CN109434867A - 一种自适应性电动二指机械手爪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应性电动二指机械手爪，包括相对设置的两个手指以及两个手指之间的腕臂；每个手指均包括第一指节、第二指节、第三指节和第四指节；所述第一指节、第三指节和第四指节依次相铰接；所述第二指节的一端与第一指节相铰接，另一端则与所述腕臂相铰接；第四指节中远离第三指节的一端传动连接于旋转驱动机构，所述旋转驱动机构可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端转动。本发明可以替代平移式和旋转式的夹持抓手，抓取矩形、柱形或不规则形状的物体，也可以替代吸附式的抓手，夹取轻小或者薄片状物品。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化生产和教学科研领域，具体涉及一种自适应性电动二指机械手爪。
背景技术
机械手爪通常安装在多轴机械臂末端，用于抓取不同形状的物品。目前普遍认知的机械手爪主要由执行机构、驱动系统、控制系统、位置检测装置组成。市面上大部分手爪只有简单的执行机构和驱动系统，其中最典型的是夹持手爪(机构抓取)和吸附手爪(真空或磁力吸取)。
夹持式手爪由手指和驱动机构组成，手指与抓取物体直接接触，分成平移型和回转型。手指的具体结构取决于抓取物品表面的形状、尺寸、抓取部位以及重量，常用指型有平面、圆面、曲面、槽型，夹持方式有外持和内撑，指数有单指、双指、多指等。夹持式手爪的驱动机构常见有滑槽式、连杆式、斜面式、齿轮齿条式、丝杆式、重力式等，常见的驱动系统有电机和气缸。
吸附式手爪主要由吸盘组成，靠负气压或者电磁磁场吸附物品。负气压手爪常用于吸附薄片状、光滑表面、轻小的材料，电磁手爪常用于吸附可磁化金属或表面有网口的物品。
由于不同物品有不同的外形，通常手爪只能抓取特定的或者同一类型的物品，导致适应性单一，无法灵活应对多变的应用需求。为了完成复杂精细的任务，机械式自适应的手爪成为了研究方向。自适应手爪具有复杂的执行机构、驱动系统、控制系统和位置感应装置，根据欠驱动原理，自适应手爪可以自动适应抓取物品的表面形状、尺寸、部位以及硬度，既可以用指节前段包络式抓取大尺寸和重物，也可以用指节末段精确抓取小物品和薄片物品。这种自适应性的多自由度多指手爪可以安装在多轴机械臂或机械手臂末段，抓取多变化多样的物品而不需要特地更换定制手指。
现有的电动二指机械手爪的动作方式有二指平动和二指旋转两种。二指平动式手爪响应迅速，精度高，可内外双向抓取，通常用于抓取矩形物品；二指旋转式手爪夹持范围大，配合特定的手指可以包裹抓取物品，也可以双向抓取，通常用于抓取柱形物体。这两种手爪比较常用的传动方式是铰链传动或齿轮齿条，输出力矩稳定。与气动的抓手相比，电机驱动的抓手可以加入控制器来实现手爪的智能化动作，通过控制器可以实现对输出力矩和手指运动幅度的控制，以应对不同材质，不同的大小和不同应用场合的需求。
但是现有的电动二指机械手爪主要具有如下缺陷：
1、无法同时实现平移和旋转两种动作，所以无法兼具抓取矩形和柱形物品或者有复杂外表形状的物体的功能；
2、不具有自适应性，应对物品的材质外形或大小，需要定制特定的手指，当物品外形变化时，需要重新定制对应的手指；
3、没有防意外动作机构，当意外断电时，手指会失去动力而没有力矩输出，所抓取的物品可能会掉落；
4、长期的大力矩输出和长时间抓紧物体会对电机造成负担，影响电机寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种自适应性电动二指机械手爪，可以替代平移式和旋转式的夹持抓手，抓取矩形、柱形或不规则形状的物体，也可以替代吸附式的抓手，夹取轻小或者薄片状物品。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自适应性电动二指机械手爪，包括相对设置的两个手指以及两个手指之间的腕臂；每个手指均包括第一指节、第二指节、第三指节和第四指节；所述第一指节、第三指节和第四指节依次相铰接；所述第二指节的一端与第一指节相铰接，另一端则与所述腕臂相铰接；第四指节中远离第三指节的一端传动连接于旋转驱动机构，所述旋转驱动机构可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端转动。
进一步地，两个手指的第一指节远离第三指节的一端的相对一面均为平板结构。
进一步地，所述旋转驱动机构包括动力输出装置、蜗轮和蜗杆，所述蜗轮传动啮合于所述蜗杆，所述动力输出装置传动连接于所述蜗杆；所述蜗轮传动连接于第四指节中远离第三指节的一端，并可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端作与其所连接的蜗轮的转动方向相同的转动。
更进一步地，两个手指的第四指节分别连接于蜗轮一和蜗轮二，所述蜗轮一传动啮合于蜗杆一，所述蜗轮二传动啮合于蜗杆二，所述蜗杆一和蜗杆二连接于同一动力输出装置；所述动力输出装置包括大扭矩电机、主动齿轮、从动齿轮，所述大扭矩电机的输出轴传动连接于所述主动齿轮，所述从动齿轮与所述主动齿轮传动啮合；所述从动齿轮分别与所述蜗杆一和蜗杆二同轴传动连接；所述蜗杆一和蜗杆二的螺纹方向相反。
再进一步地，所述动力输出装置还包括传动轴，所述从动齿轮与所述蜗杆一和蜗杆二中的其中一个同轴固定连接，并通过传动轴与所述蜗杆一和蜗杆二中的另一个同轴传动连接。
进一步地，两个手指的第一指节远离第三指节的一端的相对的一面上分别设有第一指节防滑垫。
进一步地，两个手指的第二指节相对的一面上设有第二指节防滑垫。
进一步地，所述腕臂的顶面设有腕臂防滑垫。
进一步地，所述自适应性电动二指机械手爪还包括有外壳，所述旋转驱动机构、腕臂、两个手指的第四指节中远离第三指节的一端均位于所述外壳内。
进一步地，所述第一指节包括分节一和分节二，所述分节一和分节二之间相互固定并且具有夹角，所述分节二铰接于第三指节，所述第二指节的一端铰接于所述分节一和分节二的交汇处。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的自适应性电动二指机械手爪的手指设计结构中，第一指节和第二指节在第三指节和第四指节的带动下，最大程度可以转动并平移至垂直的状态，则可以抓取厚度较小、长度较长的物体(如板状物体)，通过第一指节和第二指节直接锁住物品，或者对物体形成包络式抓取(例如抓取圆柱状物体)，因此可以替代平移式和旋转式的夹持抓手，抓取矩形、柱形或不规则形状的物体，也可以替代吸附式的抓手，夹取轻小或者薄片状物品。
2、旋转机构具有自锁功能，可以防止两个手指失去动力后(如发生断电等情况)所抓取的物品掉落的风险
3、两个手指由同一个动力输出装置进行驱动，可以保证两个手指运动的同步性和输出力矩的一致性，上述动力输出装置结构也预防了长期大力矩输出而造成的电机损坏。
附图说明
图1为本发明实施例中省略部分外壳的结构示意图；
图2为本发明实施例的外部结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
如图1－2所示，一种自适应性电动二指机械手爪，包括相对设置的两个手指1以及两个手指1之间的腕臂2；每个手指1均包括第一指节3、第二指节4、第三指节5和第四指节6；所述第一指节3、第三指节5和第四指节6依次相铰接；所述第二指节4的一端与第一指节3相铰接，另一端则与所述腕臂2相铰接；第四指节6中远离第三指节5的一端传动连接于旋转驱动机构，所述旋转驱动机构可驱动第四指节6绕着其远离第三指节5的一端转动。
上述自适应性电动二指机械手爪中，第一指节3(远离第三指节的一端)和第二指节4负责抓取，第三指节5和第四指节6为连杆驱动机构，用于带动第一指节3和第二指节4的运动。
工作时，两个手指的第四指节6远离第三指节5的一端在旋转驱动机构的驱动下转动，从而带动第三指节5、第一指节3、第二指节4整体移动(平移)。
当第一指节3远离第三指节5的一端先触碰到物体时，此时在物体的反作用力下，各个指节都不再移动，由于第三指节5会对第四指节6产生反作用力，此时旋转驱动机构会检测到扭矩发生变化并自动停止，此时第三指节5和第四指节6形成稳定的支撑结构，所有夹持力施加于第一指节3上夹紧物体。
当第二指节4先触碰到物体时，则在物体的反作用力下第二指节4停止不动，第一指节3在第三指节5的推动下会作相对于第二指节4的转动，从而对物体形成包络，直至第一指节3将物体压紧在腕臂上后，第一指节3不能再转动，此时第三指节5和第四指节6也停止转动，并形成稳定的支撑结构。
在上述自适应性电动二指机械手爪的手指设计结构中，第一指节3和第二指节4在第三指节5和第四指节6的带动下，最大程度可以转动并平移至垂直的状态，则可以抓取厚度较小、长度较长的物体(如板状物体)，通过第一指节3和第二指节4直接锁住物品，或者对物体形成包络式抓取(例如抓取圆柱状物体)，因此可以替代平移式和旋转式的夹持抓手，抓取矩形、柱形或不规则形状的物体，也可以替代吸附式的抓手，夹取轻小或者薄片状物品。
在本实施例中，两个手指的第一指节3远离第三指节5的一端的相对一面均为平板结构。
进一步地，所述旋转驱动机构包括动力输出装置、蜗轮和蜗杆，所述蜗轮传动啮合于所述蜗杆，所述动力输出装置传动连接于所述蜗杆；所述蜗轮传动连接于第四指节中远离第三指节的一端，并可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端作与其所连接的蜗轮的转动方向相同的转动。
由于蜗轮蜗杆是自锁结构，因此可以防止两个手指失去动力后(如发生断电等情况)所抓取的物品掉落的风险。
本实施例中，两个手指的第四指节6分别连接于蜗轮一71和蜗轮二72，所述蜗轮一71传动啮合于蜗杆一81，所述蜗轮二72传动啮合于蜗杆二82，所述蜗杆一81和蜗杆二82连接于同一动力输出装置；所述动力输出装置包括大扭矩电机9、主动齿轮10、从动齿轮11，所述大扭矩电机9的输出轴传动连接于所述主动齿轮10，所述从动齿轮11与所述主动齿轮10传动啮合；所述从动齿轮11分别与所述蜗杆一81和蜗杆二82同轴传动连接；所述蜗杆一81和蜗杆二82的螺纹方向相反。
两个手指由同一个动力输出装置进行驱动，可以保证两个手指运动的同步性和输出力矩的一致性，上述动力输出装置结构也预防了长期大力矩输出而造成的电机损坏。
进一步地，所述动力输出装置还包括传动轴12，所述从动齿轮11与所述蜗杆一81和蜗杆二82中的其中一个(本实施例中为蜗杆一81)同轴固定连接，并通过传动轴12与所述蜗杆一81和蜗杆二82中的另一个(本实施例中为蜗杆一82)同轴传动连接。
在本实施例中，两个手指的第一指节3远离第三指节5的一端的相对的一面上分别设有第一指节防滑垫13。更进一步地，两个手指的第二指节4相对的一面上设有第二指节防滑垫14。再进一步地，所述腕臂2的顶面设有腕臂防滑垫15。防滑垫的设置可以进一步增强物体抓取的牢固性。
在本实施例中，所述自适应性电动二指机械手爪还包括有外壳16，所述旋转驱动机构、腕臂2、两个手指的第四指节6中远离第三指节的一端均位于所述外壳16内。
在本实施例中，所述外壳16具体包括上部呈梯形体的外壳一161和下部呈方体的外壳二162，所述外壳一161的底部和外壳二162的顶部之间相互连通；所述外壳一161的两侧为开放结构，所述腕臂2位于所述外壳一161内，并且两个手指的第四指节6分别从外壳一161的两侧伸出；所述旋转驱动机构中，大扭矩电机9和主动齿轮10位于外壳二162内，从动齿轮11、蜗杆一81、蜗杆二82、蜗轮一71、蜗轮二72均位于所述外壳一161内。另外，所述大扭矩电机9的电源模块17也设于所述外壳二162内，所述电源模块17的电源接头18(4芯航插)设于所述外壳二162的外表面。
在本实施例中，所述第二指节4的另一端位于所述外壳16的外部，通过贯穿所述外壳16的铰接轴19与所述腕臂2相铰接。
在本实施例中，所述外壳的底部还设置有法兰20。所述法兰20用于实现自适应性电动二指机械手爪与机器人本体的对接。安装时需要参照所用机器人的法兰形式，使用合适的转接法兰来实现自适应性电动二指机械手爪与机器人的对接。上述自适应性电动二指机械手爪可以通过连接机器人本体I/O来实现机器人对自适应性电动二指机械手爪的控制，上述自适应性电动二指机械手爪也可以通过连接上位的PLC，让PLC同时控制机器人和所述自适应性电动二指机械手爪，来实现机器人与自适应性电动二指机械手爪的配合动作。
在本实施例中，所述第一指节包括分节一31和分节二32，所述分节一31和分节二32之间相互固定并且具有夹角(如120°)，所述分节二32铰接于第三指节5，所述第二指节4的一端铰接于所述分节一31和分节二32的交汇处。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，包括相对设置的两个手指以及两个手指之间的腕臂；每个手指均包括第一指节、第二指节、第三指节和第四指节；所述第一指节、第三指节和第四指节依次相铰接；所述第二指节的一端与第一指节相铰接，另一端则与所述腕臂相铰接；第四指节中远离第三指节的一端传动连接于旋转驱动机构，所述旋转驱动机构可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端转动。
2.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，两个手指的第一指节远离第三指节的一端的相对一面均为平板结构。
3.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，所述旋转驱动机构包括动力输出装置、蜗轮和蜗杆，所述蜗轮传动啮合于所述蜗杆，所述动力输出装置传动连接于所述蜗杆；所述蜗轮传动连接于第四指节中远离第三指节的一端，并可驱动第四指节绕着其远离第三指节的一端作与其所连接的蜗轮的转动方向相同的转动。
4.根据权利要求3所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，两个手指的第四指节分别连接于蜗轮一和蜗轮二，所述蜗轮一传动啮合于蜗杆一，所述蜗轮二传动啮合于蜗杆二，所述蜗杆一和蜗杆二连接于同一动力输出装置；所述动力输出装置包括大扭矩电机、主动齿轮、从动齿轮，所述大扭矩电机的输出轴传动连接于所述主动齿轮，所述从动齿轮与所述主动齿轮传动啮合；所述从动齿轮分别与所述蜗杆一和蜗杆二同轴传动连接；所述蜗杆一和蜗杆二的螺纹方向相反。
5.根据权利要求4所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，所述动力输出装置还包括传动轴，所述从动齿轮与所述蜗杆一和蜗杆二中的其中一个同轴固定连接，并通过传动轴与所述蜗杆一和蜗杆二中的另一个同轴传动连接。
6.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，两个手指的第一指节远离第三指节的一端的相对的一面上分别设有第一指节防滑垫。
7.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，两个手指的第二指节相对的一面上设有第二指节防滑垫。
8.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，所述腕臂的顶面设有腕臂防滑垫。
9.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，所述自适应性电动二指机械手爪还包括有外壳，所述旋转驱动机构、腕臂、两个手指的第四指节中远离第三指节的一端均位于所述外壳内。
10.根据权利要求1所述的自适应性电动二指机械手爪，其特征在于，所述第一指节包括分节一和分节二，所述分节一和分节二之间相互固定并且具有夹角，所述分节二铰接于第三指节，所述第二指节的一端铰接于所述分节一和分节二的交汇处。
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