CN112757334A - 机器人抓手及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人抓手及其控制方法。该抓手包括支架和设置于所述支架上的多个抓手机构，各所述抓手机构包括：指尖部、第一连杆和第二连杆，各所述指尖部在第一、第二连杆的支撑下，围绕所述支架摆动，朝向所述支架的中心轴侧摆动合拢，在合拢状态下，所述第一连杆位于所述支架的中心轴外侧，所述第二连杆位于所述支架的中心轴内侧，沿所述支架中心轴设置有驱动用的丝杠，所述丝杠套接有丝杠螺母，针对各所述抓手机构分别设置推杆，所述推杆的一端与所述丝杠螺母转动连接，另一端与从所述第一或第二连杆的另一端向其本体部相反侧延伸的摆臂转动连接。本发明的机器人抓手体型小巧，结构紧凑。通过Ethercat与机器人抓手实时进行通信。

Description

机器人抓手及其控制方法

技术领域

本发明一般涉及机器人技术领域，并且更具体地，涉及机器人抓手及其控制方法。

背景技术

在机器人领域，机器人抓手安装在机器人末端实现机器人抓取物品的终端执行器，全驱动的机器人抓手通常对每个关节部件都安装驱动器，器件繁琐复杂，整体抓手体积庞大，集成性差。而欠驱动的机器人抓手，虽然减少了执行器的数量，但不能精确控制抓手的夹紧力。

现有的机器人抓手，虽然能够实现抓手抓紧物品，但往往需要电机输出较大的功率才能使抓手的手指移动至合适的位置并具有一定的夹紧力。

并且，现有的机器人抓手不能够向机器人本体或操作人员操作端提供实时的抓取信息，操作人员无法根据实时的抓取情况对抓手的运动进行限位，而如何通过机器人抓手为机器人提供更多的信息以提高机器人的抓取能力是提升机器人智能特性的关键。

发明内容

根据本发明的实施方式，提供了一种机器人抓手及其控制方法。

在本发明的第一方面，提供了一种机器人抓手。该机器人抓手包括：支架和设置于所述支架上的多个抓手机构，

各所述抓手机构包括：指尖部；第一连杆，其一端与所述指尖部的基部转动连接，另一端与所述支架转动连接；和第二连杆，其一端与所述指尖部的基部转动连接，另一端与所述支架转动连接，各所述指尖部在第一、第二连杆的支撑下，围绕所述支架摆动，朝向所述支架的中心轴侧摆动合拢，在合拢状态下，所述第一连杆位于所述支架的中心轴外侧，所述第二连杆位于所述支架的中心轴内侧，沿所述支架中心轴设置有驱动用的丝杠，所述丝杠套接有丝杠螺母，针对各所述抓手机构分别设置推杆，所述推杆的一端与所述丝杠螺母转动连接，另一端与从所述第一或第二连杆的另一端向其本体部相反侧延伸的摆臂转动连接。根据本发明推杆作用力为推力，使指尖、第一连杆和第二连杆向所述支架的中心轴侧运动。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，具有驱动所述丝杠旋转的电机，所述电机设置于所述丝杠旁的所述支架上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电机与所述丝杠非同轴设置，在所述电机的输出轴和所述丝杠的输入端之间设置有减速齿轮组。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支架包括：

固定板，所述第一连杆、第二连杆与所述固定板转动连接；

基座，设置于所述固定板的下端，与所述固定板垂直，支撑所述丝杠的下端；

丝杠支撑座，设置于所述固定板的上部，与所述固定板垂直，固定所述丝杠的上端。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述基座具有通孔，所述丝杠下部穿过所述通孔，与所述减速齿轮组配合设置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，具有用于控制抓手机构位置状态的控制部，

所述控制部包括驱动控制器模块，所述驱动控制器模块与所述电机连接，连接固定于所述支架上，存储并处理所述机器人抓手的抓取信息，

所述驱动控制器模块设置有Ethercat通信模块，使所述机器人抓手通过Ethercat与用户控制端通信。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制部包括触觉传感器，所述触觉传感器设置于所述指尖部的内侧，感知抓取过程中的夹紧力。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制部包括位置传感器，所述位置传感器设置于所述支架上，其感应元件对应所述抓手机构或丝杠螺母，获取所述抓手机构的位置信息。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制部包括摄像头，所述摄像头朝向摆动合拢侧设置，用于拍摄抓取过程。

在本发明的第二方面，提供了一种机器人抓手控制方法，用于控制如上所述的机器人抓手，该方法包括：

上位机根据物品的大体尺寸、位姿信息得到电机输出动力大小，并将对电机的控制数据发送至驱动控制器；

所述驱动控制器驱动电机输出动力，减速齿轮组传动丝杠旋转，使丝杠螺母沿所述丝杠的轴向移动，所述丝杠螺母的移动带动各推杆改变方向，此时，推杆的作用力为推力，所述推杆推动各第一连杆或第二连杆绕固定板摆动，并向摆动合拢侧靠近；

指尖部与被抓物品接触，触觉传感器采集夹紧力信息，摄像头对物品进行拍摄，位置传感器采集抓手机构或丝杠螺母移动的位置信息，所述驱动控制器将各信息传输至上位机；

上位机将根据各信息调整后的控制数据发送至所述驱动控制器。

本发明提供的机器人抓手，设置有多个抓手机构，电机驱动多个抓手机构向支架的中心轴侧合拢，使指尖部抓紧物品，实现机器人抓手的抓取功能。并通过将抓手机构、电机、控制器各器件集成在支架上，使用的执行器数量少，使得抓手体型小巧，结构紧凑，提高了抓手的集成性、紧凑性。

抓手机构的第一连杆或第二连杆从其另一端向与其本体部的相反侧延伸形成摆臂，推杆推动第一连杆或第二连杆延伸出的摆臂，使抓取物品更省力，电机输出较小的功率即可使指尖部摆动。

控制部设置有触觉传感器，用于感知抓取过程中的夹紧力；位置传感器，用于检测被抓物品的位姿情况；摄像头，用于拍摄抓取过程。并且，驱动控制器能够与上位机通过Ethercat实时进行通信，由于抓取过程中的采集到的信息能够实时反馈至用户控制端，操控人员可根据采集信息对抓手的开合大小、移动方向、驱动机构的输出功率等做出精确快速的调整。使得本实施方式的机器人抓手能够精确感知并控制对物品的夹紧力，能够为抓手的控制提供抓取力信息、以及被抓物品的尺寸和位姿信息，并通过Ethercat通信形式提高对机器人抓手的控制速度。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施方式的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施方式的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本发明的实施方式提供的机器人抓手的结构图；

图2示出了本发明的实施方式提供的机器人抓手的结构图；

图3示出了本发明的实施方式提供的机器人抓手的部分结构图；

图4示出了本发明的实施方式提供的机器人抓手的部分结构图；

图5示出了本发明的实施方式提供的机器人抓手的部分结构图。

其中，图1至图5中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10抓手机构，11指尖部，12第一连杆，13第二连杆，14推杆，15摆臂，20支架，21固定板，22基座，23丝杠支撑座，30外壳，40驱动机构，41丝杠，42丝杠螺母，43电机，44减速齿轮组，50控制部，51驱动控制器，52触觉传感器，53位置传感器，54摄像头，55Ethercat通信模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明中的一个具体实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的具体实施方式是实施本发明的一个例子，不构成对本发明范围的限定。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面参照图1至图5来描述本发明的实施方式提供的机器人抓手及其控制方法。

根据本发明的第一方面的实施方式提供的机器人抓手，包括抓手机构10、支架20、外壳30、驱动机构40、控制部50。

如图1所示，抓手机构10具有多个，均设置于支架20上，每个抓手机构10形成有长臂和长臂上端的指尖。外壳30围在支架20外，包围住除抓手机构10外的其他部件，抓手机构10的长臂从与支架20连接处向外壳30外伸出，多个长臂向支架20的中心合拢至合适的位置使指尖压紧物品，实现机器人抓手对物品的抓取功能。驱动机构40驱动抓手机构10运动，操作人员通过控制部50与机器人抓手进行信息传输，并控制驱动机构40的运行状态。

如图2、5所示，控制部50包括驱动控制器51、触觉传感器52、位置传感器53和摄像头54。驱动控制器51与驱动机构40连接，能够存储并处理机器人抓手抓取过程中的信号，接收各个传感器和摄像头采集的信号，并与上位机通信，上位机位于用户控制端，用以完成人机交互，输入控制数据。驱动控制器51接收控制数据驱动来驱动机构40动作。

触觉传感器52用于感知抓取过程中的夹紧力，位置传感器53用于检测被抓物品的位姿情况，摄像头用于拍摄抓取过程。驱动控制器51还配置有Ethercat(以太网)通信模块55，使驱动控制器51能够与上位机通过Ethercat实时进行通信，并且由于上述抓取过程中的采集到的信息能够实时反馈至用户控制端，操控人员可及时根据采集信息对抓手的开合大小、移动方向、驱动机构40的输出功率等进行调整。使得本实施方式的机器人抓手能够精确感知并控制对物品的夹紧力，能够为抓手的控制提供抓取力信息、以及被抓物品的尺寸和位姿信息，并通过Ethercat通信形式提高对机器人抓手的控制速度。

固定抓手机构10的支架20具有固定板21，各抓手机构10的下部均连接在固定板21上。各抓手机构10以支架20的中心轴x为中心在固定板21上等距设置，支架20的中心轴x如图3所示。本优选的实施方式中，抓手机构10设置为两个，固定板21形成为薄板状，在中心轴x的两侧对称设置于固定板21的同一侧面。

如图3所示，各抓手机构10包括指尖部11、第一连杆12、第二连杆13和推杆14。指尖部11作为抓取物品的着力点，由基部向顶端逐渐变窄，指尖部11的内侧平面形成为与中心轴x平行，使指尖部11与物品贴合面积更大，提高抓取的稳定性。触觉传感器52设置于指尖部11的内侧，感知抓取过程中被抓物品受到的力，向上位机提供抓取力信息，操控人员根据抓取力信息对抓手机构10的合拢程度进行调整。

指尖部11的基部与第一、二连杆12、13分别转动连接，第一连杆12的一端连接在指尖部11基部的外侧，其连接处位于指尖部11的底端；第二连杆13连接在指尖部11基部的内侧，其连接处位于指尖部11的中部。第一连杆12的另一端、第二连杆13的另一端分别与固定板21转动连接。固定板21具有对称结构，与各抓手机构10的第一、第二连杆12、13对应的两侧，向相对于中心轴x的外侧延伸展开，设置有用于安装第一、第二连杆12、13的安装孔。第一连杆12、第二连杆13形成为抓手机构10的长臂，并形成为弧形，延伸方向均与固定板21平面平行。指尖部11、第一连杆12、第二连杆13，和第一、第二连杆12、13与固定板21连接处之间的固定板21构成平行四边形机构。指尖部11在第一、第二连杆12、13的支撑下，围绕固定板21摆动，朝向支架20的中心轴x侧摆动合拢。在合拢状态下，第一连杆12位于支架20中心轴x的外侧，第二连杆13位于支架20中心轴x的内侧。

外壳30开放有缺口，缺口大小按第一、第二连杆12、13摆动所需空间范围设置，使第一、第二连杆12、13及指尖部11伸出外壳30，并在缺口的范围内摆动。

如图4所示，抓手机构10通过驱动机构40驱动，驱动机构40设置有丝杠41、与丝杠41套接的丝杠螺母42、驱动丝杠41旋转的电机43以及设置在电机43输出轴与丝杠41输入轴之间的减速齿轮组44。丝杠41沿支架20中心轴x的方向设置，丝杠螺母42与丝杠41配合安装，沿丝杠41的轴向移动。本优选的实施方式中，对称设置的两个抓手机构分别设置于丝杠41的两侧。

抓手机构10的推杆14，其一端与丝杠螺母42转动连接，另一端与第一连杆12转动连接。本优选的实施方式中，从第一连杆12的另一端，即第一连杆12与固定板21的连接处向其本体部的相反侧延伸形成摆臂15，推杆14的另一端与摆臂15转动连接。

丝杠螺母42沿丝杠41的轴向移动，丝杠螺母42与推杆14之间的角度发生改变，带动推杆14推动与其连接的第一连杆12绕固定板21摆动，从而带动指尖部11、第二连杆13一同摆动。多个抓手机构10向支架20的中心轴x侧合拢，使指尖部11抓紧物品，实现机器人抓手的抓取功能。摆臂15增长了向第一连杆12施力的力臂，使抓取物品更省力，电机43输出较小的功率即可使指尖部11摆动。使抓手为全驱动状态，并减少了执行器(即电机)的数量。

丝杠41的下端与减速齿轮组44的齿轮连接配合，电机43与丝杠41非同轴设置，电机43的输出轴与另一齿轮连接配合，两齿轮啮合，电机43输出动力给齿轮，齿轮传动丝杠41旋转。

支架20还具有基座22和丝杠支撑座23。基座22设置于固定板21的下端，与固定板21垂直，用于将机器人抓手与机器人主体进行安装。基座22具有与丝杠41匹配的通孔，丝杠41下部穿过通孔，使丝杠41的下部固定。丝杠支撑座23设置于固定板21的上部，与固定板21垂直，具有用于固定丝杠41的通孔，丝杠41的上端固定在丝杠支撑座23的通孔中。与丝杠41连接的齿轮设置于基座22的下端面，基座22的下端面为抓手机构10摆动合拢侧的相反侧。电机43安装与基座22的上端面，位于丝杠41旁。与电机43连接的齿轮设置于基座22的下端面。电机43与驱动控制器51连接，由驱动控制器51驱动其动作。

抓手机构10和驱动机构40均设置于固定板21的同一侧，驱动控制器51设置于与抓手机构、驱动机构40相反的固定板21的背侧面，与驱动控制器51连接的Ethercat通信模块55与驱动控制器51设置于同一侧，位于驱动控制器的下方。

位置传感器53相对于固定板21设置于与丝杠螺母42相同的一侧，与固定架连接固定于基座22的上端面，其感应元件对应丝杠螺母42设置，监测丝杠螺母42的位置，从而由丝杠螺母42的位置得到指尖部11的位置信息，使得操控人员能够对丝杠螺母42的极限位置做出约束。

摄像头54设置于外壳30顶端的中间，朝向摆动合拢侧设置，拍摄抓取过程，向上位机提供被抓物品的尺寸、位姿信息。

抓手各器件集成在固定板21的两侧面和外壳30上，抓手体型小巧，结构紧凑。外壳30包围固定板21的上方及两侧面，覆盖除摄像头54、指尖部11、第一连杆12和第二连杆13外的其他器件，保护内部的支架及各器件。

本实施方式的第二方面提供一种机器人抓手控制方法，用于控制如上所述的机器人抓手，所述方法包括：

上位机输入被抓物品的大体尺寸、位姿信息，上位机根据该信息得到多个指尖部11之间合拢的起点、终点，并对该合拢位置数据进行处理，得到电机43输出动力大小。

上位机将对电机43的控制数据发送至驱动控制器51，并且通过Ethercat通信方式完成上位机与驱动控制器51之间的数据交互。

驱动控制器51对控制数据进行处理，转换为驱动电机43的信号。驱动控制器51驱动电机43输出动力，减速齿轮组44传动丝杠41旋转，使丝杠螺母42沿丝杠41的轴向移动。

丝杠螺母42的移动带动各推杆14改变方向，使各推杆14推动各摆臂15，使第一连杆12绕固定板21摆动，并向摆动合拢侧靠近。

指尖部11与被抓物品接触，内侧的触觉传感器52实时采集对被抓物品的夹紧力，设置于外壳30顶端的摄像头54对被抓物品进行拍摄，位置传感器53采集丝杠螺母42移动的位置信息。触觉传感器52、摄像头54和位置传感器53将采集的信息传输至驱动控制器51，驱动控制器51通过Ethercat通信模块55将数据传输至上位机。

上位机对接收到的数据进行处理，得到精确的夹紧力数据、被抓物品的位姿数据等，从而对电机43的控制数据做出精确的调整。并且，上位机预设有丝杠螺母42移动的极限位置，上位机根据位置传感器53数据，对电机43的控制数据做出调整，从而约束丝杠螺母42的极限移动位置，保证抓手运行的安全性。

电机43根据调整后的控制数据传动抓手机构10做出调整，指尖部11摆动至精确的位置，控制对被抓物品的夹紧力，完成抓取。

本优选的实施方式中，触觉传感器52、摄像头54和位置传感器53实时采集各抓取信息，上位机根据抓取信息对控制数据做出精确快速的调整，并通过Ethercat实现上位机对驱动控制器51的实时通信与控制。

本优选的实施方式中，推杆14与第一连杆12转动连接，在另一实施方式中，推杆14的一端与丝杠螺母42转动连接，另一端与第二连杆13转动连接。并且，从第二连杆13的另一端，即第二连杆13与固定板21的连接处向其本体部的相反侧延伸形成摆臂15，推杆14的另一端与摆臂15转动连接。丝杠螺母42在丝杠41上的移动带动推杆14推动与其连接的第二连杆13绕固定板21摆动，从而带动指尖部11、第一连杆12一同摆动。

本优选的实施方式中，驱动机构40设置减速齿轮组44来传动丝杠41旋转，在其他的实施方式中，还可以使用平带轮传动机构、绳传动机构、链条传动机构、连杆传动机构、齿轮齿条传动机构等方式来传动丝杠41。

另外，在另一的实施方式中，位置传感器52也可以监测推杆14的位置，来得到抓手机构10摆动的位置。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人抓手，其特征在于，包括：

支架和设置于所述支架上的多个抓手机构，

各所述抓手机构包括：

指尖部；

第一连杆，其一端与所述指尖部的基部转动连接，另一端与所述支架转动连接；和

第二连杆，其一端与所述指尖部的基部转动连接，另一端与所述支架转动连接，

各所述指尖部在第一、第二连杆的支撑下，围绕所述支架摆动，朝向所述支架的中心轴侧摆动合拢，在合拢状态下，所述第一连杆位于所述支架的中心轴外侧，所述第二连杆位于所述支架的中心轴内侧，

沿所述支架中心轴设置有驱动用的丝杠，所述丝杠套接有丝杠螺母，针对各所述抓手机构分别设置推杆，

所述推杆的一端与所述丝杠螺母转动连接，另一端与从所述第一连杆或第二连杆的另一端向其本体部相反侧延伸的摆臂转动连接。

2.根据权利要求1所述的机器人抓手，其特征在于，

具有驱动所述丝杠旋转的电机，所述电机设置于所述丝杠旁的所述支架上。

3.根据权利要求2所述的机器人抓手，其特征在于，

所述电机与所述丝杠非同轴设置，在所述电机的输出轴和所述丝杠的输入端之间设置有减速齿轮组。

4.根据权利要求3所述的机器人抓手，其特征在于，

所述支架包括：

固定板，所述第一连杆、第二连杆与所述固定板转动连接；

基座，设置于所述固定板的下端，与所述固定板垂直，支撑所述丝杠的下端；

丝杠支撑座，设置于所述固定板的上部，与所述固定板垂直，固定所述丝杠的上端。

5.根据权利要求4所述的机器人抓手，其特征在于，

所述基座具有通孔，所述丝杠下部穿过所述通孔，与所述减速齿轮组配合设置。

6.根据权利要求2所述的机器人抓手，其特征在于，

具有用于控制抓手机构位置状态的控制部，

所述控制部包括驱动控制器模块，所述驱动控制器模块与所述电机连接，连接固定于所述支架上，存储并处理所述机器人抓手的抓取信息，

所述驱动控制器模块设置有Ethercat通信模块，使所述机器人抓手通过Ethercat与用户控制端通信。

7.根据权利要求6所述的机器人抓手，其特征在于，

所述控制部包括触觉传感器，所述触觉传感器设置于所述指尖部的内侧，感知抓取过程中的夹紧力。

8.根据权利要求6所述的机器人抓手，其特征在于，

所述控制部包括位置传感器，所述位置传感器设置于所述支架上，其感应元件对应所述抓手机构或丝杠螺母，获取所述抓手机构的位置信息。

9.根据权利要求6所述的机器人抓手，其特征在于，

所述控制部包括摄像头，所述摄像头朝向摆动合拢侧设置，用于拍摄抓取过程。

10.一种机器人抓手控制方法，用于控制如权利要求1～9任一所述的机器人抓手，所述方法包括：

上位机根据物品的大体尺寸、位姿信息得到电机输出动力大小，并将对电机的控制数据发送至驱动控制器；

所述驱动控制器驱动电机输出动力，减速齿轮组传动丝杠旋转，使丝杠螺母沿所述丝杠的轴向移动，所述丝杠螺母的移动带动各推杆改变方向，使各所述推杆推动各第一连杆或第二连杆绕固定板摆动，并向摆动合拢侧靠近；

指尖部与被抓物品接触，触觉传感器采集夹紧力信息，摄像头对物品进行拍摄，位置传感器采集抓手机构或丝杠螺母移动的位置信息，所述驱动控制器将各信息传输至上位机；

上位机将根据各信息调整后的控制数据发送至所述驱动控制器。

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