CN106166754B - 一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置 - Google Patents
一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，包括电动夹爪、弹簧缓冲机构和测量元件，电动夹爪包括安装板，安装板上设有两相向的抓手以及驱动两抓手相向/背向移动的驱动组件；弹簧缓冲机构包括连接块、以及与连接块滑动连接且与安装板连接的第一滑块，连接块上连接有两平行的导向轴，第一滑块中部具有垂直的凸起部，凸起部套设在两导向轴中部上，导向轴上套设有与连接块侧壁及凸起部侧壁相抵的弹簧；测量元件包括安装在安装板上用于检测物料是否被电动夹爪夹持的光电传感器、对抓手在闭合和张开时进行限位的光电开关，以及用于识别固定在物料台上的定位件以获取物料相对抓手的相对位置信息的视觉传感器，且光电传感器位于两抓手中间。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械抓手，尤其涉及一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置。
背景技术
随着机电一体化技术的飞速发展，传统工业逐渐向现代工业自动化模式转型，仓储物流机器人在当今自动化工厂中扮演着重要的角色，成为了操作人员得利的工具，它们不但节省了人工劳动力和成本，而且也极大程度的提高了工厂的作业效率。物流机器人在自动化工厂实际作业时，末端执行器的作用不容小觑，灵活的多自由度操作机械臂与精巧的末端执行器相结合是实现物料高效搬运的可靠保证。
目前，机器人末端执行器主要以电动执行器和气动执行器两种类型用处最多。电动执行器通常采用直流电机、步进电机以及伺服电机等作为驱动单元，气动执行器则采用气压推动的方式。电动执行器由于采用了电机驱动，常通过齿轮传动、带传动等中间传动机构将合适的动力和速度输出给末端机械抓手，因此结构上稍微复杂，有一定的功率损失，但是机构性能稳定可靠，工作寿命长，环境适应能力强。气动执行器结构相对简单，能耗低，响应速度快，但是定位精度和可靠性不如电动执行器。而且长期工作的气动执行器，气动元件容易老化，时常出现气体泄漏情况的发生，这时气动执行器在抓夹物料极易出现因夹紧力不足而导致物料脱落。此外，在高温严寒等极端情况下，气动执行器的环境适应性更差。
据以往机器人末端执行器的设计来看，无论是电动执行器还是气动执行器，在设计过程中通常只考虑到物料夹取动作的实现，而对末端执行器在实际抓取物料与物料接触时的冲击以及准确定位问题考虑甚少，因而执行器在工作过程中的可靠性、稳定性和安全性方面较难保证。时常会出现物料因末端执行器的冲击而受损，因夹取不牢靠而导致物料脱落以及出现抓空、漏夹等不良情况的发生。如公开日为2011年09月21日，公开号为CN102189542A的发明申请公开了一种半导体晶圆输送机械手，它能够处理对于不同直径晶圆的中心对位问题，但是其结构和定位方式均较为复杂，在执行器的控制实现方面具有一定的难度。此外，对于机械手与物料接触瞬间所产生刚性接触力也未曾考虑，因而机械手在夹取物料时存在着一定的安全隐患。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决执行器在抓取物料时因冲击而损失物料，因抓夹不牢靠使物料脱落以及出现抓空、漏夹等问题，本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、结构简单紧凑、而且控制方便、定位精度高、具有可自锁性和较强的环境适应性、可保证机械臂在抓取物料时的安全性和可靠性的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置。
本发明的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，包括电动夹爪以及设置在其上的弹簧缓冲机构和测量元件，其中
-所述电动夹爪包括安装板，所述安装板上设有两相向的抓手以及驱动两所述抓手相向/背向移动的驱动组件；
-所述弹簧缓冲机构包括用于与机械臂末端执行器安装法兰连接的连接块、以及与连接块滑动连接且与所述安装板连接的第一滑块，所述连接块上连接有两平行的导向轴，所述第一滑块中部具有垂直的凸起部，所述凸起部套设在两所述导向轴中部上，所述导向轴上套设有与所述连接块侧壁及凸起部侧壁相抵的弹簧；
-所述测量元件包括安装在安装板上用于检测物料是否被所述电动夹爪夹持的光电传感器、对所述抓手在闭合和张开时进行限位的光电开关，以及用于识别固定在物料台上的定位件以获取物料相对抓手的相对位置信息的视觉传感器，且光电传感器位于两抓手中间。
进一步的，所述弹簧缓冲机构还包括穿过所述第一滑块的凸起部上的通孔、端面与所述导向轴接触以对导向轴施加可变侧向力的紧定螺钉。
进一步的，所述抓手包括相连接的转接件和夹持块，两夹持块相向的表面上设有多个凸起的、用于插入到料盘侧面上的凹槽内的V形块。
进一步的，所述驱动组件包括通过轴承座安装在所述安装板上的梯形螺杆，梯形螺杆上螺接有正旋梯形螺母和反旋梯形螺母，正旋梯形螺母和反旋梯形螺母均连接有第二滑块，两第二滑块分别与两转接件连接，两第二滑块上均设有能够挡住所述光电开关对射光束的挡片，梯形螺杆通过设置在安装板上的驱动元件驱动转动。
进一步的，所述安装板上还设有与两所述第二滑块滑动连接的直线导轨。
进一步的，所述轴承通过C型卡环轴向定位在所述梯形螺杆上。
进一步的，所述驱动元件包括通过同步带及带轮与所述梯形螺杆传动连接的减速器、与减速器连接的伺服电机、与伺服电机连接的编码器，以及与编码器、光电传感器、光电开关电连接的驱动器。
进一步的，所述带轮通过E型卡环轴向定位在所述梯形螺杆上。
进一步的，所述安装板上还连接有提高其支撑强度的加强板。
进一步的，还包括与所述安装板共同构成封闭壳体的若干封板。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、弹簧缓冲机构可有效减弱末端执行器与物料接触时的刚性冲击，保护物料免受损伤；
2、滑动螺杆螺母机构可使末端执行器在断电时实现自锁，保证物料不至于脱落；
3、同步带机构实现了传动机构动力传递的换向，可使装置的整体结构变得更加紧凑，同时，同步带传动有助于减小系统的振动，保证装置工作时的平稳性；
4、用于软限位的光电开关可防止抓手在开合时因超程而造成装置内部零件的碰撞，影响装置的使用寿命和可靠性；
5、用于检测物料有无被夹持的光电传感器可实时监测夹爪下方物料的状态，避免出现漏夹情况的发生；
6、装置整体结构紧凑、体积小，大大减小了装置的整体重量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的整体外观示意图；
图2是本发明的整体结构爆炸示意图；
图3是本发明中弹簧缓冲机构的示意图；
图4是本发明中弹簧缓冲机构的剖视图；
图5是本发明中电动夹爪的结构示意图；
图6是本发明中安装板的结构示意图；
图7是本发明中螺杆螺母机构与直线导轨机构的装配示意图；
图8是本发明中螺杆螺母机构的剖视图；
图9是本发明中抓手的结构示意图；
图10为本发明与6自由度机械臂的装配示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，包括弹簧缓冲机构1、电动夹爪2和测量元件3。
结合图1、图2、图3、图4和图10，弹簧缓冲机构1是由1个连接块1-1、1个第一滑块1-2、2根导向轴1-3、2个紧定螺钉1-4、4根弹簧1-5和4组连接螺钉1-6组成。带缓冲器的可自锁物料抓夹装置100通过连接块1-1固定在6自由度机械臂10末端安装法兰20上，第一滑块1-2与电动夹爪的安装板2-1固定连接，第一滑块1-2中部具有垂直的凸起部，凸起部套设在两导向轴1-3中部上，第一滑块1-2可相对于连接块1-1在导向轴1-3上做轴向滑动。导向轴1-3通过连接螺钉1-6固定在连接块1-1上，弹簧1-5安装在导向轴1-3上，并与连接块1-1侧壁及凸起部侧壁相抵，有一定的预压缩量。抓夹装置不受外力作用时，第一滑块1-2位于连接块1-1的中间位置，当受到外力的影响，第一滑块1-2会相对于连接块1-1发生轴向滑移，于是外力与弹簧力相抵消，从而起到缓冲保护的效果。紧定螺钉1-4安装在滑块1-2侧面通孔中，端面与导向轴接触，通过调节紧定螺钉1-4的拧入深度可施加给导向轴1-3可变的侧向力，通过改变第一滑块1-2所受滑动摩擦力的方式来调整第一滑块1-2在导向轴1-3上的最大滑动距离。
结合图1、图2和图5，所述电动夹爪2是由安装板2-1、左封板2-2、右封板2-3、上封板2-4、2个抓手2-5、2个滑块连接件2-6、一副直线导轨2-7、螺杆螺母机构2-8、同步带机构2-9和驱动元件2-10组成。
结合2和图6，安装板2-1呈U形，电动夹爪的组成零部件均固定在安装板2-1上，通过将两块加强板2-1-1焊接在安装板2-1末端左右两侧可以明显提高其承载刚度。此外，安装板2-1和左封板2-2、右封板2-3、上封板2-4共同构成封闭壳体，起到防尘防污的作用。
结合图2、图7和图9，抓手2-5是由夹持块2-5-1和转接件2-5-2通过沉头螺钉固定连接而成；夹持块2-5-1表面有3个凸起的V形块，抓夹物料时可插入到料盘的两侧凹槽内，防止物料在搬运过程中脱落；转接件2-5-2与直线导轨2-7上的第二滑块2-7-1固定连接，第二滑块2-7-1与滑块连接件2-6连接，于是第二滑块2-7-1的直线滑动可转化成抓手2-5的移动。
结合图2、图5和图7，滑块连接件2-6同时连接对应位置处螺杆螺母机构2-8上的梯形螺母和直线导轨2-7上的第二滑块2-7-1，于是螺杆螺母机构2-8的运动可传递给直线导轨2-7。直线导轨2-7包括2个第二滑块2-7-1和1个直线滑道2-7-2；2个第二滑块2-7-1分别与夹爪的两侧抓手2-5固连。与以往夹爪机构设计所不同的是，本发明创新性地将直线导轨机构内置在抓夹装置中，因而可以防止外围环境中的灰尘颗粒附着到导轨上，避免了磨粒磨损现象的发生，延长了装置的使用寿命。
结合图5、图7和图8，螺杆螺母机构2-8可保证电动夹爪2在突然断电时自锁，保护物料不至于脱落，是由正旋梯形螺母2-8-1、反旋梯形螺母2-8-2和梯形螺杆2-8-3组成；左轴承座2-8-4、右轴承座2-8-5以及轴承2-8-6起辅助支撑的作用，C型卡环2-8-7将轴承2-8-6轴向定位在梯形螺杆2-8-7上，可防止轴承2-8-6在螺杆机构转动时发生轴向窜动；梯形螺杆2-8-3中间有一段光轴，光轴两侧的螺纹旋向相反螺距相等，并与旋向一致的梯形螺母配合；梯形螺杆2-8-3转动时，2个梯形螺母沿螺杆轴线作反方向等位移相对运动，实现抓手2-5的开合动作。
结合图2、图5、图7和图8，同步带机构2-9包括2个齿数相等的带轮2-9-1和同步带2-9-2。与梯形螺杆2-8-3连接的带轮用E型卡环2-9-3轴向定位，另一带轮通过紧定螺钉固定在减速器2-10-2的输出轴上，同步带机构2-9不起减速作用，只起传动机构动力传递的换向作用，因此可使装置的整体结构变得更加紧凑，而且带传动有助于减小系统的振动，保证装置工作时的平稳性。
如图5所示，所述驱动元件2-10包括伺服电机2-10-1、减速器2-10-2、编码器2-10-3和驱动器2-10-4。伺服电机2-10-1采用直流无刷电机，具有可靠性高、免维护、高速度范围、无噪声等诸多优点，而以往的设计大多采用步进电机驱动，易出现失步现象，或采用气动的方式，可靠性不高；编码器2-10-3采用光栅码盘型增量编码器，可实时获取伺服电机2-10-1输出轴的转速和位置信息，通过对伺服电机的精确控制大大提高了装置执行开合动作时的定位精度。
结合图1、图2、图5和图7，所述测量元件3包括光电传感器3-1和视觉传感器3-2以及用于夹爪闭合时软限位的光电开关3-1-1、用于张开时软限位的光电开关3-1-2，其中，光电传感器3-1用于检测物料有无被夹持。软限位用的光电开关3-1-1和3-1-2工作方式均属于对射型，当有外物遮挡住对射光束时将使其触发。在误操作下电机会持续运转，若夹爪正处在逐渐闭合的状态，当超过预先设定的闭合行程时，挡片3-1-4将挡住光电开关3-1-1的对射光束，于是光电开关立即发出触发信号给驱动器，使电机立刻停转，避免了机构内部零部件碰撞现象的发生，提高了装置的可靠性；反之，当夹爪逐渐张开时，若超过设定的张开行程，挡片3-1-5将挡住光电开关3-1-2的对射光束，也会使电机停转。
光电传感器3-1用于检测物料有无被夹持；当抓手2-5正确抓取到物料时，光电传感器3-1会持续触发，通过检测该触发信号去判断物料有无被抓夹，从而防止出现抓空、漏夹等情况的发生。此外，本发明装置所采用的光电传感器3-1测量范围可调，因而对多个不同物料的检测同样具备适用性。
视觉传感器3-2通过利用图像处理技术对固定在物料台上的定位件(通常是二维码)进行图像识别，经计算处理后，可获取物料相对于抓手的相对位置信息，确保夹爪能够准确无误地到达物料放置点，实施夹取动作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：包括电动夹爪以及设置在其上的弹簧缓冲机构和测量元件，其中
-所述电动夹爪包括安装板，所述安装板上设有两相向的抓手以及驱动两所述抓手相向/背向移动的驱动组件；
-所述弹簧缓冲机构包括用于与机械臂末端执行器安装法兰连接的连接块、以及与连接块滑动连接且与所述安装板连接的第一滑块，所述连接块上连接有两平行的导向轴，所述第一滑块中部具有垂直的凸起部，所述凸起部套设在两所述导向轴中部上，所述导向轴上套设有与所述连接块侧壁及凸起部侧壁相抵的弹簧；
-所述测量元件包括安装在安装板上用于检测物料是否被所述电动夹爪夹持的光电传感器、对所述抓手在闭合和张开时进行限位的光电开关，以及用于识别固定在物料台上的定位件以获取物料相对抓手的相对位置信息的视觉传感器，且光电传感器位于两抓手中间。
2.根据权利要求1所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述弹簧缓冲机构还包括穿过所述第一滑块的凸起部上的通孔、端面与所述导向轴接触以对导向轴施加可变侧向力的紧定螺钉。
3.根据权利要求1所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述抓手包括相连接的转接件和夹持块，两夹持块相向的表面上设有多个凸起的、用于插入到料盘侧面上的凹槽内的V形块。
4.根据权利要求3所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述驱动组件包括通过轴承座安装在所述安装板上的梯形螺杆，梯形螺杆上螺接有正旋梯形螺母和反旋梯形螺母，正旋梯形螺母和反旋梯形螺母均连接有第二滑块，两第二滑块分别与两转接件连接，两第二滑块上均设有能够挡住所述光电开关对射光束的挡片，梯形螺杆通过设置在安装板上的驱动元件驱动转动。
5.根据权利要求4所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述安装板上还设有与两所述第二滑块滑动连接的直线导轨。
6.根据权利要求4所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述轴承通过C型卡环轴向定位在所述梯形螺杆上。
7.根据权利要求4所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述驱动元件包括通过同步带及带轮与所述梯形螺杆传动连接的减速器、与减速器连接的伺服电机、与伺服电机连接的编码器，以及与编码器、光电传感器、光电开关电连接的驱动器。
8.根据权利要求7所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述带轮通过E型卡环轴向定位在所述梯形螺杆上。
9.根据权利要求1-8任一项所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：所述安装板上还连接有提高其支撑强度的加强板。
10.根据权利要求9所述的带缓冲器的可自锁物料抓夹装置，其特征在于：还包括与所述安装板共同构成封闭壳体的若干封板。
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