CN112478172B - 适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手 - Google Patents

适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，齿轮二一个端面带有牙齿，绕线盘轴中段带有牙齿，每个绕线盘均有两个绕线槽，六根尼龙线分为三组，每组分为正反两根分别对应于三根手指。三个手指固定于机械手顶盖上，红外感应模块位于机械手顶盖中心处，绕线盘轴与齿轮二通过牙齿啮合组成牙嵌式离合器，齿轮二位置与机械手外壳相对固定形成转动副，绕线盘轴与机械手外壳形成圆柱副，绕线盘轴沿径向滑动控制离合器开合，两个绕线盘分别固定于线盘轴两端，电机一与电机二相对与机械手外壳固定。本发明大大提高抓取速度，手指闭合速度即为弹簧回弹速度。正反双向绕线设计，闭合状态下强制伸开手指需要克服电机一最大静转矩，抓取稳固。

Description

适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手
技术领域
本发明属于一种旋翼无人机机械手的设计，尤其适用于快速强力抓取的场景。
背景技术
目前，存在若干应用于无人机的机械爪装置。由闭合驱动方式可以分为主动式与被动式。主动式机械手自然状态下处于张开状态，依靠舵机直接驱动关节或间接拉动绳线闭合。被动式机械手自然状态下处于闭合状态，抓取前张开蓄力，抓取时释放所储存能量。机械爪关节数、指数具体有2-4根不等，较多的关节能够适应较为复杂的抓取要求。
单驱动多关节主动式机械爪———每一指的前后两关节存在一铰链关联，每只手指具有1自由度，采用一伺服舵机直接驱动两侧三指各双关节机械指闭合。手指通过激光切割ABS材料，覆盖有一种高摩擦的橡胶以加强抓握效果。从这种抓取设计结果来看，三指接触被抓取物体时，由同一个伺服舵机同时驱动。虽然这种设计能够胜任大部分圆柱外形形物体的抓取，但单靠机械手的低速闭合无法在无人机运动下进行直接有效抓取。
线盘驱动主动机械爪———与上设计类似，采用3D打印材料和橡胶共同组成两关节高摩擦机械爪。采用弹性橡胶连接上下关节，以贯通的线绳驱动手指闭合。初始处于张开状态，待抓取指令到达后驱动舵机旋转收紧线绳闭合。抓取闭合总时间约在3s以上，握力在1kg量级，无法很好满足无人机动态目标捕获的迅速性、稳定性要求。
被动式红外探测机械爪———创新性地引入了被动式抓取方案，在闭合姿态下灌装高弹性橡胶，抓取前通过舵机收紧蓄力，抓取时迅速释放能量，通过红外距离探测闭合，能够在0.1s以内完成目标抓取。但由于采用被动式闭合，本方案仅依靠橡胶弹性来保证物体被手所捕获，可靠性一般，同时缺乏有效的机械爪-机械臂配合方案，对无人机机械臂末端带来了较大负载。
现有研究提供了室内理想状态下的抓取机械装置，但仍有一下问题亟待改进：
1.缺乏有效快速闭紧、防松机构
2.重量较大，给无人机带来较大载重负担
3.缺乏与无人机机械臂的有效配合方案
发明内容
本发明为了解决传统无人机机械手抓取速度慢的问题，提供了被动式的快速抓取方案，使旋翼无人机对移动物体可进行快速可靠的抓取。
本发明采用如下技术方案实现：
结构自上向下包括三个手指，三个弹簧，机械手顶盖，机械手外壳，红外感应模块，电机一，电机二，拨片，齿轮一，齿轮二，绕线盘轴，两个绕线盘，六根尼龙线。
齿轮二一个端面带有牙齿，绕线盘轴中段带有牙齿，每个绕线盘均有两个绕线槽，六根尼龙线分为三组，每组分为正反两根分别对应于三根手指。
手指采用光敏树脂3D打印材料和PMC-780、Vytaflex 40(高弹性与高摩阻橡胶)混合沉积制造(HDM)，两个电机均为Dynamixel AX-12A伺服电机，其他结构材料均为光敏树脂3D打印制作。
三个手指固定于机械手顶盖上，两个左侧，一个右侧，手指根部外侧设置有弹簧，手指张开时弹簧和高弹性橡胶受压并储存弹性势能。
红外感应模块位于机械手顶盖中心处，检测到物体后发送信号实施抓取动作。
电机一与电机二相对与机械手外壳固定，电机一直接驱动齿轮一转动，电机二直接驱动拨片。
绕线盘轴与齿轮二通过牙齿啮合组成牙嵌式离合器，齿轮二位置与机械手外壳相对固定形成转动副，绕线盘轴与机械手外壳形成圆柱副，绕线盘轴沿径向滑动控制离合器开合。
两个绕线盘分别固定于线盘轴两端(外侧绕线槽正向缠绕尼龙线，内侧绕线槽反向缠绕尼龙线)，分别对应于左右两侧的手指(左边两个手指共用一个绕线盘)，三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指外侧连接在对应绕线盘外侧绕线槽上，正向缠绕，控制手指张开。三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指内侧连接在对应绕线盘内侧绕线槽上，反向缠绕，为手指闭合时提供锁紧力。
电机一通过齿轮一、齿轮二与接合的牙嵌式离合器控制绕线盘轴转动绕线，手指张开，电机二通过拨片控制牙嵌式离合器弹开释放绕线，手指快速闭合。
有益效果
被动式抓取过程设计，相较于传统机械手主动闭合抓取过程大大提高抓取速度，手指闭合速度即为弹簧回弹速度。
正反双向绕线设计，闭合状态下强制伸开手指需要克服电机一最大静转矩，抓取稳固。
附图说明
图1机械手主视图
图2机械手左视图
图3机械手仰视图
图4传动结构主视图
图5电机齿轮装配左视图
1.左侧手指，2.齿轮二，3.线盘轴，4.拨片，5.线盘轴牙齿，6.绕线盘，7.右侧手指，8.
正尼龙线路径，9.反尼龙线路径，10.正绕线槽，11.反绕线槽，12.离合器，13.拨片开关，14.齿轮一，15.齿轮二牙齿，16.电机一，17.电机二，18.机械手外壳，19.机械手
顶盖
具体实施方式
参照附图所示，结构自上向下包括三个手指，三个弹簧，机械手顶盖，机械手外壳，红外感应模块，电机一，电机二，拨片，齿轮一，齿轮二，绕线盘轴，两个绕线盘，六根尼龙线。齿轮二一个端面带有牙齿，绕线盘轴中段带有牙齿，每个绕线盘均有两个绕线槽，六根尼龙线分为三组，每组分为正反两根分别对应于三根手指。手指采用光敏树脂3D打印材料和PMC-780、Vytaflex 40(高弹性与高摩阻橡胶)混合沉积制造(HDM)，两个电机均为Dynamixel AX-12A伺服电机，其他结构材料均为光敏树脂3D打印制作。
三个手指固定于机械手顶盖上，两个左侧，一个右侧，手指根部外侧设置有弹簧，手指张开时弹簧和高弹性橡胶受压并储存弹性势能。
红外感应模块位于机械手顶盖中心处，检测到物体后发送信号实施抓取动作。
电机一与电机二相对与机械手外壳固定，电机一直接驱动齿轮一转动，电机二直接驱动拨片。电机一通过齿轮一、齿轮二与接合的牙嵌式离合器控制绕线盘轴转动绕线，手指张开，电机二通过拨片控制牙嵌式离合器弹开释放绕线，手指快速闭合。
绕线盘轴与齿轮二通过牙齿啮合组成牙嵌式离合器，齿轮二位置与机械手外壳相对固定形成转动副，绕线盘轴与机械手外壳形成圆柱副，绕线盘轴沿径向滑动控制离合器开合。
两个绕线盘分别固定于线盘轴两端(外侧绕线槽正向缠绕尼龙线，内侧绕线槽反向缠绕尼龙线)，分别对应于左右两侧的手指(左边两个手指共用一个绕线盘)，三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指外侧连接在对应绕线盘外侧绕线槽上，正向缠绕，控制手指张开。三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指内侧连接在对应绕线盘内侧绕线槽上，反向缠绕，为手指闭合时提供锁紧力。
1.放松状态：
机械手空载，手指闭合，弹簧放松。手指内侧的尼龙线收紧于绕线盘上，外侧的尼龙线放松伸长。牙嵌式离合器接合。
2.准备抓取：
电机一带动齿轮一旋转，齿轮一带动齿轮二旋转，离合器接合状态下带动绕线盘抽与绕线盘旋转绕线。外侧尼龙线收紧于正绕线盘上，内侧尼龙线伸长放松，手指张开，弹簧与高弹性橡胶压紧，储存弹性势能。当手指张开至最大角度时，弹簧被压缩至极限位置，电机一停转。弹簧预紧力通过外尼龙线加载于绕线盘上，绕线盘轴承受转矩。电机一输出的静转矩通过齿轮一与齿轮二传递到绕线盘轴上与弹簧压力提供的转矩平衡，机械手稳定张开。
3.抓取释放：
当机械手顶盖中心的的红外感应模块监测到了物体位于机械手的抓取范围内时，立即进行抓取动作。
电机二旋转一定角度，拨片移动控制绕线盘轴轴向移动，牙齿脱扣，牙嵌式离合器分离，齿轮二与绕线盘轴转动分离，绕线盘轴可自由转动。弹簧所储存的弹性势能瞬间释放，绕线盘轴高速转动，手指内侧的尼龙线重新收紧于绕线盘上，外侧的尼龙线重新放松伸长，机械手闭合抓住被抓取物体。由于弹簧的张紧力直接作用于的绕线盘，手指，尼龙线上，并且轻量化的部件转动惯量很低，因此各个零件可获得较大的角加速度，从而使机械手迅速闭合。
4.稳定携带
电机二反向旋转一定角度，拨片控制绕线盘轴反向轴向移动，牙嵌式离合器重新接合。
旋翼无人机飞行时可能受到气流影响以及出现飞行姿态的改变产生抖动。由于机械手抓紧时，手指内侧的尼龙线重新收紧于绕线盘上，以外力强制张开机械手需要克服反绕线盘上反尼龙线之间的摩擦力以及电机一对手指内侧尼龙线的拉力。双槽绕线盘设计提高了机械手闭合时的抓取牢固程度。
若要进行下一次抓取，机械手重复2-3-4步骤即可。

Claims (7)

1.适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，结构自上向下包括三个手指、三个弹簧、机械手顶盖、机械手外壳、红外感应模块、电机一、电机二、拨片、齿轮一、齿轮二、绕线盘轴、两个绕线盘、六根尼龙线，齿轮二一个端面带有牙齿，绕线盘轴中段带有牙齿，每个绕线盘均有两个绕线槽，六根尼龙线分为三组，三组尼龙线分别控制三个手指，每组两根尼龙线分别固定在手指内外两侧，三个手指固定于机械手顶盖上，三个弹簧分别固定在三个手指的外侧根部，红外感应模块位于机械手顶盖中心处，齿轮一固定在电机一转动轴上，齿轮一与齿轮二啮合，绕线盘轴与齿轮二通过牙齿啮合组成牙嵌式离合器，齿轮二位置与机械手外壳相对固定形成转动副，绕线盘轴与机械手外壳形成圆柱副，电机二旋转一定角度，拨片移动控制绕线盘轴轴向移动，牙齿脱扣，牙嵌式离合器分离，当电机二反向旋转一定角度，拨片控制绕线盘轴反向轴向移动，牙嵌式离合器重新接合，绕线盘轴沿轴向滑动控制离合器开合，两个绕线盘分别固定于绕线盘轴两端，电机一与电机二相对于机械手外壳固定。
2.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，手指采用光敏树脂3D打印材料和PMC-780、Vytaflex 40高弹性与高摩阻橡胶混合沉积制造HDM，其他结构材料均为光敏树脂3D打印制作。
3.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，两个电机均为DynamixelAX-12A伺服电机。
4.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，三个手指固定于机械手顶盖上，两个左侧，一个右侧，手指根部外侧设置有弹簧，手指张开时弹簧和高弹性橡胶受压并储存弹性势能。
5.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，电机一直接驱动齿轮一转动，电机二直接驱动拨片。
6.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，两个绕线盘分别固定于绕线盘轴两端，外侧绕线槽正向缠绕尼龙线，内侧绕线槽反向缠绕尼龙线，两个绕线盘分别控制左右两侧的手指，左边两个手指共用一个绕线盘，三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指外侧连接在对应绕线盘外侧绕线槽上，正向缠绕，控制手指张开，三根尼龙线分别从三个手指指尖处引出通过手指内侧连接在对应绕线盘内侧绕线槽上，反向缠绕，为手指闭合时提供锁紧力。
7.根据权利要求1所述的适用于旋翼无人机的被动式快速抓取机械手，其特征在于，电机一通过齿轮一、齿轮二与接合的牙嵌式离合器控制绕线盘轴转动绕线，手指张开，电机二通过拨片控制牙嵌式离合器弹开释放绕线，手指快速闭合。
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