CN111673793B - 一种夹具可替换式两爪机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种夹具可替换式两爪机械手，该机械手包含夹爪、夹爪驱动装置、托垫板伸缩装置和托垫板贴紧调整装置。夹爪包含柔性垫环、刚性垫块和夹具替换孔；夹爪驱动装置包含大齿轮、弹簧、丝杠、滑块、齿条、齿条滑轨、小齿轮、夹爪固定块和驱动装置壳体；托垫板伸缩装置包含托垫板、托垫板从动杆和托垫板主动杆；托垫板贴紧调整装置包含托垫平台壳体，托垫平台主动杆、托垫平台从动杆、托垫平台导向柱。本发明适用于对货物进行夹取，根据被夹取货物形状的不同，本发明设有与夹爪配合的可替换夹具，在托垫装置的配合下，实现智能夹取。根据被夹取货物易碎性的不同，本发明有相应的夹取动作及方法，以保证最大程度地保护被夹取物。

Description

一种夹具可替换式两爪机械手

技术领域

本发明属于机械手领域，具体设计一种适用于货架的机械手，其可对货物进行可靠夹取。

背景技术

仓储式商场又称为仓库商店、货仓式商场、超级购物中心等，是一种集商品销售与商品储存于一个空间的零售形式。这种商场规模大、投入少、价格低，大多利用闲置的仓库、厂房运行。

目前的许多的物流机器人均无法取出特定货物，因此也无法应用于仓储式大型购物商场。目前许多大型仓储式购物商场里顾客取货只能在指定高度内拿取，对于货物的安排存放所需空间有一定的浪费。并且这种仓储式大型购物商场的客流量巨大从而导致上货频繁，在进行上货取货时由于是人工工作还会对员工和顾客造成危险。因此需要一种应用于此类情景的机器人来进行工作，在顾客进行购买时直接由机器人进行货物拿取。

发明内容

针对上述取货方式存在的效率低，有一定危险等问题，本发明提供了一种结构简单，操作简单，可以针对易碎物品进行安全抓取的夹具可替换式两爪机械手。

本发明的技术方案是以下述方式实现的：一种夹具可替换式两爪机械手，包括夹爪(1)、夹爪驱动装置(2)、托垫板伸缩装置(3)和托垫板贴紧调整装置(4)；夹爪(1)包含柔性垫环(11)、刚性垫块(12)和夹具替换孔(13)；夹爪驱动装置(2)包含大齿轮(21)、弹簧(22)、丝杠(23)、滑块(24)、齿条(25)、齿条滑轨(26)、小齿轮(27)、夹爪固定块(28)和驱动装置壳体(29)；托垫板伸缩装置(3)包含托垫板(31)、托垫板从动杆(32)和托垫板主动杆(33)；垫板贴紧调整装置(4)包含托垫平台壳体(41)、托垫平台主动杆(42)、托垫平台从动杆(43)和垫平台导向柱(44)。

夹爪(1)的侧部中间开有夹具替换孔(13)，夹具替换孔(13)用来更换相应的替换块以便完成对于不同形状物体的夹取。柔性垫环(11)和刚性垫块(12)是夹爪的可替换配件，且在同一时间夹爪安装二者之一，对于圆柱体被夹取物，将柔性垫环(11)安装至夹具替换孔(13)上，对于长方体被夹取物，将刚性垫块(12)安装至夹具替换孔(13)上。

驱动装置壳体(29)为夹爪驱动装置(2)的主体结构，丝杠(23)通过联轴器与电机相连接，并通过轴承固定在驱动装置壳体(29)上，丝杠(23)驱动滑块(24)在丝杠轴线方向上水平运动，滑块(24)通过螺钉与力传感器相连接，力传感器与弹簧(22)通过焊接相连，弹簧(22)通过螺钉与齿条(25)相连接，齿条(25)两侧有长条状凸起，用于和齿条滑轨(26)上的槽型导轨相配合从而做直线运动，两个小齿轮(27)分别在齿条(25)的两侧与之啮合从而将齿条(25)的直线运动转化为定轴转动，大齿轮(21)与小齿轮(27)同轴且转速相同，大齿轮(21)通过小齿轮(27)将齿条(25)的线位移输出至夹爪(1)，大齿轮与夹爪(1)上的齿条啮合，夹爪(1)通过其末端开设的矩形条状通孔与夹爪固定块(28)和驱动装置壳体(29)上的长方体凸起形成移动副从而实现夹爪(1)的对向水平运动，夹爪固定块(28)通过螺钉与驱动装置壳体(29)上的长方体凸起而连接。

在夹爪(1)进行对向直线运动时，由于步进电机存在步距角(一个脉冲时电机转子所转过的角度)，不同的电机由于其转子和定子的齿数各不相同，因此存在不同的步距角，在进行易碎物品的夹取时，由于电机本身步距角存在的误差，会对被夹取物品造成损坏。弹簧(22)本身具有一定弹性，选用弹性系数适当的弹簧(22)与齿条(25)的连接，通过配合具有不能自锁特性的丝杠螺母传动(包含丝杠(23)以及滑块(24))方式来尽可能的削减由于电机步距角所产生的误差，从而保证对被夹取物的充分保护。

托垫板伸缩装置(3)中的托垫板(31)通过与托垫平台壳体(41)相应槽位配合安装，使托垫板(31)进行直线运动，托垫板从动杆(32)与托垫板(31)通过相应孔位进行配合连接，托垫板主动杆(33)与托垫板从动杆(32)通过相应孔位进行配合连接，形成曲柄连杆机构，在托垫板伸缩装置(3)内部的电机驱动下，托垫板主动杆(33)进行转动，从而使托垫板(31)完成直线运动。

托垫板贴紧调整装置(4)中的托垫平台主动杆(42)与托垫平台从动杆(43)通过相应孔位配合连接，形成曲柄连杆机构，托垫平台从动杆(43)与托垫平台壳体(41)配合连接，在托垫板贴紧调整装置(4)后部的电机驱动下，托垫平台主动杆(42)带动托垫平台壳体(41)沿托垫平台导向柱(44)进行直线运动。

柔性垫环(11)的材质为橡胶或海绵，其内外两侧均为弧形，并设有贯通孔；刚性垫块(12)的材质为铝或塑料，其内侧为平面，外侧为弧形，平面上有为增大摩擦力而设计的窄条形槽，并设有贯通孔。

大齿轮(21)的分度圆直径大于小齿轮(27)的分度圆直径，从而实现输入进小齿轮的位移通过大齿轮成倍数增长，此设计可以在其他情况相同的条件下减小齿条(25)的长度，有利于增加装置整体的紧凑性。

滑块(24)上设有力传感器，力传感器与弹簧(22)相连接但不与齿条(25)相接触，弹簧(22)可以保证被夹取物所受到的夹紧力线性增长，力传感器可以在检测到夹紧力适宜的情况下通过电路向丝杠驱动电机发出停转信号，从而保证被夹取物不会因为夹紧力过大而损坏。

该夹具可替换式两爪机械手具有以下效果：

1)建立了一种新型的，应用于仓储式商场和无人超市的机械手装置。其夹爪运动方式为对向水平运动，夹取稳定性和准确度较高。

2)应用机械结构(弹簧)克服了步进电机的步距角误差及非连续的输出特性，实现对物体的准确可靠的抓取，同时还在力传感器的辅助下保证了夹紧力适宜。

3)在传统的机械爪的基础上设计了与之配合工作的托垫机构，并确立了相应的动作体系。托垫机构可以托举住被夹取物，将被夹取物意外掉落的几率大大降低，可以减少因意外发生的仓储式商场和无人超市的经济损失。对于易碎易变形物品，该夹具可替换式两爪机械手有另一套夹取动作体系，保证被夹取物品的安全性。

4)设计了能应对货物不同而可随时更换的机械爪辅助部件，可以在特定工作条件下大大提高机械爪的工作性能。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明夹爪的结构示意图

图3是本发明夹爪驱动装置的结构示意图

图4是本发明托垫板伸缩装置的结构示意图

图5是本发明托垫板贴紧调整装置的结构示意图

图6是本发明夹取长方体货物时的结构示意图

图7是本发明夹取圆柱体货物时的结构示意图

图8是本发明夹取易碎货物时的结构示意图

图中：1.夹爪2.夹爪驱动装置3.托垫板伸缩装置4.托垫板贴紧调节装置11.柔性垫环12.刚性垫块13.夹具替换孔21.大齿轮22.弹簧23.丝杠24.滑块25.齿条26.齿条滑轨27.小齿轮28.夹爪固定块29.驱动装置壳体31.托垫板32.托垫板从动杆33.托垫板主动杆41.托垫平台壳体42.托垫平台主动杆43.托垫平台从动杆44.托垫平台导向柱。

具体实施方式

如图1，图2，图3，图4以及图5所示，该夹具可替换式两爪机械手包含夹爪(1)、夹爪驱动装置(2)、托垫板伸缩装置(3)，托垫板贴紧调整装置(4)，夹爪(1)包含柔性垫环(11)、刚性垫块(12)和夹具替换孔(13)，夹爪驱动装置(2)包含大齿轮(21)、弹簧(22)、丝杠(23)、滑块(24)、齿条(25)、齿条滑轨(26)、小齿轮(27)、夹爪固定块(28)以及驱动装置壳体(29)，托垫板伸缩装置(3)包含托垫板(31)、托垫板从动杆(32)，托垫板主动杆(33)，托垫板贴紧调整装置(4)包含托垫平台壳体(41)，托垫平台主动杆(42)、托垫平台从动杆(43)、托垫平台导向柱(44)。

以圆柱形物品夹取过程为例，将柔性垫环(11)安装在夹爪(1)中的夹具替换孔(13)上，在夹爪驱动装置(2)中的电机的驱动下，丝杠(23)的转动带动滑块(24)进行运动，滑块(24)通过弹簧(22)与齿条(25)相连，使齿条(25)沿齿条滑轨(26)的运动方向与滑块(24)相同，由于齿条(25)与小齿轮(27)啮合相接且小齿轮(27)与大齿轮(21)共轴，使得小齿轮(27)在齿条(25)的运动下带动大齿轮(21)转动，使夹爪(1)沿夹爪固定块(28)进行向内的对向运动，完成对圆柱形物品的夹取，当柔性垫环(11)接触到被夹取物时，滑块(24)上的力传感器会根据力的大小通过电机对丝杠(23)的转动进行调整，通过上述步骤来调整夹取力的大小。在完成夹取后，托垫板贴紧调整装置(4)会根据相应传感器所得到的数据通过托垫平台主动杆(42)与托垫平台从动杆(43)的配合沿托垫平台导向柱(44)进行位置调整，保证在托垫板(31)伸出时能够接触到被夹取物的底面，在托垫板贴紧调整装置(4)的位置调整好后，托垫板(31)在托垫板从动杆(32)与托垫板主动杆(33)的配合下移动出来，支撑住被夹取物。

以长方体物品夹取过程为例，将刚性垫块(12)安装在夹爪(1)中的夹具替换孔(13)上，在夹爪驱动装置(2)中的电机的驱动下，丝杠(23)的转动带动滑块(24)进行运动，滑块(24)通过弹簧(22)与齿条(25)相连，使齿条(25)沿齿条滑轨(26)的运动方向与滑块(24)相同，由于齿条(25)与小齿轮(27)啮合相接且小齿轮(27)与大齿轮(21)共轴，使得小齿轮(27)在齿条(25)的运动下带动大齿轮(21)转动，使夹爪(1)沿夹爪固定块(28)进行向内的对向运动，完成对长方体物品的夹取，当刚性垫块(12)接触到被夹取物时，滑块(24)上的力传感器会根据力的大小通过电机对丝杠(23)的转动进行调整，通过上述步骤来调整夹取力的大小。在完成夹取后，托垫板贴紧调整装置(4)会根据相应传感器所得到的数据通过托垫平台主动杆(42)与托垫平台从动杆(43)的配合沿托垫平台导向柱(44)进行位置调整，保证在托垫板(31)伸出时能够接触到被夹取物的底面，在托垫板贴紧调整装置(4)的位置调整好后，托垫板(31)在托垫板从动杆(32)与托垫板主动杆(33)的配合下移动出来，支撑住被夹取物。

以易碎物品夹取过程为例，根据其形状不同，选用不同的垫块(如：柔性垫环(11)或者刚性垫块(12))，在夹爪驱动装置(2)中的电机的驱动下，丝杠(23)的转动带动滑块(24)进行运动，滑块(24)通过弹簧(22)与齿条(25)相连，使齿条(25)沿齿条滑轨(26)的运动方向与滑块(24)相同，由于齿条(25)与小齿轮(27)啮合相接且小齿轮(27)与大齿轮(21)共轴，使得小齿轮(27)在齿条(25)的运动下带动大齿轮(21)转动，使夹爪(1)沿夹爪固定块(28)进行向内的对向运动，在进行向内运动时，通过滑块(24)上的力传感器进行回馈，一旦触碰到被夹取物外壁，立即停止夹紧，仅与被夹取物外壁相接触起到方向引导作用而不产生过大的作用力，通过外部机械臂或其他装置倾斜夹具可替换式两爪机械手使其与水平线产生一定夹角，托垫板贴紧调整装置(4)会根据相应传感器所得到的数据通过托垫平台主动杆(42)与托垫平台从动杆(43)的配合沿托垫平台导向柱(44)进行位置调整，保证在托垫板(31)伸出时能够接触到被夹取物的底面，在托垫板贴紧调整装置(4)的位置调整好后，托垫板(31)在托垫板从动杆(32)与托垫板主动杆(33)的配合下移动出来，贴紧被夹取物，再通过外部机械臂或其他装置调平夹具可替换式两爪机械手的托垫板(31)支撑住被夹取物，完成对易碎物品的夹取。

此外，本发明不局限于上述实施例，在本发明公开的技术基础上，凡是对其一些技术特征进行不需要创造性的替换和变形，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：包括夹爪（1）、夹爪驱动装置（2）、托垫板伸缩装置（3）和托垫板贴紧调整装置（4）；夹爪（1）的侧部中间开有夹具替换孔（13），夹具替换孔（13）用来更换相应的替换块以便完成对于不同形状物体的夹取；

驱动装置壳体（29）为夹爪驱动装置（2）的主体结构，丝杠（23）通过联轴器与电机相连接，并通过轴承固定在驱动装置壳体（29）上，丝杠（23）驱动滑块（24）在丝杠轴线方向上水平运动，滑块（24）通过螺钉与力传感器相连接，力传感器与弹簧（22）通过焊接相连，弹簧（22）通过螺钉与齿条（25）相连接，齿条（25）两侧有长条状凸起，用于和齿条滑轨（26）上的槽型导轨相配合从而做直线运动，两个小齿轮（27）分别在齿条（25）的两侧与之啮合从而将齿条（25）的直线运动转化为定轴转动，大齿轮（21）与小齿轮（27）同轴且转速相同；

托垫板伸缩装置（3）中的托垫板（31）通过与托垫平台壳体（41）相应槽位配合安装，使托垫板（31）进行直线运动；

托垫板贴紧调整装置（4）中的托垫平台主动杆（42）与托垫平台从动杆（43）通过相应孔位配合连接，形成曲柄连杆机构；托垫平台从动杆（43）与托垫平台壳体（41）配合连接，在托垫板贴紧调整装置（4）后部的电机驱动下，托垫平台主动杆（42）带动托垫平台壳体（41）沿托垫平台导向柱（44）进行直线运动；大齿轮（21）通过小齿轮（27）将齿条（25）的线位移输出至夹爪（1），大齿轮与夹爪（1）上的齿条啮合，夹爪（1）通过末端开设的矩形条状通孔与夹爪固定块（28）和驱动装置壳体（29）上的长方体凸起形成移动副从而实现夹爪（1）的对向水平运动，夹爪固定块（28）通过螺钉与驱动装置壳体（29）上的长方体凸起而连接。

2.根据权利要求1所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：柔性垫环（11）和刚性垫块（12）是夹爪的可替换配件，且在同一时间夹爪安装二者之一，对于圆柱体被夹取物，将柔性垫环（11）安装至夹具替换孔（13）上；对于长方体被夹取物，将刚性垫块（12）安装至夹具替换孔（13）上。

3.根据权利要求2所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：柔性垫环（11）的材质为橡胶或海绵，其内外两侧均为弧形，并设有贯通孔。

4.根据权利要求2或3所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：刚性垫块（12）的材质为铝或塑料，内侧为平面，外侧为弧形，平面上有为增大摩擦力而设计的窄条形槽，并设有贯通孔。

5.根据权利要求1所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：大齿轮（21）的分度圆直径大于小齿轮（27）的分度圆直径。

6.根据权利要求1所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：滑块（24）上设有力传感器，力传感器与弹簧（22）相连接但不与齿条（25）相接触，弹簧（22）保证被夹取物所受到的夹紧力线性增长，力传感器在检测到夹紧力后通过电路向丝杠驱动电机发出停转信号，从而保证被夹取物不会因为夹紧力过大而损坏。

7.根据权利要求1所述的一种夹具可替换式两爪机械手，其特征在于：托垫板从动杆（32）与托垫板（31）通过相应孔位进行配合连接，托垫板主动杆（33）与托垫板从动杆（32）通过相应孔位进行配合连接，形成曲柄连杆机构，在托垫板伸缩装置（3）内部的电机驱动下，托垫板主动杆（33）进行转动，从而使托垫板（31）完成直线运动。

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