CN111890335B - 五自由度同步伸缩二级机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五自由度同步伸缩二级机械手，其包括底板、回转模块、同步伸缩模块、机械手爪、转盘轴承和回转直线驱动组件，底板的中间部设有回转模块，同步伸缩模块中的固定框安装于电机安装板的第二端面，第一级伸出框设于固定框中且与固定框移动副连接，第二级伸出框安装于第一级伸出框中，且与第一级伸出框移动副连接，机械手爪通过转盘轴承设于第二级伸出框的第二端，且回转直线驱动组件的固定端与第二级伸出框的第一端转动连接，回转直线驱动组件的伸出端与T型板转动连接，且伸出端设于固定端中与固定端移动副连接。本发明有利于增大机械手的工作空间和工作行程，且同步伸缩过程中不会产生速度突变，具有安全可靠，成本较低等优点。

Description

五自由度同步伸缩二级机械手

技术领域

本发明属于抓取机械手技术领域，特别涉及一种五自由度同步伸缩二级机械手。

背景技术

机械手主要应用于物体抓取等领域，在一些特殊的场合中，比如机场、机库等，需要保证工作场合的空旷开阔，同时要求抓取设备行程大、工作空间大。这就对抓取设备提出了很高的要求，首先要保证抓取设备自身的体积不能过大，否则会对工作场合中的其他设备运行产生安全隐患，其次抓取设备的工作行程要求很大。中国专利201910348051.6中公开了一种双油缸连续顺序伸缩装置及两级伸缩臂，该两级伸缩臂采用双油缸实现两级驱动，两个油缸顺序驱动，提高了油缸的推力，虽然能够实现伸缩臂的二级伸缩，但是采用了两个油缸，油管线路复杂，成本较高，而且两个油缸顺序驱动，两个油缸的交替瞬间会产生速度突变，这样会有极大的安全隐患。因此，提出一种五自由度同步伸缩二级机械手，以克服现有机械手的缺陷。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种五自由度同步伸缩二级机械手，通过设置回转模块，可以驱动机械手绕转盘轴承中心进行360度转动，有利于增大机械手的工作空间，同时设置同步伸缩模块，通过伸缩直线驱动组件、伸出滑轮组件以及缩回滑轮组件可以实现机械手臂的同步伸缩，伸缩过程不会产生速度突变，且具有大工作行程和很高的安全可靠性，此外机械手爪中滑动块与T型板滑动连接，可以根据抓取物的尺寸实时调整抓手的位置，用于抓取不同尺寸的抓取物，具有结构简单，操作方便，成本较低，实用性强等优点。

本发明采用的技术方案是，一种五自由度同步伸缩二级机械手，其包括底板、回转模块、同步伸缩模块、机械手爪、转盘轴承和回转直线驱动组件，所述底板的中间部设有所述回转模块，所述回转模块包括回转轴承、电机安装板、小齿轮和回转电机，所述回转轴承外圈与所述底板固定连接，所述回转轴承内圈与所述电机安装板的第一端面固定连接，所述回转电机设于所述电机安装板的第二端面，且所述回转电机的输出轴通过联轴器与所述小齿轮连接，所述小齿轮分别设于所述回转轴承的两侧，且与所述回转轴承啮合传动；所述同步伸缩模块包括固定框、固定框防护罩、第一级伸出框、第一级伸出框防护罩、第一导向组件、伸缩直线驱动组件、第二级伸出框、第二导向组件、伸出滑轮组件和缩回滑轮组件，所述固定框防护罩设于所述固定框上，且所述固定框安装于所述电机安装板的第二端面，所述第一级伸出框防护罩设于所述第一级伸出框上，所述第一级伸出框设于所述固定框中，且通过所述第一导向组件与所述固定框移动副连接，所述伸缩直线驱动组件包括直线电机、固定支座、丝杠和丝母，所述直线电机通过所述固定支座设于所述固定框的第一端，所述直线电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠的第一端连接，所述丝母安装于所述第一级伸出框中的丝杠螺母安装座上，且所述丝母与所述丝杠传动连接，所述第二级伸出框安装于所述第一级伸出框中，且通过所述第二导向组件与所述第一级伸出框移动副连接，所述伸出滑轮组件包括小滑轮和伸出钢丝绳，所述小滑轮分别设于所述第一级伸出框中第一级框架的第一内侧面和第二内侧面且靠近所述第一级框架的第二端，所述伸出钢丝绳的第一端与所述固定框中的伸出钢丝绳固定座连接，且其第二端穿过所述小滑轮与所述第二级伸出框中伸出钢丝绳活动座连接，所述缩回滑轮组件包括大滑轮和缩回钢丝绳，所述大滑轮分别设于所述第一级伸出框中第一级框架的第一外侧面和第二外侧面且靠近所述第一级框架的第一端，所述缩回钢丝绳的第一端与所述固定框中的缩回钢丝绳固定座连接，且其第二端穿过所述大滑轮与所述第二级伸出框中缩回钢丝绳活动座连接；以及所述机械手爪通过所述转盘轴承设于所述第二级伸出框的第二端，且所述转盘轴承内圈与所述第二级伸出框的第二端面连接，所述转盘轴承外圈与所述机械手爪中T型板的第一端面连接，所述回转直线驱动组件设于所述第二级伸出框中，且所述回转直线驱动组件的固定端与所述第二级伸出框的第一端转动连接，所述回转直线驱动组件的伸出端与所述T型板转动连接，且所述伸出端设于所述固定端中，且与所述固定端移动副连接。

进一步地，所述固定框包括主框架、伸出钢丝绳固定座和缩回钢丝绳固定座，所述伸出钢丝绳固定座左右对称设于所述主框架的第一端，所述缩回钢丝绳固定座左右对称设于所述主框架的第二端。

进一步地，所述第一级伸出框包括第一级框架和设于所述第一级框架第一端的丝杠螺母安装座。

进一步地，所述第二级伸出框包括第二级框架、伸出钢丝绳活动座和缩回钢丝绳活动座，所述伸出钢丝绳活动座左右对称设于所述第二级框架的第一端，所述缩回钢丝绳活动座左右对称设于所述第二级框架的第二端。

进一步地，所述机械手爪包括T型板、滑动块、减速电机和抓手，所述T型板的第一端和第二端均设有导向槽，所述滑动块设于所述T型板的第二端面，且分别安装于所述T型板第一端和第二端的导向槽中，所述减速电机设于所述T型板的第一端面，且所述减速电机的输出轴穿过所述滑动块的中间部与所述抓手转动连接。

优选地，所述第一导向组件包括均布设于所述主框架第二端的第一滑块和第一导轨，所述第一导轨分别设于所述第一级框架第一端面的第一端和第二端，且所述第一导轨与所述第一滑块滑动连接。

优选地，所述第二导向组件包括均布设于所述第一级框架第二端的第二滑块和第二导轨，所述第二导轨分别设于所述第二级框架第一端面的第一端和第二端，且所述第二导轨与所述第二滑块与滑动连接。

优选地，所述回转模块可以采用蜗轮蜗杆传动，亦可以采用同步带传动或链轮链条传动。

优选地，所述伸缩直线驱动组件和回转直线驱动组件可以采用液压缸驱动，亦可以采用电动推杆驱动或齿轮齿条驱动。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种五自由度同步伸缩二级机械手，通过设置回转模块，可以驱动机械手绕转盘轴承中心进行360度转动，有利于增大机械手的工作空间。

2、本发明提供的一种五自由度同步伸缩二级机械手，设置同步伸缩模块，通过伸缩直线驱动组件、伸出滑轮组件以及缩回滑轮组件可以实现机械手臂的同步伸缩，伸缩过程不会产生速度突变，且具有大工作行程和很高的安全可靠性。

3、本发明提供的一种五自由度同步伸缩二级机械手，机械手爪中滑动块与T型板滑动连接，可以根据抓取物的尺寸实时调整抓手的位置，用于抓取不同尺寸的抓取物，具有结构简单，操作方便，成本较低，实用性强等优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构侧视图；

图3为本发明的伸出滑轮组件安装示意图；

图4为本发明的缩回滑轮组件安装示意图；

图5为本发明的机械手爪安装示意图；

图6为本发明的固定框和伸缩直线驱动组件结构示意图；

图7为本发明的第一级伸出框结构示意图；

图8为本发明的第二级伸出框结构示意图；

图9为本发明的机械手爪结构示意图；

图10为本发明的第一导向组件结构示意图；以及

图11为本发明的第二导向组件结构示意图。

主要附图标记：

底板1；回转轴承2；电机安装板3；小齿轮4；回转电机5；固定框6；主框架601；伸出钢丝绳固定座602；缩回钢丝绳固定座603；固定框防护罩7；第一级伸出框8；第一级伸出框防护罩9；第一导向组件10；第一滑块1001；第一导轨1002；伸缩直线驱动组件11；固定支座1101；丝母1102；直线电机1103；丝杠1104；第二级伸出框12；第二级框架1201；伸出钢丝绳活动座1202；缩回钢丝绳活动座1203；机械手爪13；T型板1301；滑动块1302；减速电机1303；抓手1304；导向槽1305；转盘轴承14；回转直线驱动组件15；小滑轮16；大滑轮17；伸出钢丝绳18；第一级框架801；丝杠螺母安装座802；缩回钢丝绳19；第二导向组件20；第二滑块2001；第二导轨2002；伸出滑轮组件21；缩回滑轮组件22。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种五自由度同步伸缩二级机械手，如图1所示，其包括底板1、回转模块、同步伸缩模块、机械手爪13、转盘轴承14和回转直线驱动组件15，底板1的中间部设有回转模块，回转模块包括回转轴承2、电机安装板3、小齿轮4和回转电机5，回转轴承2外圈与底板1固定连接，回转轴承2内圈与电机安装板3的第一端面固定连接，回转电机5设于电机安装板3的第二端面，且回转电机5的输出轴通过联轴器与小齿轮4连接，小齿轮4分别设于回转轴承2的两侧，且与回转轴承2啮合传动。

具体的，回转模块可以采用蜗轮蜗杆传动，亦可以采用同步带传动或链轮链条传动，等其他类似原理的驱动方式。

如图2所示，同步伸缩模块包括固定框6、固定框防护罩7、第一级伸出框8、第一级伸出框防护罩9、第一导向组件10、伸缩直线驱动组件11、第二级伸出框12、第二导向组件20、伸出滑轮组件21和缩回滑轮组件22，固定框防护罩7设于固定框6上，且固定框6安装于电机安装板3的第二端面，第一级伸出框防护罩9设于第一级伸出框8上，第一级伸出框8设于固定框6中，且通过第一导向组件10与固定框6移动副连接，伸缩直线驱动组件11包括直线电机1103、固定支座1101、丝杠1104和丝母1102，直线电机1103通过固定支座1101设于固定框6的第一端，直线电机1103的输出轴通过联轴器与丝杠1104的第一端连接，丝母1102安装于第一级伸出框8中的丝杠螺母安装座802上，且丝母1102与丝杠1104传动连接，第二级伸出框12安装于第一级伸出框8中，且通过第二导向组件12与第一级伸出框8移动副连接。

如图3所示，伸出滑轮组件包括小滑轮16和伸出钢丝绳18，小滑轮16分别设于第一级伸出框8中第一级框架801的第一内侧面和第二内侧面且靠近第一级框架801的第二端，伸出钢丝绳18的第一端与固定框6中的伸出钢丝绳固定座602连接，且其第二端穿过小滑轮16与第二级伸出框12中伸出钢丝绳活动座1202连接。

如图4所示，缩回滑轮组件包括大滑轮17和缩回钢丝绳19，大滑轮17分别设于第一级伸出框8中第一级框架801的第一外侧面和第二外侧面且靠近第一级框架802的第一端，缩回钢丝绳19的第一端与固定框6中的缩回钢丝绳固定座603连接，且其第二端穿过大滑轮17与第二级伸出框12中缩回钢丝绳活动座1203连接。

如图5所示，机械手爪13通过转盘轴承14设于第二级伸出框12的第二端，且转盘轴承14内圈与第二级伸出框12的第二端面连接，转盘轴承14外圈与机械手爪13中T型板1301的第一端面连接，回转直线驱动组件15设于第二级伸出框12中，且回转直线驱动组件15的固定端1501与第二级伸出框12的第一端转动连接，回转直线驱动组件15的伸出端1502与T型板1301转动连接，且伸出端1502设于固定端1501中，且与固定端1501移动副连接。

具体的，伸缩直线驱动组件11和回转直线驱动组件15可以采用液压缸驱动，亦可以采用电动推杆驱动或齿轮齿条驱动，或是其它类似原理的驱动装置。

如图6所示，固定框6包括主框架601、伸出钢丝绳固定座602和缩回钢丝绳固定座603，伸出钢丝绳固定座601左右对称设于主框架601的第一端，缩回钢丝绳固定座603左右对称设于主框架601的第二端。

如图7所示，第一级伸出框8包括第一级框架801和设于第一级框架801第一端的丝杠螺母安装座802。

如图8所示，第二级伸出框12包括第二级框架1201、伸出钢丝绳活动座1202和缩回钢丝绳活动座1203，伸出钢丝绳活动座1202左右对称设于第二级框架1201的第一端，缩回钢丝绳活动座1203左右对称设于第二级框架1201的第二端。

如图9所示，机械手爪13包括T型板1301、滑动块1302、减速电机1303和抓手1304，T型板1301的第一端和第二端均设有导向槽1305，滑动块1302设于T型板1301的第二端面，且分别安装于T型板1301第一端和第二端的导向槽1305中，减速电机1303设于T型板1301的第一端面，且减速电机1303的输出轴穿过滑动块1302的中间部与抓手1304转动连接。

如图10所示，第一导向组件10包括均布设于主框架601第二端的第一滑块1001和第一导轨1002，第一导轨1002分别设于第一级框架801第一端面的第一端和第二端，且第一导轨1002与第一滑块1001滑动连接。

如图11所示，第二导向组件20包括均布设于第一级框架801第二端的第二滑块2001和第二导轨2002，第二导轨2002分别设于第二级框架1201第一端面的第一端和第二端，且第二导轨2002与第二滑块2001与滑动连接。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1所示，本发明的一种五自由度同步伸缩二级机械手的五个自由度实现过程如下：首先驱动回转电机5通过小齿轮4与回转轴承2啮合传动，带动固定框6相对于底板1转动，进而实现绕Z轴方向转动自由度，其次通过驱动直线电机1103通过丝杠丝母传动，带动第一级伸出框8相对于固定框6移动，进而实现沿Y轴方向移动自由度，再次通过驱动回转直线驱动组件15可以实现机械手爪13相对于第二级伸出框12转动，进而实现机械手爪13绕Z轴方向转动自由度，最后通过驱动T型板1301第一端和第二端的减速电机1303带动抓手1304转动，进而实现抓手1304绕T型板1301Z轴方向的两个转动自由度。

如图3所示，本发明的一种五自由度同步伸缩二级机械手伸出时，首先驱动直线电机1103通过丝杠丝母传动，带动第一级伸出框8相对于固定框6向前伸出，同时安装在第一级框架801第二端的小滑轮16也同步向前移动，此时伸出钢丝绳18相当于第二级伸出框12的驱动，通过拉拽安装在第二级框架1201第一端的伸出钢丝绳活动座1202，带动第二级伸出框12向前伸出，与此同时，缩回钢丝绳19相当于第二级伸出框12的约束，通过拖拽安装在第二级框架1201第二端的缩回钢丝绳活动座1203，限制第二级伸出框12向前伸出时的位移量是第一级伸出框8位移量的两倍。

如图4所示，本发明的一种五自由度同步伸缩二级机械手缩回时，首先驱动直线电机1103通过丝杠丝母传动，带动第一级伸出框8相对于固定框6向后缩回，同时安装在第一级框架801第一端的大滑轮组17也同步向后移动，此时缩回钢丝绳19相当于第二级伸出框12的驱动，通过拉拽安装在第二级伸出框12第二端的缩回钢丝绳活动座1203，带动第二级伸出框12向后缩回，与此同时，伸出钢丝绳18相当于第二级伸出框12的约束，通过拖拽安装在第二级伸出框12第一端的伸出钢丝绳活动座1202，限制第二级伸出框12向后缩回时的位移量是第一级伸出框8位移量的两倍。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，其包括底板、回转模块、同步伸缩模块、机械手爪、转盘轴承和回转直线驱动组件，

所述底板的中间部设有所述回转模块，所述回转模块包括回转轴承、电机安装板、小齿轮和回转电机，所述回转轴承外圈与所述底板固定连接，所述回转轴承内圈与所述电机安装板的第一端面固定连接，所述回转电机设于所述电机安装板的第二端面，且所述回转电机的输出轴通过联轴器与所述小齿轮连接，所述小齿轮分别设于所述回转轴承的两侧，且与所述回转轴承啮合传动；

所述同步伸缩模块包括固定框、固定框防护罩、第一级伸出框、第一级伸出框防护罩、第一导向组件、伸缩直线驱动组件、第二级伸出框、第二导向组件、伸出滑轮组件和缩回滑轮组件，所述固定框防护罩设于所述固定框上，且所述固定框安装于所述电机安装板的第二端面，所述第一级伸出框防护罩设于所述第一级伸出框上，所述第一级伸出框设于所述固定框中，且通过所述第一导向组件与所述固定框移动副连接，所述伸缩直线驱动组件包括第一电机、固定支座、丝杠和丝母，所述第一电机通过所述固定支座设于所述固定框的第一端，所述第一电机的输出轴通过联轴器与所述丝杠的第一端连接，所述丝母安装于所述第一级伸出框中的丝杠螺母安装座上，且所述丝母与所述丝杠传动连接，所述第二级伸出框安装于所述第一级伸出框中，且通过所述第二导向组件与所述第一级伸出框移动副连接，所述伸出滑轮组件包括小滑轮和伸出钢丝绳，所述小滑轮分别设于所述第一级伸出框中第一级框架的第一内侧面和第二内侧面且靠近所述第一级框架的第二端，所述伸出钢丝绳的第一端与所述固定框中的伸出钢丝绳固定座连接，且其第二端穿过所述小滑轮与所述第二级伸出框中伸出钢丝绳活动座连接，所述缩回滑轮组件包括大滑轮和缩回钢丝绳，所述大滑轮分别设于所述第一级伸出框中第一级框架的第一外侧面和第二外侧面且靠近所述第一级框架的第一端，所述缩回钢丝绳的第一端与所述固定框中的缩回钢丝绳固定座连接，且其第二端穿过所述大滑轮与所述第二级伸出框中缩回钢丝绳活动座连接；所述第二级伸出框包括第二级框架、伸出钢丝绳活动座和缩回钢丝绳活动座，所述伸出钢丝绳活动座左右对称设于所述第二级框架的第一端，所述缩回钢丝绳活动座左右对称设于所述第二级框架的第二端以及

所述机械手爪通过所述转盘轴承设于所述第二级伸出框的第二端，且所述转盘轴承内圈与所述第二级伸出框的第二端面连接，所述转盘轴承外圈与所述机械手爪中T型板的第一端面连接，所述回转直线驱动组件设于所述第二级伸出框中，且所述回转直线驱动组件的固定端与所述第二级伸出框的第一端转动连接，所述回转直线驱动组件的伸出端与所述T型板转动连接，且所述伸出端设于所述固定端中，且与所述固定端移动副连接；

机械手伸出时，首先驱动第一电机通过丝杠丝母传动，带动第一级伸出框相对于固定框向前伸出，同时安装在第一级框架的第二端的小滑轮同步向前移动，此时伸出钢丝绳相当于第二级伸出框的驱动，通过拉拽安装在第二级框架的第一端的伸出钢丝绳活动座，带动第二级伸出框的向前伸出，与此同时，缩回钢丝绳相当于第二级伸出框的约束，通过拖拽安装在第二级框架第二端的缩回钢丝绳活动座，限制第二级伸出框向前伸出时的位移量；

机械手缩回时，首先驱动第一电机通过丝杠丝母传动，带动第一级伸出框相对于固定框向后缩回，同时安装在第一级框架第一端的大滑轮组也同步向后移动，此时缩回钢丝绳相当于第二级伸出框的驱动，通过拉拽安装在第二级伸出框第二端的缩回钢丝绳活动座，带动第二级伸出框向后缩回，与此同时，伸出钢丝绳相当于第二级伸出框的约束，通过拖拽安装在第二级伸出框第一端的伸出钢丝绳活动座，限制第二级伸出框向后缩回时的位移量。

2.根据权利要求1所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述固定框包括主框架、伸出钢丝绳固定座和缩回钢丝绳固定座，所述伸出钢丝绳固定座左右对称设于所述主框架的第一端，所述缩回钢丝绳固定座左右对称设于所述主框架的第二端。

3.根据权利要求1所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述第一级伸出框包括第一级框架和设于所述第一级框架第一端的丝杠螺母安装座。

4.根据权利要求1所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述机械手爪包括T型板、滑动块、减速电机和抓手，所述T型板的第一端和第二端均设有导向槽，所述滑动块设于所述T型板的第二端面，且分别安装于所述T型板第一端和第二端的导向槽中，所述减速电机设于所述T型板的第一端面，且所述减速电机的输出轴穿过所述滑动块的中间部与所述抓手转动连接。

5.根据权利要求2所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述第一导向组件包括均布设于所述主框架第二端的第一滑块和第一导轨，所述第一导轨分别设于所述第一级框架第一端面的第一端和第二端，且所述第一导轨与所述第一滑块滑动连接。

6.根据权利要求3所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述第二导向组件包括均布设于所述第一级框架第二端的第二滑块和第二导轨，所述第二导轨分别设于所述第二级框架第一端面的第一端和第二端，且所述第二导轨与所述第二滑块与滑动连接。

7.根据权利要求1所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述回转模块采用蜗轮蜗杆传动或同步带传动或链轮链条传动。

8.根据权利要求1所述的五自由度同步伸缩二级机械手，其特征在于，所述伸缩直线驱动组件和回转直线驱动组件采用液压缸驱动或电动推杆驱动或齿轮齿条驱动。

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