CN107984491B - 一种自动化机械夹爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械自动化技术领域，尤其是一种自动化机械夹爪。它包括关节臂总成和夹爪总成；关节臂总成包括偏心耦合装置、底盘旋转驱动器、前级关节旋转驱动器、上臂支撑装置、后级关节旋转驱动器、下臂支撑装置、腕部旋转驱动器、指部旋转驱动器、腕部支撑装置和夹爪固定装置，夹爪总成装设于夹爪固定装置的尾端；偏心耦合装置包括偏心轮摆和耦合承重臂。本发明利用设置的多个不同位置及不同方向的旋转驱动器可有效增加夹爪的作业半径；以耦合承重臂作为下臂支撑装置的辅助加强臂，并利用相应的偏心分布方式以及轴转连接关系可对前级关节旋转驱动器和腕部旋转驱动器形成牵制，从而有效地增强下臂支撑装置以及位于下臂支撑装置的尾端侧的相关部件的载重能力。

Description

一种自动化机械夹爪

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，尤其是一种自动化机械夹爪。

背景技术

周知，机械夹爪(又可称为机械手)是一种能够模仿人的手部和臂部的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置；由于其可以通过编程的上位机的控制来完成各种预期的作业，替代人的繁重劳动来实现生产的机械化和自动化，并且能够在有害环境下进行操作，因而被广泛地应用于诸如机械制造、冶金、电子、轻工等诸多领域内。现有的机械夹爪种类繁多，但大多数的机械夹爪由于结构设计的不甚合理，导致其普遍存在结构复杂、作业半径小、载重能力弱、平衡性差、动作不灵活等诸多缺陷。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种自动化机械夹爪。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自动化机械夹爪，它包括关节臂总成和装设于关节臂总成的尾端的夹爪总成；

所述关节臂总成包括一偏心耦合装置、一座设于机台上且旋转动力输出轴沿Y轴方向分布的底盘旋转驱动器、一首端装设于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的前级关节旋转驱动器的上臂支撑装置、一首端装设于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的后级关节旋转驱动器的下臂支撑装置、一主体装设于后级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上且旋转动力输出轴沿X轴方向分布的腕部旋转驱动器、一首端装设于腕部旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的指部旋转驱动器的腕部支撑装置以及一首端装设于指部旋转驱动器的旋转动力输出轴上的夹爪固定装置，所述夹爪总成装设于夹爪固定装置的尾端；

所述偏心耦合装置包括一套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上并相对于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴作旋转运动的偏心轮摆以及一首端与偏心轮摆轴转连接且整体与下臂支撑装置呈并行分布的耦合承重臂，所述耦合承重臂的尾端与腕部旋转驱动器的本体轴转连接；

所述上臂支撑装置包括两个相互间沿Z轴方向呈镜像分布的上支撑臂板以及两个相互间沿Z轴方向呈相对分布并位于两个上支撑臂板之间的重力补偿器，两个所述上支撑臂板的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上，前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴同时穿设于两个上支撑臂板的尾端，两个所述重力补偿器的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上、尾端分别套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上，且其中一个所述重力补偿器与两个上支撑臂板呈等距离分布，另一个所述重力补偿器邻近其中一个上支撑臂板分布。

优选地，所述底盘旋转驱动器包括固定于机台上的底盘、座设并固定于底盘上的第一步进马达以及套接并固定于第一步进马达的输出轴上的旋转盘，所述上臂支撑装置的首端座设并锁固于旋转盘上。

优选地，所述重力补偿器包括一与上支撑臂板呈并行分布的支撑板、至少一条沿重力补偿器的首尾方向装设于支撑板的其中一侧的侧壁上的导向滑轨、一锁固于支撑板的尾端并与导向滑轨位于支撑板的同一侧壁上的固定横梁、一与固定横梁呈并行分布的活动横梁、一由活动横梁的中部朝固定横梁所在方向作延伸后成型且侧壁面上开设有用于供导向滑轨对位嵌合的导向滑槽的导向滑板、两根与导向滑板呈并行分布且分别位于导向滑轨的两侧的重力阻尼弹簧以及一首端与导向滑板轴转连接、尾端套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上的旋转摆臂；两根所述重力阻尼弹簧的首端分别锁固于活动横梁上、尾端分别锁固于固定横梁上。

优选地，所述旋转摆臂包括上端摆臂和下端摆臂，所述上端摆臂包括一与导向滑板轴转连接的上端轴套以及一形成于上端轴套的周壁侧且整体呈“L”型的上衔接臂，所述下端摆臂包括一套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上的下端轴套以及一形成于下端轴套的周壁侧且整体呈“L”型的下衔接臂，所述上衔接臂与下衔接臂呈镜像分布并锁合为一体。

优选地，所述下臂支撑装置为一沿Z轴方向的横断面呈“U”形的板状结构体，所述偏心耦合装置位于下臂支撑装置的槽口侧；所述腕部支撑装置的整体呈“U”形，所述夹爪固定装置通过指部旋转驱动器穿设于腕部支撑装置内。

优选地，所述夹爪固定装置为一本体装设于指部旋转驱动器的旋转动力输出轴上的第二步进马达；所述夹爪总成包括一套装于夹爪固定装置的输出轴上的基座、一装设于基座内并与夹爪固定装置的输出轴呈同轴分布且输出轴为一螺杆结构的夹爪马达、一套装于夹爪马达的输出轴的螺纹套、两个相互间相对于螺纹套呈“八”字形分布于螺纹套的周侧并分别与螺纹套轴转连接的导向夹臂、两个相互间相对于基座呈“八”字形分布于基座的外侧且尾端分别与对应的导向夹臂轴转连接的承重夹臂，每个所述承重夹臂的尾端部同时与基座轴转连接。

优选地，每个所述承重夹臂的首端均装设有一夹座，所述夹座的内壁面的四个边角处均形成有一整体呈梯形棱台状的夹物凸起，四个所述夹物凸起之间形成有一“十”字形夹槽。

由于采用了上述方案，本发明利用设置的多个不同位置及不同方向的旋转驱动器可有效增加夹爪的作业半径；以耦合承重臂作为下臂支撑装置的辅助加强臂，并利用相应的偏心分布方式以及轴转连接关系可对前级关节旋转驱动器和腕部旋转驱动器形成牵制，从而有效地增强下臂支撑装置以及位于下臂支撑装置的尾端侧的相关部件的载重能力；其结构简单、动作灵活、作业半径大、承重能力强、平衡性高，具有很强的实用价值和市场推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例的主体部分的动作原理示意图；

图2是本发明实施例的结构装配示意图；

图3是本发明实施例的结构分解示意图；

图4是本发明实施例的重力补偿器的结构分解示意图；

图5是本发明实施例的夹爪总成的结构示意图；

图6是本发明实施例的夹爪总成的平面结构透视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图6所示，本实施例提供的一种自动化机械夹爪，它包括关节臂总成和装设于关节臂总成的尾端的夹爪总成；关节臂总成包括一偏心耦合装置a、一座设于机台(如类似于生产线的机台或工作台等固定承载物体)上且旋转动力输出轴沿Y轴方向分布的底盘旋转驱动器b、一首端装设于底盘旋转驱动器b的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的前级关节旋转驱动器c的上臂支撑装置d、一首端装设于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的后级关节旋转驱动器e的下臂支撑装置f、一主体装设于后级关节旋转驱动器f的旋转动力输出轴上且旋转动力输出轴沿X轴方向分布的腕部旋转驱动器g、一首端装设于腕部旋转驱动器g的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的指部旋转驱动器h的腕部支撑装置k以及一首端装设于指部旋转驱动器h的旋转动力输出轴上的夹爪固定装置m，夹爪总成则装设于夹爪固定装置m的尾端；其中，偏心耦合装置a包括一套接于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴上并相对于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴作旋转运动的偏心轮摆100以及一首端与偏心轮摆100轴转连接且整体与下臂支撑装置f呈并行分布的耦合承重臂101，耦合承重臂101的尾端与腕部旋转驱动器g的本体轴转连接。

由此，利用设置的多个不同位置及不同方向的旋转驱动器可有效增加整个机械夹爪的作业半径，即：利用底盘旋转驱动器b可带动机械夹爪的主体部分(即：上支撑臂装置d以及位于上支撑臂装置d的尾端侧的相关部件)同时以Y轴为旋转轴线作360度旋转运动，利用前级关节旋转驱动器c则可带动下支撑臂装置f连同位于下支撑臂装置f的尾端侧的相关部件同时相对于下支撑臂装置d以Z轴为旋转轴线在360度范围内作往复摆动旋转，利用后级关节旋转驱动器f可带动腕部旋转驱动器g连同位于腕部旋转驱动器g的动力输出端侧的相关部件同时相对于下支撑臂装置f以Z轴为旋转轴线在260度范围内作往复摆动旋转，利用腕部旋转驱动器g则可带动腕部支撑装置k连同位于腕部支撑装置k的尾端的相关部件以腕部旋转驱动器h的旋转动力输出轴为旋转轴线作360度旋转运动，而利用指部旋转驱动器h则可最终通过夹爪固定装置m带动夹爪总成完成最末级的运动效应，从而利用夹爪总成可在加到的作业半径范围内完成对工件的抓取及搬运等工作。与此同时，通过在下臂支撑装置f的并行侧设置耦合承重臂101并利用偏心轮摆100与前级关节旋转驱动器c之间的偏心及轴转连接关系和耦合承重臂101的尾端与腕部旋转驱动器g之间的轴转连接关系，不但可以使得耦合承重臂101作为一下臂支撑装置f的辅助加强臂来使用，而且利用相应的偏心分布方式以及轴转连接关系可对前级关节旋转驱动器c和腕部旋转驱动器g形成牵制，从而有效地增强下臂支撑装置f以及位于下臂支撑装置f的尾端侧的相关部件的载重能力，为整个夹爪对不同尺寸、不同重量的工件顺畅抓取和搬运提供有利条件。

作为一个优选方案，本实施例的底盘旋转驱动器b包括固定于机台上的底盘200、座设并固定于底盘200上的第一步进马达201以及套接并固定于第一步进马达201的输出轴上的旋转盘202，而上臂支撑装置d的首端则座设并锁固于旋转盘202上。由此，利用底盘200可实现对整个底盘旋转驱动器b乃至整个夹爪的装配位置的固定，利用第一步进马达201则可通过旋转盘202来机械夹爪的主体部分以Y轴为旋转轴线作360度旋转运动。

由于整个夹爪在工作时，因上臂支撑装置d的末端侧的相关部件的载重量较大，使得其在相对于下支撑臂装置d以Z轴为旋转轴线在360度范围内作往复摆动旋转的过程中往往会对上臂支撑装置d乃至底盘旋转驱动器b产生明显的冲击力，从而很容易对整个夹爪的平衡能力造成不利影响，鉴于此，作为一个优选方案，本实施例的上臂支撑装置d包括两个相互间沿Z轴方向呈镜像分布的上支撑臂板300以及两个相互间沿Z轴方向呈相对分布并位于两个上支撑臂板300之间的重力补偿器301，两个上支撑臂板300的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器b的旋转动力输出轴上(具体为旋转盘202上)，前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴同时穿设于两个上支撑臂板300的尾端，两个重力补偿器301的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器b的旋转动力输出轴上(具体为旋转盘202上)、尾端分别套接于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴上，且其中一个重力补偿器301与两个上支撑臂板300呈等距离分布，而另一个重力补偿器301则邻近其中一个上支撑臂板300分布，从而使得相关部件呈现如下排布方式：即一块上支撑臂板300、偏心轮摆100、一个重力补偿器301、另一个重力补偿器301和另一块上支撑臂板300。由此，当下臂支撑装置f带动相关部件与上臂支撑装置d的长度方向出现偏差时(即：下臂支撑装置f带动相关部件作顺时针摆动或逆时针摆动时，其重心会偏离上臂支撑装置d)，此时利用重力补偿器f可对下臂支撑装置f及其联动部件产生缓冲效应，从而不但可以消除重力因素的影响以避免对上臂支撑装置d及其首端侧的相关部件造成冲击，而且能够有效保护前级关节旋转驱动器c，进而增强夹爪在运动的过程中的平衡性。

为最大限度地优化整个重力补偿器301的结构及性能，本实施例的重力补偿器301包括一与上支撑臂板300呈并行分布的支撑板302、至少一条沿重力补偿器的首尾方向装设于支撑板302的其中一侧的侧壁上的导向滑轨303、一锁固于支撑板302的尾端并与导向滑轨303位于支撑板302的同一侧壁上的固定横梁304、一与固定横梁304呈并行分布的活动横梁305、一由活动横梁305的中部朝固定横梁304所在方向作延伸后成型且侧壁面上开设有用于供导向滑轨303对位嵌合的导向滑槽的导向滑板306、两根与导向滑板306呈并行分布且分别位于导向滑轨303的两侧的重力阻尼弹簧307以及一首端与导向滑板306轴转连接、尾端套接于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴上的旋转摆臂308；两根重力阻尼弹簧307的首端分别锁固于活动横梁305上、尾端分别锁固于固定横梁304上。由此，当前级关节旋转驱动器c驱动下臂支撑装置f带动相关部件进行摆动时，可利用前级关节旋转驱动器c与旋转摆臂308的轴转关系同步带动导向滑板306相对于支撑板302以导向滑轨303的布置方向进行移动，从而使得重力阻尼弹簧307处于拉伸状态(此时活动横梁305远离固定横梁304)以便在此过程中起到消除冲击力的效果，反之，在重力阻尼弹簧307进行复位时，由于阻尼力的存在则可对前级关节旋转驱动器c形成牵制，从而保证相关运动部件的运动的平稳性。

为便于对重力补偿器301进行快速的拆装，本实施例的旋转摆臂308包括相对耦合为一体的上端摆臂和下端摆臂，即：上端摆臂包括一与导向滑板306轴转连接的上端轴套3081以及一形成于上端轴套3081的周壁侧且整体呈“L”型的上衔接臂3082，下端摆臂则包括一套接于前级关节旋转驱动器c的旋转动力输出轴上的下端轴套3083以及一形成于下端轴套3083的周壁侧且整体呈“L”型的下衔接臂3084，上衔接臂3082与下衔接臂3084呈镜像分布并锁合为一体。由此，通过将旋转摆臂308设置为分体拼装式结构，可便于将重力补偿器301快速地装配于夹爪本体上或者从夹爪本体上快速地拆卸。

为最大限度地优化整个夹爪的结构，本实施例的下臂支撑装置f为一沿Z轴方向的横断面呈“U”形的板状结构体，偏心耦合装置a位于下臂支撑装置f的槽口侧；腕部支撑装置k的整体呈“U”形，夹爪固定装置m通过指部旋转驱动器h穿设于腕部支撑装置k内，从而可使得夹爪固定装置m能够带动夹爪总成在腕部支撑装置k内以Z轴为旋转轴线在180度范围内作往复摆动运动。

为增强整个夹爪总成对工件的抓取及搬运能力，本实施的夹爪固定装置m为一本体装设于指部旋转驱动器h的旋转动力输出轴上的第二步进马达；夹爪总成则包括一套装于夹爪固定装置m的输出轴上的基座400、一装设于基座400内并与夹爪固定装置m的输出轴呈同轴分布且输出轴为一螺杆结构的夹爪马达401、一套装于夹爪马达401的输出轴的螺纹套402、两个相互间相对于螺纹套402呈“八”字形分布于螺纹套402的周侧并分别与螺纹套402轴转连接的导向夹臂403、两个相互间相对于基座400呈“八”字形分布于基座400的外侧且尾端分别与对应的导向夹臂403轴转连接的承重夹臂404，每个承重夹臂404的尾端部同时与基座400轴转连接。由此，夹爪固定装置m可通过基座400带动夹爪总成的主体以夹爪固定装置m的输出轴为旋转轴线作360度的往复旋转运动，利用夹爪马达401的输出轴与螺纹套402之间的螺纹套接关系可使螺纹套402能够在夹爪马达401的输出轴上进行移动，而在螺纹套402的移动过程中可同步带动两个导向夹臂403进行相对闭合或分开，进而使得两个承重夹臂404的首端进行相对分开或闭合(可以理解为：两个导向夹臂403与两个承重夹臂404之间总体上呈“M”分布形式)，从而实现对工件的抓取搬运或松开放置。

为增强承重夹臂404的夹持力，本实施例的每个承重夹臂404的首端均装设有一夹座405，在夹座405的内壁面的四个边角处均形成有一整体呈梯形棱台状的夹物凸起406，四个夹物凸起406之间形成有一“十”字形夹槽407。由此，利用夹物凸起406与夹槽407的配合可增加夹座405与工件表面之间的接触点，从而增强其与工件之间的摩擦力以保证对工件的夹持效果，同时也可适用于对不同形状(如圆形、方形等等)的工件。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种自动化机械夹爪，它包括关节臂总成和装设于关节臂总成的尾端的夹爪总成；其特征在于：

所述关节臂总成包括一偏心耦合装置、一座设于机台上且旋转动力输出轴沿Y轴方向分布的底盘旋转驱动器、一首端装设于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的前级关节旋转驱动器的上臂支撑装置、一首端装设于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的后级关节旋转驱动器的下臂支撑装置、一主体装设于后级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上且旋转动力输出轴沿X轴方向分布的腕部旋转驱动器、一首端装设于腕部旋转驱动器的旋转动力输出轴上且尾端装设有一旋转动力输出轴沿Z轴方向分布的指部旋转驱动器的腕部支撑装置以及一首端装设于指部旋转驱动器的旋转动力输出轴上的夹爪固定装置，所述夹爪总成装设于夹爪固定装置的尾端；

所述偏心耦合装置包括一套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上并相对于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴作旋转运动的偏心轮摆以及一首端与偏心轮摆轴转连接且整体与下臂支撑装置呈并行分布的耦合承重臂，所述耦合承重臂的尾端与腕部旋转驱动器的本体轴转连接；

所述上臂支撑装置包括两个相互间沿Z轴方向呈镜像分布的上支撑臂板以及两个相互间沿Z轴方向呈相对分布并位于两个上支撑臂板之间的重力补偿器，两个所述上支撑臂板的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上，前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴同时穿设于两个上支撑臂板的尾端，两个所述重力补偿器的首端分别座设并锁固于底盘旋转驱动器的旋转动力输出轴上、尾端分别套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上，且其中一个所述重力补偿器与两个上支撑臂板呈等距离分布，另一个所述重力补偿器邻近其中一个上支撑臂板分布。

2.如权利要求1所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：所述底盘旋转驱动器包括固定于机台上的底盘、座设并固定于底盘上的第一步进马达以及套接并固定于第一步进马达的输出轴上的旋转盘，所述上臂支撑装置的首端座设并锁固于旋转盘上。

3.如权利要求1所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：所述重力补偿器包括一与上支撑臂板呈并行分布的支撑板、至少一条沿重力补偿器的首尾方向装设于支撑板的其中一侧的侧壁上的导向滑轨、一锁固于支撑板的尾端并与导向滑轨位于支撑板的同一侧壁上的固定横梁、一与固定横梁呈并行分布的活动横梁、一由活动横梁的中部朝固定横梁所在方向作延伸后成型且侧壁面上开设有用于供导向滑轨对位嵌合的导向滑槽的导向滑板、两根与导向滑板呈并行分布且分别位于导向滑轨的两侧的重力阻尼弹簧以及一首端与导向滑板轴转连接、尾端套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上的旋转摆臂；两根所述重力阻尼弹簧的首端分别锁固于活动横梁上、尾端分别锁固于固定横梁上。

4.如权利要求3所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：所述旋转摆臂包括上端摆臂和下端摆臂，所述上端摆臂包括一与导向滑板轴转连接的上端轴套以及一形成于上端轴套的周壁侧且整体呈“L”型的上衔接臂，所述下端摆臂包括一套接于前级关节旋转驱动器的旋转动力输出轴上的下端轴套以及一形成于下端轴套的周壁侧且整体呈“L”型的下衔接臂，所述上衔接臂与下衔接臂呈镜像分布并锁合为一体。

5.如权利要求1所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：所述下臂支撑装置为一沿Z轴方向的横断面呈“U”形的板状结构体，所述偏心耦合装置位于下臂支撑装置的槽口侧；所述腕部支撑装置的整体呈“U”形，所述夹爪固定装置通过指部旋转驱动器穿设于腕部支撑装置内。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：所述夹爪固定装置为一本体装设于指部旋转驱动器的旋转动力输出轴上的第二步进马达；所述夹爪总成包括一套装于夹爪固定装置的输出轴上的基座、一装设于基座内并与夹爪固定装置的输出轴呈同轴分布且输出轴为一螺杆结构的夹爪马达、一套装于夹爪马达的输出轴的螺纹套、两个相互间相对于螺纹套呈“八”字形分布于螺纹套的周侧并分别与螺纹套轴转连接的导向夹臂、两个相互间相对于基座呈“八”字形分布于基座的外侧且尾端分别与对应的导向夹臂轴转连接的承重夹臂，每个所述承重夹臂的尾端部同时与基座轴转连接。

7.如权利要求6所述的一种自动化机械夹爪，其特征在于：每个所述承重夹臂的首端均装设有一夹座，所述夹座的内壁面的四个边角处均形成有一整体呈梯形棱台状的夹物凸起，四个所述夹物凸起之间形成有一“十”字形夹槽。