CN109807922B - 一种机械手系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械手系统及其操作方法，机械手手抓连接第一电动推杆，第一电动推杆另一端与小臂板连接，第二电动推杆一端与小臂板连接，另一端与大臂板连接，第三电动推杆一端与大臂板连接，另一端与支架板连接，支架板与底盘通过直角角件进行固定连接，底盘固定在底座圆盘上，底座圆盘安装在转台支架板上，转台支架板固定在电控柜上，电控柜下方安装有万向轮；通过操纵第一摇杆开关和第二摇杆开关控制电动推杆，进而驱动机械手组件开始工作。本发明专利关节作业角度直接限位、机械手和控制柜集成为一体且安装有万向轮、机械手末端可达空间集成到控制柜中且作业空间可伸展，具有安全可靠、便于移动、布置方便等优点。

Description

一种机械手系统及其操作方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种机械手系统操及其操作方法。

背景技术

随着社会工业的不断发展，机械手取代了一些简易的人工操作工作，逐渐显现出其在工业中的重要作用。为对机械手的运动原理进行解释说明，同时让人们体验机械手操作过程，需要开发一款机械手操作演示系统。

专利申请号为201320413671.1，名称为《一种钻杆排放机械手》的中国专利，整套装置固定在某一工位，通过人工控制机械手的作业范围，当作为演示机械手时，由于机械手各个关节未安装限位传感器，安全性有待提高。

专利申请号为201510010324.8，名称为《一种四自由度步进电机驱动关节型机械手》的中国专利，其在运动的推杆上放置传感器，控制推杆伸缩长度，间接对关节作业角度进行限位，但是，该种方式需要将关节角度作业范围转换为推杆伸缩长度，转换复杂且精度较差。专利申请号为201621309021.2，名称为《一种码头用集装箱手动控制搬运机械手》的中国专利，其控制柜与机械手本体是分开的，当作为演示机械手时，整套系统移动较为繁琐。此外，作为演示机械手，常常需要变换演示场所或演示位置，而每变换一次演示位置，都需要在机械手的周围重新布置其末端作业范围，以防止用于抓取的物体被放置在机械手末端可达空间之外，致使演示失败，使得整套系统移动效率较低。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种关节作业角度直接限位、机械手和控制柜集成为一体且便于移动、并将机械手末端可达空间集成到控制柜且可伸展的机械手系统。

技术方案：本发明的一种机械手系统，包括机械手组件、转台支架板和电控柜，机械手组件安装于转台支架板，转台支架板安装于电控柜；所述机械手组件包括手爪、第一电动推杆、小臂板、第二电动推杆、大臂板、第三电动推杆、支架板、底盘和底座圆盘，手爪主关节连接在手抓芯轴上，手抓支关节连接在手抓套上，手爪管夹连接于小臂板，手爪芯轴连接于第一电动推杆，第一电动推杆另一端连接于小臂板，第二电动推杆一端连接于小臂板且另一端连接于大臂板，第三电动推杆一端连接于大臂板且另一端连接与支架板，支架板通过直角角件与底盘进行固定，底盘安装于底座圆盘，底座圆盘固定于转台支架板；所述电控柜包括控制器、第一摇杆开关、第二摇杆开关，通过操纵第一摇杆开关和第二摇杆开关来将对应操作信号传输至控制器，控制器根据信号分别驱动第一电动推杆、第二电动推杆以及第三电动推杆，第一电动推杆、第二电动推杆以及第三电动推杆进而驱动机械手组件开始工作。

进一步的，机械手与电控柜集成为一体，电控柜底部设有万向轮，电控柜还集成有上作业空间和下作业空间，并且该作业空间可以在控制柜中伸缩。

进一步的，所述转台支架板、支架板、第二电动推杆和手爪套上分别设有第一限位传感器、第二限位传感器、第三限位传感器、第四限位传感器和第五限位传感器，五个传感器分别实时采集各自的位置信息并传输至控制器(例如采用DKC-1A、AQMD6020BLS、DH48S-S等)。

进一步的，第一限位传感器和二限位传感器安装在转台支架板上，限制机械手组件的转动范围，第三限位传感器安装在支架板上，限制大臂后仰范围，第四限位传感器安装在第二电动推杆上，直接限制小臂关节与大臂关节之间的角度，第五限位传感器安装在手爪套上，间接限制手抓的张合度。进一步的，所述机械手组件与电控柜集成为一体；电控柜上方分别安装有第一摇杆开关、电源按钮、电源指示灯、第二摇杆开关、电控柜侧壁开设有通风窗。

进一步的，所述底盘通过螺栓和螺母安装于底座圆盘上方；所述支架板通过直角角件固定安装于底盘，支架板另一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板连接；所述第三电动推杆一端通过通丝杆、螺母及轴承与支架板连接，另一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板连接；所述第二电动推杆一端通过通丝杆、螺母固定于大臂板，另一端连接于小臂板；所述第一电动推杆一端连接于小臂板，另一端通过自身螺纹固定于手爪芯轴；所述手爪管夹通过通丝杆和螺母固定于小臂板。

本发明还公开了一种机械手系统的操作方法，包括以下步骤：

(1)前期准备工作：首先将万向轮固定，然后打开上作业空间和下作业空间，按下电源按钮，电源指示灯亮；

(2)抓取动作：操纵第一摇杆开关向前，第三电动推杆带动大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向外移动，通过二者配合，将手爪移动至上作业空间的上方，此时操纵第二摇杆开关向前，第一电动推杆带动手爪芯轴移动，驱动手爪关节使手爪张开，再通过操纵第一摇杆开关向左(腰部关节逆时针旋转)或向右(腰部关节顺时针旋转)向前操作，使大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左(小臂关节沿大臂关节向外移动)或向右(小臂关节沿大臂关节向里收回)调整，使手爪锁定要抓取的目标，操作第二摇杆开关向后，手爪闭合，完成抓取工作；其中腰部关节即是指支架板。

(3)卸载动作：操纵第一摇杆开关向后，第三电动推杆带动大臂板关节向后仰起，操纵第二摇杆开关向右，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向里收回，操纵第一摇杆开关向左，腰部关节逆时针旋转，将手爪移动至下作业空间的上方，操纵第一摇杆开关向前，第三电动推杆带动大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向外伸出，操纵第一摇杆开关向左(腰部关节逆时针旋转)向右(腰部关节顺时针旋转)，操纵第二摇杆开关向左(第一电动推杆带动小臂关节沿大臂关节向外伸出)向右(第二电动推杆带动小臂关节沿大臂关节向里收回)微调，到达要卸载目标的位置，然后操纵第二摇杆开关向前，第一电动推杆带动手爪芯轴移动，驱动手爪关节使手爪张开，卸载已抓取的目标到指定位置，完成卸载工作；而后进入下一次对作业目标的抓取和卸载；

(4)后期收纳折叠工作及机械手收回工作：操纵第二摇杆开关向后，手爪闭合，第五限位传感器将手爪限制到极限位置，操纵第一摇杆开关向后，第三电动推杆带动大臂板关节仰起，操纵第二摇杆开关向右，第二电动推杆带动小臂关节沿大臂关节向里收回，第四限位传感器将小臂关节限制在极限位置；然后操纵第一摇杆开关向右，腰部关节顺时针旋转，将机械手收回至初始状态，机械手完成收回工作；然后将上作业空间和下作业空间收回至原状态，将万向轮调至可以转动状态，将整套系统移动至存放区，而后将万向轮锁定。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)转台支架板，第一限位传感器和第二限位传感器，直接对腰部关节进行限位；大臂关节，通过安装在腰部关节上的第三传感器直接限制大臂后仰的作业范围；小臂关节，通过安装在第二电动推杆上的第四限位传感器直接限制小臂关节与大臂关节之间的角度，以上均属于全闭环控制。手爪，通过安装在手爪套上的第五限位传感器间接限制手爪张开的范围，属于半闭环控制。这种半闭环和全闭环相结合的方式，不仅提高了整套系统的安全系数，而且可以防止各个手臂之间产生干涉或碰撞。

(2)将机械手组件与电控柜集成为一体，并且在底部安装有万向轮，节省空间且便于移动。

(3)作业空间与电控柜集成为一体，使得整套系统易于变换演示场所或演示位置，提高效率。同时本发明中的两个作业空间设计为可伸展形式，在演示结束的时候，可以收入控制柜，所占空间较小，且工作时易于展开。

(4)机械手抓位置处的传感位置可调，可根据实际抓取物体的大小以及种类来调节传感器的位置，以实现抓取不同类型的物体。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的机械手结构侧视图；

图3为图2的A向视图；

图4为本发明中大臂板、小臂板及底座的连接示意图；

图5为本发明中电控柜结构示意图；

图6为本发明中电控柜结构俯视图；

图7为本发明中电控柜结构侧视图；

图8为本发明中机械手与电控柜集成前(左侧)与集成后(右侧)对比图；

图9为本发明中作业空间对比图；

图10为本发明中传感器位置对比图；

图11为本发明专利一种机械手系统及其操作方法工作原理示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明的一种机械手系统，包括机械手组件、转台支架板5和电控柜14，机械手组件安装在转台支架板5上，转台支架板5安装在电控柜14上；所述机械手组件包括手爪4、第一电动推杆10、小臂板9、第二电动推杆21、大臂板20、第三电动推杆29、支架板22、直角角件3、底盘25和底座圆盘23，手爪4的主关节连接在手抓芯轴6上，手抓4的支关节连接在手抓套7上，手爪管夹8连接于小臂板9上，手爪轴心6连接于第一电动推杆10，第一电动推杆10另一端连接于小臂板9，第二电动推杆21一端连接于小臂板9且另一端连接于大臂板20，第三电动推杆29一端连接于大臂板20且另一端连接于支架板22，支架板22与底盘25通过直角角件3做固定连接，底盘25安装于底座圆盘23。电控柜14包括控制器、第一摇杆开关15和第二摇杆开关18；通过操纵第一摇杆开关15和第二摇杆开关18来将对应操作信号传输至控制器，控制器根据信号分别驱动第一电动推杆10、第二电动推杆21以及第三电动推杆29，第一电动推杆10、第二电动推杆21以及第三电动推杆29进而驱动机械手组件开始工作。

如图2所示，底盘25通过螺栓、螺母安装在底座圆盘23上方，支架板22下方通过直角角件3以固定连接的方式安装在底盘25上方，支架板22另一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板20连接，第三电动推杆29一端通过通丝杆、螺母及轴承与支架板22连接，另一端与大臂板20连接，第二电动推杆21一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板20连接，另一端与小臂板9连接，第一电动推杆10一端通过通丝杆、螺母固定于小臂板9，第一电动推杆10另一端通过自身螺纹固定于手爪芯轴6，手爪管夹8通过通丝杆和螺母固定于小臂板9。第五限位传感器27粘合于手爪套7。其中，转动轴13通过轴承12与大臂板20连接；固定轴11穿过第三电动推杆与小臂板连接；轴承12固定于小臂板9。

如图3所示，图3(a)为手抓处于闭合状态，图3(b)为手抓处于张开状态，其中，机械手抓4主关节与手抓芯轴6连接，手抓4支关节与手抓套7连接，四根通丝杆穿过手爪管夹8，通过螺母固定于小臂板9。

如图4所示，第三电动推杆29一端通过通丝杆、轴承及螺母连接于大臂板20，另一端以同样的方式连接于支架板22，大臂板9与支架板22通过通丝杆、轴承及螺母连接，支架板22通过直角角件3固定连接于底盘25，底盘25通过螺母安装于底座圆盘23。即支架板22固定连接在直角角件3竖直一端，直角角件3水平的一端固定在底盘25上。

如图5至图7所示，其中，万向轮1通过螺栓、螺母连接方式安装于电控柜14下方，上作业空间2和下作业空间26分别滑动装于电控柜14，转台支架板5安装在电控柜14上方，整个机械手组件通过螺栓、螺母固定于转台支架板5上方，第一限位传感器粘合在转台支架板5上，第一摇杆开关15、电源按钮16、电源指示灯17以及第二摇杆开关18均通过螺母安装于电控柜14顶部，通风窗19通过卡扣安装在电控柜14两侧。

如图8所示，图8(a)为传统控制柜A与机械手连接B方式，二者之间不存在固定连接，仅有供电系统之间的连接。图8(b)为本发明连接方式，将二者集成为一体进行连接。

如图9所示，图9(a)中A为传统机械手的作业空间分布，每次移动机械手装置之后需要重新对作业空间进行再次规划。图9(b)中A1和A2为本发明中作业空间分布，在移动机械手装置之后，无需再次规划作业空间。

如图10所示，图10(a)中为传统限位方式，其中磁铁安装板30固定在电动推杆上，磁铁安装板上左右两侧分别安装有左磁铁A1和右磁铁A2，磁簧开关B安装在电动推杆上，当电动推杆向右伸出时，带动磁簧开关B向右到达右侧极限位置右磁铁A2时，电动推杆停止运动；收缩时，电动推杆带动磁簧开关B向左到达左侧极限位置左磁铁A1时，电动推杆停止运动，以达到限位的目的。图10(b)为本发明中限位方式，磁铁A固定在电动推杆上，磁簧开关B固定在另外一个电动推杆上，电动推杆带动磁黄开关B向里收缩，到达内侧极限位置磁铁A时，电动推杆停止运动，完成限位。

上述机械手系统的操作方法为：

如图11所示，抓取工作，首先将万向轮1固定，然后打开上作业空间2和下作业空间26，按下电源按钮16，电源指示灯17亮，然后操纵第一摇杆开关15向前，第三电动推杆29带动大臂关节向下移动，操纵第二摇杆开关18向左，第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向外移动，通过二者配合，将手抓4移动至上作业空间2的上方，操纵第二摇杆开关18向前，手爪4张开，再通过操纵第一摇杆开关15向左(腰部关节逆时针旋转)或向右(腰部关节顺时针旋转)、向前操作，使大臂关节向下移动、操纵第二摇杆开关18向左(小臂关节沿大臂关节向外移动)或向右(小臂关节沿大臂关节向里收回)做微调动作，使手爪4锁定要抓取的目标，操作第二摇杆开关18向后，手爪闭合，完成抓取工作。

卸载动作，操纵第一摇杆开关15向后，第三电动推杆29带动大臂关节向后仰起，操纵第二摇杆开关18向右，第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向里收回，操纵第一摇杆开关15向左，腰部关节逆时针旋转，将手爪4移动至下作业空间26的上方，操纵第一摇杆开关15向前，第三电动推杆29带动大臂关节向下移动，操纵第二摇杆开关18向左，第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向外伸出，操纵第一摇杆开关15向左(腰部关节逆时针旋转)向右(腰部关节顺时针旋转)，操纵第二摇杆开关18向左(第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向外伸出)向右(第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向里收回)做微调，到达要卸载目标的位置，操纵第二摇杆开关18向前，手爪4张开，卸载已抓取的目标到指定位置，完成卸载工作。而后进入下一次对作业目标的抓取和卸载。

如图1所示，机械手收回工作，操纵第二摇杆开关18向后，手爪4闭合，第五限位传感器将手爪4限制到极限位置，操纵第一摇杆开关15向后，第三电动推杆29带动大臂关节仰起，操纵第二摇杆开关18向右，第二电动推杆21带动小臂关节沿大臂关节向里收回，第四限位传感器将其限制在极限位置，操纵第一摇杆开关15向右，腰部关节顺时针旋转，将机械手组件收回至初始状态，机械手组件完成收回工作；然后将上作业空间2和下作业空间26收回至原状态，将万向轮1调至可以转动状态，将整套系统移动至存放区，而后将万向轮1锁定。

Claims (5)

1.一种机械手系统，其特征在于：包括机械手组件、转台支架板和电控柜，机械手组件安装于转台支架板，转台支架板安装于电控柜；所述机械手组件包括手爪、第一电动推杆、小臂板、第二电动推杆、大臂板、第三电动推杆、支架板、底盘和底座圆盘，手爪主关节连接于手抓芯轴，手抓支关节与手爪套连接，手爪管夹连接于小臂板，手爪芯轴连接于第一电动推杆，第一电动推杆另一端连接于小臂板，第二电动推杆一端连接于小臂板且另一端连接于大臂板，第三电动推杆一端连接于大臂板且另一端连接与支架板，支架板通过直角角件与底盘固定连接，底盘安装于底座圆盘，底座圆盘固定于转台支架板；

所述电控柜包括控制器、第一摇杆开关、第二摇杆开关，通过操纵第一摇杆开关和第二摇杆开关来将对应操作信号传输至控制器，控制器根据信号分别驱动第一电动推杆、第二电动推杆以及第三电动推杆，第一电动推杆、第二电动推杆以及第三电动推杆进而驱动机械手组件开始工作；

所述机械手组件与电控柜集成为一体，且所述电控柜中集成有可伸展式的上作业空间和下作业空间，在抓取和卸载工作时，所述机械手组件末端的手爪抵达上作业空间、下作业空间中的任意位置，当机械手回收时，上作业空间、下作业空间都收回到电控柜中；

所述转台支架板设有第一限位传感器、第二限位传感器，支架板上设有第三限位传感器，第二电动推杆上设有第四限位传感器，手爪套上设有第五限位传感器，分别实时采集各自的位置信息并传输至控制器，且磁铁A固定在第一电动推杆上，磁簧开关B固定在第二电动推杆上，第二电动推杆带动磁簧开关B向里收缩，到达内侧极限位置磁铁A时，第一电动推杆停止运动，完成限位。

2.根据权利要求1所述的机械手系统，其特征在于：所述电控柜底端设有万向轮。

3.根据权利要求1所述的机械手系统，其特征在于：所述电控柜上方分别安装有第一摇杆开关、电源按钮、电源指示灯、第二摇杆开关；电控柜侧壁开设有通风窗。

4.根据权利要求1所述的机械手系统，其特征在于：所述底盘通过螺栓和螺母安装于底座圆盘上方；所述支架板通过直角角件固定安装于底盘，支架板另一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板连接；所述第三电动推杆一端通过通丝杆、螺母及轴承与支架板连接，另一端通过通丝杆、螺母及轴承与大臂板连接；所述第二电动推杆一端通过通丝杆、螺母固定于大臂板，另一端连接于小臂板；所述第一电动推杆一端连接于小臂板，另一端通过自身螺纹固定于手爪芯轴；所述手爪管夹通过通丝杆和螺母固定于小臂板。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的机械手系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)前期准备工作：首先将万向轮固定，然后打开上作业空间和下作业空间，按下电源按钮，电源指示灯亮；

(2)抓取动作：操纵第一摇杆开关向前，第三电动推杆带动大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向外移动，通过二者配合，将手爪移动至上作业空间的上方，此时操纵第二摇杆开关向前，第一电动推杆带动手爪芯轴移动，手爪张开，再通过操纵第一摇杆开关向左或向右、向前操作，使大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左或向右调整，使手爪锁定要抓取的目标，操作第二摇杆开关向后，第一电动推杆带动手爪芯轴移动，驱动手爪关节使手爪闭合，完成抓取工作；

(3)卸载动作：操纵第一摇杆开关向后，第三电动推杆带动大臂板关节向后仰起，操纵第二摇杆开关向右，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向里收回，操纵第一摇杆开关向左，将手爪移动至下作业空间的上方，操纵第一摇杆开关向前，第三电动推杆带动大臂板关节向下移动，操纵第二摇杆开关向左，第二电动推杆带动小臂板关节沿大臂板关节向外伸出，操纵第一摇杆开关向左向右，操纵第二摇杆开关向左向右微调，到达要卸载目标的位置，然后操纵第二摇杆开关向前，第三电动推杆带动手爪芯轴移动，驱动手爪关节使手爪张开，卸载已抓取的目标到指定位置，完成卸载工作；而后进入下一次对作业目标的抓取和卸载；

(4)后期收纳折叠工作即机械手收回工作：操纵第二摇杆开关向后，手爪闭合，第五限位传感器将手爪限制到极限位置，操纵第一摇杆开关向后，第三电动推杆带动大臂板关节仰起，操纵第二摇杆开关向右，第二电动推杆带动小臂关节沿大臂关节向里收回，第四限位传感器将其限制在极限位置；然后操纵第一摇杆开关向右，将机械手收回至初始状态，机械手完成收回工作；然后将上作业空间和下作业空间收回至原状态，将万向轮调至可以转动状态，将整套系统移动至存放区，而后将万向轮锁定。

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