CN106041987B - 一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于圆管抓取的柔性机械手，包括机械手基座、一组机械手指和设置在机械手基座上的一组主关节，一组机械手指分别与一组主关节连接，一组主关节对称设置在机械手基座上，机械手基座上设有主关节驱动装置、控制装置和位置检测装置；机械手指包括第一指节、第二指节和连接两者的机械关节，第一指节与主关节连接，第二指节端部横向设有夹爪；机械关节包括打滑机构和机械关节驱动装置，打滑机构包括相卡接的第一连接机构和第二连接机构；机械关节驱动装置、主关节驱动装置和位置检测装置均与控制装置连接。无需复杂的控制系统和计算方法，可抓取不同形状的物体，尤其适用于圆管，并可以保持稳定的抓取力。
Description
技术领域
本发明涉及机械手的技术领域，特别涉及一种用于圆管抓取的柔性机械手。
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：本发明公开一种用于圆管抓取的柔性机械手，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，可以抓取不同形状的物体，尤其适用于抓取圆管以及带有中空圆孔的物体，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，本发明公开了一种用于圆管抓取的柔性机械手，包括机械手基座、一组机械手指和设置在机械手基座上的一组主关节，其中一组机械手指分别与一组主关节连接，一组主关节对称设置在机械手基座上，机械手基座上设有主关节驱动装置、控制装置和位置检测装置；所述机械手指包括第一指节、第二指节和连接两者的机械关节，其中第一指节与主关节连接，第二指节端部横向设有夹爪；所述机械关节包括打滑机构和机械关节驱动装置，其中打滑机构包括相卡接的第一连接机构和第二连接机构；机械关节驱动装置、主关节驱动装置和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，可以抓取不同形状的物体，尤其适用于抓取圆管以及带有中空圆孔的物体，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，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，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，设置在第一转轴和第二转轴上的第一支架、第二支架，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，机械关节驱动装置与传动齿轮相连接。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，使抓取过程安全、可靠。
进一步的，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述第二连接机构呈圆盘状，其圆形表面的边缘垂直设有一组连续的锯齿；第一连接机构表面垂直设有卡钩，第一连接机构内部设有弹性件。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弹性件对第一连接机构的推力，则第二连接机构相对第一连接机构转动，同时推动第一连接结构退避，锯齿依次滑过卡钩，实现打滑；弹性件具有保持作用和复位作用。
进一步的，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述弹性件为压缩弹簧，其套设在第一转轴上，一端与第一连接机构连接，另一端与第一转轴相连接。这种压缩弹簧的设计具有复位功能，将第一连接机构推向第二连接机构，即将卡钩推入相邻锯齿之间，使之连结；使打滑机构在不打滑的情况下保持连轴的稳定性和可靠性。
进一步的，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述一组锯齿呈连续的波浪形或连续的三角形，相对应的，卡钩端部呈圆弧形或三角形。这种设计使第一连接机构和第二连接机构的转动具有双向性，除了在抓取物体时具有打滑保护功能，在松开机械手指放开物体时，也具有打滑保护功能，或者在反向抓取物体（机械手指伸入物体的孔或腔体中抓取物体）时也具有打滑保护功能；波浪形的设计使转动较为顺畅，并且可以减缓磨损；三角形的设计使卡钩和锯齿的卡合较为稳定，提高了连轴的可靠性。
进一步的，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述夹爪呈圆弧状，并与第二指节转动连接。这种设计的夹爪更适应圆管和圆孔的形状，转动连接可以使夹爪触碰物体后进行自调节，以贴合管壁。
进一步的，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述夹爪上设有橡胶套，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，上述一种用于圆管抓取的柔性机械手，所述夹爪内外壁均设有摩擦片。这种设计提高了抓取时的摩擦力，内外壁均设有摩擦片是为了应对抓取圆管以及抓取圆孔壁两种情况。
一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，从圆管外部抓取圆管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主关节和机械关节开始动作，则机械手通过一组机械手指开始抓取圆管并逐渐收紧，此时夹爪自动调节并贴紧圆管；4）控制装置发出指令使主关节停止动作，此时机械关节继续运转，当夹爪的抓取力达到设定值时，机械关节打滑，第二指节停止前进；5）当所有的机械关节打滑时，控制装置发出指令，机械手带动圆管移至第三设定位置；6）当超过设定时间时机械关节还未全部打滑，控制装置发出指令，机械手松开圆管并退避，然后进行重新抓取；7）机械手将圆管移至第三设定位置后，控制装置发出指令使主关节和机械关节开始反向动作，一组机械手指打开以松开圆管；通过物体的中空圆孔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圆孔；3）控制装置发出指令使主关节和机械关节开始动作，则机械手通过一组机械手指开始抓取中空圆孔的孔壁并逐渐收紧，此时夹爪自动调节并贴紧孔壁；4）控制装置发出指令使主关节停止动作，此时机械关节继续运转，当夹爪的抓取力达到设定值时，机械关节打滑，第二指节停止前进；5）当所有的机械关节打滑时，控制装置发出指令，机械手带动物体移至第三设定位置；6）当超过设定时间时机械关节还未全部打滑，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主关节和机械关节开始动作，一组机械手指合拢以松开物体。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手，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，并可以保持稳定的抓取力；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；正常工作时的连轴可靠性高。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的结构示意图；
图2为本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的机械关节的结构示意图；
图3为本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的打滑机构的剖面结构示意图；
图4为本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的夹爪与摩擦片的结构示意图；
图5为本发明所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的夹爪与橡胶套的结构示意图；
图中：1-机械手基座，2-机械手指，21-第一指节，22-第二指节，3-主关节，4-机械关节，41-第一转轴，42-第二转轴，43-传动齿轮，44-第一支架，441-第一底板，442-第一侧板，45-第二支架，451-第二底板，452-第二侧板，46-打滑机构，461-第一连接机构，462-第二连接机构，463-弹性件，47-驱动装置，471-马达，472-减速齿轮组，5-夹爪，6-橡胶套，7-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
本发明的一种用于圆管抓取的柔性机械手，如图1至图5所示，包括机械手基座1、一组机械手指2和设置在机械手基座1上的一组主关节3，其中一组机械手指2分别与一组主关节3连接，一组主关节3对称设置在机械手基座1上并以环形阵列状分布，机械手基座1上设有主关节驱动装置、控制装置和位置检测装置；所述机械手指2包括第一指节21、第二指节22和连接两者的机械关节4，其中第一指节21与主关节3连接，第二指节22端部横向设有夹爪5；夹爪5呈圆弧状，即弯曲的条状，并与第二指节22转动连接；夹爪5上设有橡胶套6，且橡胶套6表面设有防滑纹，或者夹爪5内外壁均设有摩擦片7，用来代替橡胶套6；一组机械手指2的数量可以为2个或4个。
所述机械关节4包括同轴设置的第一转轴41和第二转轴42，套设于第一转轴41上的传动齿轮43，设置在第一转轴41和第二转轴42上的第一支架44、第二支架45，以及打滑机构46，打滑机构46包括相卡接的第一连接机构461和第二连接机构462，其中第一连接机构461套设在第一转轴41上，第二连接机构462套设在第二转轴42上；第二连接机构462呈圆盘状，其圆形表面的边缘垂直设有一组连续的锯齿；第一连接机构461表面垂直设有卡钩，其与锯齿形状相适应，第一连接机构461内部设有弹性件463，所述弹性件463为压缩弹簧，其套设在第一转轴41上，一端与第一连接机构461连接，另一端与第一转轴41相连接。一组锯齿呈连续的波浪形或连续的三角形，相对应的，卡钩端部呈圆弧形或三角形；所述卡钩为一组卡钩，其可以呈环形阵列状分布、也可以连续分布在第一连接机构461表面边缘。
第一支架44、第二支架45均与外部机械手指相连接，第一支架44包括第一底板441和分别设置在第一底板441两端的两个第一侧板442，第二支架45包括第二底板451和分别设置在第二底板451两端的两个第二侧板452；第一转轴41一端分别与第一侧板442、第二侧板452相连接，第二转轴42一端分别与另一侧的第一侧板442、第二侧板452相连接；第一支架44上设有机械关节驱动装置47，机械关节驱动装置47包括马达471，以及与马达471连接的减速齿轮组472，其中减速齿轮472与传动齿轮43相连接，马达471固定安装在第一支架44上。机械关节驱动装置47、主关节驱动装置和位置检测装置均与控制装置连接。
传动齿轮43与第一转轴41固定连接，第一连接机构461与第一转轴41滑动连接，两者之间不能相对转动，但是可以在一定范围内直线滑动，可以在第一连接机构461上开设D形孔，并在第一转轴41上设置一段D形轴形状来实现上述要求；第二连接机构462与第二转轴42固定连接，第一连接机构461和第二连接机构462之间通过卡钩、锯齿的配合相卡接；第一侧板442与第一转轴41转动连接且设有轴承，与第二转轴42转动连接且设有轴承；第二侧板452与第一转轴41转动连接且设有轴承，与第二转轴42固定连接。
机械关节用于连接外部机械手指，工作原理如下：在抓取物体时，机械关节驱动装置47驱动传动齿轮43、第一转轴41和第一连接机构461转动，在正常抓取时，卡钩和锯齿处于卡接状态，弹性件463（压缩弹簧）对第一连接机构461施加轴向力将其推向第二连接机构462并推紧，第一连接机构461和第二连接机构462稳定结合，起到连轴作用，由此带动第二转轴42和第二支架45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462产生的扭矩足够其克服弹性件463（压缩弹簧）对第一连接机构461的推力，则第二连接机构462相对第一连接机构461转动，同时推动第一连接结构461退避，锯齿依次滑过卡钩，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471可以持续运转，打滑机构46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46停止打滑，第一连接机构461带动第二连接机构462、第二转轴42和第二支架45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，抓取力可以通过弹性件612（压缩弹簧）、锯齿621和卡钩611的形状等来计算与设计。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471反转），其基本原理同上。
一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法：
从圆管外部抓取圆管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主关节3和机械关节4开始动作，则机械手通过一组机械手指2开始抓取圆管并逐渐收紧，此时夹爪5自动调节并贴紧圆管；
4）控制装置发出指令使主关节3停止动作，此时机械关节4继续运转，当夹爪5的抓取力达到设定值时，机械关节4打滑，第二指节22停止前进；
5）当所有的机械关节4打滑时，控制装置发出指令，机械手带动圆管移至第三设定位置；
6）当超过设定时间时机械关节4还未全部打滑，控制装置发出指令，机械手松开圆管并退避，然后进行重新抓取；
7）机械手将圆管移至第三设定位置后，控制装置发出指令使主关节3和机械关节4开始反向动作，一组机械手指2打开以松开圆管。
通过物体的中空圆孔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伸入中空圆孔；
3）控制装置发出指令使主关节3和机械关节4开始动作，则机械手通过一组机械手指2开始抓取中空圆孔的孔壁并逐渐收紧，此时夹爪5自动调节并贴紧孔壁；
4）控制装置发出指令使主关节3停止动作，此时机械关节4继续运转，当夹爪5的抓取力达到设定值时，机械关节4打滑，第二指节22停止前进；
5）当所有的机械关节4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）当超过设定时间时机械关节4还未全部打滑，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主关节3和机械关节4开始动作，一组机械手指2合拢以松开物体。
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 (9)
1.一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：柔性机械手包括机械手基座（1）、一组机械手指（2）和设置在机械手基座（1）上的一组主关节（3），其中一组机械手指（2）分别与一组主关节（3）连接，一组主关节（3）对称设置在机械手基座（1）上，机械手基座（1）上设有主关节驱动装置、控制装置和位置检测装置；所述机械手指（2）包括第一指节（21）、第二指节（22）和连接两者的机械关节（4），其中第一指节（21）与主关节（3）连接，第二指节（22）端部横向设有夹爪（5）；
从圆管外部抓取圆管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主关节（3）和机械关节（4）开始动作，则机械手通过一组机械手指（2）开始抓取圆管并逐渐收紧，此时夹爪（5）自动调节并贴紧圆管；
4）控制装置发出指令使主关节（3）停止动作，此时机械关节（4）继续运转，当夹爪（5）的抓取力达到设定值时，机械关节（4）打滑，第二指节（22）停止前进；
5）当所有的机械关节（4）打滑时，控制装置发出指令，机械手带动圆管移至第三设定位置；
6）当超过设定时间时机械关节（4）还未全部打滑，控制装置发出指令，机械手松开圆管并退避，然后进行重新抓取；
7）机械手将圆管移至第三设定位置后，控制装置发出指令使主关节（3）和机械关节（4）开始反向动作，一组机械手指（2）打开以松开圆管；
通过物体的中空圆孔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）伸入中空圆孔；
3）控制装置发出指令使主关节（3）和机械关节（4）开始动作，则机械手通过一组机械手指（2）开始抓取中空圆孔的孔壁并逐渐收紧，此时夹爪（5）自动调节并贴紧孔壁；
4）控制装置发出指令使主关节（3）停止动作，此时机械关节（4）继续运转，当夹爪（5）的抓取力达到设定值时，机械关节（4）打滑，第二指节（22）停止前进；
5）当所有的机械关节（4）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）当超过设定时间时机械关节（4）还未全部打滑，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主关节（3）和机械关节（4）开始动作，一组机械手指（2）合拢以松开物体。
2.根据权利要求1所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述机械关节（4）包括打滑机构（46）和机械关节驱动装置（47），其中打滑机构（46）包括相卡接的第一连接机构（461）和第二连接机构（462）；机械关节驱动装置（47）、主关节驱动装置和位置检测装置均与控制装置连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述机械关节（4）还包括同轴设置的第一转轴（41）和第二转轴（42），套设于第一转轴（41）上的传动齿轮（43），设置在第一转轴（41）和第二转轴（42）上的第一支架（44）、第二支架（45），其中第一连接机构（461）套设在第一转轴（41）上，第二连接机构（462）套设在第二转轴（42）上，机械关节驱动装置（47）与传动齿轮（43）相连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述第二连接机构（462）呈圆盘状，其圆形表面的边缘垂直设有一组连续的锯齿；第一连接机构（461）表面垂直设有卡钩，第一连接机构（461）内部设有弹性件（463）。
5.根据权利要求4所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述弹性件（463）为压缩弹簧，其套设在第一转轴（41）上，一端与第一连接机构（461）连接，另一端与第一转轴（41）相连接。
6.根据权利要求4所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述一组锯齿呈连续的波浪形或连续的三角形，相对应的，卡钩端部呈圆弧形或三角形。
7.根据权利要求1所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述夹爪（5）呈圆弧状，并与第二指节（22）转动连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述夹爪（5）上设有橡胶套（6），且橡胶套（6）表面设有防滑纹。
9.根据权利要求1所述的一种用于圆管抓取的柔性机械手的工作方法，其特征在于：所述夹爪（5）内外壁均设有摩擦片（7）。
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