产生抓紧力，相应的，物体对机械手指会产生反作用力，在收紧过程中抓紧力与反作用力逐渐增大，当反作用力对第二连接机构362产生的扭矩足够其克服摩擦力，则第二连接机构362相对第一连接机构361转动，实现打滑，此时机械手指停止前进；如果机械手进行短途搬运，为了结构和控制的简单，马达371可以持续运转，打滑机构336持续打滑；当物体有所松动，物体对机械手指的反作用力减小、低于设定值时，打滑机构36停止打滑，第一连接机构361带动第二连接机构362、第二转轴32和第二支架35继续转动，机械手指进一步收紧物体，以此避免物体在抓取过程中因位置变动导致的松动和脱落，尤其适合不规则物体的抓取，并且抓取力可以保持稳定，抓取力可以通过摩擦片363的摩擦参数、大小和数量来计算与设计。当机械手伸入空心物体的腔体抓取物体时，只需先合拢机械手指，伸入腔体内之后再反向展开机械手指（马达371反转），其基本原理同上。

一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法：

从物体外部抓取物体的具体工作方法如下：

1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；

2）机械手的一组机械手指2打开至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置；

3）控制装置发出指令使机械关节3开始动作，则机械手通过一组三节式机械手指2开始抓取物体并逐渐收紧；

4）当机械手指2某个部位的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节3打滑，三节式机械手指2的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指2相应的一节继续抓紧；

5）当超过总数一半的机械关节3打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；

6）若超过设定时间时，打滑的机械关节3还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；

7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节3开始动作，马达381反转，一组机械手指2打开以松开物体；

从中空物体内部抓取物体的具体工作方法如下：

1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；

2）机械手的一组机械手指2合拢至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置，一组机械手指2伸入中空物体内部；

3）控制装置发出指令使机械关节3开始反向动作，则机械手通过一组三节式机械手指2开始反向抓取物体并逐渐收紧；

4）当机械手指2某个部位的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节3打滑，三节式机械手指2的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指2相应的一节继续抓紧；

5）当超过总数一半的机械关节3打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；

6）若超过设定时间时，打滑的机械关节3还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；

7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节3开始动作，马达371转动至设定状态，一组机械手指2合拢至设定程度以松开物体。

所述第一设定位置，为机械手指2端部在被抓物体上方，其距离为安全距离，根据机械手和被抓物体的尺寸，由位置检测装置与控制装置控制；第二设定位置，为机械手指2开始抓取被抓物体时机械手整体所在位置；第三设定位置，为运送被抓物体的目的地。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：从物体外部抓取物体的具体工作方法如下：

1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；

2）机械手的一组机械手指（2）打开至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置；

3）控制装置发出指令使机械关节（3）开始动作，则机械手通过一组三节式机械手指（2）开始抓取物体并逐渐收紧；

4）当机械手指（2）的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节（3）打滑，三节式机械手指（2）相应的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指（2）相应的一节继续抓紧；

5）当超过总数一半的机械关节（3）打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；

6）当超过设定时间时，打滑的机械关节（3）还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；

7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节（3）开始动作，马达（371）反转，一组机械手指（2）打开以松开物体；

从中空物体内部抓取物体的具体工作方法如下：

1）位置检测装置与控制装置相配合，使机械手整体到达第一设定位置；

2）机械手的一组机械手指（2）合拢至设定程度，同时机械手整体到达第二设定位置，一组机械手指（2）伸入中空物体内部；

3）控制装置发出指令使机械关节（3）开始反向动作，则机械手通过一组三节式机械手指（2）开始反向抓取物体并逐渐收紧；

4）当机械手指（2）的抓取力达到设定值时，相应位置的机械关节（3）打滑，三节式机械手指（2）相应的一节停止前进，若抓取力小于设定值，机械手指（2）相应的一节继续抓紧；

5）当超过总数一半的机械关节（3）打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；

6）当超过设定时间时，打滑的机械关节（3）还不到半数，控制装置发出指令，机械手松开物体并退避，然后进行重新抓取；

7）机械手将物体移至第三设定位置后，控制装置发出指令使机械关节（3）开始动作，马达（371）转动至设定状态，一组机械手指（2）合拢至设定程度以松开物体；

其中，所述机械手包括机械手基座（1）和一组机械手指（2），其中机械手指（2）为三节式，且每相邻两节的连接处设有机械关节（3）。

2.根据权利要求1所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述机械手基座（1）上设有控制装置和位置检测装置；所述机械关节（3）设有打滑机构（36）和驱动装置（37），其中驱动装置（37）、位置检测装置均与控制装置连接。

3.根据权利要求2所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述机械关节（3）还包括同轴设置的第一转轴（31）和第二转轴（32），套设于第一转轴（31）上的传动齿轮（33），以及设置在第一转轴（31）和第二转轴（32）上的第一支架（34）、第二支架（35），打滑机构（36）包括可相对回转的第一连接机构（361）和第二连接机构（362），其中第一连接机构（361）套设在第一转轴（31）上，第二连接机构（362）套设在第二转轴（32）上，第一连接机构（361）和第二连接机构（362）之间设有打滑摩擦片（363）；驱动装置（37）设置在第一支架（34）上并与传动齿轮（33）相连接。

4.根据权利要求3所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述第二连接机构（362）设有中空腔体，打滑摩擦片（363）设置在第二连接机构（362）的中空腔体壁上；第一连接机构（361）一端设置在第二连接机构（362）的中空腔体内，其与打滑摩擦片（363）接触。

5.根据权利要求3所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述第一支架（34）包括第一底板（341）和分别设置在第一底板（341）两端的两个第一侧板（342），第二支架（35）包括第二底板（351）和分别设置在第二底板（351）两端的两个第二侧板（352）；第一转轴（31）一端分别与第一侧板（342）、第二侧板（352）相连接，第二转轴（32）一端分别与另一侧的第一侧板（342）、第二侧板（352）相连接。

6.根据权利要求3所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述驱动装置（37）包括马达（371），以及与马达（371）连接的减速齿轮组（372），其中减速齿轮组（372）与传动齿轮（33）相连接，马达（371）固定安装在第一支架（34）上。

7.根据权利要求3所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述第二连接机构（362）的中空腔体壁上设有安装打滑摩擦片（363）用的凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述机械手指（2）上设有橡胶套（4），且橡胶套（4）表面设有防滑纹。

9.根据权利要求1所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述机械手指（2）端部设有指端摩擦片（5）。

10.根据权利要求6所述的一种带有打滑机构的自适应抓取机械手的工作方法，其特征在于：所述马达（371）为步进电机或伺服电机。