CN111152254B - 一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，包括：手掌部分包括主机架，其下方安装升降步进电机，其输出轴与穿设于主机架中部滚珠丝杆连接，滚珠丝杆的顶端连接有与主机架平行设置的连接板；手指部分包括位于主机架与连接板之间、随丝杆螺母沿滚珠丝杆上下滑动的滑动板，滑动板上沿圆周方向连接多根连杆，每根连杆的末端连接一个手指组件；旋转传动部分包括：指根轴，多个指根轴沿圆周一圈均匀设于主机架上，并分别穿设于手指连接座中，指根轴传动连接，并分别通过软轴与手指组件连接。本发明工作空间大，可控性高，适用于物流行业、柔性生产线等目标物体形状、尺寸多样，尤其适用于抓取可靠性、安全性有较高要求的场合。

Description

一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手

技术领域

本发明涉及一种欠驱动机械手，尤其是一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，属于机器人、自动化应用技术领域，可用于农产品采摘、食品分拣与输送、工业品上下料抓取、商品物流包装等行业。

背景技术

欠驱动机械手是指驱动元件个数小于自由度数目的多指节机械手，因其对被抓取形状能够被动自适应，且驱动元件少，故此抓取范围广泛、控制简单、出力大、负载能力好。

目前欠驱动机械手多采用连杆传动或腱传动方式，连杆方式负载能力强，但由于连杆自身的干涉，其有效工作空间受到限制；腱传动多采用绳驱动方式，自由度高，灵活性强，但有效负载较小。此外，采用前述传动方案的欠驱动机械手的欠驱动环节与两主动环节有相关关系，即欠驱动环节的角度一直会受到两主动环节角度的影响，不能只考虑目标物体外形影响，因此其状态判断、姿态解析较为复杂，因此无法根据实际状态进行调整。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，利用软轴传动的四指欠驱动机械手结构的兼容性，能够实现软轴传动下的可靠抓取。

本发明所采用的技术方案如下：

一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，包括：

手掌部分，所述手掌部分包括：主机架，其下方安装有升降步进电机，其输出轴与穿设于主机架中部滚珠丝杆的底端连接，滚珠丝杆的顶端连接有一块与主机架的上表面平行设置的连接板；

手指部分，所述手指部分包括：位于主机架与连接板之间、随丝杆螺母沿所述滚珠丝杆上下移动的滑动板，所述滑动板上沿圆周方向连接多根连杆，每根连杆的末端连接一个手指组件；所述手指组件包括三部分：一端通过手指连接座与主机架转动连接的指根节、与指根节通过一组带预紧力调节装置的扭弹簧连接的指中节、以及与指中节另一端通过轴套及第一短轴、光轴转动连接的指尖节；

旋转传动部分，所述传动部分包括：指根轴，多个所述指根轴沿圆周一圈均匀设于主机架中，位于主机架上方的指根轴部分通过带轮及同步带传动连接，位于主机架下方的指根轴部分分别穿设于所述手指连接座中，并分别通过软轴与所述第一短轴连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

指根节的结构为：包括两个间隔平行设置的第一侧板，第一侧板两端设有通孔，两第一侧板上端通孔分别通过耐磨铜套及第二短轴与手指连接座下部两侧对称设置的两立式轴座铰接。

两第一侧板中部安装有与连杆末端铰接的铰链支座。

指中节的结构为：包括两个间隔平行设置、分别与两第一侧板连接的第二侧板，每侧的第一侧板与第二侧板之间通过耐磨铜套安装有一调节轴，调节轴通过固定螺栓与第二侧板固定。

带预紧力调节装置的扭弹簧的结构为：包括调节旋钮，其通过内部自带的铜质顶丝安装在所述调节轴外侧一端，调节轴内侧一端穿过所述扭弹簧、弹簧拨片并用固定螺母将弹簧拨片紧固在调节轴上，扭弹簧一端通过限制螺栓夹紧在第一侧板上，另一端顶住弹簧拨片。

指尖节的结构为：包括两个间隔平行设置、与两第二侧板分别通过所述轴套及第一短轴、光轴铰接的第三侧板，第一短轴末端同时与位于其中一侧第三侧板外的辅助侧板固连，将转动传递给指尖节。

第一短轴位于第三侧板内侧的部分与软轴的下端连接，指根轴底端伸出手指连接座下部与软轴的上端连接；带轮转动通过指根轴传递至软轴，驱动第一短轴旋转。

指根轴外套设空心轴，其通过耐磨铜套及轴承装置设于主机架中，空心轴靠近手指连接座一端外通过外筒法兰套安装有涡卷弹簧，其一端与主机架上安装的涡卷弹簧拨动螺栓套接；外筒法兰套下部与手指连接座固定连接。

旋转传动部分还包括旋转步进电机，旋转步进电机位于主机架下方一侧，通过带轮驱动同步带。

滑动板通过球头万向轴承连接所述连杆。

本发明的有益效果如下：

本发明设计合理、结构紧凑，负载能力高，工作空间大，可控性高，适用于物流行业、柔性生产线等目标物体形状、尺寸多样，尤其适用于抓取可靠性、安全性有较高要求的场合。

本发明具有较大的工作空间：相较于连杆传动方案受限的工作空间，本发明机械手各个指节旋转范围更大，可用的工作空间更广，能够抓取更多尺寸的物体；

本发明具有更多的自由度：除去手指部分的三个自由度，本发明机械手通过指根轴外空心轴及涡卷弹簧引入了一个新的自由度，使抓取复杂形状物体更加可靠；

本发明具有更加优异的抓取控制：得益于软轴传动，欠驱动环节角度更加可控，在抓取物体时，该角度不受力学特性影响，可以进行推算。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明软轴的结构示意图。

图3为本发明手指组件的结构示意图。

图4为本发明手指组件的爆炸图。

图5为本发明涡卷弹簧的结构示意图。

图6为本发明指根轴的安装结构剖视图。

其中：1、主机架；2、滑动板；3、连接板；4、滚珠丝杆；5、球头万向轴承；6、连杆；7、同步带；8、手指连接座；9、升降步进电机；10、指根轴；11、空心轴；12、外筒法兰套；13、指尖节；14、指中节；15、指根节；16、旋转步进电机；17、软轴；18、铰链支座；19、立式轴座；20、第二短轴；21、调节旋钮； 22、第一短轴；23、扭弹簧；24、调节轴；25、带轮；26、涡卷弹簧；27、涡卷弹簧拨动螺栓；28、丝杆螺母；29、固定螺母；30、弹簧拨片；31、限制螺栓；32、固定螺栓；33、光轴；131、第三侧板；132、辅助侧板；141、第二侧板；151、第一侧板。

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和图2所示，本实施例的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，包括：

手掌部分，手掌部分包括：主机架1，其下方安装有升降步进电机9，其输出轴与穿设于主机架1中部滚珠丝杆4的底端连接，滚珠丝杆4的顶端连接有一块与主机架1的上表面平行设置的连接板3；

手指部分，手指部分包括：位于主机架1与连接板3之间、随丝杆螺母28沿滚珠丝杆4上下滑动的滑动板2，滑动板2上沿圆周方向连接多根连杆6，每根连杆6的末端连接一个手指组件；手指组件包括三部分：一端通过手指连接座8与主机架1转动连接的指根节15、与指根节15通过一组带预紧力调节装置的扭弹簧23连接的指中节14、以及与指中节14另一端通过轴套及第一短轴22、光轴33转动连接的指尖节13；

旋转传动部分，传动部分包括：指根轴10，多个指根轴10沿圆周一圈均匀穿设于主机架1中，位于主机架1上方的指根轴10部分通过带轮25及同步带7传动连接，位于主机架1下方的指根轴10部分分别穿设于手指连接座8中，并分别通过软轴17与第一短轴22连接。

如图3、图4所示，指根节15的结构为：包括两个间隔平行设置的第一侧板151，第一侧板151两端设有通孔，两第一侧板151上端通孔分别通过耐磨铜套及第二短轴20与手指连接座8下部两侧对称设置的两立式轴座19铰接。

两第一侧板151中部安装有与连杆6末端铰接的铰链支座18。

指中节14的结构为：包括两个间隔平行设置、分别与两第一侧板151连接的第二侧板141，每侧的第一侧板151与第二侧板141之间通过耐磨铜套安装有一调节轴24。

带预紧力调节装置的扭弹簧23的结构为：包括调节旋钮21，其通过自带铜质顶丝安装在调节轴24外侧一端，调节轴24通过固定螺栓32与第二侧板141固定，调节轴24内侧一端穿过所述扭弹簧23、弹簧拨片30并用固定螺母29将弹簧拨片30紧固在调节轴24上，扭弹簧23一端通过限制螺栓31夹紧在第一侧板151上，另一端与弹簧拨片30顶住。

指尖节13的结构为：包括两个间隔平行设置、分别与两第二侧板141通过轴套及第一短轴22、光轴33连接的第三侧板131，及同时与第一短轴22连接的辅助侧板132。

第一短轴22位于第三侧板131内侧的部分与软轴17的下端连接，指根轴10底端伸出手指连接座8下部与软轴17的上端连接；带轮25转动通过指根轴10传递至软轴17，驱动第一短轴22旋转。

如图5和图6所示，指根轴10外套设空心轴11，其通过轴套及轴承装置设于主机架1中，空心轴11靠近手指连接座8一端外通过外筒法兰套12安装有涡卷弹簧26，其一端与安装在主机架1上的涡卷弹簧拨动螺栓27套接；外筒法兰套12下部与手指连接座8固定连接。

旋转传动部分还包括旋转步进电机16，旋转步进电机16为带轮25及同步带7提供驱动力。

滑动板2通过球头万向轴承5连接连杆6。

本发明可以实现不同形状不同尺寸的不同接触力要求的抓取，抓取时需要根据目标物体的外形尺寸计算出可用的抓取位姿，再通过两个步进电机（升降步进电机9、旋转步进电机16）驱动指根节15及指尖节13旋转到达相应角度，被动关节（指中节14）及手指连接座8被动旋转适应目标物体，被动倾向于贴合物体表面的方向，实现复杂物体的可靠抓取。同时，配合预紧调节装置，能够实现对相同物体抓取时的接触力调节，使抓取过程更加安全。

此外，该本发明能够通过指中节14角度判断抓取状态，通过实时判断抓取状态，可以采取相应措施，保证抓取的可靠性。

本发明在具体实施过程中工作过程及原理：

手指部分共有四个手指组件，每个手指组件有三个指节，从上到下依次是指根节15、指中节14及指尖节13，每个指节可以绕其关节旋转，手指组件整体通过手指连接座8与主机架1连接，并绕指根轴10旋转；

指根轴10外侧为空心轴11，空心轴11穿过角接触轴承、耐磨铜套、涡卷弹簧26及外筒法兰套12，外筒法兰套12下方与手指连接座8连接，手指连接座8可以保证在指面受力时旋转手指座以适应目标物体，同时指根轴10能够正常传动。

涡卷弹簧26作为手指指根的被动转角机构，当指面受力旋转时，涡卷弹簧26随之旋转，但其一端套接在涡卷弹簧拨动螺栓27中，因此会受到一定的阻力（涡卷弹簧拨动螺栓27位于主机架1上，在空心轴11也就是手指组件旋转时固定涡卷弹簧26一端，带来阻力）而不会过快旋转造成冲击，同时会压紧指面保证指面与目标物体表面贴合，完成抓取动作后，在涡卷弹簧26的作用下会迅速回正，保证下次抓取可靠。升降步进电机9驱动滑动板2沿滚珠丝杆4上下运动，通过球头万向轴承5连接连杆6，并最终驱动指根节15带动各手指组件绕铰链支座18的轴芯转动。

旋转步进电机16通过同步带轮25驱动同步带7并将动力分别通过四个指根轴10分配给与四个软轴17，最终通过第一短轴22驱动指尖节13旋转。

指根节15的第一侧板151上端通过耐磨铜套与第二短轴20相连，可以自由转动；

扭弹簧23一端通过限制螺栓31夹紧在第一侧板151上，调节时，需要松动固定螺栓32，旋转调节旋钮21带动弹簧拨片30拨动扭弹簧23预紧角，再旋紧固定螺栓32。

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 (10)

1.一种软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：包括：

手掌部分，所述手掌部分包括：主机架（1），其下方安装有升降步进电机（9），其输出轴与穿设于主机架（1）中部滚珠丝杆（4）的底端连接，滚珠丝杆（4）的顶端连接有一块与主机架（1）的上表面平行设置的连接板（3）；

手指部分，所述手指部分包括：位于主机架（1）与连接板（3）之间、随丝杆螺母（28）沿所述滚珠丝杆（4）上下移动的滑动板（2），所述滑动板（2）上沿圆周方向连接多根连杆（6），每根连杆（6）的末端连接一个手指组件；所述手指组件包括三部分：一端通过手指连接座（8）与主机架（1）转动连接的指根节（15）、与指根节（15）通过一组带预紧力调节装置的扭弹簧（23）连接的指中节（14）、以及与指中节（14）另一端通过轴套及第一短轴（22）、光轴（33）转动连接的指尖节（13）；

旋转传动部分，所述传动部分包括：指根轴（10），多个所述指根轴（10）沿圆周一圈均匀设于主机架（1）中，位于主机架（1）上方的指根轴（10）部分通过带轮（25）及同步带（7）传动连接，位于主机架（1）下方的指根轴（10）部分分别穿设于所述手指连接座（8）中，并分别通过软轴（17）与所述第一短轴（22）连接。

2.如权利要求1所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：指根节（15）的结构为：包括两个间隔平行设置的第一侧板（151），第一侧板（151）两端设有通孔，两第一侧板（151）上端通孔分别通过耐磨铜套及第二短轴（20）与手指连接座（8）下部两侧对称设置的两立式轴座（19）铰接。

3.如权利要求2所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：两第一侧板（151）中部安装有与连杆（6）末端铰接的铰链支座（18）。

4.如权利要求3所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：指中节（14）的结构为：包括两个间隔平行设置、分别与两第一侧板（151）连接的第二侧板（141），每侧的第一侧板（151）与第二侧板（141）之间通过耐磨铜套安装有一调节轴（24），调节轴（24）通过固定螺栓（32）与第二侧板（141）固定。

5.如权利要求4所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：带预紧力调节装置的扭弹簧（23）的结构为：包括调节旋钮（21），其通过内部自带的铜质顶丝安装在所述调节轴（24）外侧一端，调节轴（24）内侧一端穿过所述扭弹簧（23）、弹簧拨片（30）并用固定螺母（29）将弹簧拨片（30）紧固在调节轴（24）上，扭弹簧（23）一端通过限制螺栓（31）夹紧在第一侧板（151）上，另一端顶住弹簧拨片（30）。

6.如权利要求5所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：指尖节（13）的结构为：包括两个间隔平行设置、与两第二侧板（141）分别通过所述轴套及第一短轴（22）、光轴（33）铰接的第三侧板（131），第一短轴（22）末端同时与位于其中一侧第三侧板（131）外的辅助侧板（132）固连，将转动传递给指尖节（13）。

7.如权利要求6所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：第一短轴（22）位于第三侧板（131）内侧的部分与软轴（17）的下端连接，指根轴（10）底端伸出手指连接座（8）下部与软轴（17）的上端连接；带轮（25）转动通过指根轴（10）传递至软轴（17），驱动第一短轴（22）旋转。

8.如权利要求1所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：指根轴（10）外套设空心轴（11），其通过耐磨铜套及轴承装置设于主机架（1）中，空心轴（11）靠近手指连接座（8）一端外通过外筒法兰套（12）安装有涡卷弹簧（26），其一端与主机架（1）上安装的涡卷弹簧拨动螺栓（27）套接；外筒法兰套（12）下部与手指连接座（8）固定连接。

9.如权利要求1所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：旋转传动部分还包括旋转步进电机（16），旋转步进电机（16）位于主机架（1）下方一侧，通过带轮（25）驱动同步带（7）。

10.如权利要求1所述的软轴传动的刚柔耦合手指四指欠驱动机械手，其特征在于：滑动板（2）通过球头万向轴承（5）连接所述连杆（6）。

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