CN109910039B - 气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，包括固定板，其上表面安装有丝杆轴电机，下表面通过导杆和底板连接，导杆上位于底板与固定板之间的部分通过直线轴承套设于运动板中，丝杆轴电机的丝杆轴上旋有固定在运动板中的丝杆螺母；还包括结构相同的一个固定手指和两个转位手指，固定手指连接在运动板底面一侧的推杆固定板上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动；转位手指各连接在安装于运动板底面另一侧的旋转推杆固定板上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动的同时，沿与水平轴异面垂直的竖直轴等角位移相反方向转动。本发明适应垂直、水平抓取各种形状复杂的物体，抓取范围广转动精度高，反应速度快。

Description

气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手

技术领域

本发明涉及工业机械手技术领域，尤其是一种适用于食品、农产品、轻工产品的抓取、分拣等生产和物流领域的气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手。

背景技术

针对轻工和食品行业的大规模生产状况，为满足形状复杂、物性多样的原材料、半成品、成品的物流和包装的需要，为解决简单劳动的用工成本高、劳动条件差等问题，需要物流抓取的末端抓持器。就抓取的复杂对象的种类：①形状不规则的、大小差别大的物体(瓜果、蔬菜)；②易碎的脆性物体(禽蛋、玻璃陶瓷制品)；③易变形的软性物体(面包、软包装物品)；④异形的、位置状态混乱且难理顺的物体(酒瓶、化妆品瓶)；从上可见，复杂对象的材料性质、形状尺寸及位置状态的差别较大。

目前，欠驱动机械手的手指部分为刚性变约束结构，每根手指共三个自由度。在单电机驱动下，未接触被抓取物体时手指任意点的运动轨迹是固定不变的、会对小的被抓取物体的支撑面(如输送带)产生干涉。接触被抓取物体时需要克服两个扭弹簧作用，其作用点、作用力的大小方向不可改变。既不能适应前述被抓持复杂对象的形状、尺寸不一致，又不能满足接触力不损坏且可靠抓持复杂对象的特殊性要求，同时还会对被抓持复杂对象产生较大冲击。因此，刚性结构的欠驱动机械手适应性不好，不能有效地抓持前述的复杂对象。

发明内容

本申请人针对上述复杂的抓持对象，提供一种结构合理的气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，适应垂直、水平抓取各种形状复杂的物体，抓取范围广，转动精度高、反应速度快，有柔性自适应效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，包括手掌部分、与手掌部分连接的手指部分；所述手掌部分的结构为：包括固定板，固定板的上表面安装有丝杆轴电机，固定板的下表面通过两根导杆和底板连接，底板与固定板平行设置，导杆上位于底板与固定板之间的部分通过直线轴承套设于运动板中，丝杆轴电机的丝杆轴上旋有固定在所述运动板中的丝杆螺母，丝杆轴电机通过丝杆螺母驱动运动板上下直线运动；所述手指部分的结构为：包括一根固定手指和两根对称设置的转位手指，固定手指与转位手指的结构相同，固定手指连接在安装于运动板底面一侧的推杆固定板上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动；两个转位手指各连接在一块安装于运动板底面另一侧的旋转推杆固定板上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动的同时，沿与水平轴异面垂直的竖直轴等角位移的、相反方向转动。

作为上述技术方案的进一步改进：

推杆固定板通过螺钉固定在运动板底面上，两个旋转推杆固定板分别通过与其各自间隙配合的台阶形销钉连接到运动板上；固定手指和转位手指各自通过一根推杆分别连接在推杆固定板和推杆固定板上，所述推杆的上端通过其顶部圆柱段与推杆固定板或推杆固定板上的孔间隙配合、再螺母固定，所述推杆的下端与二力杆的一端铰链连接。

固定手指或转位手指的结构为：包括指根节，所述指根节通过固定在其一侧的短单耳座与二力杆另一端铰链连接，指根节的下端通过铰链连接有中指节，并在铰链销轴上套有大扭弹簧，中指节的下端通过铰链连接有指尖节，并在铰链销轴上套有小扭弹簧，指尖节下端通过沉头螺钉固定弯曲指甲；指根节和指尖节的一侧分别固定有一个长单耳座；还包括内导向笔形气缸，其缸套尾端装有大双耳座，活塞杆顶端上装有小双耳座，大双耳座、小双耳座分别与两个长单耳座铰链连接。

固定手指的指根节的上端与靠螺钉固定在底板底面上的指根座铰链连接。

运动板上下直线运动，驱动固定手指的指根节绕指根座的铰链销轴线转动。

两个转位手指的指根节的上端分别与一个摆杆指根一体座铰链连接，所述摆杆指根一体座靠与之间隙配合的台阶形销钉连接到底板的底面上；底板的底面上通过气缸固定座固定安装有单作用气缸，单作用气缸的活塞杆前端靠螺母固定在推座的一侧面上，推座是一个直角弯板，推座垂直活塞杆的另一侧面上开有销孔，通过所述销孔靠一个台阶形销钉将两个二力弯杆的一端、推座的另一侧面铰链连接，两个二力弯杆的另一端分别与两个所述摆杆指根一体座铰链连接。

运动板上下直线运动，驱动两个转位手指的指根节分别绕各自的摆杆指根一体座的铰链销轴线转动。

运动板上两个分别固定旋转推杆固定板的台阶形销钉孔，分别与两个底板上相应的摆杆指根一体座台阶形销钉孔同轴。

本发明的有益效果如下：

本发明丝杆轴电机通过丝杆螺母将旋转运动转化为运动板的直线运动，同时推动三个手指部件的指根节沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动，调节指根节位置，内导向笔形气缸驱动抓取物体，也通过单作用气缸驱动使指根节沿与水平轴异面垂直的竖直轴转位，适应垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平抓取圆柱形、方形物体。通过带角位移反馈编码器的电机角位移控制，抓取姿态可调、接触力的作用点可调，因此抓取复杂对象时，抓取范围更广；手掌部分电动控制指根转动精度高、手指气动夹紧反应速度快，手指刚柔耦合骨架，有柔性自适应效果。同时，本发明还具有如下优点：

(1)通过丝杆轴电机的控制，可以调整根指节沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴的转动角度，实现了接触点位置的调整，对被抓物体接触点位置的调整，抓取更精确可靠；同时调整根指节与被抓物体的角度，可以适应抓取物体尺寸的较大变化。

(2)通过高速开关阀控制，精确控制单作用气缸的驱动压强，精确控制指根沿与水平轴异面垂直的竖直轴的转位角度，从而实现了手指转位角度的精确控制，满足垂直抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平抓取球形、圆柱形、方形物体，适应抓取物体形状、竖横放置的变化。

(3)通过高速开关阀控制，精确控制内导向笔形气缸的驱动压强，实现抓取力的精确控制；内导向笔形气缸安装在指根节和指尖节之间，克服指根节与中指节铰链上大弹簧、中指节与指根节铰链上小弹簧的二个扭矩，来抓取物体；同时针对刚柔耦合的手指骨架，优化大弹簧、小弹簧的参数和手指骨架结构尺寸，抓取力作用点和大小随内导向笔形气缸驱动力变化，有柔性自适应性。

(4)气动系统增益大，手指夹持的反应敏捷、缓冲性好。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明仰视图。

图3为本发明固定手指或转位手指的主视图。

图4为本发明固定手指或转位手指的左视图。

图5为本发明导杆零件图。

图6为本发明运动板零件主视图。

图7为本发明运动板零件剖视图。

图8为本发明指根座零件主视图。

图9为本发明指根座零件右视图。

图10为本发明推座零件主视图。

图11为本发明推座零件俯视图。

图12为本发明二力弯杆零件主视图。

图13为本发明二力弯杆零件俯视图。

图14为本发明摆杆指根一体座零件主视图。

图15为本发明摆杆指根一体座零件俯视图。

图16为本发明摆杆指根一体座零件右视图。

图17为本发明指根节零件主视图。

图18为本发明指根节零件右视图。

图19为本发明中指节零件主视图。

图20为本发明中指节零件右视图。

图21为本发明指尖节零件主视图。

图22为本发明指尖节零件右视图。

其中：1、丝杆轴电机；2、固定板；3、导杆；4、直线轴承；5、丝杆螺母；6、推杆固定板；7、底板；8、指根座；9、推座；10、二力弯杆；11、气缸固定座；12、单作用气缸；13、运动板；14、旋转推杆固定板；15、推杆；16、摆杆指根一体座；17、二力杆；18、短单耳座；19、指根节；20、中指节；21、内导向笔形气缸；22、长单耳座；23、指尖节；24、大扭弹簧；25、小扭弹簧；26、弯曲指甲；27、大双耳座；28、小双耳座。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2和图5-图7所示，本实施例的气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，包括手掌部分、与手掌部分连接的手指部分；

手掌部分的结构为：包括固定板2，固定板2的上表面安装有丝杆轴电机1，固定板2的下表面通过两根导杆3和底板7连接，底板7与固定板2平行设置，导杆3上位于底板7与固定板2之间的部分通过直线轴承4套设于运动板13中，丝杆轴电机1的丝杆轴上旋有固定在运动板13中的丝杆螺母5，丝杆轴电机1通过丝杆螺母5驱动运动板13上下直线运动；

手指部分的结构为：包括一根固定手指和两根对称设置的转位手指，固定手指与转位手指的结构相同，固定手指连接在安装于运动板13底面一侧的推杆固定板6上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动；两个转位手指各连接在一块安装于运动板13底面另一侧的旋转推杆固定板14上，且沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴转动的同时，沿与水平轴异面垂直的竖直轴等角位移的、相反方向转动。

推杆固定板6通过螺钉固定在运动板13底面上，两个旋转推杆固定板14分别通过与其各自间隙配合的台阶形销钉连接到运动板13上；固定手指和转位手指各自通过一根推杆15分别连接在推杆固定板6和推杆固定板6上，推杆15的上端通过其顶部圆柱段与推杆固定板6或推杆固定板6上的孔间隙配合、再螺母固定，推杆15的下端与二力杆17的一端铰链连接。

如图3、图4和图17-图22所示，固定手指或转位手指的结构为：包括指根节19，指根节19通过固定在其一侧的短单耳座18与二力杆17另一端铰链连接，指根节19的下端通过铰链连接有中指节20，并在铰链销轴上套有大扭弹簧24，中指节20的下端通过铰链连接有指尖节23，并在铰链销轴上套有小扭弹簧25，指尖节23下端通过沉头螺钉固定弯曲指甲26；

指根节19和指尖节23的一侧分别固定有一个长单耳座22；还包括内导向笔形气缸21，其缸套尾端装有大双耳座27，活塞杆顶端上装有小双耳座28，大双耳座27、小双耳座28分别与两个长单耳座22铰链连接。

如图1、图2和图8-图9所示，固定手指的指根节19的上端与靠螺钉固定在底板7底面上的指根座8铰链连接。运动板13上下直线运动，驱动固定手指的指根节19绕指根座8的铰链销轴线转动。

如图1、图2和图14-图16所示，两个转位手指的指根节19的上端分别与一个摆杆指根一体座16铰链连接，摆杆指根一体座16靠与之间隙配合的台阶形销钉连接到底板7的底面上；

如图2和图10-图13所示，底板7的底面上通过气缸固定座11固定安装有单作用气缸12，单作用气缸12的活塞杆前端靠螺母固定在推座9的一侧面上，推座9是一个直角弯板，推座9垂直活塞杆的另一侧面上开有销孔，通过销孔靠一个台阶形销钉将两个二力弯杆10的一端、推座9的另一侧面铰链连接，两个二力弯杆10的另一端分别与两个摆杆指根一体座16铰链连接。运动板13上下直线运动，驱动两个转位手指的指根节19分别绕各自的摆杆指根一体座16的铰链销轴线转动。

本发明的设计原理：

手掌部分的作用是使用指根节19沿与二个扭弹簧轴心线平行的水平轴的转动和沿与水平轴异面垂直的竖直轴的转位，固定手指固定、不转位，另二个转位手指是等角位移的、相反方向(一个顺时针、一个逆时针方向)的转位。

手指部分的作用是快速夹持物体，二个转位手指相互对称分布，二个转位手指与固定手指的二种状态是：垂直抓取圆柱体、球体时，二个转位手指分别位于一个等腰三角形的二个底角交点，固定手指位于这个等腰三角形的顶角交点；或抓取长方体、水平抓取圆柱体时，二个转位手指的抓取接触面是共面、且与固定手指抓取接触面平行。

运动板13上两个分别固定旋转推杆固定板14的台阶形销钉孔，分别与两个底板7上相应的摆杆指根一体座16台阶形销钉孔同轴。因此，单作用气缸12活塞杆驱动推座9，推座9分别带动两个二力弯杆10，使旋转推杆固定板14、推杆15、摆杆指根一体座16、二力杆17、短单耳座18、两个转位手指的指根节19整体，沿与水平轴异面垂直的竖直轴(摆杆指根一体座16与底板7连接的台阶形销钉的轴心线)反向转动，转动角度与单作用气缸12内压强大小相关；

大扭弹簧24、小扭弹簧25的作用力均使手指的二个铰链上的指节向掌外相对转动，亦即内导向笔形气缸21驱动力，须克服大扭弹簧24、小扭弹簧25的作用力，才能夹持物体。

本发明的工作原理及使用流程：

针对具体被抓取对象进行优化计算后，可以计算出所需抓取力所对应的抓取姿态和接触点位置，抓取姿态和接触点位置由电机转动角度和各气缸内部压力的精确协同控制。具体是：①抓取同种类的(如苹果)、形状尺寸不一致的复杂对象时，能够通过选择适当的扭弹簧参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持此种类的复杂对象；②抓取同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形，或大小方盒等四方体)、形状尺寸变化大的同形状复杂对象时，能够通过选择适当的扭弹簧参数和手指结构尺寸，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持同形状的复杂对象；③同时抓取不同形状的(如苹果、橙子、橘子等球形和小方盒等四方体)、形状尺寸不相同的复杂对象时，能够通过适当选择扭弹簧参数和手指结构尺寸，和精确内导向笔形气缸21的内部压力、克服大扭弹簧24、小扭弹簧25的拉力调节手指转位后，实现既能自由度适应性、又能不破坏且可靠抓持不同形状的复杂对象。

本发明通过转位手指的转位角度的精确控制，可垂直地抓取圆柱形、方形、球形、椭球形物体，或水平地抓取球形、圆柱形、方形物体，从而既适应抓取物体形状、又满足竖横放置变化的需求。

根据对象形状(如圆柱形、长方形等)尺寸和材料物理特性，通过ADAMS软件对机械手手指的各种构形状态进行了仿真，确定各构形的适应形状尺寸范围和不损坏且可靠抓持(不脱落)的适应条件，确定本发明敏捷机械手最终抓持构型、接触点位置和接触力的大小、方向。

由于柔性手指结构，机械手状态有：①未接触情况下手指的空载运动；②接触后接触力为零状态；③接触后物体未运动，但接触力增大，接触力的作用点位置、接触力方向变化；④接触后物体未运动，接触力最大状态；⑤物体与机械手同时加速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑥物体与机械手同时匀速位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑦物体与机械手同时减速度位移的抓持运动，接触力的作用点位置、大小、方向变化；⑧物体与机械手静止的悬停状态。

因此，动态控制时，①在未接触情况下手指的空载运动时，确定避免与输送带或操作台桌面干涉的手指尖的路径规划，形成丝杆轴电机1转动和内导向笔形气缸21压力驱动的动态控制策略；②接触后物体未运动、接触力最大状态时，物体被提起瞬间，接触力发生突变，可以通过压力变送器和高速开关阀控制，调整各个内导向笔形气缸21内部压力；③在物体与机械手同时加速度位移或减速度位移时，可以适应性调节各个内导向笔形气缸21内部压力。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，其特征在于：包括手掌部分、与手掌部分连接的手指部分；

所述手掌部分的结构为：包括固定板(2)，固定板(2)的上表面安装有丝杆轴电机(1)，固定板(2)的下表面通过两根导杆(3)和底板(7)连接，底板(7)与固定板(2)平行设置，导杆(3)上位于底板(7)与固定板(2)之间的部分通过直线轴承(4)套设于运动板(13)中，丝杆轴电机(1)的丝杆轴上旋有固定在所述运动板(13)中的丝杆螺母(5)，丝杆轴电机(1)通过丝杆螺母(5)驱动运动板(13)上下直线运动；

所述手指部分的结构：

包括一根固定手指和两根对称设置的转位手指，固定手指与转位手指的结构相同，其结构为：包括指根节(19)，所述指根节(19)通过固定在其一侧的短单耳座(18)与二力杆(17)另一端铰链连接，指根节(19)的下端通过铰链连接有中指节(20)，并在铰链销轴上套有大扭弹簧(24)，中指节(20)的下端通过铰链连接有指尖节(23)，并在铰链销轴上套有小扭弹簧(25)，指尖节(23)下端通过沉头螺钉固定弯曲指甲(26)；

指根节(19)和指尖节(23)的一侧分别固定有一个长单耳座(22)；还包括内导向笔形气缸(21)，其缸套尾端装有大双耳座(27)，活塞杆顶端上装有小双耳座(28)，大双耳座(27)与指根节(19)上的长单耳座(22)铰链连接，小双耳座(28)与指尖节(23)上的长单耳座(22)铰链连接；

所述手指与手掌的安装结构：

固定手指连接在安装于运动板(13)底面一侧的推杆固定板(6)上，且沿与此手指的二个单自由度铰链轴心线平行的水平轴转动；两个转位手指各连接在一块安装于运动板(13)底面另一侧的旋转推杆固定板(14)上，且沿与此手指的二个单自由度铰链轴心线平行的水平轴转动的同时，沿与水平轴异面垂直的竖直轴等角位移的、相反方向转动；

固定手指的指根节(19)的上端与靠螺钉固定在底板(7)底面上的指根座(8)铰链连接；

所述三个手指转动的驱动结构：

推杆固定板(6)通过螺钉固定在运动板(13)底面上，两个旋转推杆固定板(14)分别通过与其各自间隙配合的台阶形销钉连接到运动板(13)上；固定手指和转位手指各自通过一根推杆(15)分别连接在推杆固定板(6)和旋转推杆固定板(14)上，所述推杆(15)的上端通过其顶部圆柱段与推杆固定板(6)和旋转推杆固定板(14)上的孔间隙配合、再螺母固定，所述推杆(15)的下端与二力杆(17)的一端铰链连接；

运动板(13)上下直线运动，驱动固定手指的指根节(19)绕指根座(8)的铰链销轴线转动，同时驱动两个转位手指的指根节(19)分别绕各自的摆杆指根一体座(16)的铰链销轴线转动；

所述二个转位手指转位的驱动结构：

运动板(13)上两个分别固定旋转推杆固定板(14)的台阶形销钉孔，分别与两个底板(7)上相应的摆杆指根一体座(16)台阶形销钉孔同轴；

两个转位手指的指根节(19)的上端分别与一个摆杆指根一体座(16)铰链连接，所述摆杆指根一体座(16)靠与之间隙配合的台阶形销钉连接到底板(7)的底面上；

底板(7)的底面上通过气缸固定座(11)固定安装有单作用气缸(12)，单作用气缸(12)的活塞杆前端靠螺母固定在推座(9)的一侧面上，推座(9)是一个直角弯板，推座(9)垂直活塞杆的另一侧面上开有销孔，通过所述销孔靠一个台阶形销钉将两个二力弯杆(10)的一端、推座(9)的另一侧面铰链连接，右前面的二力弯杆(10)的另一端与右前转位手指的摆杆指根一体座(16)铰链连接，右后面的二力弯杆(10)的另一端与右后转位手指的摆杆指根一体座(16)铰链连接。

2.如权利要求1所述的气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，其特征在于：两个转位手指相互对称分布，二个转位手指与固定手指的二种状态是：二个转位手指分别位于一个等腰三角形的二个底角交点，固定手指位于这个等腰三角形的顶角交点；或者二个转位手指的抓取接触面是共面、且与固定手指抓取接触面平行。

3.如权利要求1所述的气动手指夹持与指根转位及电动指根转动的敏捷机械手，其特征在于：通过高速开关阀，精确控制单作用气缸(12)的驱动压强，从而实现了手指转位角度的精确控制，即单作用气缸(12)活塞杆处于伸长中间位置，满足垂直抓取椭球形物体；通过高速开关阀控制，精确控制内导向笔形气缸(21)的驱动压强，实现抓取力的精确控制。

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