CN107030995A - 一种具有五自由度的塑件抓取机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有五自由度的塑件抓取机械手，所述塑件抓取机械手包括机身、机械臂和机械手，所述机械臂包括主臂和副臂，所述主臂包括由受力板、保持架和连接架，构成具有水平移动自由度的一平面框架，所述副臂包括副臂杆、滑块导轨和副臂气缸，具有竖直方向移动的自由度；所述机身包括底座和机械臂支撑架，所述机械臂支撑架上设有摇杆机构；所述机械手包括抓取机构和腕部回转气缸，所述腕部回转气缸带动所述夹头相对所述机械臂旋转，使所述机械手具有第二旋转自由度。本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，质量轻，装配精度高，注塑取件过程中能够准确抓取塑件，工作稳定。

Description

一种具有五自由度的塑件抓取机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别涉及一种具有五自由度的塑件抓取机械手。

背景技术

所谓机械手，也就是模仿人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的一种机械设备，并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成为了制造业生产大军中不可或缺的一份子。经过数十年的发展，并且是迅速的发展，机械手(机器人)已经成为了一门学科。它包含了各种领域，可以说目前涉及领域最广的一种学科，如果的高科技机械手一般能够涉及到人体工程学，工程力学，材料力学，电力工程学，生物学等等几十个领域。机械手的技术也就指的是我国几十个专业领域的技术水平，所以可以肯定的说，机械手在某种程度上就直接代表了一个国家科技发展的程度。从最初的机械手的产生开始，其实其结构相当的简单，仅仅涉及到了一两个专业领域，并且有很大的局限性，专用性这个特点在那个时段可以说是机械手最大的缺点。如今的机械手，在科技发展以及工业急速发展所产生需求的共同催生下，机械手变得越来越复杂，专用性这个特点不再成为机械手的发展劣势，甚至在一些行业，专用性必不可少，不可替代。

我国在二十世纪末期制定了有关工业机械手的研究计划，发展到如今，我国已经完全掌握了相关的技术，能够自主的去研发各种类型的机械手，不管是机械结构还有软硬件都运用自如，如今工业生产中最为常见的机械手按照功用可以分为：搬运、组装、分配、焊接机械手等等。尽管我国机械手的应用已经十分的广泛，但是跟国际发达国家相比，差距真的不是一点两点，我国对工业机械手的研究起步比较晚，中国的其他附属技术同国外也存在很大差距，这两点是导致我国生产的机械手与其他国家机械手存在这么大差距的主要因素。目前机器人用的机械臂整体质量重，存在惯性导致的机械臂工作不稳定的缺点，并且在小型件抓取过程中，由于小型件结构不规则，现有自由有限难以准确抓取塑件。

因此，为了解决上述技术问题，需要降低了机械臂各部分的质量，提高装配精度，使注塑取件过程中准确抓取塑件，并稳定工作的一种具有五自由度的塑件抓取机械手。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有五自由度的塑件抓取机械手，所述塑件抓取机械手包括机身、机械臂和机械手，其中

所述机械臂包括主臂和副臂，所述主臂包括由受力板、保持架和连接架，构成具有水平移动自由度的一平面框架，所述副臂包括副臂杆、滑块导轨和副臂气缸，具有竖直方向移动的自由度；

所述机身包括底座和机械臂支撑架，所述机械臂支撑架上设有摇杆机构；所述摇杆机构通过旋转轴连接所述机械臂，使所述机械臂具有第一旋转自由度；

所述机械手包括抓取机构和腕部回转气缸，所述抓取机构包括驱动气缸和夹头，所述夹头包括相互拼接成剪刀状的第一钳板和第二钳板，所述驱动气缸推动所述的第一钳板和第二钳板开合；所述腕部回转气缸带动所述夹头相对所述机械臂旋转，使所述机械手具有第二旋转自由度。

进一步地，在所述平面框架内设有连接所述保持架和连接架的导向杆，所述副臂杆嵌入到所述滑块导轨。

进一步地，所述主臂与所述副臂之间设有第一连接部件连接，所述第一连接部件向内形成凹形槽，在所述凹形槽中嵌入所述副臂杆，所述第一连接部件两侧具有垂直于所述凹形槽轴向的耳部，所述耳部开有通孔；所述主臂与所述副臂通过所述第一连接部件使所述主臂与所述副臂呈垂直连接。

进一步地，在所述副臂端部设有第二连接部件，所述第二连接部件包括一平面连接板，以及由竖直板构成的用于卡接机械手的卡槽。

进一步地，所述主臂还包括主臂气缸，所述平面框架内还设有轴向脚座，在所述轴向脚座中心开有固定所述主臂气缸的圆孔。

进一步地，所述机械臂支撑架一端与所述底座固定连接，另一端设置一个柱体，所述柱体具有沿柱体轴向贯通的中心孔，用于安装旋转轴。

进一步地，所述摇杆机构包括连接至所述机械臂支撑架底部的直线气缸，以及三角状摇块；所述三角形摇块的一边开有弧形凹槽，在所述弧形凹槽内设置滚轴，所述滚轴与所述直线气缸的活塞杆垂直固定连接，所述弧形凹槽所在边的对应的角开设固定旋转轴的通孔。

进一步地，在所述驱动气缸的活塞杆前端设有顶锥，在所述第一钳板和第二钳板的后端设有滚轮。

进一步地，所述顶锥与所述第一钳板和第二钳板后端的滚轮之间的间隙相对应，用于顶入滚轮之间的间隙；在所述滚轮中心设有复位弹簧。

进一步地，所述腕部回转气缸包括中空的缸体、隔板、单叶片和输出轴，所述输出轴伸出至所述缸体外部，在所述缸体外周设有限位卡快。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，在保证不对机械手结构造成影响以及足够保证使用和设计要求的前提下，对主臂和副臂的结构外形轮廓进行改进，大大降低了机械臂各部分的质量，达到了机械臂质量轻、体积小、作用力分布合理、具有较高的装配精度优点。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，通过旋转轴以及柱体结构支撑机械臂，并在支撑架上设置摇杆机构，增加了机械臂的自由度，有效增加了轻质、不规则小型件抓取的精度。本发明提供的一种用于支撑机械臂的机身，结构简单，质量轻，通过旋转轴支撑机械臂，能够承受较大的扭矩和弯矩。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，将机械手抓取机构和腕部分开，采用回转气缸来实现经向转动，有效减小了机械手气缸的体积，实现机械手的高效运动，具有较好的通用性和专用性。另外，本发明根据抓取物体的最大重量计算需要调节的压力值，保证抓取注塑冲压成型所产生的边角废料时，能够平稳而可靠的进行夹取与放下的操作。本发明提供的一种带有水口夹的机械手，可用于大部分注塑机，也可以用于其他需要机械手抓取的小型物件。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1是本发明具有五自由度的塑件抓取机械手的整体结构图；

图2是本发明主臂平面框架结构示意图；

图3是本发明机械臂第一连接部件结构示意图；

图4是本发明机械臂第二连接部件结构示意图；

图5是本发明幅臂与机械手连接结构示意图；

图6是本发明摇杆机构结构示意图；

图7是本发明机械手结构示意图；

图8是本发明机械手抓取机构结构示意图；

图9是本发明调压阀调节驱动气缸最大压力值的受力示意图；

图10是本发明腕部回转气缸结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。下面通过具体的实施例对本发明的内容说明。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，如图1所示本发明具有五自由度的塑件抓取机械手的整体结构图，图2所示本发明主臂平面框架结构示意图，实施例中一种具有五自由度的塑件抓取机械手包括机身40、机械臂和机械手50，其中

机械臂包括主臂10和副臂20，主臂10包括由受力板101、保持架104和连接架103，构成具有水平移动自由度(B自由度)的一平面框架，副臂包括副臂杆201、滑块导轨和副臂气缸202，具有竖直方向移动的自由度(A自由度)。

机身40包括底座403和机械臂支撑架402，机械臂支撑架402上设有摇杆机构404；摇杆机构404通过旋转轴连接机械臂的主臂10，使机械臂具有第一旋转自由度(E自由度)。机身40用于支撑机械臂，机械臂支撑架401一端与底座403固定连接，另一端设置一个柱体401，柱体401具有沿柱体轴向贯通的中心孔，用于安装旋转轴。本发明用于注塑件为小型轻质物品，为了使机械臂工作过程中部产生较大的惯性，能够准确抓取塑件。

主臂10与副臂20之间通过第一连接部件30连接，副臂20与机械手50通过第二连接部件连接。图3所示本发明机械臂第一连接部件结构示意图，图4所示本发明机械臂第二连接部件结构示意图，结合图1至图4，主臂10包括由受力101板、保持架104和连接架103构成的一平面框架，在平面框架内设有连接保持架104和连接架103的导向杆102，副臂20包括副臂杆201、滑块导轨和副臂气缸202。副臂气缸202的活塞轴穿过第一连接部件30，通过第二连接部件与副臂杆201固定，副臂杆201嵌入到滑块导轨(图中未示出)，副臂气缸202通过第二连接部件带动副臂杆201沿滑块导轨上下移动，使机械臂具有上下移动的自由度(A自由度)。本实施例中副臂20上下运动的自由度行程为800毫米。连接架103中心具有圆孔，用于插入机械臂支撑架的旋转轴。保持架104中部开设用于容纳主臂气缸的凹槽1041。优选地，为了使机械臂的重量减轻，本实施例中受力板101、保持架104和连接架103均采用铝合金制成。优选地，本实施例中滑块导轨选择滚珠直线导轨，在一些实施例中，滑块导轨的选择有本领域技术人员根据具体的机械臂使用场所确定。

主臂10还包括主臂气缸105，平面框架内还设有轴向脚座106，在轴向脚座106中心开有固定主臂气缸105的圆孔，主臂气缸105与轴向脚座106固定连接，带动主臂10沿水平方向移动，实现机械臂具有水平方向移动的自由度(B自由度)。轴向脚座106一侧开有用于贯穿导向杆102的通孔，使轴向脚座106沿导向杆102往复移动，保证机械臂水平移动的方向。

本实施例中主臂10移动的最大行程为400mm，在具体的实施过程中连接板长度选为500mm，导向杆102长度为465mm，直径20mm，确保导向杆102两端与平面框架固定后不产生相对运动。优选地，本实施例导向杆102设置两个，分别布置于平面框架内的两侧，实现均匀受力，使主臂10水平方向移动过程中具有更好的导向性和对称性。在一些实施例中，可以选择一个导向杆102。

如图3所示，第一连接部件30向内形成凹形槽301，在所述凹形槽301中嵌入副臂杆201，副臂杆201能够实现在凹形槽301中的滑动。第一连接部件30两侧具有垂直于凹形槽301轴向的耳部302，耳部开有通孔，用于插入平面框架内的导向杆102；主臂10与副臂20通过第一连接部件30使主臂10与副臂20呈垂直连接。第一连接部件30端部设置向外伸出的凸块303，在凸块303上开有穿越副臂气缸202活塞杆的通孔3031。在第一连接部件30凹形槽301的外侧表面开有螺栓孔，用于固定主臂气缸105的活塞杆，优选地，本实施例中在第一连接部件30凹形槽301的外侧表面开有螺栓孔开有多组，方便安装不同位置的主臂气缸105。

如图4所示，第二连接部件包括一平面连接板210，以及由竖直板220a(220b)构成的用于卡接机械手的卡槽230。

如图5所示本发明幅臂与机械手连接结构示意图，机械手包括抓取机构501和腕部回转气缸502，腕部回转气缸502卡入第二连接部件的卡槽230中，通过螺栓固定。平面连接板210上开有通孔240，用于通过螺栓固定副臂气缸202。具体地，副臂气缸202的活塞杆2021穿过第一连接部件30，活塞杆头2022通过螺栓2023固定于平面连接板210上的通孔240。第二连接部件将机械手、副臂气缸的活塞杆2021以及副臂杆201固定，在副臂气缸的活塞杆2021带动下，副臂杆201与机械手整体上下移动(图1中A自由度)。第二连接部件的平面连接板210开设用于连接副臂杆201的连接孔。本实施例的连接孔位于平面连接板210中部，在一些实施例中，对于用于连接副臂杆201的连接孔以及通过螺栓固定副臂气缸202的通孔240位置的布置，根据具体的实施方式所确定。

如图6所示本发明摇杆机构结构示意图，摇杆机构404包括连接至机械臂支撑架底部的直线气缸4042，以及三角状摇块4041。三角形摇块4041的一边开有弧形凹槽4045，在弧形凹槽4045内设置滚轴4044，滚轴4044与直线气缸4042的活塞杆4043垂直固定连接，弧形凹槽4045所在边的对应的角开设固定旋转轴的通孔4046。旋转轴通过轴承安装于柱体401的中心孔内，旋转轴穿过柱体401的中心孔与机械臂的主臂10固定连接。本实施例中把机械臂的主臂10设置于直线气缸4042的上方，可以承载各种方向以及较大的受力力矩。摇杆机构404通过直线气缸4042活塞杆4043带动三角形摇块4041摆动，通过旋转轴带动机械臂20进行运动转换(图1中E自由度)。

优选地，机械臂支撑架采用GY-4590材料制成，旋转轴采用45钢支撑，旋转轴参数为435cm×Φ45cm。本实施例旋转轴的两端均是采用螺栓固定机械臂的主臂10和摇杆机构404，以保证两两之间均不可出现相对运动。

如图7所示本发明机械手结构示意图，图8所示本发明机械手抓取机构结构示意图，机械手包括抓取机构501和腕部回转气缸502，抓取机构501包括驱动气缸5012和夹头5011，夹头5011包括相互拼接成剪刀状的第一钳板511和第二钳板512，驱动气缸5012推动第一钳板511和第二钳板512开合；腕部回转气缸502带动夹头5011相对机械臂的幅副臂旋转，使机械手具有第二旋转自由度(图1中的C自由度)。

驱动气缸5012的活塞杆521前端设有顶锥523，在第一钳板511和第二钳板512的后端设有滚轮513。驱动气缸5012由气缸壳体522围成空腔，内部由气体推动活塞杆521直线往复运动(图1中的D自由度)。

顶锥523与第一钳板511和第二钳板512后端的滚轮513之间的间隙相对应，用于顶入滚轮之间的间隙，从而带动第一钳板511和第二钳板512的闭合(从X、X’位置运动至Y位置)，实现对塑件的抓取。

在滚轮513中心处设有复位弹簧514，当需要对抓取的塑件放置时，复位弹簧514将第一钳板511和第二钳板512弹开，第一钳板511和第二钳板512放开塑件，将塑件放置。本实施例机械手还包括连接驱动气缸5012和夹头5011的壳体515，壳体515一端通过连接座与驱动气缸5012固定，另一端设有用于连接第一钳板511与第二钳板512的销轴516。优选地，第一钳板511与第二钳板512呈钝角三角形状结构，在三角形的内切圆心出开设旋转孔，用于插入销轴516。

本发明提供的机械手抓取塑件的重量在0至500g之间，塑件为手机壳，鼠标壳等带棱边的小型塑件。根据本发明的实施例，将驱动气缸5012的缸径选为16mm，直线行程选15mm，保证了机械手的抓取精度。本发明将腕部回转气缸502与驱动气缸5012分离，有效地减小了气缸的体积，提高了小型塑件抓取的精度。

实施例中驱动气缸5012设有调压阀，调压阀调节的最大压力值为0.25Mp。调压阀调节的最大压力值通过抓取物体的最大重量进行计算，以保证水口夹能够平稳而可靠的进行夹取与放下的操作。如图9所示本发明调压阀调节驱动气缸最大压力值的受力示意图，调压阀调节的最大压力值通过如下方法计算：

确定水口夹的最大抓取物体质量为0.5kg，将此数值作为极限值带入计算。

F₂＝mg＝0.5×9.8＝4.9N

计算出驱动滚轮闭合并夹紧工件的推力F1：

计算出输入气压的压力值P：

计算出调压阀调节的最大压力值为0.25Mp。

本实施例将腕部回转气缸502与驱动气缸5012分离，有效地减小了气缸的体积，使抓取机构能够更加精确地进行经向旋转，提高了小型塑件抓取的精度。具体地，如图10所示本发明腕部回转气缸结构示意图，实施例中腕部回转气缸502包括中空的缸体5021、隔板5022、单叶片5023和输出轴5024，输出轴伸出至所述缸体5021外部，在缸体5021外周设有限位卡快5028。驱动气缸横向开有轴孔，用于插入腕部回转气缸502的输出轴5024。优选地，驱动气缸与输出轴5024通过轴销固定，使输出轴5024带动驱动气缸经向旋转，限位卡快5028限制驱动气缸的经向旋转角度为108度。在一些实施例中，驱动气缸与输出轴5024通过轴销固定可以通过螺栓固定。

根据本发明，实施例中，腕部回转气缸502的隔板5022与缸体5021内壁固定，在隔板上开有贯通的气体通道5025，单叶片5023与输出轴固定，使单叶片5023绕输出轴5024中心旋转，压缩气体由气体通道5025进入缸体5021内的空腔5026挤压单叶片5023转动，带动输出轴5024旋转，从而实现抓取机构的经向旋转。

腕部回转气缸的工作压力通过下式计算：

其中，p为腕部回转气缸的工作压力，M为腕部回转气缸的气动力矩，R为缸体内壁半径，r为输出轴半径；b为单叶片的宽度。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，在保证不对机械手结构造成影响以及足够保证使用和设计要求的前提下，对主臂和副臂的结构外形轮廓进行改进，大大降低了机械臂各部分的质量，达到了机械臂质量轻、体积小、作用力分布合理、具有较高的装配精度优点。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，通过旋转轴以及柱体结构支撑机械臂，并在支撑架上设置摇杆机构，增加了机械臂的自由度，有效增加了轻质、不规则小型件抓取的精度。本发明提供的一种用于支撑机械臂的机身，结构简单，质量轻，通过旋转轴支撑机械臂，能够承受较大的扭矩和弯矩。

本发明提供的一种具有五自由度的塑件抓取机械手，将机械手抓取机构和腕部分开，采用回转气缸来实现经向转动，有效减小了机械手气缸的体积，实现机械手的高效运动，具有较好的通用性和专用性。另外，本发明根据抓取物体的最大重量计算需要调节的压力值，保证抓取注塑冲压成型所产生的边角废料时，能够平稳而可靠的进行夹取与放下的操作。本发明提供的一种带有水口夹的机械手，可用于大部分注塑机，也可以用于其他需要机械手抓取的小型物件。

必须说明的是，除了上述实施方式以外，本发明当然还有很多其他的实施方式，这里披露的本发明的说明和实践仅是示例性说明，以上所述的仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有五自由度的塑件抓取机械手，其特征在于，所述塑件抓取机械手包括机身、机械臂和机械手，其中

所述机械臂包括主臂和副臂，所述主臂包括由受力板、保持架和连接架，构成具有水平移动自由度的一平面框架，所述副臂包括副臂杆、滑块导轨和副臂气缸，具有竖直方向移动的自由度；

所述机身包括底座和机械臂支撑架，所述机械臂支撑架上设有摇杆机构；所述摇杆机构通过旋转轴连接所述机械臂，使所述机械臂具有第一旋转自由度；

所述机械手包括抓取机构和腕部回转气缸，所述抓取机构包括驱动气缸和夹头，所述夹头包括相互拼接成剪刀状的第一钳板和第二钳板，所述驱动气缸推动所述的第一钳板和第二钳板开合；所述腕部回转气缸带动所述夹头相对所述机械臂旋转，使所述机械手具有第二旋转自由度。

2.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，在所述平面框架内设有连接所述保持架和连接架的导向杆，所述副臂杆嵌入到所述滑块导轨。

3.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述主臂与所述副臂之间设有第一连接部件连接，所述第一连接部件向内形成凹形槽，在所述凹形槽中嵌入所述副臂杆，所述第一连接部件两侧具有垂直于所述凹形槽轴向的耳部，所述耳部开有通孔；所述主臂与所述副臂通过所述第一连接部件使所述主臂与所述副臂呈垂直连接。

4.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，在所述副臂端部设有第二连接部件，所述第二连接部件包括一平面连接板，以及由竖直板构成的用于卡接机械手的卡槽。

5.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述主臂还包括主臂气缸，所述平面框架内还设有轴向脚座，在所述轴向脚座中心开有固定所述主臂气缸的圆孔。

6.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述机械臂支撑架一端与所述底座固定连接，另一端设置一个柱体，所述柱体具有沿柱体轴向贯通的中心孔，用于安装旋转轴。

7.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述摇杆机构包括连接至所述机械臂支撑架底部的直线气缸，以及三角状摇块；所述三角形摇块的一边开有弧形凹槽，在所述弧形凹槽内设置滚轴，所述滚轴与所述直线气缸的活塞杆垂直固定连接，所述弧形凹槽所在边的对应的角开设固定旋转轴的通孔。

8.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，在所述驱动气缸的活塞杆前端设有顶锥，在所述第一钳板和第二钳板的后端设有滚轮。

9.根据权利要求8所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述顶锥与所述第一钳板和第二钳板后端的滚轮之间的间隙相对应，用于顶入滚轮之间的间隙；在所述滚轮中心设有复位弹簧。

10.根据权利要求1所述的塑件抓取机械手，其特征在于，所述腕部回转气缸包括中空的缸体、隔板、单叶片和输出轴，所述输出轴伸出至所述缸体外部，在所述缸体外周设有限位卡快。