CN109202948B - 一种力控机械爪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种力控机械爪，包括动力源、实现单自由度运动的两个抓取末端、曲柄滑块结构、抓取力控制模块和中心面；曲柄滑块结构包括曲柄、滑轨、两个滑动结构、两个连杆、两个第一转动副和两个第二转动副，中心面定义为通过曲柄旋转轴且与滑动平面垂直的平面；曲柄转动时，带动两个滑动结构滑动，并使其始终关于中心面对称；在抓取末端上增加了抓取力控制模块，实现与目标物体柔性接触和抓取力检测；抓取末端的位移、接触力与动力源的转角、扭矩之间存在简单换算关系，便于设计控制算法。本发明的力控机械爪实现了抓取力控制，能对目标物体稳定抓取，控制简单；设计小型化、轻量化，适用于需要轻量化抓取的场景。
Description
技术领域
本发明涉及机械抓手设备领域，尤其涉及一种力控机械爪。
背景技术
随着工业自动化的高速发展，自动控制几乎无处不在，而机械夹爪作为控制系统中一个重要的执行元件，在现代工业生产中起着十分重要的作用。机械爪按其驱动方式可以分为气动、液压和电动夹爪，按其爪型可分为2爪型、3爪型和多爪型，按其运动方式可以分为平动式和回转式。
在现有的机械爪中，存在以下缺陷：
1、一般只能实现简单的位置控制，缺少对抓取力的控制，无法应用于需要控制抓取力的场合，如需要抓取精密仪器件、果蔬的采摘等，容易对被夹取的对象造成损坏；
2、机械爪结构设计和传动方式复杂，导致其控制算法复杂且体型笨重，不适合作为工业机器人的末端执行器使用；
3、高精度的机械爪通过伺服电机驱动，体型大，不适合抓取小型精密零件，并且制造成本高、运行噪音大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种力控机械爪，通过简化结构、改变传动方式，实现小型化、轻量化的机械爪以及对抓取力的控制，能稳定抓取目标物体，适用于需要轻量化末端机械爪的场景，且控制简单，降低了成本。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是机械爪不能控制抓取力，结构设计和传动方式复杂导致控制复杂和体型笨重，不适合抓取小型精密零器件。
为实现上述目的，本发明提供了一种力控机械爪，包括动力源、实现单自由度运动的两个抓取末端、曲柄滑块结构、抓取力控制模块和中心面，其中：
所述曲柄滑块结构包括曲柄、滑轨、两个滑动结构、两个连杆、两个第一转动副和两个第二转动副；所述滑动结构安装在所述滑轨上；所述曲柄包括两个连接端，一个所述滑动结构通过一个所述连杆与所述曲柄的一个连接端连接；所述连杆的一端通过所述第一转动副与所述曲柄连接，另一端通过所述第二转动副与所述滑动结构连接；
所述抓取末端分别固定在滑动结构上；
所述抓取力控制模块用于检测抓取力和实现被抓取物体的柔性接触，分别固定在所述抓取末端上；
所述动力源用于驱动所述曲柄转动；
所述中心面为通过所述曲柄的旋转轴的平面，并且与所述滑块结构的滑动平面垂直；
所述曲柄转动时，带动两个所述滑动结构沿着所述滑轨滑动，所述滑动结构在滑动时始终关于所述中心面对称。
进一步地，所述滑动结构包括滑块、末端支架、滑座；所述滑块安装在所述滑轨上；所述滑座固定在所述滑块上，并通过所述第二转动副与所述连杆的一端连接；所述末端支架固定在所述滑块上，所述抓取末端固定在所述末端支架上。
进一步地，所述机械爪还包括两个主板和4个底部支架；所述主板关于所述中心面对称分布，并固定在所述动力源的外壳上；每个所述主板上固定安装有两个所述底部支架，所述滑轨固定在4个所述底部支架上。
进一步地，所述抓取力控制模块包括弹性缓冲块和压力传感器；所述弹性缓冲块粘附在所述抓取末端的内侧，所述压力传感器粘附在所述弹性缓冲块上。
进一步地，所述弹性缓冲块由橡胶或弹簧制成。
进一步地，所述压力传感器为薄膜力传感器。
进一步地，所述第一转动副包括第一转动副轴承、光轴、开口弹性挡圈、垫圈，所述曲柄和所述连杆的一端分别通过所述第一转动副轴承与所述光轴的两端连接，所述曲柄、所述连杆、所述光轴均与所述第一转动副轴承采用紧配合连接，所述光轴的两侧嵌入所述开口弹性挡圈；所述光轴与所述垫圈通过间隙配合。
进一步地，所述第二转动副包括第二转动副轴承、阶梯轴、开口弹性挡圈，所述连杆的一端与所述阶梯轴通过所述第二转动副轴承连接，所述连杆、所述阶梯轴与所述第二转动副轴承采用紧配合连接，所述阶梯轴通过间隙配合与所述滑座相连。
进一步地，所述滑块与所述滑轨之间的缝隙中加入润滑油。
进一步地，所述动力源为舵机。
本发明取得了以下技术效果：
1、增加了抓取力控制模块，能够准确地控制机械爪抓取物体的抓取力，确保在抓取精密、脆弱物体时不会对其造成损伤；
2、通过改变传动机构和接触面的材料，将机械爪抓取末端的位移的控制转换为对动力源的转角控制，再根据接触面的弹性材料的形变以及检测到的抓取力反馈，实现了通过控制抓取末端的位移来控制实际接触力的功能，控制精度高，抓取稳定性好；
3、结构紧凑、体型小，适用于需要轻量化机械爪抓取精密仪器件的场合；
4、采用了可靠的传动副设计，传动效率高，减少了传动过程中的动能损耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的传动副结构图。
其中，1-舵机；2-主板；3-底部支架；4-滑轨；5-滑块；6-末端支架；7-抓取末端；8-薄膜力传感器；9-滑座；10-连杆；11-曲柄；12-弹性橡胶；13-第二转动副轴承；14-阶梯轴；15-垫圈；16-光轴；17-第一转动副轴承；18-开口弹性挡圈。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本实施例的力控机械爪包括舵机1、两个主板2、4个底部支架3、曲柄11、滑轨4、两个抓取末端7、两个滑动结构、两个连杆10，两个抓取力控制模块。
定义通过曲柄11的旋转轴并且垂直于滑动结构的滑动平面的一个平面为中心面；两个主板2关于中心面对称分布在舵机1的外壳上，并通过螺钉紧固连接舵机1的外壳上；每个主板2上面固定有两个底部支架3，通过螺钉固连；滑轨4通过螺纹孔与4个底部支架通过螺钉固连。舵机1的输出轴与曲柄11的旋转轴位于同一直线。
曲柄11上有两个连接端，连接端沿曲柄11的径向关于曲柄11的旋转轴对称分布；每一个滑动结构通过连杆10与一个连接端相连；连杆10的一端通过第二转动副与滑动结构相连，连杆10的另一端通过第一转动副与曲柄11的一个连接端相连。
两个滑动结构是相同的，每个滑动结构包括滑块5、末端支架6、滑座9，滑块5与滑轨4紧密配合，并使用润滑油加入滑块5与滑轨4的缝隙中，以减小滑块5和滑轨4之间的接触摩檫力；末端支架6和滑座9均通过螺钉固定连接在滑块5上，两个抓取末端7分别通过螺钉固定在末端支架6上；滑座9上开设有通孔，通过第二转动副与连杆10的一端连接。
抓取力控制模块包括弹性橡胶12和压力传感器，弹性橡胶12粘附在抓取末端7的一侧，压力传感器粘附在弹性橡胶12上。使用弹性橡胶12，可以实现与被夹取物体的柔性接触，减少冲击，同时对不同物体的形状具有适应性，可以实现稳定抓取。在使用弹性橡胶12作为缓冲的同时，还可以将抓取末端7的位移转换成弹性橡胶12的形变，从而间接转换为抓取末端7与被抓物体的接触力，从而实现控制抓取末端7的位移以控制实际接触力的功能。应当注意的是，还可以使用其他弹性部件来代替橡胶，如弹簧等。
为了更好地控制抓取力，增加了压力传感器，用于检测抓取力。本实施例中，采用薄膜力传感器8。
如图2所示，第一转动副包括第一转动副轴承17、光轴16、开口弹性挡圈18、垫圈15，曲柄11与第一转动副轴承17采用紧密配合连接，连杆10的一端与第一转动副轴承17也采用紧密配合连接，光轴16与垫圈15通过间隙配合相连，光轴16的两侧嵌入开口弹性挡圈18，以保证曲柄11和连杆10的相对位置。
第二转动副包括第二转动副轴承13、阶梯轴14、开口弹性挡圈13，阶梯轴14与第二转动副轴承13通过紧密配合相连，并通过开口弹性挡圈13固定第二转动副轴承13的相对位置，连杆10的另一端与第二转动副轴承13紧密配合连接，阶梯轴14通过间隙配合与滑座9上的通孔相连。
第二转动副的输出轴中心线与曲柄11的旋转轴的中心线位于同一水平面，安装时需要保证该水平面平行于滑块5的上平面。
通过第一转动副和第二转动副的设计，结构紧凑、传动效率高，保证了传动过程中因摩擦损耗的动能小。
在本实施例中，包括以下几何特征：两个连杆设置为长度相同，中心面垂直于滑动结构的滑动平面，曲柄11的旋转轴中心线与第二转动副的输出轴中心线位于平行滑块5上平面的同一水平面上。通过设置这些几何特征，当曲柄转动，带动滑块5滑动时，保证了滑块5关于中心面始终对称，从而保证安装于滑块5之上的一对抓取末端7在运动时关于中心面始终对称。通过上述几何特征，可以将舵机1的转角与抓取末端7的位移进行换算。同时，通过弹性橡胶12的形变量与抓取末端7的位移之间的换算关系，可以得到抓取末端7与被抓物体之间的接触力与舵机1的扭矩之间的换算关系，从而便于设计控制算法。
本实施例通过曲柄滑块结构，实现了将曲柄的转动转化为抓取末端始终保持对称的相对运动，并通过几何特征将舵机1的转角、扭矩与抓取末端7的位移、接触力进行换算，便于设计控制算法，控制简单，降低了成本；通过弹性橡胶实现了对目标物体的稳定抓取，适用于需要轻量化抓取的场景。
应当注意的是，本发明的传动机构不仅限于曲柄滑块结构，蜗轮蜗杆结构、齿轮齿条结构等也能实现本发明的目的，通过传动比，将动力源的转角与抓取末端7的位移关系进行换算，从而实现对抓取末端7的接触力的控制。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种力控机械爪，其特征在于，包括动力源、实现单自由度运动的两个抓取末端、曲柄滑块结构、抓取力控制模块和中心面，其中：
所述曲柄滑块结构包括曲柄、滑轨、两个滑动结构、两个连杆、两个第一转动副和两个第二转动副；所述滑动结构安装在所述滑轨上；所述曲柄包括两个连接端，一个所述滑动结构通过一个所述连杆与所述曲柄的一个连接端连接；所述连杆的一端通过所述第一转动副与所述曲柄连接，另一端通过所述第二转动副与所述滑动结构连接；
所述抓取末端分别固定在滑动结构上；
所述抓取力控制模块用于检测抓取力和实现被抓取物体的柔性接触，分别固定在所述抓取末端上；
所述动力源用于驱动所述曲柄转动；
所述中心面为通过所述曲柄的旋转轴的平面，并且与所述滑块结构的滑动平面垂直；
所述曲柄转动时，带动两个所述滑动结构沿着所述滑轨滑动，所述滑动结构在滑动时始终关于所述中心面对称；
所述滑动结构包括滑块、末端支架、滑座；所述滑块安装在所述滑轨上；所述滑座固定在所述滑块上，并通过所述第二转动副与所述连杆的一端连接；所述末端支架固定在所述滑块上，所述抓取末端固定在所述末端支架上；
所述抓取力控制模块包括弹性缓冲块和压力传感器；所述弹性缓冲块粘附在所述抓取末端的内侧，所述压力传感器粘附在所述弹性缓冲块上。
2.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述机械爪还包括两个主板和4个底部支架；所述主板关于所述中心面对称分布，并固定在所述动力源的外壳上；每个所述主板上固定安装有两个所述底部支架，所述滑轨固定在4个所述底部支架上。
3.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述弹性缓冲块由橡胶或弹簧制成。
4.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述压力传感器为薄膜力传感器。
5.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述第一转动副包括第一转动副轴承、光轴、开口弹性挡圈、垫圈，所述曲柄和所述连杆的一端分别通过所述第一转动副轴承与所述光轴的两端连接，所述曲柄、所述连杆、所述光轴均与所述第一转动副轴承采用紧配合连接，所述光轴的两侧嵌入所述开口弹性挡圈；所述光轴与所述垫圈通过间隙配合。
6.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述第二转动副包括第二转动副轴承、阶梯轴、开口弹性挡圈，所述连杆的一端与所述阶梯轴通过所述第二转动副轴承连接，所述连杆、所述阶梯轴与所述第二转动副轴承采用紧配合连接，所述阶梯轴通过间隙配合与所述滑座相连。
7.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述滑块与所述滑轨之间的缝隙中加入润滑油。
8.如权利要求1所述的力控机械爪，其特征在于，所述动力源为舵机。
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