CN110842956A - 电磁离合式折叠可控多指节机械手爪及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，包括欠驱动手指，所述欠驱动手指的指节之间通过连接轴连接，所述指节包括上挡板和下挡板，所述上挡板和下挡板内均设置有内齿轮，所述连接轴上安装有电磁离合控制装置，所示电磁离合控制装置包括离合装置、驱动装置和锁紧装置，所述驱动装置包括驱动齿轮和驱动带轮，所述锁紧装置和驱动齿轮分别安装在离合装置的两侧，所述离合装置带动驱动齿轮和锁紧装置与上下挡板内齿轮接触分离，进而控制指节转动和锁紧，所述驱动带轮通过绳索控制欠驱动手指张开和闭合。本发明电磁离合控制装置与绳索配合，可以控制各个指关节的折叠回收，通过闭合或断开电源控制电磁，能够高效切换欠驱动机械手驱动与锁紧的两种状态。

Description

电磁离合式折叠可控多指节机械手爪及工作方法

技术领域

本发明涉及机械手及工作方法，具体涉及一种电磁离合式折叠可控多指节机械手爪及工作方法。

背景技术

在工业4.0的驱动下，各式各样的机械手爪，被应用到不同领域。现有的多指节机械手爪，在抓取物体工作结束后，大多未考虑指关节的折叠回收问题，使得在回收整个机械手臂的过程中，容易造成手爪与手臂、手爪与其他物体磕碰，对机械手爪造成伤害，对其他物体的危险性也会提高。中国专利CN103786161公开了一种具有形状自适应的欠驱动机械手指，该专利采用连动杆驱动，具有较好的柔顺性，由于驱动元件占据内部空间，所以难以将手指折叠收回。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，解决现有机械手无法将各个指关节折叠回收的问题。

技术方案：本发明所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，包括欠驱动手指，所述欠驱动手指的指节之间通过连接轴连接，所述指节包括上挡板和下挡板，所述上挡板和下挡板内均设置有内齿轮，所述连接轴上安装有电磁离合控制装置，所示电磁离合控制装置包括离合装置、驱动装置和锁紧装置，所述驱动装置包括驱动齿轮和驱动带轮，所述锁紧装置和驱动齿轮分别安装在离合装置的两侧，所述离合装置带动驱动齿轮和锁紧装置与上下挡板内齿轮接触分离，进而控制指节转动和锁紧，所述驱动带轮通过绳索控制欠驱动手指张开和闭合。

所述离合装置包括线圈外壳、吸附衔铁和复位弹簧，所述线圈外壳内设置有电磁线圈，所述线圈外壳与所述连接轴通过键连接，所述吸附衔铁设置在所述驱动齿轮一侧的连接轴上，所述复位弹簧设置在所述连接轴和线圈外壳之间。

所述驱动装置还包括驱动外壳，所述驱动齿轮安装在驱动外壳上，且与所述下挡板内齿轮对应。

所述驱动带轮一侧卡在所述线圈外壳的轴肩上，另一侧通过卡簧卡在所述线圈外壳上且绕线圈外壳转动。

所述锁紧装置包括锁紧齿轮，所述锁紧齿轮安装在所述线圈外壳一侧，且与所述上挡板内齿轮对应。

所述线圈外壳上周向布置有四对弹簧，所述锁紧齿轮的锁紧限位板对应卡在每对弹簧之间。

所述驱动齿轮周向布置有四对弹簧，所述驱动齿轮的驱动限位板对应卡在每对弹簧之间。

本发明所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪的工作方法，包括以下步骤：

(1)驱动源拉动绳索，带动驱动带轮旋转，电磁线圈通电，产生磁力克服复位弹簧的弹力吸到衔铁上，同时带动整个电磁离合控制装置沿轴向向下挡板移动，锁紧齿轮从上挡板的内齿轮里抽离，驱动齿轮与下挡板的内齿轮啮合，驱动带轮带动驱动外壳转动，驱动外壳带动驱动齿轮转动，驱动齿轮带动第一指关节转动，同时动力会同过绳索转递到下一关节的驱动带轮上，将以与上述同样的方式带动第二、第三关节转动，此时处于折叠状态的手指展开；

(2)手指继续转动，当某一关节到达指定位置，电磁线圈将停止通电，电磁力消失，在复位弹簧弹力的作用下带动整个电磁离合控制装置沿轴向向上档板移动，驱动齿轮从下挡板的内齿轮里抽离，锁紧齿轮与上挡板的内齿轮啮合，从而实现这一关节的锁定，此时驱动齿轮从下挡板里抽离，在绳索的带动下驱动装置空转，将动力传递到下一关节，让下一关节继续转动，到达特定位置后，以上述方法锁定，当每个关节都到达指定位置并锁定后驱动源停止，此时物体被抓紧。

有益效果：本发明电磁离合控制装置与绳索配合，可以控制各个指关节的折叠回收，本发明采用欠驱动机械手指，能够较好的适应被抓物体的外形，适用范围广，指关节内部中空，为机械手指关节腾出了空间，便于抓取任务完成后的折叠回收，有利于保护手爪以及周围物体安全，本发明的电磁离合控制装置，通过闭合或断开电源控制电磁，能够高效切换欠驱动机械手驱动与锁紧的两种状态，此外，当电磁离合控制装置处于锁紧状态时，驱动装置可以转动，但不驱动指关节运动，从而起到传动的作用，离合装置、驱动装置、锁紧装置集成为一体，使得结构紧凑，体积小。

附图说明

图1是本发明总体结构图；

图2是本发明一根手指的仰视图；

图3是图2中A-A处剖视图；

图4是图3中C-C处剖视图；

图5是图3中D-D处剖视图；

图6是图2中B-B处剖视图(手指张开时布线图)；

图7是图2中B-B处剖视图(手指闭合时布线图)；

图8是沿B-B处手指折叠时张开布线的剖视图；

图9是沿B-B处手指折叠时闭合布线的剖视图；

图10是手指折叠起来的轴侧图；

图11是手指完全张开的轴侧图；

图12是第三指关节折叠后的剖视图及运动轨迹；

图13是第二、三指关节折叠后的剖视图及运动轨迹；

图14是绳索绕线方式示意图；

图15是图14中F-F处的剖视图；

图16是图14中E-E处的剖视图；

图17是锁紧齿轮轴测图

图18是指关节内侧齿轮视图；

图中，1.第一指关节上挡板，2.第一指关节下挡板，3.第二指关节上挡板，4.第二指关节下挡板，5.第三指关节上挡板，6.第三指关节下挡板，7.第一连接轴，8.第二连接轴，9.第三连接轴，11.第一顺线板，12.第二顺线板，13.第三顺线板，14.第一张开绳，15.第一闭合绳，16.第一驱动带轮，17.第二驱动带轮，18.第三驱动带轮，19.第一线圈外壳，20.第二线圈外壳，21.第三线圈外壳，22.驱动外壳，23.复位弹簧，24.驱动齿轮，25.锁紧齿轮，26.线圈挡板，27.吸附衔铁，28.平键，29.电磁线圈，30.固定螺钉，31.手掌，32.手指，34.第二张开绳，35.第二闭合绳，36中卡簧，37.右卡簧，38.左卡簧，40.沉头螺钉，41.左锁紧弹簧，42.锁紧限位板，43.右锁紧弹簧，44.第三张开绳，45.第三闭合绳，46.驱动限位板，47.左驱动弹簧，48.右驱动弹簧，51.第一电磁离合控制装置，52.第二电磁离合控制装置，53.第三电磁离合控制装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明专利所述机械手爪包括三个手指32和一个手掌31。

如图2-3所示，第一指关节上挡板1和下挡板2通过第一连接轴7，连接在手掌31上，第一连接轴7通过沉头螺钉40固定在手掌31上。第一指关节可以绕第一连接轴7转动。第二指关节上挡板3和第二指关节下挡板4通过第二连接轴8，连接在第一指关节上。第二连接轴8通过螺钉固定在第一指关节上，第二指关节可以绕第二连接轴8转动。第三指关节上挡板5、第三指关节下挡板6通过第三连接轴9，连接在第二指关节上,第三连接轴9通过螺钉固定在第二指关节上，第三指关节可以绕第三连接轴9转动。在第一连接轴7上安装有第一电磁离合控制装置51，在第二连接轴8上安装有第二电磁离合控制装置52，在第三连接轴9上安装有第三电磁离合控制装置53。第一电磁离合控制装置51，主要由离合装置、驱动装置、锁紧装置组成。离合装置，包括吸附衔铁27、线圈外壳19、电磁线圈29、复位弹簧23、线圈挡板26、平键28。吸附衔铁27与第一连接轴7固定连接。电磁线圈29安装在线圈外壳19内部，线圈挡板26通过螺纹与线圈外壳19连接，将电磁线圈29固定在第一线圈外壳19内。第一线圈外壳19的内径处开有键槽，该键槽与平键28配合。平键28安装在第一连接轴7的键槽内，使得第一线圈外壳19可以在第一连接轴7上滑动，并且第一线圈外壳19在第一连接轴7上的周向自由度被平键28限制。驱动装置，包括驱动齿轮24、驱动外壳22、驱动带轮16、中卡簧36。驱动带轮16安装在第一线圈外壳19上，驱动带轮16的右侧靠在第一线圈外壳19的轴肩上，左侧靠在中卡簧36上。驱动带轮16可以绕第一线圈外壳19转动。驱动带轮16通过固定螺钉30与驱动外壳22相连。驱动齿轮24安装在驱动外壳22上，通过左卡簧38限制驱动齿轮24轴向位移。锁紧装置，包括锁紧齿轮25和右卡簧37。锁紧齿轮25安装在第一线圈外壳19上，通过右卡簧37限制锁紧齿轮25轴向位移。

如图4所示，在第一线圈外壳19的周向上布置四对弹簧。锁紧齿轮25的锁紧限位板42夹在左锁紧弹簧41与右锁紧弹簧43之间。

如图5所示，在驱动外壳22的周向上布置四对弹簧。驱动齿轮24的驱动限位板46夹在左驱动弹簧47与右驱动弹簧48之间。

第一电磁离合控制装置51的工作原理为：在锁紧过程中，电磁线圈29失电，第一线圈外壳19在复位弹簧23的推动作用下向右滑动到极限位置，此时，锁紧齿轮25在锁紧限位板42、左锁紧弹簧41、右锁紧弹簧43的共同作用下，实现周向微调，使得锁紧齿轮25与第一指关节上挡板1中的内齿轮相啮合，由于第一连接轴7与手掌31通过沉头螺钉40进行固定连接，所以第一连接轴7不能绕手掌31转动，由于第一线圈外壳19与第一连接轴7通过平键28进行传动，所以第一线圈外壳19不能绕第一连接轴7转动，由于锁紧齿轮25通过锁紧限位板42与第一线圈外壳19进行周向限位，所以锁紧齿轮25难以绕第一线圈外壳19转动，由于第一指关节上挡板1中的内齿轮与锁紧齿轮25啮合，所以第一指关节上挡板1不能绕锁紧齿轮25转动，从而第一指关节难以绕第一连接轴7转动，实现了第一指关节的锁紧，与此同时，驱动齿轮24与第一指关节下挡板2中的内齿轮解除啮合，使得驱动带轮16在绕第一线圈外壳19转动的过程中，不会将动力传递给第一指关节下挡板2，进而不会将动力传递给第一指关节；在驱动过程中，电磁线圈29上电，第一线圈外壳19在电磁力作用下向左滑动到极限位置，第一线圈外壳19与吸附衔铁27吸合，锁紧齿轮25与第一指关节上挡板1中的内齿轮脱离，从而解除锁紧齿轮25对第一指关节上挡板1的锁紧，第一指关节可以绕第一连接轴7转动，与此同时，驱动齿轮24在驱动限位板46、左驱动弹簧47、右驱动弹簧48的共同作用下，实现周向微调，使得驱动齿轮24与第一指关节下挡板2中的内齿轮相啮合，从而在驱动带轮16绕第一线圈壳体19转动的过程中，驱动第一指关节绕第一连接轴7转动，从而实现了第一指关节的驱动。

如图6所示，第一张开绳14逆时针缠绕在第一驱动带轮16上，第二张开绳34一端顺时针缠绕在第一驱动带轮16上，第二张开绳34另一端逆时针缠绕在第二驱动带轮17上，第三张开绳44一端顺时针缠绕在第二驱动带轮17上，第三张开绳44另一端逆时针缠绕在第三驱动带轮18上。

手指张开过程为：当向外拉动第一张开绳14时，第一张开绳14带动第一驱动带轮16逆时针旋转，从而带动第一指关节绕第一连接轴7逆时针旋转，同时，第一驱动带轮16逆时针旋转，将拉动第二张开绳34，进而带动第二驱动带轮17逆时针旋转，从而带动第二指关节绕第二连接轴8逆时针旋转，同时，第二驱动带轮17逆时针旋转，将拉动第三张开绳44，进而带动第三驱动带轮18逆时针旋转，从而带动第三指关节绕第三连接轴9逆时针旋转，最终实现手指的张开。此外，通过控制各个电磁离合控制装置是否上电，可以实现各个指关节依次张开。

如图7所示，第一闭合绳15顺时针缠绕在第一驱动带轮16上，第二闭合绳35一端逆时针缠绕在第一驱动带轮16上，第二闭合绳35另一端顺时针缠绕在第二驱动带轮17上，第三闭合绳45一端逆时针缠绕在第二驱动带轮17上，第三闭合绳45另一端顺时针缠绕在第三驱动带轮18上。

手指闭合过程为：当向外拉动第一闭合绳15时，第一闭合绳15带动第一驱动带轮16顺时针旋转，从而带动第一指关节绕第一连接轴7顺时针旋转，同时，第一驱动带轮16顺时针旋转，将拉动第二闭合绳35，进而带动第二驱动带轮17顺时针旋转，从而带动第二指关节绕第二连接轴8顺时针旋转，同时，第二驱动带轮17顺时针旋转，将拉动第三闭合绳45，进而带动第三驱动带轮18顺时针旋转，从而带动第三指关节绕第三连接轴9顺时针旋转，最终实现手指的张开。此外，通过控制各个电磁离合控制装置是否上电，可以实现各个指关节依次闭合。

如图8-10所示，机械手爪可以折叠回收，机械手爪也可以展开。

本发明包含三个手指，每个手指三个自由度，共计9个自由度，每个自由度采用绳索驱动，本发明机械手爪最终通过两根绳与动力源相连，一根绳索用于驱动机械手爪张开，另一根绳索用于驱动机械手爪闭合，采用绳索驱动的欠驱动手指，9个自由度采用两个动力源进行驱动，所以为欠驱动机械手爪。本发明指关节内部为中空结构，电磁离合控制装置安装在指关节连接处，控制指关节的锁紧和驱动。本发明的电磁离合控制装置主要由离合装置、驱动装置、锁紧装置组成。离合装置由吸附衔铁、线圈外壳、电磁线圈、复位弹簧、线圈挡板、平键构成，通过电磁线圈与复位弹簧的组合实现离合装置的动作和复位。驱动装置由驱动齿轮、驱动外壳、驱动带轮、中卡簧构成，当离合装置动作时，驱动齿轮与指关节壁板中的内齿轮啮合，带动关节旋转。在驱动齿轮与驱动外壳之间安装有压缩弹簧，使得驱动齿轮能够在周向上微调，能够提高驱动齿轮与指关节壁板中内齿轮的啮合成功率。锁紧装置主要由锁紧齿轮和右卡簧构成，当离合装置复位时，锁紧齿轮与指关节壁板中的内齿轮啮合，阻止关节旋转。在锁紧齿轮与线圈外壳之间安装有压缩弹簧，使得锁紧齿轮能够在周向上微调，从而能够提高锁紧齿轮与指关节壁板中内齿轮的啮合成功率。本发明的电磁离合控制装置中的驱动带轮，含有多个槽道，一个槽道用于进线，另个槽道用于出线，两条线绕驱动带轮的缠绕方向相反。

Claims (8)

1.一种电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，包括欠驱动手指，所述欠驱动手指的指节之间通过连接轴连接，所述指节包括上挡板和下挡板，所述上挡板和下挡板内均设置有内齿轮，所述连接轴上安装有电磁离合控制装置，所示电磁离合控制装置包括离合装置、驱动装置和锁紧装置，所述驱动装置包括驱动齿轮和驱动带轮，所述锁紧装置和驱动齿轮分别安装在离合装置的两侧，所述离合装置带动驱动齿轮和锁紧装置与上下挡板内齿轮接触分离，进而控制指节转动和锁紧，所述驱动带轮通过绳索控制欠驱动手指张开和闭合。

2.根据权利要求1所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述离合装置包括线圈外壳、吸附衔铁和复位弹簧，所述线圈外壳内设置有电磁线圈，所述线圈外壳与所述连接轴通过键连接，所述吸附衔铁设置在所述驱动齿轮一侧的连接轴上，所述复位弹簧设置在所述连接轴和线圈外壳之间。

3.根据权利要求1所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述驱动装置还包括驱动外壳，所述驱动齿轮安装在驱动外壳上，且与所述下挡板内齿轮对应。

4.根据权利要求3所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述驱动带轮一侧卡在所述线圈外壳的轴肩上，另一侧通过卡簧卡在所述线圈外壳上且绕线圈外壳转动。

5.根据权利要求1所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述锁紧装置包括锁紧齿轮，所述锁紧齿轮安装在所述线圈外壳一侧，且与所述上挡板内齿轮对应。

6.根据权利要求5所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述线圈外壳上周向布置有四对弹簧，所述锁紧齿轮的锁紧限位板对应卡在每对弹簧之间。

7.根据权利要求3所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪，其特征在于，所述驱动齿轮周向布置有四对弹簧，所述驱动齿轮的驱动限位板对应卡在每对弹簧之间。

8.如权利要求1-7任一所述的电磁离合式折叠可控多指节机械手爪的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)驱动源拉动绳索，带动驱动带轮旋转，电磁线圈通电，产生磁力克服复位弹簧的弹力吸到衔铁上，同时带动整个电磁离合控制装置沿轴向向下挡板移动，锁紧齿轮从上挡板的内齿轮里抽离，驱动齿轮与下挡板的内齿轮啮合，驱动带轮带动驱动外壳转动，驱动外壳带动驱动齿轮转动，驱动齿轮带动第一指关节转动，同时动力会同过绳索转递到下一关节的驱动带轮上，将以与上述同样的方式带动第二、第三关节转动，此时处于折叠状态的手指展开；

(2)手指继续转动，当某一关节到达指定位置，电磁线圈将停止通电，电磁力消失，在复位弹簧弹力的作用下带动整个电磁离合控制装置沿轴向向上档板移动，驱动齿轮从下挡板的内齿轮里抽离，锁紧齿轮与上挡板的内齿轮啮合，从而实现这一关节的锁定，此时驱动齿轮从下挡板里抽离，在绳索的带动下驱动装置空转，将动力传递到下一关节，让下一关节继续转动，到达特定位置后，以上述方法锁定，当每个关节都到达指定位置并锁定后驱动源停止，此时物体被抓紧。

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