CN112077868A - 具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器 - Google Patents
具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，执行器壳体、驱动电机、左夹爪组件、右夹爪组件和利用所述驱动电机的动力驱动所述左夹爪组件和右夹爪组件完成夹持动作的传动系统；所述传动系统包括减速机构、差速器和蜗轮蜗杆机构；所述驱动电机的动力通过所述减速机构进行减速增矩后输入至差速器；所述差速器将动力分配至两所述蜗轮蜗杆机构，并驱动两蜗杆转动；所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮用于带动所述左夹爪组件或右夹爪组件完成夹持动作；本发明的末端执行器使用单电机驱动且能实现夹持自锁，搭配末端执行器上的双目摄像头，完成位置、大小自适应夹持，并能实现精准放置和装配。
Description
技术领域
本发明涉及一种物品分拣、零件装配领域中具有机械自锁功能由单电机驱动的欠驱动机器人末端执行器，具体地，涉及一种利用视觉进行分拣或装配，能够实现自适应调节夹持位置与适时机械自锁的欠驱动机器人末端执行器。
背景技术
机械臂由于机器人技术的日益成熟，目前已广泛运用在工业领域，而物品分拣与零件装配中，机械臂末端的执行器往往决定了机械臂的具体用途。现有的机械臂末端执行器受限于质量往往只包含有限个自由度运用于轻小物体夹持。针对该现象已有许多针对欠驱动末端执行器的研究，如专利公布号为201711492166.X的三指灵巧手等；手指联动的如专利公布号为201210084863.2的差动轮系耦合自适应欠驱动手指、专利号为201810929933.7的腱绳传动的耦合自适应三指差动机器人手爪装置；使用多电机的如专利公布号为201610265841.4的双电机协同控制欠驱动机械手、专利公布号为201810502179.9的形状自适应三指欠驱动机械手、专利公布号为200610156059.5的多用途自适应机器人手爪。上述专利都使用欠驱动机构增加可操作性，也具有对物体形状的适应能力，然而仍然限于末端执行器的质量而降低了作业质量的标准。除此之外，目前提出的欠驱动机构基本都不包含自锁机构，增加了安全隐患，在末端执行器驱动力不足的情况下更为突出。专利公布号为201911205707.5的双自锁夹持器和专利公布号为201610840243.5的多自由度杠杆螺纹自锁结构尺寸较大，不适合于小型机器人或机械臂。除此之外，欠驱动结构由于运动不可控，夹持后物体位置不可明确表示，从而限制了精确装配。专利公布号为201710218397.5的手指末端轨迹可控欠驱动机械手虽然可控制末端轨迹却仍存在前文提到的诸多问题。因此，本发明公布一种使用单电机驱动且能实现夹持自锁的欠驱动末端执行器，搭配末端执行器上的双目摄像头，完成位置、大小自适应夹持，并能实现精准放置和装配。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其通过单电机和差速器结构的配合，实现两只夹爪分别运动，触碰物体自适应调整，减少驱动数量和整体质量。通过蜗轮蜗杆传动和平行四边形连杆机构实现运动换向和机械自锁，调整速度的同时降低机械系统的复杂度。该末端执行器兼具以上各特点丰富末端执行器功能，提高系统集成度。
如图1所示，本发明的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，包括执行器壳体、驱动电机、左夹爪组件、右夹爪组件和利用所述驱动电机的动力驱动所述左夹爪组件和右夹爪组件完成夹持动作的传动系统；
所述传动系统包括减速机构、差速器和蜗轮蜗杆机构；所述驱动电机的动力通过所述减速机构进行减速增矩后输入至差速器；所述差速器将动力分配至两所述蜗轮蜗杆机构，并驱动两蜗杆转动；所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮用于带动所述左夹爪组件或右夹爪组件完成夹持动作；蜗轮蜗杆机构将差速器输出的动力减速换向，传递给复合四连杆机构的夹爪组件，实现夹爪平动平稳夹持，且在电机失电时能保持夹持状态。
进一步，所述差速器包括差速器壳体，位于壳体内的差速器动转轴、一对差速器定转齿轮和一对差速器动转齿轮；所述差速器动转轴固定于壳体内并与蜗杆相互垂直；两所述差速器动转齿轮外套于差速器动转轴；两所述差速器定转齿轮分别传动连接于两蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴并与所述差速器动转齿轮相互啮合。
进一步，所述减速机构包括与所述驱动电机输出轴传动连接的小齿轮和固定于所述差速器壳体的大齿轮；
进一步，所述左夹爪组件和右夹爪组件分别至少包括夹爪体、铰接于夹爪体与执行器壳体之间的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ、固定于蜗轮的蜗轮杆、铰接于蜗轮杆与夹爪体之间的挺杆；所述执行器壳体、夹爪体、连杆Ⅰ和连杆Ⅱ共同构成平行四连杆机构；所述蜗轮杆、挺杆、夹爪体和连杆Ⅰ共同构成双摇杆机构。
进一步，所述执行器壳体上设有居中于左夹爪组件和右夹爪组件之间的双目摄像头。
进一步，所述执行器壳体侧部设有电机安装孔和用于使驱动电机输出轴伸入的电机轴输入孔，执行器壳体内部形成用于容纳减速机构和差速器的空腔。
进一步，所述执行器壳体侧部设有电机安装孔和用于使驱动电机输出轴伸入的电机轴输入孔，执行器壳体内部形成用于容纳减速机构和差速器的空腔；所述驱动电机可采用松下电机，具有伺服控制功能，通过电机端面四角的安装孔安装在执行器壳体上，电机输出轴通过电机轴输入孔伸入执行器壳体内与减速机构的小齿轮配合将转矩和转速输入末端执行器，其中，小齿轮与电机轴同轴配合并使用紧定螺钉固定连接。
进一步，所述执行器壳体内部形成用于容纳所述蜗轮蜗杆机构的空腔；两组蜗轮蜗杆机构，每组蜗轮蜗杆机构至少包括一个蜗杆和一个不完全蜗轮。
进一步，所述蜗轮为不完全蜗轮；所述蜗轮杆为变截面杆，其一体成型于所述不完全蜗轮无轮齿的圆周部位；所述的蜗杆与上述差速器中的定轴齿轮通过蜗杆端部的花键同轴配合。
本发明的原理如下所示：
驱动电机动力通过减速机构的传动作用带动差速器壳体转动，差速器壳体带动安装在差速器壳体内的动轴齿轮作旋转轴绕定轴转动的复合运动。由于动轴齿轮与定轴齿轮的交叉啮合，将动力分配到两个定轴齿轮。两定轴齿轮分别将动力传递至蜗轮蜗杆机构继而传递至复合连杆组结构的夹爪组件实现夹爪的运动。夹持过程中两只夹爪体未接触物体时，两夹爪体同步运动，当某一夹爪体接触到物体时对应蜗轮蜗杆机构受阻力因素实现机械自锁而停止运动，差速器将转速全部传递至另一夹爪组件，此时即实现欠驱动自适应夹持。当两只夹爪都触碰到物体表面时，伺服电机的电流环给出受力反馈从而停止电机转动。由于夹紧力的存在，两只夹爪对各自对应的蜗轮蜗杆机构都有反作用力，利用蜗轮蜗杆机构的反向自锁能力实现末端执行器的机械自锁，实现夹持的安全保护作用。
本发明的有益效果：
1.本发明的末端执行器采用单电机配合行星锥齿轮差速器的方案能在不增加驱动件数量的同时增加系统自由，夹持时根据物体位置自适应调整夹持运动，且动作平稳无过大冲击。
2.本发明的末端执行器的两只夹爪分别连接一组蜗轮蜗杆传动机构，各自在夹持物体过程中碰到物体时依靠夹持阻力停止运动，能够自适应自锁。
3.本发明的末端执行器的驱动器采用直齿减速机构、差速器、蜗轮蜗杆减速机构、平行四连杆机构四种机构合理排布，实现常规末端执行器体积下集成欠驱动自适应调整、机械夹持自锁、运动方向调整与速度调整几种功能，丰富系统功能，提高系统集成度。
4.本发明的末端执行器两只夹爪之间装配一个双目摄像头，装备该末端执行器的机械臂控制系统能够获取末端执行器自适应夹持的状态，放下物体时主动调整机械臂姿态保证精准防止被夹持物体。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的末端执行器的整体结构图。
图2是本发明的末端执行器的内部结构示意图(图中对末端执行器壳体进行剖分处理，剖面使用剖面线标注)。
图3是本发明中自动分配转速的欠驱动结构的传动图(图中对差速器壳体进行部分剖切处理)。
图4是图3中虚线圆圈内结构的放大图(图中对差速器壳体进行部分剖切处理，剖面用剖面线标注)。
图5是本发明中用于末端执行器机械自锁的保护机构的蜗轮安装示意图(对末端执行器壳体沿不完全蜗轮的安装孔对称剖视，剖面使用剖面线标注)。
图6是本发明中双目摄像头的安装位置示意图。
具体实施方式
本实施例公开了一种具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，如图1所示，本实施例的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，包括执行器壳体1、驱动电机2、左夹爪组件、右夹爪组件和利用所述驱动电机2的动力驱动所述左夹爪组件和右夹爪组件完成夹持动作的传动系统；
所述传动系统包括减速机构、差速器和蜗轮蜗杆机构；所述驱动电机2的动力通过所述减速机构进行减速增矩后输入至差速器；所述差速器将动力分配至两所述蜗轮蜗杆机构，并驱动两蜗杆转动；所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮用于带动所述左夹爪组件或右夹爪组件完成夹持动作；蜗轮蜗杆机构将差速器输出的动力减速换向，传递给复合四连杆机构的夹爪组件，实现夹爪平动平稳夹持，且在电机失电时能保持夹持状态。
如图2所示，所述减速机构包括包括电机轴轴承3、小齿轮4、大齿轮6、法兰轴承5。电机2的输出轴同轴穿过固定在末端执行器壳体1上的电机轴轴承3实现位置固定，电机2的输出轴与小齿轮4同轴固连为一体从而将动力输出。小齿轮4与安装在末端执行器壳体1上的法兰轴承5同轴配合，从而支撑小齿轮4绕其旋转轴转动。小齿轮4与大齿轮6啮合，实现动力传递、减速增扭的作用。大齿轮6与差速器壳体7焊接固定，大齿轮6转动时带动差速器壳体7的转动。
所述执行器壳体1的左右两边分别包含一对蜗轮蜗杆机构。其中左蜗轮蜗杆机构由左蜗杆轴轴承8、左蜗杆轴9、左套筒10、左套筒固定螺钉11(图中只指出6个中的3个)、左蜗轮17组成。其中，固定在末端执行器壳体1上的左蜗杆轴轴承8与左蜗杆轴9同轴配合，固定在末端执行器壳体1上的左套筒10与左蜗杆轴9同轴配合，左套筒10通过左套筒固定螺钉11固定在末端执行器壳体1上，左蜗杆轴9通过两个对置的角接触轴承支承于左套筒10内，从而实现对左蜗杆轴9在执行器壳体1内的轴向定位，紧配于左蜗杆轴9的左蜗杆轴承8可在执行器壳体1的对应安装孔内沿轴线滑动，从而防止左蜗杆轴9的热胀冷缩导致其与执行器壳体1机械干涉。右蜗轮蜗杆机构(参见图3)包含右套筒固定螺钉15、右套筒14、右蜗杆轴13、右蜗杆轴轴承12、右蜗轮16。由于右蜗轮蜗杆机构与左蜗轮蜗杆机构结构相似、对称安装，此处不再赘述。应当注意，为保证末端执行器两只夹爪同时向内或向外闭合，应使左蜗杆轴9、右蜗杆轴13旋向相反。
如图3所示。所述差速器包括差速器壳体7、差速器动转轴20、差速器动转齿轮18、差速器定转齿轮19。图3中的大齿轮6与差速器壳体7固连，带动差速器整体转动。图4中的差速器壳体7上安装有差速器动转轴20，随差速器壳体7一起转动。差速器动转轴20内同轴安装有两个差速器动转齿轮18，差速器动转齿轮18与两个分别与左蜗杆轴9和右蜗杆轴13固连的差速器定转齿轮19两两啮合。大齿轮6带动差速器壳体7转动时，两差速器动转齿轮18蜗杆轴轴线转动，从而带动差速器定转齿轮，左蜗杆轴9、右蜗杆轴13转动。当末端执行器闭合未接触物体时，左夹爪体25、右夹爪体28(如图2所示)无外载荷，左蜗杆轴9、右蜗杆轴13受力相等，等速转动，当某一夹爪触碰到物体时，对应侧蜗杆受到更大阻力使转速减小，另一侧蜗杆转速增加，实现自动分配转速的功能。同时，左蜗杆轴9与右蜗杆轴13为单头蜗杆，当两只夹爪都触碰到物体时，由于被夹持物体对左夹爪体25、右夹爪体28的反作用力，左蜗轮17、右蜗轮16(如图3所示)分别对左蜗杆9、右蜗杆13有力的作用。由于单头蜗杆的反向自锁作用，左蜗杆9、右蜗杆13在电机2反转前能锁住自身的位置，实现夹持自锁保险功能。
如图5所示，所述夹爪组件的结构采用复合四连杆平动机构；左夹爪组件至少包括左夹爪体25、铰接于左夹爪体25与执行器壳体1之间的左连杆Ⅰ和左连杆Ⅱ、固定于左蜗轮的左蜗轮杆、铰接于左蜗轮杆与左夹爪体25之间的左挺杆24；所述执行器壳体1、左夹爪体25、左连杆Ⅰ和左连杆Ⅱ共同构成平行四连杆机构；所述左蜗轮杆、左挺杆24、左夹爪体25和左连杆Ⅰ共同构成双摇杆机构；左蜗轮17旋转时，运动传递到左夹爪体25上，使其作相对末端执行器壳体1的平移运动。两个蜗轮紧固螺钉23安装在末端执行器壳体1上，分别夹紧一个蜗轮轴承22(图中只标出一个)将左蜗轮17固定在末端执行器壳体1的确定位置上，使左蜗轮17只能绕自身转动；右夹爪组件至少包括右夹爪体28、铰接于右夹爪体28与执行器壳体1之间的右连杆Ⅰ和右连杆Ⅱ、固定于右蜗轮的右蜗轮杆、铰接于右蜗轮杆与右夹爪体28之间的右挺杆；由于右夹爪组件与左夹爪组件结构相似、对称安装，此处不再赘述。
图6是所述双目摄像头的安装位置示意图。双目摄像头26通过摄像头固定螺钉27(图中只标出4个螺钉中的2个)固定在末端执行器壳体1的中央位置。左夹爪体25、右夹爪体28夹取物体后，双目摄像头26可测量物体相对于末端执行器壳体1中心线的左右偏移量，从而将物体位姿实时反馈到安装所述末端执行器的机器的控制系统中，进行后续精确操作。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：包括执行器壳体、驱动电机、左夹爪组件、右夹爪组件和利用所述驱动电机的动力驱动所述左夹爪组件和右夹爪组件完成夹持动作的传动系统；
所述传动系统包括减速机构、差速器和蜗轮蜗杆机构；所述驱动电机的动力通过所述减速机构进行减速增矩后输入至差速器；所述差速器将动力分配至两所述蜗轮蜗杆机构，并驱动两蜗杆转动；所述蜗轮蜗杆机构的蜗轮用于带动所述左夹爪组件或右夹爪组件完成夹持动作。
2.根据权利要求1所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述差速器包括差速器壳体，位于壳体内的差速器定转齿轮、差速器动转齿轮和差速器动转轴；所述差速器动转轴固定于壳体内并与蜗杆相互垂直；两所述差速器动转齿轮外套于差速器动转轴；两所述差速器定转齿轮分别传动连接于两蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴并与所述差速器动转齿轮相互啮合。
3.根据权利要求2所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述减速机构包括与所述驱动电机输出轴传动连接的小齿轮和固定于所述差速器壳体的大齿轮。
4.根据权利要求3所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述左夹爪组件和右夹爪组件分别至少包括夹爪体、铰接于夹爪体与执行器壳体之间的连杆Ⅰ和连杆Ⅱ、固定于蜗轮的蜗轮杆、铰接于蜗轮杆与夹爪体之间的挺杆；所述执行器壳体、夹爪体、连杆Ⅰ和连杆Ⅱ共同构成平行四连杆机构；所述蜗轮杆、挺杆、夹爪体和连杆Ⅰ共同构成双摇杆机构。
5.根据权利要求4所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述执行器壳体上设有居中于左夹爪组件和右夹爪组件之间的双目摄像头。
6.根据权利要求5所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述执行器壳体侧部设有电机安装孔和用于使驱动电机输出轴伸入的电机轴输入孔，执行器壳体内部形成用于容纳减速机构和差速器的空腔。
7.根据权利要求6所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述执行器壳体内部形成用于容纳所述蜗轮蜗杆机构的空腔。
8.根据权利要求7所述的具有机械自锁功能的单电机欠驱动机器人末端执行器，其特征在于：所述蜗轮为不完全蜗轮；所述蜗轮杆为变截面杆，其一体成型于所述不完全蜗轮无轮齿的圆周部位。
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