CN107511838B - 一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及方法 - Google Patents

Abstract

一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及方法，包括包括至少2个机器人手指、手指抓取范围调整装置、手指抓紧张开装置；手指抓取范围调整装置控制机器人手指横向移动，调节机器人手指的抓取范围，手指抓紧张开装置控制机器人手指纵向移动，令机器人手指抓紧或者张开。

Description

一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及 方法

技术领域

本发明涉及一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及方法。

背景技术

机器人末端执行器安装在机器人的末端法兰上，通过电驱动或气动方式实现简单的抓取动作，用来抓取被抓物体，执行相关的动作任务。现有的机器人末端执行器抓取动作的动作范围固定，只能抓取固定尺寸的物体，当需要抓取更大或者更小的物体时，就需要更换其他规格的机器人末端执行器。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及方法，解决了现有的机器人末端执行器需要抓取形状变化物体时，需要更换不同规格的末端执行器的问题。

本发明的技术解决方案是：一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，包括至少2个机器人手指、手指抓取范围调整装置、手指抓紧张开装置；手指抓取范围调整装置控制机器人手指横向移动，调节机器人手指的抓取范围，手指抓紧张开装置控制机器人手指纵向移动，令机器人手指抓紧或者张开。

所述的手指抓取范围调整装置包括旋转平台主轴、驱动电机、旋转平台、手指旋转导槽盘、旋转驱动块、双螺纹传动杆；

旋转平台设有均匀布置的圆弧导槽，旋转平台主轴与驱动电机输出轴同轴且相对位置固定，旋转平台主轴穿过旋转平台并与旋转平台固定连接，旋转驱动块与旋转平台的圆弧导槽形成槽连接，双螺纹传动杆设有间隔分布螺纹，双螺纹传动杆上段螺纹能够与旋转平台主轴形成螺纹副连接；驱动电机带动双螺纹传动杆转动，使得双螺纹传动杆上段螺纹完全旋入旋转平台主轴，通过旋转平台主轴带动旋转平台转动，带动手指旋转滑动块朝向或者远离旋转平台圆心方向运动，使得手指向中心收缩或者远离中心运动；其中，双螺纹传动杆上段螺纹和下段螺纹的螺纹升角、螺纹旋向均不同。

所述的旋转平台为圆盘状，均匀设有n组圆弧导槽，每组圆弧导槽包括第一圆弧导槽、第二圆弧导槽，旋转驱动块与旋转平台的第一圆弧导槽形成槽连接，其中，n为机器人手指数目。

所述的手指抓取范围调整装置还包括手指旋转导槽盘，手指旋转滑动块能够在手指旋转导槽盘槽内滑动。

所述的手指旋转导槽盘均匀设置n组工形导槽，手指旋转滑动块为工形结构。

所述的手指抓紧张开装置包括升降平台、手指张合推动杆、升降平台主轴、保持弹簧、导向杆；

升降平台包括均匀分布的分叉组，手指张合推动杆设有横向滑动槽，双螺纹传动杆下段螺纹与升降平台主轴形成螺纹副连接，旋转平台主轴穿过升降平台中心，并与升降平台滑动连接，手指张合推动杆穿过手指旋转滑动块并形成滑动连接，手指张合推动杆一端与升降平台分叉滑动连接，另一端通过横向滑槽与手指张合铰链槽连接，保持弹簧套入导向杆，一端与驱动电机固定连接，使得驱动电机能够沿导向杆轴向运动；驱动电机带动双螺纹传动杆旋转，直至完全旋出旋转平台主轴，驱动电机继续带动双螺纹传动杆转动使得双螺纹传动杆下段螺纹完全旋入升降平台主轴，保持弹簧压紧使得双螺纹传动杆不再向下运动，带动升降平台主轴、升降平台向上运动，使得手指张合推动杆向上运动，完成手指抓紧，驱动电机通过双螺纹传动杆带动升降平台主轴、升降平台向下运动，使得手指张合推动杆向下运动，完成手指松开。

还包括末端执行器连接法兰底座、末端执行器本体外壳；末端执行器连接法兰底座与保持弹簧另一端、导向杆、末端执行器本体外壳固定连接，末端执行器连接法兰底座底面接机器人末端的法兰。

所述的手指抓紧张开装置还包括直线轴承，直线轴承包括滑动部、固定部；直线轴承滑动部与升降平台滑动连接，固定部与末端执行器本体外壳固定连接。

还包括电磁抱闸，电磁抱闸通过失电使得旋转平台主轴不能转动。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过单个电机带动双螺纹传动杆完成末端执行器的聚拢散开和抓紧松开两种动作，解决了现有的末端执行器抓取物体直径单一，结构复杂的问题；

(2)本发明单个电机带动双螺纹传动杆，简化了机器人末端执行器的传动系统的机构和结构，降低了末端执行器的重量，提高了末端执行器的负载自重比；

(3)本发明采用手指旋转导槽盘和转转平台的结构，实现多根手指的同步运动，解决了机器人末端执行器的多根手指在运动中的不同步问题；

(4)本发明在旋转平台上均布有若干半圆弧手指导槽，使手指在运动时既能同步运动，又能使手指根部运动中的驱动力最大，解决了机器人末端执行器抓取物体时效率不高的问题；

(5)本发明在驱动手指抓紧与松开的升降平台上增加了直线导轨，使手指的运动更加平稳柔顺，解决了机器人末端执行器在抓取物体时可能出线的卡死现象。

附图说明

图1为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器整体视图；

图2为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中电机视图；

图3为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中双螺纹传动杆视图；

图4为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中驱动轴视图；

图5为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指旋转视图；

图6为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中旋转平台和旋转平台主轴视图；

图7为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指张合推动杆视图；

图8为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中旋转平台视图；

图9为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指旋转导槽盘视图；

图10(a)为末端执行器手指抓紧状态视图；

图10(b)为末端执行器手指松开状态视图；

图11(a)为末端执行器手指聚拢状态视图；

图11(b)为末端执行器手指扩张状态视图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器及方法，通过单个电机带动双螺纹传动杆完成末端执行器的聚拢散开和抓紧松开两种动作，解决了现有的末端执行器抓取物体直径单一，结构复杂的问题，具有单个电机实现两个维度运动，驱动系统简单，用一个末端执行器实现了抓取直径变化范围很大的目标物的优点，下面结合附图对本发明进行更详细的解释和说明。

如图1所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器整体视图；如图2所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中电机视图；如图3所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中双螺纹传动杆视图；如图4所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中驱动轴视图；如图5所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指旋转视图；如图6所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中旋转平台和旋转平台主轴视图；如图7所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指张合推动杆视图；如图8所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中旋转平台视图；如图9所示为一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器中手指旋转导槽盘视图；如图10(a)所示为末端执行器手指抓紧状态视图；如图10(b)所示为末端执行器手指松开状态视图；如图11(a)所示为末端执行器手指聚拢状态视图；如图11(b)所示为末端执行器手指扩张状态视图。

一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，包括末端执行器连接法兰底座1、末端执行器本体外壳2、结构功能完全相同的手指3、手指4、手指5、旋转平台主轴6、直线轴承7、驱动电机8、旋转驱动块9、旋转平台10、升降平台11、手指张合推动杆12、手指旋转导槽盘13、手指旋转滑动块14、手指张合铰链15、双螺纹传动杆16、升降平台主轴17、保持弹簧18、导向杆19、电磁抱闸20。

旋转平台10为圆盘，圆盘上均匀设有n组圆弧导槽，每组圆弧导槽包括第一圆弧导槽、第二圆弧导槽；升降平台11包括均匀分布的n个分叉组，一个分叉设有通孔；手指张合推动杆12为设有横向滑动槽的杆；手指旋转导槽盘13为中心设有通孔的圆盘，圆盘均匀设置n组工形导槽；手指旋转滑动块14为工形结构；直线轴承7包括滑动部、固定部，手指张合铰链15与手指尾部固定连接，双螺纹传动杆16设有间隔分布的螺纹，上段螺纹和下段螺纹的螺纹升角、螺纹旋向均不同。

旋转驱动块9与手指3尾部固定连接，末端执行器连接法兰底座1底面接机器人末端的法兰，旋转平台主轴6穿过旋转平台10、升降平台11中心，与旋转平台10固定连接、升降平台11滑动连接，直线轴承7滑动部与升降平台11连接，固定部与末端执行器本体外壳2固定连接，旋转驱动块9底部固定在手指旋转滑动块14上，并与旋转平台10的第一圆弧导槽形成槽连接结构，手指张合推动杆12穿过手指旋转滑动块14并与手指旋转滑动块14形成滑动连接，手指旋转滑动块14在手指旋转导槽盘13工形槽内滑动，手指旋转导槽盘13外边缘与末端执行器本体外壳2固定连接，手指张合推动杆12一端与升降平台11分叉滑动连接，使手指张合推动杆12能在升降平台11分叉纵向滑动，另一端通过横向滑槽与手指张合铰链15槽连接。

双螺纹传动杆16轴端与驱动电机8输出轴固定连接并与驱动电机8的输出轴同轴，双螺纹传动杆16下段螺纹与升降平台主轴17形成螺纹副连接，上段螺纹与旋转平台主轴6形成螺纹副连接。双螺纹传动杆16处于零位时，两种螺纹副均处于脱离状态，向上转动时，与旋转平台主轴6形成螺纹副连接，向下转动时，与升降平台主轴17形成螺纹副连接。当电磁抱闸20失电时，旋转平台主轴6不能转动，当电磁抱闸20上电时，旋转平台主轴6可以进行转动。升降平台主轴17与升降平台11的一个分叉螺纹副连接，保持弹簧18套入导向杆19，导向杆19固定设置在末端执行器连接法兰底座1上，保持弹簧一端与末端执行器连接法兰底座1固定连接，保持弹簧另一端与驱动电机8固定连接，使得驱动电机8能够沿导向杆19轴向运动。

驱动电机8带动双螺纹传动杆16旋转正向，双螺纹传动杆16上段螺纹完全旋入旋转平台主轴6，通过旋转平台主轴6带动旋转平台正向转动，带动手指旋转滑动块14向旋转平台圆心方向滑动，使得手指向中心收缩；通过电磁抱闸20失电，使得旋转平台主轴6相对末端执行器本体外壳2不再运动，通过电磁抱闸20上电，使得旋转平台主轴6相对末端执行器本体外壳2继续运动，驱动电机8带动双螺纹传动杆16逆向旋转，通过旋转平台主轴6带动旋转平台逆向转动，带动手指旋转滑动块14远离旋转平台圆心方向滑动，使得手指远离中心运动。

通过电磁抱闸20失电，使得旋转平台主轴6相对末端执行器本体外壳2不再运动，手指相对末端执行器本体外壳2不再运动，驱动电机8带动双螺纹传动杆16逆向旋转，使得双螺纹传动杆16完全旋出旋转平台主轴6，保持弹簧压紧，双螺纹传动杆16不再向下运动，驱动电机8带动双螺纹传动杆16逆向旋转，带动升降平台主轴17向上运动，进而带动升降平台11向上运动，使得手指张合推动杆12向上运动，使得手指抓紧；驱动电机8带动双螺纹传动杆16正向旋转，升降平台主轴17向下运动，带动升降平台11向下运动，使得手指张合推动杆12向下运动，使得手指松开。

综上所述，本发明实现了一个电机驱动实现机器人末端执行器的靠近-张开-抓取-收回的动作，同时简化了末端执行器的结构，减轻了本体重量，与现有技术相比，不用更换末端执行器能够抓取不同体积的物体。

本发明一根螺杆上布置两段螺纹，间隔分布，采用不同的螺纹升角和螺纹旋向，在机构约束作用下，实现伸出-张开-闭合-收缩的抓取流程。多个手指的分布直径可以变化，以适应抓取不同直径的目标物。末端执行器连接法兰底座1的底面连接机器人末端的法兰，顶面用于安装末端执行器的外壳，电机，和其他固定的零部件。末端执行器本体外壳2固定在末端执行器连接法兰底座上，同时用于安装其他零部件，是整个末端执行器的主体。驱动电机8，安装在末端执行器连接法兰底座上，它可以在导向杆19上面移动。导向杆19设有保持弹簧18，保持弹簧18的作用是在两段螺纹都在脱离啮合状态的情况下，能够随时和上段螺纹、下段螺纹啮合。双螺纹传动杆16正向旋转，上段螺纹完全旋入旋转平台主轴6，旋转平台主轴6和旋转平台10固连，驱动电机8继续正向转动，由于螺纹部分已经完全旋入，所以会带着旋转平台主轴6和旋转平台10一起正向转动，使得手指同步向中心收缩，当手指收缩到一定角度后，电机停止。旋转平台主轴6上安装电磁抱闸20，电磁抱闸20松开时，电机反转，旋转平台10会随着一起旋转；电磁抱闸20抱紧，旋转平台10保持位置不动，双螺纹传动杆16从旋转平台主轴6中脱离，在完全脱开啮合时，电机8继续反向转动，双螺纹传动杆16和升降平台主轴17开始啮合，由于此时电机上保持弹簧18已经达到最大压缩量，不能再往下走，所以在螺纹副的作用下，升降平台主轴17会向上平移移动。在升降平台11移动到目标位置后，电机正转，升降平台会向下移动。

本发明中旋转平台10开有数量为n(n为机器人手指数量)的圆弧导槽组合，导槽的圆心组成一个等边n角形，等边n角形的中心和旋转平台的中心重合，圆弧导槽可以实现手指根部滑动部位在进行滑动摩擦时的摩擦力最小。

旋转驱动块9只能在旋转平台10的导槽内进行横向运动，带动手指横向运动。手指张合推动杆12和升降平台11之间的连接关系同手指旋转滑动块和升降平台的连接关系，同为导槽滑动连接，因此在升降平台11进行上下运动时，带动手指张合推动杆12做上下运动。手指张合推动杆12和手指张合铰链是导槽连接，在手指张合推动杆12在上下运动时，带动手指张合铰链转动，从而实现手指部分的张合。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，其特征在于包括至少2个机器人手指、手指抓取范围调整装置、手指抓紧张开装置；手指抓取范围调整装置控制机器人手指横向移动，调节机器人手指的抓取范围，手指抓紧张开装置控制机器人手指纵向移动，令机器人手指抓紧或者张开；

所述的手指抓取范围调整装置包括旋转平台主轴(6)、驱动电机(8)、旋转平台(10)、手指旋转导槽盘(13)、旋转驱动块(9)、双螺纹传动杆(16)；

旋转平台(10)设有均匀布置的圆弧导槽，旋转平台主轴(6)与驱动电机(8)输出轴同轴且相对位置固定，旋转平台主轴(6)穿过旋转平台(10)并与旋转平台(10)固定连接，旋转驱动块(9)与旋转平台(10)的圆弧导槽形成槽连接，双螺纹传动杆(16)设有间隔分布螺纹，双螺纹传动杆(16)上段螺纹能够与旋转平台主轴(6)形成螺纹副连接；驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)转动，使得双螺纹传动杆(16)上段螺纹完全旋入旋转平台主轴(6)，通过旋转平台主轴(6)带动旋转平台(10)转动，带动手指旋转滑动块(14)朝向或者远离旋转平台(10)圆心方向运动，使得手指向中心收缩或者远离中心运动；其中，双螺纹传动杆(16)上段螺纹和下段螺纹的螺纹升角、螺纹旋向均不同；

所述的手指抓紧张开装置包括升降平台(11)、手指张合推动杆(12)、升降平台主轴(17)、保持弹簧(18)、导向杆(19)；

升降平台(11)包括均匀分布的分叉组，手指张合推动杆(12)设有横向滑动槽，双螺纹传动杆(16)下段螺纹与升降平台主轴(17)形成螺纹副连接，旋转平台主轴(6)穿过升降平台(11)中心，并与升降平台(11)滑动连接，手指张合推动杆(12)穿过手指旋转滑动块(14)并形成滑动连接，手指张合推动杆(12)一端与升降平台(11)分叉滑动连接，另一端通过横向滑槽与手指张合铰链(15)槽连接，保持弹簧(18)套入导向杆(19)，一端与驱动电机(8)固定连接，使得驱动电机(8)能够沿导向杆(19)轴向运动；驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)旋转，直至完全旋出旋转平台主轴(6)，驱动电机(8)继续带动双螺纹传动杆(16)转动使得双螺纹传动杆(16)下段螺纹完全旋入升降平台主轴(17)，保持弹簧(18)压紧使得双螺纹传动杆(16)不再向下运动，带动升降平台主轴(17)、升降平台(11)向上运动，使得手指张合推动杆(12)向上运动，完成手指抓紧，驱动电机(8)通过双螺纹传动杆(16)带动升降平台主轴(17)、升降平台(11)向下运动，使得手指张合推动杆(12)向下运动，完成手指松开；

末端执行器还包括末端执行器连接法兰底座(1)、末端执行器本体外壳(2)；末端执行器连接法兰底座(1)与保持弹簧(18)另一端、导向杆(19)、末端执行器本体外壳(2)固定连接，末端执行器连接法兰底座(1)底面接机器人末端的法兰；

所述的手指抓紧张开装置还包括直线轴承(7)，直线轴承(7)包括滑动部、固定部；直线轴承(7)滑动部与升降平台(11)滑动连接，固定部与末端执行器本体外壳(2)固定连接；手指抓紧张开装置还包括电磁抱闸(20)，电磁抱闸(20)通过失电使得旋转平台主轴(6)不能转动；

手指抓紧和张开的控制方法如下：

驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)旋转正向，双螺纹传动杆(16)上段螺纹完全旋入旋转平台主轴(6)，通过旋转平台主轴(6)带动旋转平台正向转动，带动手指旋转滑动块(14)向旋转平台圆心方向滑动，使得手指向中心收缩；通过电磁抱闸(20)失电，使得旋转平台主轴(6)相对末端执行器本体外壳(2)不再运动，通过电磁抱闸(20)上电，使得旋转平台主轴(6)相对末端执行器本体外壳(2)继续运动，驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)逆向旋转，通过旋转平台主轴(6)带动旋转平台逆向转动，带动手指旋转滑动块(14)远离旋转平台圆心方向滑动，使得手指远离中心运动；

通过电磁抱闸(20)失电，使得旋转平台主轴(6)相对末端执行器本体外壳(2)不再运动，手指相对末端执行器本体外壳(2)不再运动，驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)逆向旋转，使得双螺纹传动杆(16)完全旋出旋转平台主轴(6)，保持弹簧(18)压紧，双螺纹传动杆(16)不再向下运动，驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)逆向旋转，带动升降平台主轴(17)向上运动，进而带动升降平台(11)向上运动，使得手指张合推动杆(12)向上运动，使得手指抓紧；驱动电机(8)带动双螺纹传动杆(16)正向旋转，升降平台主轴(17)向下运动，带动升降平台(11)向下运动，使得手指张合推动杆(12)向下运动，使得手指松开；

保持弹簧(18)在两段螺纹都在脱离啮合状态的情况下，能够随时和上段螺纹、下段螺纹啮合；双螺纹传动杆(16)正向旋转，上段螺纹完全旋入旋转平台主轴(6)，旋转平台主轴(6)和旋转平台(10)固连，驱动电机(8)继续正向转动，由于螺纹部分已经完全旋入，所以会带着旋转平台主轴(6)和旋转平台(10)一起正向转动，使得手指同步向中心收缩，当手指收缩到一定角度后，电机停止；

旋转平台主轴(6)上安装电磁抱闸(20)，电磁抱闸(20)松开时，电机反转，旋转平台(10)会随着一起反转；电磁抱闸(20)抱紧，旋转平台(10)保持位置不动，双螺纹传动杆(16)从旋转平台主轴(6)中脱离，在完全脱开啮合时，电机(8)继续反向转动，双螺纹传动杆(16)和升降平台主轴(17)开始啮合，由于此时电机上保持弹簧(18)已经达到最大压缩量，不能再往下走，所以在螺纹副的作用下，升降平台主轴(17)会向上平移移动；在升降平台(11)移动到目标位置后，电机正转，升降平台会向下移动。

2.根据权利要求1所述的一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，其特征在于：所述的旋转平台(10)为圆盘状，均匀设有n组圆弧导槽，每组圆弧导槽包括第一圆弧导槽、第二圆弧导槽，旋转驱动块(9)与旋转平台(10)的第一圆弧导槽形成槽连接，其中，n为机器人手指数目。

3.根据权利要求2所述的一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，其特征在于：所述的手指抓取范围调整装置还包括手指旋转导槽盘(13)，手指旋转滑动块(14)能够在手指旋转导槽盘(13)槽内滑动。

4.根据权利要求3所述的一种单电机驱动的双螺纹欠驱动多指机器人末端执行器，其特征在于：所述的手指旋转导槽盘(13)均匀设置n组工形导槽，手指旋转滑动块(14)为工形结构。

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