CN109465840B - 一种吸盘-手爪复合抓取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种吸盘‑手爪复合抓取装置，属于分拣机器人技术领域，包括基座、外筒、吸盘和由结构相同的多个指段构成的手爪，所述外筒内设有用于驱动所述吸盘上下运动的吸盘驱动部件，该部件一端通过向上延伸的推杆与位于所述基座中心处的吸盘固定连接；多个指段圆周均布在吸盘周围、与基座保持相对平动，且各指段随基座相对于吸盘轴向具有转动自由度。本发明装置能够利用吸盘先吸取物体，然后利用手爪平行夹持物体，针对不同位置的物体，该装置可以通过吸盘与手爪间的相对旋转使得可以吸起物体后再进行手的姿态调整，该装置抓取范围大，结构简单，控制容易，成本低。
Description
技术领域
本发明属于分拣机器人技术领域，尤其涉及一种吸盘-手爪复合抓取装置。
背景技术
随着电子商务的发展，物流成为了实际生产中一个重要的环节，现有的通过人力实现物流的方式存在着很多问题，因此，研制代替人类完成分拣工作的机器人成为了一个重要的课题，但分拣机器人的抓取面临着很多难题，分拣机器人需要在复杂的多物体堆积场景中工作，同时要能有很高的抓取效率，当前分拣机器人在抓取结构上主要分手爪式和吸盘式两种，这两种方式都存在着一定的问题，手爪式分拣机器人的工作区域有限，抓取成功率低，复杂环境适应性差，而吸盘式分拣机器人虽然抓取效率高，适用于复杂环境，但是在移动物体的过程中，由于物体移动方向与吸盘吸取方向大多不同，物体存在容易脱落等问题，并且其不能进行姿态调整，不利于放置。
现有的一种吸盘式机械手，如专利CN107322624A，包括机架，多个连杆，夹持板，电动伸缩杆，除杂腔等。该装置能够通过吸盘与夹持板的配合工作抓取布料。其不足之处在于：该装置的夹持板以转动方式运动，仅针对布料等柔软物体有较好的夹持作用，针对块状物体等硬物无法很好的夹持。
现有的一种复合型机械手，如专利CN206883664U，包括吸盘，复数个手爪等。该机械手兼有手爪夹持机构抓取一般零件、物体和吸盘式机械手抓取细小扁平物体的功能。其不足之处在于：该装置的吸盘结构与手爪结构固定耦合工作，无法单独控制工作，可控性差，另外，手爪与吸盘的相对位置固定，在吸取物体前需对物体的姿态有较好的识别从而才能使手爪更好的抓取物体，而不能吸取物体后在进行调整，对识别和控制的要求高。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提出一种吸盘-手爪复合抓取装置，在已有技术的基础上通过吸盘手爪融合机构提高抓取效率，提高机械手抓取识别的鲁棒性、准确率和速率。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提出的一种吸盘-手爪复合抓取装置，包括基座、外筒、吸盘和由结构相同的多个指段构成的手爪，所述外筒内设有用于驱动所述吸盘上下运动的吸盘驱动部件，该部件一端通过向上延伸的推杆与位于所述基座中心处的所述吸盘固定连接；其特征在于，多个所述指段圆周均布在所述吸盘周围、与所述基座保持相对平动，且各指段随所述基座(1)相对于所述吸盘轴向具有转动自由度。
进一步地，所述基座上在与各所述指段相连处均相对设有两翼缘，在两翼缘与其上方的指段之间设有相互平行的第一连杆和第二连杆、且第一连杆相对于第二连杆更靠近所述吸盘设置，所述第一连杆的底端通过套接在所述基座两翼缘上的第一轴与基座两翼缘形成转动连接，且第一连杆与第一轴固接，所述第一连杆的顶端通过套接在所述指段底端的第二轴与所述指段形成转动连接，所述第二连杆的底端通过套接在基座两翼缘上的第三轴与基座两翼缘形成转动连接，所述第二连杆的顶端通过套接在所述指段底端的第四轴与指段形成转动连接，所述第一轴、第二轴、第三轴、第四轴相互平行且各轴中心点共同构成平行四边形；在所述第一轴上固定有第一齿轮，该齿轮与其下方的第二齿轮啮合，所述第二齿轮由固定于所述基座两翼缘之间的第一电机驱动；在所述基座和外筒之间设有转动轴承，所述外筒内设有第二电机，所述第二电机的输出端通过与所述基座底面相垂直的第五轴与第三齿轮固定连接、带动第三齿轮转动，所述第三齿轮通过一啮合的内齿圈与所述转动轴承的外圈固定连接、带动外圈转动，同时所述转动轴承的外圈与所述基座底部固定、带动基座转动，所述转动轴承的内圈与所述外筒顶端固接。
本发明提出的吸盘-手爪复合抓取装置与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：
本发明利用电机、推杆、吸盘、吸盘驱动部件连杆、齿轮和内齿圈等综合实现了吸盘-手爪复合抓取的功能，且吸盘与手爪的运动是相互独立的。针对不同位置，不同位姿，不同环境下的物体，本发明装置有三种抓取方式：只利用吸盘吸取物体；只利用手爪平行加持物体；利用吸盘先吸取物体，然后利用手爪平行夹持物体，不同抓取方式之间的切换既可以保证抓取成功率，也一定程度上提高了抓取效率。手爪的抓取方式采用了平行夹持的方式，增加了接触面积，也为压感触觉识别提供了便利。同时，不同位姿的物体在复杂环境中的识别较为困难，本发明装置可以在吸取物体后即物体脱离复杂环境后再进行物体位姿的识别进而通过吸盘与手爪间的相对旋转来调整平夹手爪的方位来更好地进行平行夹持。该装置抓取范围大，结构简单，控制容易，成本低，适用于机器人手。
附图说明
图1为本发明实施例的一种吸盘-手爪复合抓取装置的三维结构示意图。
图2为图1所示实施例的主视图(未画出部分零件)。
图3为图1所示实施例的左视图(未画出部分零件)。
图4～图6是图1所示实施例手爪部分平行夹持物体的动作示意图。
图7～图11是图1所示实施例吸盘与手爪部分协同抓取物体的动作示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明提出的一种吸盘-手爪复合抓取装置详细说明如下：
本发明实施例的一种吸盘-手爪复合抓取装置，其整体结构如图1所示，包括基座1、外筒2、吸盘3和由结构相同的多个(本实施例设有2个)指段4构成的手爪，外筒2用于与机械臂固接，外筒2内设有用于驱动吸盘3上下运动的吸盘驱动部件(图1中未示意出，详见图2中标号5的部件)，该部件一端通过向上延伸的推杆51与位于基座1中心处的吸盘3固定连接；多个指段4圆周均布在吸盘3周围、与基座1保持相对平动，且各指段4随基座1相对于吸盘3轴向具有转动自由度。
本实施例中，各部件的具体实现方式及功能进一步说明如下：
各指段4随基座1相对于吸盘3轴向的转动自由度是通过以下方式实现，参见图2、图3。各指段4与基座1的连接方式相同，现以其中一个指段为例进行说明(为了便于标记，将图中的个别部件的标号示意在了不同的指段上)：基座1上在与各指段相连处均相对设有两翼缘(11、12)，在两翼缘与其上方的指段4之间设有相互平行的第一连杆61和第二连杆62、且第一连杆61相对于第二连杆62更靠近吸盘3设置，第一连杆61的底端通过套接在基座两翼缘(11、12)上的第一轴71与基座两翼缘形成转动连接，且第一连杆61与第一轴71固接，第一连杆61的顶端通过套接在指段4底端的第二轴72与指段4形成转动连接，第二连杆62的底端通过套接在基座两翼缘(11、12)上的第三轴73与基座两翼缘形成转动连接，第二连杆62的顶端通过套接在指段4底端的第四轴74与指段4形成转动连接，除第一轴71与第一连杆61之间为固接外，第二轴72、第三轴73、第四轴74与相应连杆的连接为套接或转动连接，第一轴71、第二轴72、第三轴73、第四轴74相互平行且各轴中心点共同构成平行四边形ABCD；本实施例中，第一连杆61和第二连杆62均为U型结构，敞口端与基座两翼缘连接、闭口端与指段连接，两连杆的侧壁置于基座两翼缘的内侧或外侧均可，本实施例采用第一连杆61的两侧壁置于基座两翼缘的外侧、第二连杆62的两侧壁置于基座两翼缘的内侧的方式布设。在第一轴71上固定有第一齿轮81，该齿轮与其下方的第二齿轮82啮合，第二齿轮82由固定于基座1两翼缘之间的第一电机91驱动，驱动第一连杆61与基座1间的相对转动，该驱动力通过指段4底端传递至第二连杆62，同时驱动第二连杆62与基座1间的相对转动。在基座1和外筒2之间设有转动轴承10(本实施例优选交叉滚子轴承)，外筒2内设有第二电机92，第二电机92的输出端通过与基座1底面相垂直的第五轴75与第三齿轮83固定连接、带动第三齿轮83转动，第三齿轮83通过一啮合的内齿圈84与转动轴承10的外圈固定连接、带动外圈转动，同时转动轴承10的外圈与基座1底部固定、带动基座1转动。转动轴承10的内圈与外筒2顶端的短杆21固接，实现转动轴承10与外筒2间的安装。本实施例通过上述方式使各指段4随基座1相对于吸盘3轴向具有转动自由度，从而可以完成抓取后的手内操作，即利用吸盘3吸取物体后，还可利用指段4与吸盘3间的相对转动调整指段4与吸盘3的相对角度进行更好地抓取。
进一步地，各指段4与待抓取物体之间的接触面为平板结构41，增加了指段与待抓取物体的接触面积，且在指段4夹持物体时采用平行夹持方式，具体是通过第一轴71、第二轴72、第三轴73、第四轴74相互平行且各轴中心点共同构成平行四边形的机构实现，该平行四边形机构保证了BD//AC，AC在基座上，因此BD在平动，保证了指段4相对于基座1仅产生平动而无转动。在各指段平板结构41的外侧一体成型有用于安装第二轴72、第四轴74的连接部43，该连接部上设有穿过第二轴72和第四轴74的通孔，本实施例的连接部43具有类L型的横截面，在保证连接强度的同时可减轻指段的重量。在各指段4的平板结构41内侧，可贴设压力传感器贴片42，用于测量指段4与物体接触时的夹持力，并传输至外部的控制端，与其他的采集装置(例如摄像头)相配合，为多模态感知(如触觉、视觉等)作基础。
本实施例的吸盘驱动部件5设于外筒2内，参见图2、图3，为气动驱动部件，包括气缸52和气动电磁阀53，气缸52由电磁阀53驱动，具体的，气缸52的两个进气孔与气动电磁阀53的两个出气孔相连。气缸52的活塞杆通过推杆51与吸盘3固定连接。此外，吸盘驱动部件5还可以是电动驱动部件，包括驱动电机(优选直线驱动电机)和丝杠螺母，均为常规的市售产品。
进一步地，在外筒2的侧壁上开设有用于连接机械臂的通孔22，在抓取物体时，通过这些通孔将本复合抓取装置与机械臂固定连接。
本复合抓取装置的工作过程如下：
本实施例有三种抓取方式，只用吸盘吸取物体；只用手爪平行夹持物体；先用吸盘吸取物体，再调整手爪方位，用手爪平行夹持物体。下面着重描述第三种抓取方式，前两种抓取方式只要在第三种抓取方式中省略掉相应的步骤即可。
当本实施例抓取物体时，气动电磁阀53控制气缸52使得推杆51推出，吸盘3接触物体40，吸盘3吸气吸起物体40，根据物体40的姿态与基座1的姿态，控制第二电机92的启动与关闭，第二电机92启动时，第五轴75旋转带动第三齿轮83转动，内齿圈84由于与第三齿轮83啮合而旋转，转动轴承10的外圈由于与内齿圈84固接而相对于转动轴承10内圈而转动，基座1由于与交叉滚子轴承10外圈固接而转动，直至基座1调整到利于手爪抓取物体40时为止，此时气动电磁阀53控制气缸52使得推杆51吸进，物体40被吸进，第一电机91启动，第二齿轮82转动，第一齿轮81由于与第二齿轮82啮合而转动，第一轴71由于与第一齿轮81固接而转动，第一连杆61由于与第一轴71固接而转动，指段4平行夹持物体40，抓取完毕。
图4～6表示了手爪在进行平行夹持时的工作方式，图7～11表示了本发明装置在具体工作时的抓取过程。
释放物体时，与上述过程刚好相反，不再赘述。
本发明利用电机、推杆、吸盘、吸盘驱动部件、连杆、齿轮和内齿圈等综合实现了吸盘-手爪复合抓取的功能。针对不同位置，不同位姿，不同环境下的物体，本发明装置有三种抓取方式：只利用吸盘吸取物体；只利用手爪平行加持物体；利用吸盘先吸取物体，然后利用手爪平行夹持物体，不同抓取方式之间的切换既可以保证抓取成功率，也一定程度上提高了抓取效率。手爪的抓取方式采用了平行夹持的方式，增加了接触面积，也为压感触觉识别提供了便利。同时，不同位姿的物体在复杂环境中的识别较为困难，本发明装置可以在吸取物体后即物体脱离复杂环境后再进行物体位姿的识别进而通过吸盘与手爪间的相对旋转来调整平夹手爪的方位来更好地进行平行夹持。该装置抓取范围大，结构简单，控制容易，成本低，适用于机器人手。
以上实施例仅用以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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。
Claims (6)
1.一种吸盘-手爪复合抓取装置，包括基座(1)、外筒(2)、吸盘(3)和由结构相同的多个指段(4)构成的手爪，所述外筒(2)内设有用于驱动所述吸盘(3)上下运动的吸盘驱动部件(5)，该部件一端通过向上延伸的推杆(51)与位于所述基座(1)中心处的所述吸盘(3)固定连接；其特征在于，多个所述指段(4)圆周均布在所述吸盘(3)周围、与所述基座(1)保持相对平动，且各指段(4)随所述基座(1)相对于所述吸盘(3)轴向具有转动自由度；
所述基座(1)上在与各所述指段(4)相连处均相对设有两翼缘(11、12)，在两翼缘与其上方的指段(4)之间设有相互平行的第一连杆(61)和第二连杆(62)、且第一连杆(61)相对于第二连杆(62)更靠近所述吸盘(3)设置，所述第一连杆(61)的底端通过套接在所述基座两翼缘(11、12)上的第一轴(71)与基座两翼缘形成转动连接，且第一连杆(61)与第一轴(71)固接，所述第一连杆(61)的顶端通过套接在所述指段(4)底端的第二轴(72)与所述指段(4)形成转动连接，所述第二连杆(62)的底端通过套接在基座两翼缘(11、12)上的第三轴(73)与基座两翼缘形成转动连接，所述第二连杆(62)的顶端通过套接在所述指段(4)底端的第四轴(74)与指段(4)形成转动连接，所述第一轴(71)、第二轴(72)、第三轴(73)、第四轴(74)相互平行且各轴中心点共同构成平行四边形；在所述第一轴(71)上固定有第一齿轮(81)，该齿轮与其下方的第二齿轮(82)啮合，所述第二齿轮(82)由固定于所述基座(1)两翼缘之间的第一电机(91)驱动；在所述基座(1)和外筒(2)之间设有转动轴承(10)，所述外筒(2)内设有第二电机(92)，所述第二电机(92)的输出端通过与所述基座(1)底面相垂直的第五轴(75)与第三齿轮(83)固定连接、带动第三齿轮(83)转动，所述第三齿轮(83)通过一啮合的内齿圈(84)与所述转动轴承(10)的外圈固定连接、带动外圈转动，同时所述转动轴承(10)的外圈与所述基座(1)底部固定、带动基座(1)转动，所述转动轴承(10)的内圈与所述外筒(2)顶端固接。
2.如权利要求1所述的吸盘-手爪复合抓取装置，其特征在于，各所述指段(4)与待抓取物体之间的接触面为平板结构(41)。
3.如权利要求2所述的吸盘-手爪复合抓取装置，其特征在于，在所述平板结构(41)内侧贴设有压力传感器贴片(42)。
4.如权利要求1所述的吸盘-手爪复合抓取装置，其特征在于，所述吸盘驱动部件(5)为气动驱动部件，包括气缸(52)和气动电磁阀(53)；所述气缸(52)由所述气动电磁阀(53)驱动，该气缸的活塞杆通过所述推杆(51)与所述吸盘(3)固定连接。
5.如权利要求1所述的吸盘-手爪复合抓取装置，其特征在于，所述吸盘驱动部件(5)为电动驱动部件，包括驱动电机和丝杠螺母。
6.如权利要求1所述的吸盘-手爪复合抓取装置，其特征在于，所述转动轴承(10)采用交叉滚子轴承。
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