CN108621188A - 夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其包括手爪，与手爪的轴同轴设置的传动机构，与手爪的轴同轴设置的锁定机构，与传动机构配合并提供给手爪工作驱动力的动力机构，以及输送驱动力的动力回路；当手爪需要停止动作时，由锁定机构以及动力回路中的动力锁配合来完成对机械爪位置与夹紧力的双重锁定。本发明适用于夹紧力需要精确控制的场合，并且在驱动力释放后，由棘轮锁与手爪夹紧力锁定弹簧配合，以及液压回路中的液压锁和手爪夹紧力锁定弹簧配合来完成对机械爪位置与夹紧力的双重锁定，节约了能源并且提升自锁效果。在摆动马达、比例溢流阀与扭矩传感器的配合下，完成对输出夹紧力的精确控制，显著提升能源利用效率。

Description

夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪

技术领域

本发明属于机械爪领域，特别涉及一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪。

背景技术

随着机械自动化领域发展迅速，机械爪越来越多的代替人力进行重复性和危险性的工作。而机械爪的精确控制、安全稳定，节约能源一直是人们追求改进的方向。但现有的机械爪大多不能精确控制最大夹紧力，并且驱动力释放后，机械爪位置与夹紧力不能锁定或通过纯刚性的机械结构锁定效果不理想。如专利CN1864939A公开了一种带力反馈的机械手，可以设定夹取物体时所用力的大小，但对如何精确控制和自锁均未涉及；CN103753526A的机械手包括自锁式接触器，但是需要驱动电机的持续运转来保证自锁状态，浪费能源；CN107696026A提出了一种无源自锁的液压控制系统，虽然节省了能源，但需要额外设置感应部件和较复杂的锁定部件；CN207087904U考虑了机械手抓取的松紧度和突然断电的保持，通过机械抓手夹持段套设橡胶手套来缓冲，机械抓手连接磁体抓手指尖来保证断电仍然夹持，橡胶手套内侧设压力传感器监测夹持压力，但只能掌握不能精确控制夹紧力，锁定不持久。因此，新型夹紧力可精确控制的柔性自锁式机械爪的设计非常必要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，它主要解决现有机械爪不能精确控制最大夹紧力，以及驱动力释放后夹紧力不能保持或保持不理想的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其包括手爪，与所述手爪的轴同轴设置的传动机构，与所述手爪的轴同轴设置的锁定机构，与所述传动机构配合并提供给所述手爪工作驱动力的动力机构，以及输送驱动力的动力回路；当所述手爪需要停止动作时，由所述锁定机构以及所述动力回路中的动力锁配合来完成对机械爪位置与夹紧力的双重锁定。

优选的，所述传动机构包括左轴、右轴、主动齿轮输出轴、主动齿轮输出轴轴承、左轴第一轴承、左轴第二轴承、右轴第一轴承、右轴第二轴承、设置在所述左轴上的左第一齿轮和左第二齿轮、设置在所述右轴上的右第一齿轮、以及设置在所述主动齿轮输出轴上的主动齿轮；所述左轴和右轴平行安装在上盖板和下盖板之间，通过盖板紧固螺钉固定，所述左轴通过左轴第一轴承和左轴第二轴承垂直安装在上盖板和下盖板中的左轴承孔中，所述右轴通过右轴第一轴承和右轴第二轴承垂直安装在上盖板和下盖板中的右轴承孔中；所述主动齿轮输出轴上端通过第一联轴器与扭矩传感器固连，下端通过主动齿轮输出轴轴承垂直安装在下盖板的轴承孔中

优选的，所述手爪包括设置在左轴上的左手爪主体、固定在左手爪主体上的左手爪附件、设置在右轴上的右手爪主体、固定在右手爪主体上的右手爪附件、设置于左右手爪主体和左右手爪附件之间的手爪夹紧力锁定弹簧、以及固定左右手爪附件的固定螺钉。

优选的，所述左手爪主体通过左轴轴肩与左轴第三套筒轴向固定在左轴上，左第一齿轮通过左轴轴肩和左轴第二套筒轴向固定在左轴上，左第二齿轮通过左轴第二套筒和左轴第一套筒轴向固定在左轴上，左棘轮通过左轴第三套筒和左轴第四套筒轴向固定在左轴上，左手爪主体、左棘轮、左第一齿轮和左第二齿轮通过键周向固定在左轴上，左轴与左轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合；所述右手爪主体通过右轴轴肩与右轴第二套筒轴向固定在右轴上，右第一齿轮通过右轴轴肩和右轴第一套筒轴向固定在右轴上，右棘轮通过右轴第二套筒和右轴第三套筒轴向固定在右轴上，所述右手爪主体、右棘轮和右第一齿轮通过键周向固定在右轴上，右轴与右轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合；所述主动齿轮通过键周向固定在主动齿轮输出轴上并通过主动齿轮轴向固定阶梯式套筒和第一联轴器轴向固定在主动齿轮输出轴上，主动齿轮输出轴与主动齿轮输出轴轴承基孔制配合，主动齿轮输出轴轴承与轴承孔基轴制配合；主动齿轮与所述左第二齿轮啮合，所述左第一齿轮与所述右第一齿轮啮合。

优选的，还包括复位机构，所述复位机构包括右爪第一复位扭簧、右爪第二复位扭簧、左爪第一复位扭簧、左爪第二复位扭簧以及垂直焊接在下盖板左侧并与初始位置的左手爪主体线接触的手爪复位挡板，所述左爪第二复位扭簧和左爪第一复位扭簧的内支撑分别与设置在左轴两端的上下扭簧支撑槽间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的左轴扭簧支撑槽间隙配合；所述右爪第二复位扭簧和右爪第一复位扭簧的内支撑分别与设置在右轴两端的上下扭簧支撑槽间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的右轴扭簧支撑槽间隙配合。

优选的，所述手爪附件固定螺钉与左手爪附件上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧与手爪附件固定螺钉间隙配合并通过左手爪主体和左手爪附件轴向固定在左手爪主体和左手爪附件之间，左手爪主体与手爪附件固定螺钉光杆部分间隙配合并能相对滑动；所述手爪附件固定螺钉与右手爪附件上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧与手爪附件固定螺钉间隙配合并通过右手爪主体和右手爪附件轴向固定在右手爪主体和右手爪附件之间，右手爪主体与手爪附件固定螺钉光杆部分间隙配合并能相对滑动。

优选的，所述动力机构包括定量液压泵和摆动马达，摆动马达通过螺钉与上盖板固连，扭矩传感器通过第二联轴器与摆动马达输出轴固连。

优选的，所述锁定机构包括固定所述左轴上的左棘轮、固定在所述右轴上的右棘轮、以及锁定左右棘轮的棘轮锁，所述棘轮锁与对称布置在左轴和右轴上的左棘轮和右棘轮线接触，所述锁定机构还包括棘轮锁解锁缸、棘轮锁轴向复位弹簧、棘轮锁滑动轴和棘轮锁下端紧固螺母，棘轮锁滑动轴通过焊接固连在上盖板的左轴承孔和右轴承孔之间的中心位置处，棘轮锁与棘轮锁滑动轴间隙配合并通过棘轮锁轴向复位弹簧和棘轮锁下端紧固螺母进行轴向固定，棘轮锁解锁缸通过螺钉固连在上盖板的左轴承孔和右轴承孔的中心点连线的中垂线上，所述棘轮锁滑动轴开有扭簧滑道且下端有螺纹，棘轮锁周向复位扭簧安装在所述棘轮锁的扭簧槽中并与扭簧槽间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的外支撑与棘轮锁周向复位扭簧外支撑槽间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的内支撑与所述棘轮锁滑动轴的扭簧滑道间隙配合，棘轮锁复位扭簧挡块与棘轮锁复位扭簧挡块槽过盈配合，棘轮锁轴向复位弹簧位于棘轮锁滑动轴上方与棘轮锁滑动轴间隙配合，通过上盖板、棘轮锁和棘轮锁下端紧固螺母进行轴向固定，棘轮锁下端紧固螺母与棘轮锁滑动轴螺纹连接。

优选的，前端有滑槽的棘轮锁解锁缸活塞杆与所述棘轮锁解锁缸间隙配合，能在解锁缸活塞杆滑槽中滑动并不脱落的棘轮锁解锁滑圈与滑槽大间隙配合并能进行扭转，并能通过棘轮锁解锁滑圈调整螺钉调整与解锁缸活塞杆滑槽的配合程度，棘轮锁解锁滑圈调整螺钉与棘轮锁解锁滑圈的螺纹槽螺纹配合，第一棘轮锁解锁连杆和第二棘轮锁解锁连杆平行且相切的铰接在棘轮锁解锁滑圈和棘轮锁上。

优选的，动力回路为液压回路，包括摆动马达以及与摆动马达进油口和出油口分别相连的两个液控单向阀、比例溢流阀、压力传感器、溢流阀、第一二位四通电磁换向阀、第二二位四通电磁换向阀、定量液压泵、第一单向阀和第二单向阀，所述液压锁由两个液控单向阀并联组成；所述的液压回路中，定量液压泵通过工作管路和四通分别与第一二位四通电磁换向阀、第二二位四通电磁换向阀以及比例溢流阀连接，压力传感器通过三通连接在定量液压泵和比例溢流阀之间，第一二位四通电磁换向阀和液压锁的工作端通过工作管路连接并且和液压锁的控制端通过第一单向阀和控制管路连接，液压锁通过工作管路与摆动马达连接，溢流阀通过三通连接在摆动马达的供油油路上，起到过载保护的作用，第二二位四通电磁换向阀通过工作管路与解锁缸连接，第二单向阀通过三通和解锁缸与第二二位四通电磁换向阀之前的工作管路连接并且通过控制管路和三通与液压锁的控制端口连接，溢流阀通过三通连接在解锁缸的工作油路上。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明采用与手爪同轴设置的传动机构与锁定机构，提高了机械爪整体空间的利用效率。相比于现有的大部分机械爪，本发明创新性的采用机械锁定结构和液压锁定结构与弹簧的配合，来实现对机械爪位置和夹紧力的双重锁定，极大地提高了整个机械爪锁定系统的实用性和安全性，尤其是对于夹紧力较为精确和可靠的长时间锁定，进一步扩宽了机械爪的应用领域。

(2)本发明采用齿轮这一机械结构进行扭矩传导来设计自锁机械爪，使左右手爪运动的同步性得到提高，相比于链传动或丝杠传动，传动效率更高，承载能力更大。

(3)区别于传统整体式手爪，对手爪进行拆分式设计，并增加柔性弹簧机构，通过弹簧压缩后对能量的储存，手爪与棘轮锁和液压锁配合可以完成对夹紧力较为精确的冗余锁定，相对于纯刚性的力锁定机构有更加良好的力锁定效果，并且对被夹持物体有更好的保护作用。

(4)由于机械爪的回程阻力主要为摩擦阻力，远小于工作行程的阻力，所以使用成对配合的左右手爪复位扭簧和复位挡板的机械结构来使左右手爪回复到初始位置，相对于常用的方法——通过对摆动马达反向供油来使手爪回复初始位置，简化了液压系统的设计，节约了能源，并且手爪复位过程中，摆动马达两腔以及与两腔相连的管路中的油会流动，能够在复位过程中提供一定的粘滞阻力吸收一部分能量，使复位过程更加平稳。如果使用摆动马达反向供油来使机械爪复位，则需使用三位四通换向阀来代替二位四通换向阀，并且需要额外增加机械爪限位开关，本发明则使用了更简单的机械结构完成了机械爪的回程复位。

(5)本发明采用摆动马达这一液压元件作为驱动元件相较于大部分以电机作为驱动元件的机械爪，在同等重量下能实现更大的功率，并且比同为液压元件的液压缸体积更小，更为灵活，对于扭矩的传递效率更高。

(6)本发明使用棘轮锁与左右棘轮以及夹紧力锁定弹簧的配合完成对机械爪夹紧力和夹紧位置的第一重锁定，避免了可能存在的液压系统漏油后液压锁与夹紧力锁定弹簧配合失效导致机械爪位置和夹紧力锁不住的问题，提高了系统整体的安全性能。并且通过改变棘轮锁位置的方式来解除棘轮锁的锁定，没有使用传统的使棘轮锁旋转角度解锁的方式，主要是避免了本发明中棘轮锁顺时针旋转解锁可能和左棘轮发生的卡死现象，提高了系统整体的可靠性。

(7)本发明采用液压锁与手爪夹紧力锁定弹簧的配合来完成对机械爪夹紧力和夹紧位置的第二重锁定，弥补了棘轮锁与左右棘轮以及夹紧力锁定弹簧配合的第一重锁定不能很好的吸收夹紧力可能产生的冲击和振动的缺点，提高了整个锁定系统的稳定性和安全性。由于有液压锁的存在，机械爪在不工作时，即使处于任意姿态，也不会产生由于重力或其他原因使手爪产生转动的问题(忽略液压油的可压缩性)，即在没有动力供给的情况下也可以使机械爪在任意位姿保持初始位置，提高了本发明机械爪使用的灵活性。

(8)本发明适用于夹紧力需要精确控制的场合，并可根据物体重量和材质的不同提供不同的锁紧力。在摆动马达、比例溢流阀、扭矩传感器和泵的配合下，完成对输出夹紧力的精确控制，显著提升了能源利用效率。并且在驱动力释放后，由棘轮锁与手爪夹紧力锁定弹簧配合，以及液压回路中的液压锁和手爪夹紧力锁定弹簧配合，不需要驱动元件的持续工作，便可完成对机械爪位置和夹紧力的锁定，极大的节约了能源并且提升自锁效果。

附图说明

图1为本发明的整体示意图。

图2为本发明的第一角度示意图。

图3为本发明的第二角度示意图。

图4为本发明的第三角度示意图。

图5为本发明的第四角度示意图。

图6为本发明的整体爆炸视图。

图7a为棘轮锁俯视示意图。

图7b为棘轮锁剖面示意图。

图7c为棘轮锁局部放大示意图。

图8为棘轮锁解锁滑圈示意图。

图9a为棘轮锁解锁滑圈剖视图。

图9b为棘轮锁解锁滑圈俯视图。

图10为棘轮锁装配爆炸视图。

图11为棘轮锁与解锁缸连接示意图。

图12为棘轮锁与左棘轮和右棘轮配合示意图。

图13为左爪装配爆炸视图。

图14为右爪装配爆炸视图。

图15为右轴装配示意图。

图16为左轴装配示意图。

图17为控制液压回路示意图。

图18为控制过程示意图。

图中标记：1、左手爪主体，2、左手爪附件，3、右手爪附件，4、手爪夹紧力锁定弹簧，5、右手爪主体，6、上盖板，7、盖板紧固螺钉，8、下盖板，9、左棘轮，10、右棘轮，11、手爪附件固定螺钉，12、左第一齿轮，13、右第一齿轮，14、左第二齿轮，15、主动齿轮，16、棘轮锁，17、摆动马达，18、扭矩传感器，19、解锁缸，21、第一联轴器，22、第二联轴器，23、棘轮锁轴向复位弹簧，24、第一棘轮锁解锁连杆，25、第二棘轮锁解锁连杆，26、左轴，27、右轴，28、手爪复位挡板，29、右爪第一复位扭簧，30、右爪第二复位扭簧，31、左第一爪复位扭簧，32、左爪第二复位扭簧，33、右轴第一轴承，34、右轴第二轴承，35、左轴第一轴承，36、左轴第二轴承，37、棘轮锁周向复位扭簧，38、棘轮锁复位扭簧挡块，39、左轴第一套筒，40、左轴轴肩，41、左轴第二套筒，42、左轴第三套筒，43、左轴第四套筒，44、右轴第一套筒，45、右轴第二套筒，46、右轴第三套筒，47、右轴轴肩，48、棘轮锁解锁滑圈，49、棘轮锁下端紧固螺母，50、棘轮锁滑动轴，51、解锁缸活塞杆，53、棘轮锁解锁滑圈调整螺钉，54、比例溢流阀，55、压力传感器，56、液压锁，57、溢流阀，58、第一二位四通电磁换向阀，59、第二二位四通电磁换向阀，60、棘轮锁周向复位扭簧外支撑槽，61、棘轮锁复位扭簧挡块槽，62、棘轮锁解锁滑圈螺纹槽，63、解锁连杆与解锁滑圈铰接点，64、扭簧槽，65、解锁连杆与棘轮锁铰接点，66、定量液压泵，67、主动齿轮轴向固定阶梯式套筒，68、主动齿轮输出轴轴承，71、第一单向阀，72、第二单向阀，73、左轴两端的上下扭簧内支撑槽，74、右轴两端的上下扭簧内支撑槽，75、右轴扭簧外支撑槽，76、左轴扭簧外支撑槽。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-17所示，一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其包括手爪，与手爪的轴同轴设置的传动机构，与手爪的轴同轴设置的锁定机构，与传动机构配合并提供给手爪工作驱动力的动力机构，输送驱动力的动力回路以及复位机构；当手爪需要停止动作时，由锁定机构以及动力回路中的动力锁配合来完成对机械爪位置与夹紧力的双重锁定。

传动机构包括左轴26、右轴27、主动齿轮输出轴、主动齿轮输出轴轴承68、左轴第一轴承35、左轴第二轴承36、右轴第一轴承33、右轴第二轴承34、设置在左轴上的左第一齿轮12和左第二齿轮14、设置在右轴上的右第一齿轮13、以及设置在主动齿轮输出轴上的主动齿轮15；左轴26和右轴27平行安装在上盖板6和下盖板8之间，通过盖板紧固螺钉7固定，左轴26通过左轴第一轴承35和左轴第二轴36承垂直安装在上盖板6和下盖板8中的左轴承孔中，右轴27通过右轴第一轴承33和右轴第二轴承34垂直安装在上盖板6和下盖板8中的右轴承孔中；主动齿轮输出轴的上端通过第一联轴器21与扭矩传感器18固连，下端通过主动齿轮输出轴轴承68垂直安装在下盖板的轴承孔中。

手爪包括设置在左轴的左手爪主体1、固定在左手爪主体的左手爪附件2、设置在右轴的右手爪主体5、固定在右手爪主体的右手爪附件3、设置于左右手爪主体和左右手爪附件之间的手爪夹紧力锁定弹簧4、以及固定左右手爪附件的固定螺钉。左手爪主体1通过左轴轴肩40与左轴第三套筒轴42向固定在左轴26上，左第一齿轮12通过左轴轴肩40和左轴第二套筒41轴向固定在左轴26上，左第二齿轮14通过左轴第二套筒41和左轴第一套筒39轴向固定在左轴26上，左棘轮9通过左轴第三套筒42和左轴第四套筒43轴向固定在左轴26上，左手爪主体1、左棘轮9、左第一齿轮12和左第二齿轮14通过键周向固定在左轴26上，左轴26与左轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合，右手爪主体5通过右轴轴肩47与右轴第二套筒45轴向固定在右轴27上，右第一齿轮13通过右轴轴肩47和右轴第一套筒44轴向固定在右轴27上，右棘轮10通过右轴第二套筒45和右轴第三套筒46轴向固定在右轴27上，右手爪主体5、右棘轮10和右第一齿轮13通过键周向固定在右轴27上，右轴与右轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合；手爪附件固定螺钉11与左手爪附件2上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧4与手爪附件固定螺钉11间隙配合并通过左手爪主体1和左手爪附件2轴向固定在左手爪主体1和左手爪附件2之间，左手爪主体1与手爪附件固定螺钉11光杆部分间隙配合并能相对滑动，手爪附件固定螺钉11与右手爪附件3上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧4与手爪附件固定螺钉11间隙配合并通过右手爪主体5和右手爪附件3轴向固定在右手爪主体和右手爪附件之间，右手爪主体5与手爪附件固定螺钉11光杆部分间隙配合并可相对滑动；主动齿轮15通过键周向固定在主动齿轮输出轴52上并通过主动齿轮轴向固定阶梯式套筒67和第一联轴器21轴向固定在主动齿轮输出轴52上，主动齿轮输出轴52的下端通过主动齿轮输出轴轴承68垂直安装在下盖板8的轴承孔中，上端通过第一联轴器21与扭矩传感器18固连，主动齿轮15与左第二齿轮14啮合，所述左第一齿轮12与右第一齿轮13啮合。

复位机构包括右爪第一复位扭簧29、右爪第二复位扭簧30、左爪第一复位扭簧31、左爪第二复位扭簧32、以及垂直焊接在下盖板左侧并与初始位置的左手爪主体线接触的手爪复位挡板28，左爪第二复位扭簧32和左爪第一复位扭簧31的内支撑分别与设置在左轴两端的上下扭簧内支撑槽73间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的左轴扭簧外支撑槽76间隙配合。右爪第二复位扭簧30和右爪第一复位扭簧29的内支撑分别与设置在右轴两端的上下扭簧内支撑槽74间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的右轴扭簧外支撑槽75间隙配合。

动力机构包括定量液压泵6和摆动马达17，摆动马达17通过螺钉与上盖板6固连，扭矩传感器18通过第二联轴器22与摆动马达输出轴固连。

锁定机构包括固定在左轴上的左棘轮9、固定在右轴上的右棘轮10、以及可锁定左右棘轮的棘轮锁16，棘轮锁16与对称布置在左轴和右轴上的左棘轮和右棘轮线接触，锁定机构还包括棘轮锁解锁缸19、棘轮锁轴向复位弹簧23、棘轮锁滑动轴50和棘轮锁下端紧固螺母49，棘轮锁滑动轴50通过焊接固连在上盖板6的左轴承孔和右轴承孔之间的中心位置处，棘轮锁16与棘轮锁滑动轴50间隙配合并通过棘轮锁轴向复位弹簧23和棘轮锁下端紧固螺母49进行轴向固定，棘轮锁解锁缸19通过螺钉固连在上盖板6的左轴承孔和右轴承孔的中心点连线的中垂线上，棘轮锁滑动轴开有扭簧滑道且下端有螺纹，棘轮锁周向复位扭簧37安装在棘轮锁的扭簧槽中并与扭簧槽间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的外支撑与棘轮锁周向复位扭簧外支撑槽60间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的内支撑与棘轮锁滑动轴的扭簧滑道间隙配合，棘轮锁复位扭簧挡块38与棘轮锁复位扭簧挡块槽61过盈配合，棘轮锁轴向复位弹簧23位于棘轮锁滑动轴上方与棘轮锁滑动轴间隙配合，通过上盖板6、棘轮锁16和棘轮锁下端紧固螺母进行轴向固定，棘轮锁下端紧固螺母与棘轮锁滑动轴螺纹连接。前端有滑槽的棘轮锁解锁缸活塞杆与棘轮锁解锁缸间隙配合，可在解锁缸活塞杆滑槽中滑动并不脱落的棘轮锁解锁滑圈与滑槽大间隙配合并可有小角度扭转，扭转角度为±10°，并可通过棘轮锁解锁滑圈调整螺钉调整与解锁缸活塞杆滑槽的配合程度，棘轮锁解锁滑圈调整螺钉与棘轮锁解锁滑圈的螺纹槽螺纹配合，第一棘轮锁解锁连杆和第二棘轮锁解锁连杆平行且相切的铰接在棘轮锁解锁滑圈和棘轮锁16上。

动力回路为液压回路，包括控制摆动马达17进油口和出油口的两个液控单向阀56、比例溢流阀54、压力传感器55、溢流阀57、第一二位四通电磁换向阀58、第二二位四通电磁换向阀59、定量液压泵66、第一单向阀71和第二单向阀72，液压锁56由两个液控单向阀并联组成，在液压回路中，定量液压泵66通过工作管路和四通分别与第一二位四通电磁换向阀58、第二二位四通电磁换向阀59以及比例溢流阀54连接，压力传感器55通过三通连接在定量液压泵66和比例溢流阀54之间，第一二位四通电磁换向阀58和液压锁56的工作端通过工作管路连接并且和液压锁56的控制端通过第一单向阀71和控制管路连接，液压锁56通过工作管路与摆动马达17连接，溢流阀通过三通连接在摆动马达17的供油油路上，起到过载保护的作用，第二二位四通电磁换向阀59通过工作管路与解锁缸19连接，第二单向阀72通过三通和解锁缸19与第二二位四通电磁换向阀59之前的工作管路连接并且通过控制管路和三通与液压锁56的控制端口连接，溢流阀通过三通连接在解锁缸19的供油油路上。

如图13所示，左手爪附件2通过末端带有螺纹的手爪附件固定螺钉11与左手爪主体1连接，手爪附件固定螺钉11与左手爪附件2上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧4与手爪附件固定螺钉11间隙配合并通过左手爪主体1和左手爪附件2轴向固定在左手爪主体1和左手爪附件2之间，左手爪主体1与手爪附件固定螺钉11光杆部分间隙配合并可相对滑动。

如图16所示，左手爪主体1、左棘轮9、左第一齿轮12、左第二齿轮14通过键周向固定在左轴26上，左手爪主体1通过左轴轴肩40与左轴第三套筒42轴向固定在左轴26上，左棘轮9通过左轴第三套筒42和左轴第四套筒43轴向固定在左轴26上，左第一齿轮12通过轴肩40和左轴第二套筒41轴向固定在左轴26上，左第二齿轮14通过左轴第二套筒41和左轴第一套筒39轴向固定在左轴26上，左轴26通过左轴第一轴承35和左轴第二轴承36与上盖板6和下盖板8中的左轴承孔垂直安装在上下盖板之间，左轴26与左轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合。左爪第二复位扭簧32和左爪第一复位扭簧31的内支撑分别与左轴26的上下扭簧内支撑槽间隙配合，外支撑分别与下盖板8和上盖板6的左轴扭簧外支撑槽间隙配合。

如图14所示，右手爪附件3通过末端带有螺纹的手爪附件固定螺钉11与右手爪主体5连接，手爪附件固定螺钉11与右手爪附件3上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧4与手爪附件固定螺钉11间隙配合并通过右手爪主体5和右手爪附件3轴向固定在右手爪主体5和右手爪附件3之间，右手爪主体5与手爪附件固定螺钉11光杆部分间隙配合并可相对滑动。

如图15所示，右手爪主体5、右棘轮10、右第一齿轮13通过键周向固定在右轴27上，右手爪主体5通过右轴轴肩47与右轴第二套筒45轴向固定在右轴27上，右棘轮10通过右轴第二套筒45和右轴第三套筒46轴向固定在右轴27上，右第一齿轮13通过右轴轴肩47和右轴第一套筒44轴向固定在右轴27上，右轴27通过右轴第一轴承33和右轴第二轴承34与上盖板6和下盖板8中的右轴承孔垂直安装在上下盖板之间，右轴27与右轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合。右爪第二复位扭簧30和右爪第一复位扭簧29的内支撑分别与右轴27位于轴两端的上下扭簧内支撑槽间隙配合，外支撑分别与下盖板8和上盖板6的右轴扭簧外支撑槽间隙配合。

如图4和图5所示，摆动马达17通过螺钉与上盖板6固连，扭矩传感器18通过第二联轴器22和第一联轴器21分别与摆动马达输出轴和主动齿轮输出轴52固连，主动齿轮15通过键周向固定在主动齿轮输出轴52上并通过主动齿轮轴向固定阶梯式套筒67和第一联轴器21轴向固定在主动齿轮输出轴52上，主动齿轮输出轴52下端通过主动齿轮输出轴轴承68垂直安装在下盖板8的轴承孔中，上端通过联轴器21与扭矩传感器18固连。相互啮合的左第一齿轮12和右第一齿轮13安装在平行布置的左轴26和右轴27上。摆动马达17通过逆时针驱动主动齿轮15使左右手爪相互靠近。

如图7和图10所示，开有扭簧滑道且下端有螺纹的棘轮锁滑动轴50通过焊接固连在上盖板6左轴承孔和右轴承孔之间的中心位置处，棘轮锁周向复位扭簧37安装在棘轮锁16的扭簧槽64中并与扭簧槽64间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧37的外支撑与棘轮锁16的棘轮锁周向复位扭簧外支撑槽60间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧37的内支撑与棘轮锁滑动轴50的扭簧滑道间隙配合，棘轮锁复位扭簧挡块38与棘轮锁复位扭簧挡块槽61过盈配合，棘轮锁轴向复位弹簧23位于棘轮锁滑动轴50上方与棘轮锁滑动轴50间隙配合，通过上盖板6、棘轮锁16和棘轮锁下端紧固螺母49进行轴向固定，棘轮锁16与棘轮锁滑动轴50间隙配合并通过棘轮锁轴向复位弹簧23和棘轮锁下端紧固螺母49进行轴向固定，棘轮锁下端紧固螺母49与棘轮锁滑动轴50螺纹连接。

如图11所示，棘轮锁解锁缸19通过螺钉固连在上盖板6左轴承孔和右轴承孔的中心点连线的中垂线上，前端有滑槽的解锁缸活塞杆51与解锁缸间隙配合，可在解锁缸活塞杆滑槽中滑动并不脱落的棘轮锁解锁滑圈48与滑槽大间隙配合并可有小角度扭转，扭转角度为±10°，并可通过棘轮锁解锁滑圈调整螺钉53调整与解锁缸活塞杆51滑槽的配合程度，棘轮锁解锁滑圈调整螺钉53与棘轮锁解锁滑圈48的螺纹槽62螺纹配合，第一棘轮锁解锁连杆24和第二棘轮锁解锁连杆25平行且相切的铰接在棘轮锁解锁滑圈48的对称铰接点63和棘轮锁16的对称铰接点65处。

如图12所示，棘轮锁16与对称布置在左轴26和右轴27上的左棘轮9和右棘轮10线接触。

如图18所示，夹紧力的精确控制通过PID控制器来纠正误差，将纠正误差后的信号传给信号放大板，经信号放大板放大后控制比例溢流阀54，从而控制摆动马达17的输出扭矩，经扭矩传感器18返回实际输出扭矩，再经过公式G1(S)换算成实际输出力，并与输入力进行比较，从而完成整个闭环的负反馈控制。

液压系统还包括比例溢流阀54、压力传感器55、液控单向阀56、溢流阀57、第一二位四通电磁换向阀58和第二二位四通电磁换向阀59。

如图18所示，液压回路中管路分为工作管路和控制管路，实线油路为工作管路，虚线油路为控制管路，定量液压泵66通过工作管路和四通分别与第一二位四通电磁换向阀58、第二二位四通电磁换向阀59以及比例溢流阀54连接，压力传感器55通过三通连接在定量液压泵66和比例溢流阀54之间，第一二位四通电磁换向阀58和液压锁56的工作端通过工作管路连接并且和液压锁56的控制端通过第一单向阀71和控制管路连接，液压锁56通过工作管路与摆动马达17连接，溢流阀通过三通连接在摆动马达17的供油油路上，起到过载保护的作用，第二二位四通电磁换向阀59通过工作管路与解锁缸19连接，第二单向阀72通过三通与解锁缸19与第二二位四通电磁换向阀59之前的工作管路连接并且通过控制管路和三通与液压锁56的控制端口连接，溢流阀通过三通连接在解锁缸19的工作油路上。由两个液控单向阀并联组成的液压锁，其控制端同时引出由第一单向阀71和第二单向阀72控制的两条控制油路，使都用到了液压锁的两种工作过程机械爪锁紧和解锁互不影响，简化了液压回路的设计并提高了液压元件的利用效率。

机械爪开始夹紧时，定量液压泵供油，第一二位四通电磁换向阀通电，摆动马达带动左、右手爪运动从而夹紧物体，比例溢流阀根据扭矩传感器18换算后的夹紧力自动调节泵出口压力，从而精确控制夹紧力，夹紧力稳定后第一二位四通电磁换向阀和液压泵断电，需要松开被夹紧物体时，第二二位四通电磁换向阀和泵通电，液压马达两腔连通油箱，同时棘轮锁解锁缸动作带动棘轮锁沿棘轮锁相对滑动轴向上相对滑动，机械锁紧与液压锁紧同时解开。通过本发明的液压回路和机械系统配合可以完成对机械爪夹紧力的精确控制，相比于大部分的机械爪被动提供夹紧力的方法提高了能源利用效率，并且液压锁和手爪夹紧力锁定弹簧配合可以完成对机械爪位置和夹紧力的第二重锁定，比其他大部分机械爪夹紧后需要持续提供夹紧力来保持的方法极大的节约了能源并且比一部分机械爪夹紧后通过纯刚性的机构来锁定机械爪位置和夹紧力的方法锁定效果更加明显，同时对被夹紧工件也起到了保护作用。解除机械爪位置和夹紧力的冗余锁定时，仅需要给定量泵供油和二位四通换向阀通电，本发明解除冗余锁定的技术方法非常简单并且易于实现。

该夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪工作原理：

机械爪开始夹紧时，第一二位四通电磁换向阀58通电，设定机械爪夹紧力，定量液压泵66供油，液压锁56的控制油路通过第一单向阀71供油，液压锁打开，摆动马达17转动，从而带动左轴26顺时针旋转，右轴27逆时针旋转，手爪夹紧力锁定弹簧4压缩，棘轮锁16在棘轮锁周向复位扭簧37的作用下，始终保持与左棘轮9和右棘轮10的贴合。通过PID控制器和信号放大板控制比例溢流阀54达到对应的开度，使机械爪夹紧时泵出口压力恒定且满足夹紧力需求。根据扭矩传感器18得到摆动马达17的输出扭矩，通过公式G1(S)计算得到机械爪的夹紧力，并负反馈给输入端以消除误差，从而达到精确控制夹紧力的目的。

夹紧力稳定后，第一二位四通电磁换向阀58和定量液压泵66电机断电，与摆动马达17进油口和出油口相连的液压锁56锁住断电前摆动马达17进油口和出油口的压力差，从而通液压锁56与手爪夹紧力锁定弹簧配合4完成了对机械爪的夹紧位置和夹紧力的第二重锁定。同时，棘轮锁16和左棘轮9以及右棘轮10和手爪夹紧力锁定弹簧4配合完成了对机械爪的夹紧位置和夹紧力的第一重锁定。从而达到了在驱动力释放后，机械爪夹紧力和夹紧位置冗余锁定的目的。并且带有弹簧的柔性自锁机构通过能量的储存，可以达到比刚性机构更好的自锁效果；

释放夹紧物时，定量液压泵66供油，第二二位四通电磁换向阀59通电，解锁缸19有杆腔进油，解锁缸活塞杆51收缩，同时由两个液控单向阀并联组成的液压锁56，其控制油路通过第二单向阀72进行供油，液压锁解锁，摆动马达17的两腔连通油箱。收缩的解锁缸活塞杆51通过第一棘轮锁解锁连杆24和第二棘轮解锁连杆25带动棘轮锁16向上滑动，使棘轮锁16离开与左棘轮和右棘轮的接触，达到棘轮锁解锁的目的，并且棘轮锁16在棘轮锁周向复位扭簧37的作用下回复初始的周向位置。在第一左爪复位扭簧31、第二左爪复位扭簧32、第一右爪复位扭簧29、第二右爪复位扭簧30和手爪复位挡板28的作用下，左右手爪回复初始位置，夹紧物体释放。通过仅控制一个第二二位四通电磁换向阀59便可以达到同时解锁液压锁和棘轮锁16的目的，解锁方式简单且利于控制。

释放夹紧物且左右手爪回复初始位置后，定量液压泵电机断电，第二二位四通电磁换向阀59断电，解锁缸活塞杆51在解锁缸19内弹簧的作用下复位。同时，棘轮锁16在棘轮锁轴向复位弹簧23的作用下，回复到初始与左棘轮9和右棘轮10配合的轴向位置，整体装置恢复到初始状态。

综上，本发明具有以下优点：

本发明适用于夹紧力需要精确控制的场合，并可根据物体重量和材质的不同提供不同的锁紧力。在摆动马达、比例溢流阀、扭矩传感器和泵的配合下，完成对输出夹紧力的精确控制，显著提升了能源利用效率。并且在驱动力释放后，由棘轮锁与手爪夹紧力锁定弹簧配合，以及液压回路中的液压锁和手爪夹紧力锁定弹簧配合，极大的节约了能源并且提升自锁效果。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：其包括手爪，与所述手爪的轴同轴设置的传动机构，与所述手爪的轴同轴设置的锁定机构，与所述传动机构配合并提供给所述手爪工作驱动力的动力机构，以及输送驱动力的动力回路；当所述手爪需要停止动作时，由所述锁定机构以及所述动力回路中的动力锁配合来完成对机械爪位置与夹紧力的双重锁定。

2.根据权利要求1所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述传动机构包括左轴、右轴、主动齿轮输出轴、主动齿轮输出轴轴承、左轴第一轴承、左轴第二轴承、右轴第一轴承、右轴第二轴承、设置在所述左轴上的左第一齿轮和左第二齿轮、设置在所述右轴上的右第一齿轮、以及设置在所述主动齿轮输出轴上的主动齿轮；所述左轴和右轴平行安装在上盖板和下盖板之间，通过盖板紧固螺钉固定，所述左轴通过左轴第一轴承和左轴第二轴承垂直安装在上盖板和下盖板中的左轴承孔中，所述右轴通过右轴第一轴承和右轴第二轴承垂直安装在上盖板和下盖板中的右轴承孔中；所述主动齿轮输出轴上端通过第一联轴器与扭矩传感器固连，下端通过主动齿轮输出轴轴承垂直安装在下盖板的轴承孔中。

3.根据权利要求1所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述手爪包括设置在左轴上的左手爪主体、固定在左手爪主体上的左手爪附件、设置在右轴上的右手爪主体、固定在右手爪主体上的右手爪附件、设置于左右手爪主体和左右手爪附件之间的手爪夹紧力锁定弹簧、以及固定左右手爪附件的固定螺钉。

4.根据权利要求3所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述左手爪主体通过左轴轴肩与左轴第三套筒轴向固定在左轴上，左第一齿轮通过左轴轴肩和左轴第二套筒轴向固定在左轴上，左第二齿轮通过左轴第二套筒和左轴第一套筒轴向固定在左轴上，左棘轮通过左轴第三套筒和左轴第四套筒轴向固定在左轴上，左手爪主体、左棘轮、左第一齿轮和左第二齿轮通过键周向固定在左轴上，左轴与左轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合；所述右手爪主体通过右轴轴肩与右轴第二套筒轴向固定在右轴上，右第一齿轮通过右轴轴肩和右轴第一套筒轴向固定在右轴上，右棘轮通过右轴第二套筒和右轴第三套筒轴向固定在右轴上，所述右手爪主体、右棘轮和右第一齿轮通过键周向固定在右轴上，右轴与右轴承基孔制配合，轴承与轴承孔基轴制配合；所述主动齿轮通过键周向固定在主动齿轮输出轴上并通过主动齿轮轴向固定阶梯式套筒和第一联轴器轴向固定在主动齿轮输出轴上，主动齿轮输出轴与主动齿轮输出轴轴承基孔制配合，主动齿轮输出轴轴承与轴承孔基轴制配合；主动齿轮与所述左第二齿轮啮合，所述左第一齿轮与所述右第一齿轮啮合。

5.根据权利要求1所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：还包括复位机构，所述复位机构包括右爪第一复位扭簧、右爪第二复位扭簧、左爪第一复位扭簧、左爪第二复位扭簧以及垂直焊接在下盖板左侧并与初始位置的左手爪主体线接触的手爪复位挡板，所述左爪第二复位扭簧和左爪第一复位扭簧的内支撑分别与设置在左轴两端的上下扭簧支撑槽间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的左轴扭簧支撑槽间隙配合；所述右爪第二复位扭簧和右爪第一复位扭簧的内支撑分别与设置在右轴两端的上下扭簧支撑槽间隙配合，外支撑分别与设置在下盖板和上盖板的右轴扭簧支撑槽间隙配合。

6.根据权利要求3所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述手爪附件固定螺钉与左手爪附件上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧与手爪附件固定螺钉间隙配合并通过左手爪主体和左手爪附件轴向固定在左手爪主体和左手爪附件之间，左手爪主体与手爪附件固定螺钉光杆部分间隙配合并能相对滑动；所述手爪附件固定螺钉与右手爪附件上的螺纹孔螺纹连接，手爪夹紧力锁定弹簧与手爪附件固定螺钉间隙配合并通过右手爪主体和右手爪附件轴向固定在右手爪主体和右手爪附件之间，右手爪主体与手爪附件固定螺钉光杆部分间隙配合并能相对滑动。

7.根据权利要求1所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述动力机构包括定量液压泵和摆动马达，摆动马达通过螺钉与上盖板固连，扭矩传感器通过第二联轴器与摆动马达输出轴固连。

8.根据权利要求1所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：所述锁定机构包括固定所述左轴上的左棘轮、固定在所述右轴上的右棘轮、以及锁定左右棘轮的棘轮锁，所述棘轮锁与对称布置在左轴和右轴上的左棘轮和右棘轮线接触，所述锁定机构还包括棘轮锁解锁缸、棘轮锁轴向复位弹簧、棘轮锁滑动轴和棘轮锁下端紧固螺母，棘轮锁滑动轴通过焊接固连在上盖板的左轴承孔和右轴承孔之间的中心位置处，棘轮锁与棘轮锁滑动轴间隙配合并通过棘轮锁轴向复位弹簧和棘轮锁下端紧固螺母进行轴向固定，棘轮锁解锁缸通过螺钉固连在上盖板的左轴承孔和右轴承孔的中心点连线的中垂线上，所述棘轮锁滑动轴开有扭簧滑道且下端有螺纹，棘轮锁周向复位扭簧安装在所述棘轮锁的扭簧槽中并与扭簧槽间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的外支撑与棘轮锁周向复位扭簧外支撑槽间隙配合，棘轮锁周向复位扭簧的内支撑与所述棘轮锁滑动轴的扭簧滑道间隙配合，棘轮锁复位扭簧挡块与棘轮锁复位扭簧挡块槽过盈配合，棘轮锁轴向复位弹簧位于棘轮锁滑动轴上方与棘轮锁滑动轴间隙配合，通过上盖板、棘轮锁和棘轮锁下端紧固螺母进行轴向固定，棘轮锁下端紧固螺母与棘轮锁滑动轴螺纹连接。

9.根据权利要求8所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：前端有滑槽的棘轮锁解锁缸活塞杆与所述棘轮锁解锁缸间隙配合，能在解锁缸活塞杆滑槽中滑动并不脱落的棘轮锁解锁滑圈与滑槽大间隙配合并能进行扭转，并能通过棘轮锁解锁滑圈调整螺钉调整与解锁缸活塞杆滑槽的配合程度，棘轮锁解锁滑圈调整螺钉与棘轮锁解锁滑圈的螺纹槽螺纹配合，第一棘轮锁解锁连杆和第二棘轮锁解锁连杆平行且相切的铰接在棘轮锁解锁滑圈和棘轮锁上。

10.根据权利要求1-9任一项所述的夹紧力可精确控制的冗余自锁式机械爪，其特征在于：动力回路为液压回路，包括摆动马达以及与摆动马达进油口和出油口分别相连的两个液控单向阀、比例溢流阀、压力传感器、溢流阀、第一二位四通电磁换向阀、第二二位四通电磁换向阀、定量液压泵、第一单向阀和第二单向阀，所述液压锁由两个液控单向阀并联组成；所述的液压回路中，定量液压泵通过工作管路和四通分别与第一二位四通电磁换向阀、第二二位四通电磁换向阀以及比例溢流阀连接，压力传感器通过三通连接在定量液压泵和比例溢流阀之间，第一二位四通电磁换向阀和液压锁的工作端通过工作管路连接并且和液压锁的控制端通过第一单向阀和控制管路连接，液压锁通过工作管路与摆动马达连接，溢流阀通过三通连接在摆动马达的供油油路上，起到过载保护的作用，第二二位四通电磁换向阀通过工作管路与解锁缸连接，第二单向阀通过三通和解锁缸与第二二位四通电磁换向阀之前的工作管路连接并且通过控制管路和三通与液压锁的控制端口连接，溢流阀通过三通连接在解锁缸的工作油路上。