CN112873248B

CN112873248B - 一种指根可转位的两爪柔性机械手

Info

Publication number: CN112873248B
Application number: CN202011642914.XA
Authority: CN
Inventors: 潘柏松; 邵旭辉; 吴全会
Original assignee: Taizhou Research Institute of Zhejiang University of Technology
Current assignee: Taizhou Research Institute of Zhejiang University of Technology
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: WO2022143665A1; CN112873248A

Abstract

本发明提供一种指根可转位的两爪柔性机械手，包括指根节固定座、指根节固定板、指根节、中指节、中指节扭转弹簧、指尖节扭转弹簧、指尖驱动气缸和指根节转位机构。该柔性机械手由主电机和气缸分别驱动，主电机通过丝杆螺母传动，推动活动板向前或者向后运动，从而调整指根节的开合状态，适应对不同宽度范围的零件进行夹取，指尖卡爪由手指气缸推动，通过气缸推拉可以调整指尖的开合以及实现夹紧。

Description

一种指根可转位的两爪柔性机械手

技术领域

本申请涉及柔性机械手设计领域，尤其涉及一种指根可转位的两爪柔性机械手。

背景技术

在工业自动化领域，经常使用气动柔性机械手实现抓取动作，柔性机械手在工业领域的应用已经越来越广泛，在工业生产制造以及装配领域。机器人的应用及其广泛，而针对不同零件所具有的不同特征外型，以及目标件所要求的夹取力度的控制都有所不同。而传统的机械手仅是针对单一目标件产品设计的专用机械手。其对多目标件的适应性差，换机成本有高，这时柔性机械手的应用缓解通过工业机器人与柔性机械手的结合可以有效的解决对不同零部件夹取的适应性问题。因为其所被承载的机器人本体的负载重量有限。

目前的柔性机械手的结构较为复杂，加工生产成本较高，在柔性气动机械手内的进气、通气管路的连接和结构较为复杂，安装和维护的难度较高，可靠性低，而且控制抓取方向的结构较为复杂，安装和拆卸都浪费时间，同时现有的柔性机械手通常为点点接触，无法实现面面接触，抓取动作时接触面积小。现有的工业自动化用的柔性机械手多为三指或者多指柔性机械手，这就造成一个问题，就是机器人对目标件夹取时，会产生比较大的夹取定位误差，难以保证夹取精度。另有三指抓取时占用空间比较大不利于装夹或者对接工作。而普通两爪机械手又因为手指夹取平面的限制使柔性夹取范围受限。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种指根可转位的两爪柔性机械手，通过可转位指根底座对契合倾角的调整与中指节与指尖节形成对目标件外型的包络状态，实现两爪柔性机械手对不同目标件的有效夹取。

本发明的一种指根可转位的两爪柔性机械手，包括：

指根节固定座，其前端为指根节固定端，后端为指根座基准轴，两侧为限位销，中间上方孔位为定位销孔；

指根节固定板，根节固定面板左右两侧对称各设置一个弧形U孔，指根固定座的指根座基准轴位于弧形U孔的圆心通孔处，两侧限位销位于弧形U孔的圆心通孔两侧的弧形腰形孔；

指根节，包括三个连接端，第一端与指根节固定座通过指根节固定销轴铰接，第二端与指根节推杆通过气缸尾座固定销轴铰接，第三端与中指节通过中指节固定销轴铰接；

中指节，包括两个连接端，第一端与指尖节通过中指节固定销轴铰接，第二端与指根节通过指尖节连接销轴铰接，中指节和指尖节实现柔性机械手的夹取以及形成包络角；

指尖节，包括两个连接端，第一端与中指节通过指尖节连接销轴铰接，第二端与指尖驱动气缸一端的Y型接头通过Y型接头连接销轴铰接；

中指节扭转弹簧，环绕中指节与指根节的固定销轴设置，两端分别固定在中指节与指根节上；

指尖节扭转弹簧，环绕中指节与指尖节的固定销轴设置，两端分别固定在中指节与指尖节上；

指尖驱动气缸，一端的Y型接头通过Y型接头连接销轴与指尖节铰接，另一端通过气缸尾座固定销轴与指根节推杆、指根节铰接。

进一步的，还包括驱动机构，所述驱动机构包括主电机、主电机固定板、丝杆、活动板、导向支撑柱、活动板指根节推杆，其中主电机固定在主电机固定板，主电机输出轴驱动丝杠旋转，带动活动板上螺母前后移动进而活动板两端的活动板指根节推杆移动，两根导向支撑柱固定连接主电机固定板和指根节固定板，导向支撑柱穿过的活动板两侧的通孔实现活动板滑动。

进一步的，还包括指根节转位机构，包括指根座基准轴、卡环、涡卷弹簧、限位销，其中指根座基准轴穿过弧形U孔的圆心通孔通过卡环固定，指根座基准轴与圆心通孔出设置涡卷弹簧。

进一步的，还包括：

柔性机械手指根节驱动部分、位置微调部分和减震部分；

柔性机械手指根节驱动部分，包括：主电机，主电机固定于柔性机械手指根节驱动机构的主电机固定板；主电机丝杆的端部通过第一嵌套与柔性机械手指根节驱动机构的前固定板上；

位置微调部分，包括：辅助电机，辅助电机固定在辅助电机固定板；辅助电机丝杆的端部通过第二轴承座嵌套在位置微调部分的前端固定板上；

减震部分，包括：减震套筒和压缩弹簧，其中在指根节驱动部分前固定板上和主电机固定板上分别固定有两个所述减震套筒，压缩弹簧在减震套筒端与辅助电机固定板之间以及减震套筒端与前端固定板之间，套筒内有橡胶减震套筒，套于位置微调部分导向支撑柱上，橡胶套筒通过减震套圈端盖固定。

进一步的，其中柔性机械手指根节驱动部分，还包括：主电机运动转换装置，包括主驱动丝杆和丝杆螺母，用于将主电机的旋转运动转换为直线运动；机械手指根节，一端通过指根固定座与指根节驱动部分前固定板铰接，另一端与指根节推杆一端铰接，指根节推杆另一端与主驱动活动板两侧的推杆臂铰接；其中，主驱动丝杆与主电机的输出轴固定连接，螺母固定于柔性机械手指根节驱动部分的主驱动活动板上；主电机丝杆的端部通过第一轴承座嵌套与柔性机械手指根节驱动机构的前固定板上，两个前主电机固定板通过指根节驱动部分连接件相连接；前、主电机固定板之间通过导向支撑柱相连接；前、主电机固定板与导向支撑柱之间设置直线轴承。

进一步的，其中位置微调部分还包括：辅助电机运动转换装置，包括辅助电机丝杆和辅助电机丝杆螺母，用于将辅助电机的旋转运动转换为直线运动；其中，助电机丝杆与辅助电机的输出轴固定连接，辅助电机丝杆螺母固定于位置微调部分的中间固定板上，辅助电机固定在辅助电机固定板，中间固定板与机器人末端固定板通过T型连接板固定连接；辅助电机固定板和前端固定板通过位置微调部分连接件相连接，辅助电机固定板和前端固定板之间设置两根位置微调部分导向支撑柱。

进一步的，主电机和辅助电机均为步进电机。

进一步的，指根节驱动部分连接件和位置微调部分连接件均为“[”型固定件。

进一步的，第一轴承和第二轴承均为直线轴承。

本发明的一种指根可转位的两爪柔性机械手，该柔性机械手由主步进电机和气缸分别驱动，主步进电机通过丝杆螺母传动，推动活动板向前或者向后运动，从而调整指根节的开合状态，适应对不同宽度范围的零件进行夹取，指尖卡爪由手指气缸推动，通过气缸推拉可以调整指尖的开合以及实现夹紧。

附图说明

图1是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手的结构示意图。

图2是本发明实施例的指根固定板与指根座配合图。

图3a-3b是本发明实施例的指根座旋转变位关系图。

图4是本发明实施例的机械手夹取矩形类目标件过程示意图。

图5是本发明实施例的机械手夹取圆柱类目标件过程示意图。

图6是本发明实施例的机械手夹取圆锥类目标件过程示意图。

图7是本发明实施例的机械手带驱动的三指基本结构原理图。

图8是本发明实施例的三指节柔性机械手抓取原理图。

图9是本发明实施例的机械手可转位指根节构型图。

图10是本发明实施例的机械手可转位指根节固定角度装配图。

图11是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手的驱动和位置微调结构示意图。

图12是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手驱动结构示意图

图13是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手减震结构示意图。

图14是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手的驱动和位置微调结构示意图。

图15是本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手的驱动和位置微调结构示意图。

附图标记：

1、指尖节(左)；2、Y型接头连接销轴(左)；3、Y型接头(左)；4、指尖弹簧(左)；5、指尖节连接销轴(左)；6、弹簧固定件(左)；7、指尖驱动气缸(左)；8、中指节(左)；9、中指节固定销轴(左)；10、气缸尾座固定销轴(左)；11、中指节扭转弹簧(左)；12、指根节(左)；13、指根节推杆(左)；14、指根节固定销轴(左)；15、指根节固定座(左)；16、卡环(左)；17、涡卷弹簧(左)；18、指根节固定板；19、涡卷弹簧(右)；20、卡环(右)；21、指根节固定座(右)；22、指根节固定销轴(右)；23、指根节推杆(右)；24、指根节(右)；25、中指节扭转弹簧(右)；26、气缸尾座固定销轴(右)；27、中指节固定销轴(右)；28、中指节(右)；29、指尖驱动气缸(右)；30、弹簧固定件(右)；31、指尖节连接销轴(右)；32、指尖弹簧(右)；33、Y型接头(右)；34、Y型接头连接销轴(右)；35、指尖节(右)；36、限位销；37、导向支撑柱；38、主驱动活动板；39、主驱动丝杆；40、主电机固定板；41、主电机；42、指根座基准轴；43、主丝杆菱形轴承固定座；44、推杆臂销轴；45、压缩弹簧；46、推杆臂；47、主驱动丝杆螺母；48、减震套筒端盖；49、位置微调部分连接件；50、辅助电机固定板；51、指根节驱动部分连接件；52、辅助电机；53、T型连接件；54、机器人末端连接板；55、中间固定板；56、位置微调部分直线轴承；57、辅助电机丝杆螺母；58、位置微调部分前固定板；59、辅助电机丝杆；60、位置微调部分导向支撑柱；61、套筒固定螺钉；62、橡胶减震件；63、减震套筒；64、推杆臂销轴

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

参见图1-15，本发明实施例的一种指根可转位的两爪柔性机械手，包括:

指根节固定座15、21，其前端为指根节固定端，后端为指根座基准轴42，两侧为限位销45，中间上方孔位为定位销孔；

指根节固定板18，指根节固定面板18左右两侧对称各设置一个弧形U孔，指根固定座的指根座基准轴42位于弧形U孔的圆心通孔处，两侧限位销位于弧形U孔的圆心通孔两侧的弧形腰形孔，使得指根固定座可以有大概-30°到30°的旋转范围；

指根节12、24，包括三个连接端，第一端与指根节固定座15、21通过指根节固定销轴14、22铰接，第二端与指根节推杆13、23通过气缸尾座固定销轴10、26铰接，第三端与中指节8、28通过中指节固定销轴9、27铰接，指根节推杆13、23的上下推动可以决定指根节的开合大小；

中指节8、28，包括两个连接端，第一端与指根节12、24通过中指节固定销轴9、27铰接，第二端与指尖节1、35通过指尖节连接销轴5铰接，中指节8、28和指尖节1、35实现柔性机械手的夹取以及形成包络角；

指尖节1、35，包括两个连接端，第一端与中指节78、28通过指尖节连接销轴5、31铰接，第二端与指尖驱动气缸7、29一端的Y型接头3、33通过Y型接头连接销轴2、34铰接；

中指节扭转弹簧11、25，环绕中指节8、28与指根节12、24的中指节固定销轴9、27固定销轴设置，两端分别固定在中指节8、28与指根节12、24上；

指尖节扭转弹簧4、32，环绕中指节8、28与指尖节1、35的指尖节连接销轴5、31固定销轴设置，两端分别固定在中指节8、28与指尖节1、35上；

指尖驱动气缸7、29，一端的Y型接头3、33通过Y型接头连接销轴2、34与指尖节1、35铰接，另一端通过气缸尾座固定销轴5、26与指根节推杆13、23、指根节12、24铰接。根据指尖驱动气缸7、29气缸伸缩两个限位位置实现柔性机械手的夹紧与放松位。进一步的使用指尖驱动气缸7、29气缸驱动可以通过调节气压的大小实现对夹紧力的调节，通过对两个指尖驱动气缸7、29气缸减压阀的控制调节可以有效的实现两个指尖驱动气缸7、29气缸形成气压差从而对夹取目标件时的位置有一个微调的效果。

参见图9，本实施例还包括柔性机械手指根节驱动部分，包括：

主电机41，用于提供机械手指根节开合动力；

主电机运动转换装置，包括主驱动丝杆39和主驱动螺母47，用于将主电机6841的旋转运动转换为直线运动；

机械手指根节12、24，一端通过指根固定座15、21与指根节固定板18指根节驱动部分前固定板58铰接，另一端与指根节推杆13、23一端铰接，指根节推杆13、23另一端与主驱动活动板38两侧的推杆臂46铰接；

其中，主驱动丝杆68与主电机41的输出轴固定连接，主驱动螺母47固定于柔性机械手指根节驱动部分的主驱动活动板38上，主电机41固定于柔性机械手指根节驱动机构的主电机固定板40上；

主电机丝杆39的端部通过第一轴承座嵌套与柔性机械手指根节驱动机构的指根节固定板18上，主电机固定板40和指根节固定板18通过指根节驱动部分连接件51相连接；

主电机固定板40和指根节固定板18之间通过导向支撑柱37相连接；主电机固定板与导向支撑柱37之间设置直线轴承；

其中位置微调部分驱动机构，包括：

辅助电机52，用于实现机械手整体前后位移；

辅助电机运动转换装置，包括辅助电机丝杆59和辅助电机丝杆螺母57，用于将辅助电机的旋转运动转换为直线运动；

其中，辅助电机丝杆59与辅助电机的输出轴固定连接，辅助电机丝杆螺母57固定于位置微调部分的中间固定板55上，辅助电机固定在辅助电机固定板50，中间固定板55与机器人末端固定板54通过T型连接板53固定连接；辅助电机丝杆59的端部通过第二轴承座嵌套在位置微调部分的前端固定板58上；辅助电机固定板50和前端固定板58通过位置微调部分连接件49相连接，辅助电机固定板和前端固定板之间设置两根位置微调部分导向支撑柱60；

其中减震部分，包括：减震套筒63和压缩弹簧45，其中在指根节固定板18上和主电机固定板上分别固定有两个所述减震套筒63，压缩弹簧45在减震套筒63端与辅助电机固定板50之间以及减震套筒63端与位置微调部分前固定板583之间，减震套筒63内有橡胶减震件62，套于位置微调部分导向支撑柱60上，橡胶套筒63通过减震套筒端盖48固定。

进一步的，主电机和辅助电机均为步进电机。

进一步的，驱动部分连接件和位置微调部分连接件均为“[”型固定件。

进一步的，第一轴承和第二轴承均为直线轴承。

进一步的，第一轴承和第二轴承通过菱形轴承座支撑。

如图12所示，主电机41提供机械手开合动力的，其中主电机41的丝杆螺母固定于柔性机械手驱动部分的主驱动活动板38上，主电机41固定于柔性机械手驱动部分的主电机固定板40上，同时主电机丝杆的端部通过主丝杆菱形轴承固定座43嵌套与机械手驱动部分的指根节固定板18上，主电机固定板40和指根节固定板18通过“[”型指根节驱动部分连接件51相连接，同样主电机固定板40和指根节固定板18还有驱动部分导向支撑柱37相连接，其作用是保证位于中间的活动推板按导向柱的方向滑动，同时在固定推板与导向柱之间还设置了直线轴承减少了滑动摩擦力的同时也有效的防止导向柱的磨损，提高了活动推板运动的精确性。

同样对于柔性机械手位置微调部分，实现机械手整体前后位移的辅助电机52，一个将旋转运动装换为直线运动的辅助电机丝杆59和辅助电机丝杆螺母57，同样的辅助步进电机的丝杆螺母固定于位置微调部分的中间固定板55上。而此时中间固定板55与机器人末端连接板54通过T型连接板53硬性连接。而小电机固定在辅助电机固定板50上。同时辅助电机丝杆的端口通过菱形轴承座嵌套在位置微调部分的前固定板58上。两个前后固定板也是通过“[”型固定件49相连接。其中中间固定板55和机器人末端连接板54处于固定的状态。而辅助步进电机转动时带动的是机械手整体的移动。

参见图9，对于夹取侧面有倾角存在的目标件时，特别设计了一个可回转的指根节。适应角为α1。具体的指根节转位机构，包括指根座基准轴42、卡环20、涡卷弹簧19、限位销36，其中指根座基准轴42穿过弧形U孔的圆心通孔通过卡环20固定，指根座基准轴42与圆心通孔处设置涡卷弹簧19，依靠涡卷弹簧19形成一定的约束力。

另外，参见图10，指根座也可固定角度进行装配装配，此时取消涡卷弹簧件，通过固定六角螺丝方向安装。先分析单指的基本结构。每根手指上有远、近、中三个指节，各有一个自由度，共计三个自由度，输入端有两个驱动，一个是指根处通过外接连杆调整夹取范围，第二是直接作用于指尖来完成对目标件的包络与夹取的过程。因为外部输入只有两个驱动所以该机构是一个欠驱动的机构。因此必须对没有驱动的中指节位置的自由度进行限制。在中指节与近指节之间、远指节与中指节之间的铰接处增加扭簧作为指节间的回复元件机械手结构原理如图7所示。

添加驱动件以后对目标件抓取过程的状态图，如图8(1)图所示，抓手处于初始状态。夹取开始时由指根推杆EG推动指根部位初步时中指节贴合目标件如图8(2)图所示。初步贴合完成后由EF杆推动指尖位置进一步进行夹取，并且指尖在一次接触目标件表面时会随着倾角继续贴合如图8(3)所示，这样就对目标件形成了水平方向的包络状态和垂直方向倾角的契合效果。

本发明的一种指根可转位的两爪柔性机械手夹取过程，首先由主步进电机驱动带动指根节推杆运动。达到目标件合适夹取宽度后停止。然后由指尖节驱动气缸驱动，使指尖靠紧目标件并随着夹紧力的作用指根节自动贴合到力平衡的角度与目标件侧边倾角契合。达到合适位的同时指尖节与中指节也会对目标件的外轮廓形成包络如图3柔性机械手对不同目标件的夹取状态。

本发明的一种指根可转位的两爪柔性机械手，该柔性机械手由步进电机和气缸分别驱动，步进电机通过丝杆螺母传动，推动活动板向前或者向后运动，从而调整指根节的开合状态，适应对不同宽度范围的零件进行夹取，指尖卡爪由手指气缸推动，通过气缸推拉可以调整指尖的开合以及实现夹紧。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims

1.一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，包括：

指根节固定板，指根节固定板左右两侧对称各设置一个弧形U孔，指根固定座的指根座基准轴位于弧形U孔的圆心通孔处，两侧限位销位于弧形U孔的圆心通孔两侧的弧形腰形孔；

中指节，包括两个连接端，第一端与指根节通过中指节固定销轴铰接，第二端与指尖节通过指尖节连接销轴铰接，中指节和指尖节实现柔性机械手的夹取以及形成包络角；

指尖驱动气缸，一端的Y型接头通过Y型接头连接销轴与指尖节铰接，另一端通过气缸尾座固定销轴与指根节推杆、指根节铰接；

还包括指根节转位机构，包括指根座基准轴、卡环、涡卷弹簧、限位销，其中指根座基准轴穿过弧形U孔的圆心通孔通过卡环固定，指根座基准轴与圆心通孔处设置涡卷弹簧。

2.如权利要求1所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，还包括驱动机构，所述驱动机构包括主电机、主电机固定板、主驱动丝杆、活动板、导向支撑柱、活动板指根节推杆，其中主步进电机固定在主电机固定板，主电机输出轴驱动丝杠旋转，带动活动板上螺母前后移动进而活动板两端的活动板指根节推杆移动，两根导向支撑柱固定连接主电机固定板和指根节固定板，导向支撑柱穿过的活动板两侧的通孔实现活动板滑动。

3.如权利要求1所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，通过调节气缸驱动的气压的大小实现对夹紧力的调节，通过对两个气缸减压阀的控制调节可以有效的实现两个气缸形成气压差从而对夹取目标件时的位置微调。

4.如权利要求1所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，还包括：

柔性机械手指根节驱动部分、位置微调部分和减震部分；

柔性机械手指根节驱动部分，包括：主电机，主电机固定于柔性机械手指根节驱动机构的主电机固定板；主电机丝杆的端部通过第一轴承座嵌套于柔性机械手指根节驱动部分的指根节固定板上；

减震部分，包括：减震套筒和压缩弹簧，其中在指根节驱动部分的指根节固定板上和主电机固定板上分别固定有两个所述减震套筒，压缩弹簧在减震套筒端与辅助电机固定板之间以及减震套筒端与前端固定板之间，减震套筒内有橡胶减震套筒，套于位置微调部分导向支撑柱上，橡胶减震套筒通过减震套圈端盖固定。

5.如权利要求4所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，其中柔性机械手指根节驱动部分，还包括：主电机运动转换装置，包括主驱动丝杆和丝杆螺母，用于将主电机的旋转运动转换为直线运动；机械手指根节，一端通过指根节固定座与指根节驱动部分的指根节固定板铰接，另一端与指根节推杆一端铰接，指根节推杆另一端与主驱动活动板两侧的推杆臂铰接；其中，主驱动丝杆与主电机的输出轴固定连接，螺母固定于柔性机械手指根节驱动部分的主驱动活动板上；主电机丝杆的端部通过第一轴承座嵌套与柔性机械手指根节驱动部分的指根节固定板上，指根节固定板、主电机固定板通过指根节驱动部分连接件相连接；指根节固定板、主电机固定板之间通过导向支撑柱相连接；指根节固定板、主电机固定板与导向支撑柱之间设置直线轴承。

6.如权利要求5所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，其中位置微调部分还包括：辅助电机运动转换装置，包括辅助电机丝杆和辅助电机丝杆螺母，用于将辅助电机的旋转运动转换为直线运动；其中，助电机丝杆与辅助电机的输出轴固定连接，辅助电机丝杆螺母固定于位置微调部分的中间固定板上，辅助电机固定在辅助电机固定板，中间固定板与机器人末端固定板通过T型连接板固定连接；辅助电机固定板和前端固定板通过位置微调部分连接件相连接，辅助电机固定板和前端固定板之间设置两根位置微调部分导向支撑柱。

7.如权利要求5所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，主电机和辅助电机均为步进电机。

8.如权利要求5所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，指根节驱动部分连接件和位置微调部分连接件均为“[”型固定件。

9.如权利要求5所述的一种指根可转位的两爪柔性机械手，其特征在于，第一轴承和第二轴承均为直线轴承。