CN108673550A - 一种机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械手装置，机械手装置包括机架、位于上方的机械臂和位于下方的机械爪，机械臂的上端连接于所述机架上；机械臂上设有旋翼单元，旋翼单元用于使机械手装置沿水平方向移动；机械手装置进一步包括悬挂机构，悬挂机构包括与机架连接的第一连接部和与吊绳连接的第二连接部。本发明中，机械手装置安装在无人机或无人车上，该机械手装置主要为了克服自然因素的影响，安装在无人机上，通过绳索悬挂机械手，机械手通过涵道风扇实现定点抓取；安装在无人车上，该机械手主要是为了对悬崖峭壁上的物品进行定点抓取。

Description

一种机械手装置

本申请为中国申请日2016年03月21日，申请号201610162820.X，名称为“一种机械手装置”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种机械手装置。

背景技术

机械手是能模仿人手和臂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，机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人。机械手研究始于20世纪中期，从1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，到20世纪70年代初期制造业开始引进机械手的使用，再到1972年我国第一台机械手的开发以及随之而来的全国范围都开始研制和应用机械手，机械手的发展历经了这短短几十年，迎来的是制造业的全新面貌。工业机械手凭借其自身的显著优点得到了广泛的应用。

中国专利201020163658.1公开了一种四旋翼飞行抓捕手，四旋翼飞行抓捕手上部有一个四旋翼飞行器系统下部有一个机械手。

中国专利201410341528.5开了一种景区遥控飞行自动捡垃圾装置，其机壳上设置有四个螺旋桨，每一螺旋桨分别与一个驱动电机连接，机壳内设置有气泵和气压缸，气泵通过气管和换向阀与气压缸连接，气压缸的活塞杆外端与机械手抓连接，气压缸的中部与机壳铰接固定，气压缸的后端与摆动机构连接，机壳内设置有控制器和蓄电池，蓄电池为驱动电机、控制器和气泵提供电源，控制器分别控制四个驱动电机和气泵的运转，控制器还与接收天线连接，机械手抓伸出机壳外。

中国专利201520113123.6公开了一种基于多旋翼机的反恐排爆机器人，包括机械臂以及机械手爪，机械手爪连接在机械臂顶端，用于进行爆炸物体的抓取，其还包括旋翼飞行部分，旋翼飞行部分包括旋翼平台及多个均匀分布在平台边缘的旋翼臂，在每个旋翼臂的顶端各设置有一个螺旋桨，由飞行电机驱动旋翼旋转；机械臂固定连接在旋翼平台上。

中国专利201520113125.5公开了一种陆空两栖反恐排爆机器人，包括机械臂和地面行走机构，在机械臂顶端连接有机械手抓和旋翼飞行部分，旋翼飞行部分包括机架、置于其上的旋翼平台及多个均匀分布在平台边缘的旋翼臂，在每个旋翼臂的顶端各设置有一个旋翼，由飞行电机驱动旋翼旋转；机械臂固定连接在旋翼平台上；地面行走机构包括三个以上的全向轮，每个全向轮由一个全向轮电机驱动，全向轮置于机架的底部。

现有技术中机械手通常直接安装飞行器上，机械手抓取物品时受飞行器动力装置气流的影响不能准确抓取物品；另一种通过绳索吊挂机械手，但是飞行器下放机械手后会有摆动角度，也无法准确抓取物品，且绳索自旋也易使绳索断裂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的提供一种能够定向抓取，大小可调，稳定性高，环境适应性强的机械手装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机械手装置，机械手装置包括机架、位于上方的机械臂和位于下方的机械爪，机械臂的上端连接于所述机架上；机械臂上设有旋翼单元，旋翼单元用于使机械手装置沿水平方向移动；机械手装置进一步包括悬挂机构，悬挂机构包括与机架连接的第一连接部和与吊绳连接的第二连接部。

本发明中，机械手装置安装在无人机或无人车上，该机械手装置主要为了克服自然因素的影响，安装在无人机上，通过绳索悬挂机械手，机械手通过涵道风扇实现定点抓取；安装在无人车上，该机械手主要是为了对悬崖峭壁上的物品进行定点抓取。

本发明中，抓取物品时对涵道风扇进行调速控制，使机械手装置沿水平方向移动到物品上端实现定向抓取。在机械臂设置了涵道风扇，抓取物品时通过对涵道风扇的控制，实现水平方向移动定向抓取，克服了横风、重力和空间遮挡等影响物品抓取的问题。悬挂机构的设置，进一步有利于降低重力和空间对物品抓取的影响。

进一步方案为，机械爪铰接于所述机械臂的下端。

进一步方案为，机械手装置包括至少一对抓取机构；每个抓取机构包括机械臂和机械爪；第一连接部和第二连接部之间设置有测力传感器。 本发明中，抓取机构的数目为至少一对，在此基础上进一步优选为2-4对，在此基础上进一步优选为2对。该测力传感器可用于检测被抓物的重量。防止机械手或悬吊机械手的设备及吊绳过载。

进一步方案为，每对抓取机构中的两个抓取机构对称设置；旋翼单元包括旋翼和涵道，涵道环绕设置于旋翼的外侧。

进一步方案为，至少一对旋翼的转轴关于机械手装置高度方向的中心线对称，转轴的延长线交点位于旋翼上方。通过这样的设置，气流支承跨度大，飞行稳定，不易干扰机械手底部的被抓物。

进一步方案为，至少一对抓取机构同步开合。抓取机构同步开合，可以实现抓取物品。

进一步方案为，机械手装置进一步包括第一控制机构，第一控制机构包括第一舵机、第一升降板、上连杆，第一舵机设置于机架上；第一舵机具有第一输出轴，第一输出轴从第一舵机的底部向下伸出；第一升降板套在第一输出轴上，且与第一输出轴螺纹连接；上连杆对应于机械臂设置(与机械臂的数目一致)，其两端分别与第一升降板和机械臂铰接。该方案中，第一舵机正向旋转(例如顺时针旋转)时，带动第一输出轴正向旋转，进而带动第一升降板上升，使上连杆的姿态转为水平或者接近水平，从而使抓取机构的底端张开。第一舵机反向旋转(例如逆时针旋转)时，带动第一输出轴反向旋转，进而带动第一升降板下降，使上连杆的姿态转为竖直或者接近竖直，从而使抓取机构的底端闭合。因而，第一舵机正向旋转时抓取机构一级张开，第一舵机反向旋转时抓取机构闭合。可以实现对物品的抓取。

进一步方案为，机械手装置进一步包括第二控制机构，第二控制机构包括下支撑板、第二舵机、第二升降板、下连杆；下支撑板位于第一升降板的下方，通过下固定柱与第一升降板固定连接；第二舵机设置于下支撑板上；第二舵机具有第二输出轴，第二输出轴从第二舵机的底部向下伸出；第二升降板套在第二输出轴上，且与第二输出轴螺纹连接；下连杆对应于机械臂设置(与机械臂的数目一致)，其两端分别与第二升降板和机械爪铰接。该方案中，下支撑板位于第一升降板的下方，通过下固定柱与第一升降板固定连接，第二舵机设置于下支撑板上；因而第二舵机的旋转，可以实现抓取机构二级张开，即在一级张开的基础上进一步张开，以抓取直径较大的物品。具体而言，第二舵机正向旋转(例如顺时针旋转)时，带动第二输出轴正向旋转，进而带动第二升降板上升，使下连杆的姿态转为水平或者接近水平，从而使抓取机构的底端进一步张开。第二舵机反向旋转(例如逆时针旋转)时，带动第二输出轴反向旋转，进而带动第二升降板下降，使上连杆的姿态转为竖直或者接近竖直，从而使抓取机构的底端闭合。因而，第二舵机正向旋转时抓取机构开口扩大，第二舵机反向旋转时抓取机构开口缩小。

该方案中，通过设置两个控制机构，改变传统标配机械手抓取物品直径的最大值，能够灵活多变的抓取物品。当物品直径较小时，由第一控制机构控制实现抓取机构的一级张开(半张开)；当物品直径较大时，由第二控制机构控制实现抓取机构的二级张开(全张开)。而且舵机正转抓取机构张开，舵机反转抓取机构闭合，可顺利实现对物品的抓取。

进一步方案为，悬挂机构包括下连接件、上支撑板；上支撑板位于机架的上方，通过上固定柱与机架固定连接；上支撑板的中部固定有轴承，下连接件穿过轴承的中心孔，下连接件的底部连接一限位块，限位块位于轴承的下方。这样，悬挂时，即使机械手装置受外力因素自旋，绳索也会通过轴承吸收扭矩，不会因为自旋导致断裂，从而提高安全性。

进一步方案为，悬挂机构进一步包括缓冲件和上连接件，缓冲件位于上连接件和下连接件之间；上连接件为柔性连接件(例如绳索)；下连接件为柔性连接件或者刚性连接件。通过设置缓冲件，可增强上连接件和下连接件的受力值。

进一步方案为，下连接件为刚性连接件(例如钢筋)，下连接件包括位于下方的竖直段和位于上方的弯折段，竖直段和弯折段铰接；值得注意的是，弯折段也是直杆，只是弯折段能相对于竖直段进行例如180°的旋转。这种多段结构主要是为了解决飞行器下放机械手时，绳索过长导致绳索错放到涵道风扇上，通过钢筋关节结构把绳索移动到机械臂外侧，即使绳索过长也不会导致绳索与机械手缠绕。

进一步方案为，机械爪包括爪体、横杆、斜杆，爪体、横杆、斜杆彼此铰接，构成三角形结构。

进一步方案为，机械臂的下端铰接于横杆上；下连杆的两端分别与第二升降板和横杆铰接。

进一步方案为，在抓取机构上设置有压力传感器，用于检测抓取物体时所用的压力；在机械手装置的中心底部安装有摄像头和测距传感器，便于抓取物品。

根据本发明另一具体实施方式，抓取机构有两对四个，相邻的抓取机构间距90°。

根据本发明另一具体实施方式，添加控制模块，控制模块上有飞控板、接收机、电调以及电源，用于控制涵道风扇的转速、增减速。另外，在上固定柱上安装备用电源，预防控制模块断电导致机械手失控。

根据本发明另一具体实施方式，涵道风扇安装在上固定柱四周，与控制模块配合实现定向移动，可以配合2个、3个、4个、6个实现多轴控制定点移动。

另一方面，本发明提供给了一种应用上述机械手的控制方法，该控制方法包括如下步骤：

A、抓取被抓物；

B、逐步收紧吊绳，并检测测力传感器的反馈值；

C、当所述反馈值大于预定阈值时，停止收紧吊绳并松开被抓物；当反馈值不大于预定阈值时，继续收紧吊绳直至反馈值不再上升。

该方案有效防止机械手或悬吊机械手的设备及吊绳过载。

本发明通过设置两个控制机构，改变传统标配机械手抓取物品直径的最大值，能够灵活多变的抓取物品；设置了涵道风扇，抓取物品时通过对涵道风扇的控制，实现水平方向移动定向抓取，克服了悬绳式机械手难以定位，无法抓取悬吊点正下方旁边的物件的缺点；通过上支撑板固定轴承，绳索固定在轴承上，即使机械手在空中自旋也不会使绳索因旋转断裂；在绳索上还设置有缓冲件，增强绳索受力值。

附图说明

图1为实施例1的机械手装置的结构示意图；

图2为图1沿过轴线平面的剖面图；

图3为实施例1的机械手装置闭合的示意图；

图4为实施例1的机械手装置半张开的示意图；

图5为实施例1的机械手装置全张开的示意图；

图6为实施例2的机械手装置的结构示意图；

图7为实施例4的机械手装置的部分结构示意图，其显示了吊绳、第一连接部、第二连接部、测力传感器。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的机械手装置包括：机架1、同步开合的至少一对(例如两对)抓取机构2、第一控制机构3、第二控制机构4、悬挂机构5。

抓取机构有两对四个，相邻的抓取机构间距90°。每对抓取机构中的两个抓取机构对称设置；每个抓取机构包括位于上方的机械臂201和位于下方的机械爪202，机械臂201的上端铰接于机架1上，机械爪202连接于机械臂201的下端；机械臂上设有旋翼单元6。机械爪202包括爪体203、横杆204、斜杆205，爪体203、横杆204、斜杆205彼此铰接，构成三角形结构。机械臂的下端铰接于横杆上。旋翼单元6包括旋翼和涵道，涵道环绕设置于旋翼的外侧。两对旋翼的转轴关于机械手装置高度方向的中心线对称，转轴的延长线交点位于旋翼上方。

如图2所示，第一控制机构包括第一舵机301、第一升降板303、四个上连杆304，第一舵机301设置于机架1上；第一舵机301具有第一输出轴302，第一输出轴302从第一舵机301的底部向下伸出；第一升降板303套在第一输出轴302上，且与第一输出轴302螺纹连接；上连杆304对应于机械臂201设置，其两端分别与第一升降板303和机械臂201铰接。

如图2所示，第二控制机构包括下支撑板405、第二舵机401、第二升降板403、四个下连杆404；下支撑板405位于第一升降板303的下方，通过下固定柱406与第一升降板303固定连接；第二舵机401设置于下支撑板405上；第二舵机401具有第二输出轴402，第二输出轴402从第二舵机401的底部向下伸出；第二升降板403套在第二输出轴402上，且与第二输出轴402螺纹连接；下连杆404对应于机械臂201设置，其两端分别与第二升降板403和横杆204铰接。

悬挂机构5包括绳索501、上支撑板502，上支撑板502位于机架1的上方，通过上固定柱503与机架1固定连接；上支撑板502的中部固定有轴承504，绳索501穿过轴承504的中心孔，绳索501的底部连接一限位块505，限位块505位于轴承504的下方。绳索501上设有缓冲件506，以增强绳索受力值。

本实施例的机械手装置能够灵活多变的抓取物品，其闭合的状态如图3所示。当物品直径较小时，由第一控制机构控制实现抓取机构的一级张开(半张开，如图4所示)；当物品直径较大时，由第二控制机构控制实现抓取机构的二级张开(全张开，如图5所示)。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的区别在于：

1、悬挂机构6包括缓冲件601、上连接件602、下连接件603、上支撑板；上支撑板位于机架的上方，通过上固定柱与机架固定连接；上支撑板的中部固定有轴承，下连接件穿过轴承的中心孔，下连接件的底部连接一限位块，限位块位于轴承的下方。缓冲件601位于上连接件602和下连接件603之间；上连接件为柔性连接件(例如绳索)；下连接件603为刚性连接件(例如钢筋)，下连接件603包括位于下方的竖直段604和位于上方的弯折段605，竖直段604和弯折段605铰接；弯折段605能相对于竖直段604进行例如180°的旋转。

2、添加控制模块7，控制模块上有飞控中心以及电源，用于控制涵道风扇的转速、增减速。另外，在上固定柱上安装备用电源8，预防控制模块断电导致机械手失控。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：在抓取机构上设置有压力传感器，用于检测抓取物体时所用的压力；在机械手装置的中心底部安装有摄像头和测距传感器，便于抓取物品。

实施例4

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于：悬挂机构包括与机架连接的第一连接部801和与吊绳804连接的第二连接部802，第一连接部和第二连接部之间设置有测力传感器803，该测力传感器可用于检测被抓物的重量。

本实施例的机械手的控制方法包括如下步骤：

A、抓取被抓物；

B、逐步收紧吊绳，并检测测力传感器的反馈值；

C、当反馈值大于预定阈值时，停止收紧吊绳并松开被抓物；当反馈值不大于预定阈值时，继续收紧吊绳直至反馈值不再上升。

以上是对本发明做的示例性描述，凡在不脱离本发明核心的情况下做出的简单变形或修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机械手装置，其特征在于：

所述机械手装置包括机架、位于上方的机械臂和位于下方的机械爪，所述机械臂的上端连接于所述机架上；

所述机械臂上设有旋翼单元，所述旋翼单元用于使所述机械手装置沿水平方向移动；

所述机械手装置进一步包括悬挂机构，所述悬挂机构包括与机架连接的第一连接部和与吊绳连接的第二连接部。

2.如权利要求1所述的机械手装置，其特征在于，所述机械爪铰接于所述机械臂的下端。

3.如权利要求2所述的机械手装置，其特征在于，所述机械手装置包括至少一对抓取机构；

每个所述抓取机构包括所述机械臂和所述机械爪；

所述第一连接部和所述第二连接部之间设置有测力传感器。

4.如权利要求3所述的机械手装置，其特征在于，每对所述抓取机构中的两个抓取机构对称设置；所述旋翼单元包括旋翼和涵道，所述涵道环绕设置于所述旋翼的外侧。

5.如权利要求4所述的机械手装置，其特征在于，至少一对所述旋翼的转轴关于所述机械手装置高度方向的中心线对称，所述转轴的延长线交点位于旋翼上方。

6.如权利要求3所述的机械手装置，其特征在于，所述至少一对抓取机构同步开合。

7.如权利要求1所述的机械手装置，其特征在于，所述机械手装置进一步包括第一控制机构，所述第一控制机构包括第一舵机、第一升降板、上连杆，所述第一舵机设置于所述机架上；所述第一舵机具有第一输出轴，所述第一输出轴从所述第一舵机的底部向下伸出；所述第一升降板套在所述第一输出轴上，且与所述第一输出轴螺纹连接；所述上连杆对应于所述机械臂设置，其两端分别与所述第一升降板和所述机械臂铰接。

8.如权利要求1所述的机械手装置，其特征在于，所述机械手装置进一步包括第二控制机构，所述第二控制机构包括下支撑板、第二舵机、第二升降板、下连杆；所述下支撑板位于所述第一升降板的下方，通过下固定柱与所述第一升降板固定连接；所述第二舵机设置于所述下支撑板上；所述第二舵机具有第二输出轴，所述第二输出轴从所述第二舵机的底部向下伸出；所述第二升降板套在所述第二输出轴上，且与所述第二输出轴螺纹连接；所述下连杆对应于所述机械臂设置，其两端分别与所述第二升降板和所述机械爪铰接。

9.如权利要求1所述的机械手装置，其特征在于，所述悬挂机构包括下连接件、上支撑板；所述上支撑板位于所述机架的上方，通过上固定柱与所述机架固定连接；所述上支撑板的中部固定有轴承，所述下连接件穿过所述轴承的中心孔，所述下连接件的底部连接一限位块，所述限位块位于所述轴承的下方。

10.如权利要求7所述的机械手装置，其特征在于，所述悬挂机构进一步包括缓冲件和上连接件，所述缓冲件位于所述上连接件和所述下连接件之间；所述上连接件为柔性连接件；所述下连接件为柔性连接件或者刚性连接件。