CN112894868B - 一种可变刚度的夹取装置及工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变刚度的夹取装置及工业机器人，所述装置包括移动模块、变刚度模块、第二导向机构和两个夹指，移动模块通过变刚度模块与两个夹指相连，用于实现夹指的开合运动，及通过变刚度模块实现两个夹指的变刚度运动，每个夹指还通过第二导向机构滑动设置于与移动模块的滑动座固定相连的侧向支撑板上，使夹指在非夹持方向的刚度不变。本发明通过在夹指侧面增加第二导向及侧向支撑设计，使夹指在非夹持方向的刚度不会随着柔性轴的转动而变化，从而使夹指能够适应竖直、倾斜、水平等多种姿态作业。

Description

一种可变刚度的夹取装置及工业机器人

技术领域

本发明属于机器人末端执行器技术领域，具体涉及一种可变刚度的夹取装置及工业机器人。

背景技术

传统的机器人末端夹爪无论是气动的还是电动的都以刚性夹爪为主，主要适用于刚性物体的夹持，缺少必要的柔顺性和灵活性。近年来，柔性夹爪的研究和应用逐渐增加，主要适用于需要精密夹持、精密装配的场合。现有的柔性夹爪普遍存在变刚度范围小、响应慢、结构复杂、难以实现平行夹持等功能。

专利号为CN201810616196.5的专利文献中公开了一种变刚度柔顺抓取装置，该装置通过旋转柔性轴的角度来改变夹持方向的刚度，并采用四根两两对称的柔性轴并联的设计方式消除夹爪在非夹持方向的寄生运动，实现了平行夹持的功能。但是该装置在旋转柔性轴角度改变夹指夹持方向刚度的同时也会改变夹指非夹持方向的刚度。当夹持方向处于低刚度时，非夹持方向处于高刚度；当夹持方向处于高刚度时，非夹持方向处于低刚度。从而导致该夹爪作业时的姿态只能是竖直向下，不能倾斜，更不能水平，否则由于物体的重力会使夹爪在非夹持方向由于刚度不足产生较大的变形，降低定位精度，更严重的会破坏柔性轴结构。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可变刚度的夹取装置及工业机器人，从而克服现有技术存在的夹指在非夹持方向由于刚度不足会产生较大的变形的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种可变刚度的夹取装置，所述装置包括移动模块、变刚度模块、第二导向机构和两个夹指，所述移动模块包括开合驱动机构和与开合驱动机构相连的两个滑动座，两个所述滑动座分别与两个夹指相连，两个所述滑动座在开合驱动机构的驱动下向相互靠近或相互远离的方向移动，移动的同时带动两个夹指进行开合运动；

所述变刚度模块包括变刚度驱动机构和与变刚度驱动机构相连的两组变刚度组件，每组变刚度组件的两端分别与对应的滑动座和夹指相连，且在变刚度驱动机构的驱动下实现夹指的变刚度运动；

每个滑动座还固定连接至少两个侧向支撑板，两个所述侧向支撑板分别位于夹指在非夹持方向的两侧；

每个所述夹指在非夹持方向的两侧各设一与所述侧向支撑板配合的所述第二导向机构，所述夹指在变刚度运动时通过所述第二导向机构和侧向支撑板的组合作用，限制夹指在非夹持方向的刚度变化。

在一优选实施例中，所述第二导向机构包括至少两个导向块，两个所述导向块分别固定于夹指在非夹持方向的两侧上端面上。

在一优选实施例中，所述导向块采用聚四氟乙烯类材料制成。

在一优选实施例中，所述移动模块还包括第一导向机构，两个滑动座通过所述第一导向机构沿夹持方向做相互靠近或远离滑动。

在一优选实施例中，所述开合驱动机构包括开合驱动电机、第一同步带组件、正反滚珠丝杆、左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母，所述第一同步带组件与开合驱动电机相连，所述正反滚珠丝杆与第一同步带组件相连，所述左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母设置在正反滚珠丝杆上，且分别与两个滑动座固定连接，所述第一同步带组件在开合驱动电机的驱动下带动正反滚珠丝杆转动，所述正反滚珠丝杆的转动带动左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母作相互靠近或相互远离的移动，从而带动两个滑动座向相互靠近或相互远离的方向移动。

在一优选实施例中，所述第一导向机构包括多个沿夹持方向延伸的直线滑轨以及滑动设置在直线滑轨上的两个滑块，两个所述滑块分别与两个滑动座固定相连。

在一优选实施例中，所述变刚度驱动机构包括变刚度驱动电机、第二同步带组件、花键轴和两组齿轮组件，所述第二同步带组件与变刚度驱动电机相连，所述花键轴与第二同步带组件相连，每组齿轮组件包括多个斜齿轮，至少一个斜齿轮设置在花键轴上，花键轴通过斜齿轮和齿轮组件的其他斜齿轮与对应的变刚度组件相连，所述第二同步带组件在变刚度驱动电机的驱动下带动花键轴转动，所述花键轴的转动带动两组齿轮组件转动，从而驱动与两组齿轮组件相连的变刚度组件作变刚度运动。

在一优选实施例中，设置在花键轴上的斜齿轮与齿轮组件的其他斜齿轮中的任意一个斜齿轮啮合传动。

在一优选实施例中，每组所述变刚度组件包括四根柔性轴，每根柔性轴的两端分别与对应的滑动座和夹指转动连接，且每根柔性轴与齿轮组件中的一个斜齿轮相连，四根柔性轴及滑动座、夹指构成平行四边形机构。

本发明实施例提供了一种工业机器人，包括机械臂和上述的可变刚度的夹取装置，所述夹取装置与机械臂的末端连接。

与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：

1、本发明通过采用多根柔性轴并联布置的方式，实现了夹指的平行夹持和消除寄生运动；且通过采用同一个电机驱动所有柔性轴转动的方式，实现夹指的变刚度调整，具有结构简单、变刚度范围大、响应速度快、传动效率高等优点。

2、本发明通过在夹指侧面增加第二导向及侧向支撑设计，使夹指在非夹持方向的刚度不会随着柔性轴的转动而变化，从而使夹指能够适应竖直、倾斜、水平等多种姿态作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中可变刚度的夹取装置的整体立体结构示意图；

图2是本发明一实施例中可变刚度的夹取装置的内部结构示意图；

图3是本发明一实施例中可变刚度的夹取装置的柔性变形状态下的示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是图3的B-B剖视图；

图6是图4虚线圈出的局部立体视图；

图7是本发明一实施例中工业机器人水平姿态的作业图。

附图标记：

1、夹指；2、侧向支撑板；3、底板；4、侧盖；5、壳体；6、顶板；7、导向块；8、柔

性轴；9、第一同步带轮；10、第二同步带轮；11、第一同步带；12、开合驱动电机；13、左旋滚珠螺母；14、正反滚珠丝杆；15、花键轴；16、滑动座；17、右旋滚珠螺母；18、L形支座；19、变刚度驱动电机；20、第三同步带轮；21、第二同步带；22、第四同步带轮；23、滑块；24、直线滑轨；25、第一斜齿轮；26、第二斜齿轮；27、第三斜齿轮；28、第四斜齿轮；29、第五斜齿轮；30、工件；31、机械臂。

具体实施方式

本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。

本发明所揭示的一种可变刚度的夹取装置，通过增加第二导向机构，使得夹指在非夹持方向的刚度不会随着变刚度机构的改变而变化，从而使夹指能够适应竖直、倾斜、水平等多种姿态作业。

结合图1和图2所示，本发明实施例所揭示的一种可变刚度的夹取装置，包括第一外壳、移动模块、变刚度模块和两个夹指1，其中，移动模块通过变刚度模块与两个夹指1相连，用于实现夹指1的开合运动，及通过变刚度模块实现两个夹指1的变刚度运动。

具体地，第一外壳包括壳体5和位于壳体5底部的底板3，底板3与壳体5之间可一体成型或者也可分体连接。

具体地，移动模块包括开合驱动机构、第一导向机构和两个滑动座16，其中，开合驱动机构与两个滑动座16相连，两个滑动座16通过第一导向机构滑动设置于底板3上，两个滑动座16在开合驱动机构的驱动下，沿着底板3的长度方向（即图1中所示的壳体5的左右方向）相互靠近或相互远离。本实施例中，开合驱动机构具体包括开合驱动电机12、第一同步带组件、正反滚珠丝杆14、左旋滚珠螺母13、右旋滚珠螺母17，其中，开合驱动电机12通过螺钉（图未示）固定在壳体5内，具体固定于壳体5左侧内表面上。第一同步带组件设置在壳体5左侧外表面上，且与开合驱动电机12相连。本实施例中，第一同步带组件具体包括第一同步带轮9、第二同步带轮10和第一同步带11，其中，第一同步带轮9与开合驱动电机12的输出轴相连，第二同步带轮10与第一同步带轮9之间通过第一同步带11连接，第一同步带轮9在开合驱动电机12的驱动下转动，且在第一同步带11的作用下，带动第二同步带轮10同步转动。

正反滚珠丝杆14设置在壳体5内，其两端通过轴承（图未示）转动安装于壳体5上，且正反滚珠丝杆14还与第二同步带轮10连接，在第二同步带轮10的带动下转动。

左旋滚珠螺母13和右旋滚珠螺母17优选对称设置在正反滚珠丝杆14的左右两侧，且在正反滚珠丝杆14的转动下沿着正反滚珠丝杆14向相互靠近或相互远离的方向移动。

左旋滚珠螺母13和右旋滚珠螺母17分别与一滑动座16固定连接，每个滑动座16与对应侧的滚珠螺母之间具体可通过一L形支座18固定连接。两个滑动座16优选左右对称布置。

第一导向机构具体包括通过螺钉（图未示）固定在底板3上且在底板3上沿其长度方向延伸的多个直线滑轨24以及滑动设置在直线滑轨24上的两个滑块23，每个滑块23通过螺钉（图未示）与一滑动座16固定连接。两个滑动座16通过对应的滑块23沿着直线滑轨24滑动。开合驱动机构的驱动原理为：开合驱动电机12通过第一同步带组件带动正反滚珠丝杆14转动，从而带动与左旋滚珠螺母13、右旋滚珠螺母17固定连接的两滑动座16同步开合。

变刚度模块具体包括变刚度驱动机构和与变刚度驱动机构相连的两组变刚度组件，两个滑动座分别通过一组变刚度组件与一夹指相连，两组变刚度组件在变刚度驱动机构的驱动下对两个夹指的夹持刚度进行调节。

变刚度驱动机构包括变刚度驱动电机19、第二同步带组件、花键轴15和两组齿轮组件，其中，变刚度驱动电机19通过螺钉（图未示）固定在壳体5内，具体固定于壳体5右侧内表面上。第二同步带组件设置在壳体5右侧外表面上，且与变刚度驱动电机19相连。本实施例中，第二同步带组件具体包括第三同步带轮20、第四同步带轮22和第二同步带21，其中，第三同步带轮20与变刚度驱动电机19的输出轴相连，第四同步带轮22与第三同步带轮20之间通过第二同步带21连接，第三同步带轮20在变刚度驱动电机19的驱动下转动，且在第二同步带21的作用下，带动第四同步带轮22同步转动。

花键轴15设置在壳体5内，其两端通过轴承（图未示）转动安装于壳体5上，且花键轴15还与第四同步带轮22连接，在第四同步带轮22的带动下转动。

每组齿轮组件与一组变刚度组件相连，用于驱动变刚度组件转动。具体地，本实施例中，每组齿轮组件包括多个斜齿轮，具体地，结合图4和图6所示，包括5个斜齿轮，分别为第一斜齿轮25、第二斜齿轮26、第三斜齿轮27、第四斜齿轮28和第五斜齿轮29，其中，第一斜齿轮25设置在花键轴15上，两组齿轮组件的两个第一斜齿轮25优选左右对称地设置于花键轴15上，且第一斜齿轮25通过轴承（图未示）转动连接于对应侧的滑动座16上。且第一斜齿轮25、第二斜齿轮26、第三斜齿轮27、第四斜齿轮28和第五斜齿轮29依次相啮合，即第二斜齿轮26与第一斜齿轮25相啮合，第三斜齿轮27与第二斜齿轮26相啮合，第四斜齿轮28与第三斜齿轮27相啮合，第五斜齿轮29与第四斜齿轮28相啮合，这样，第一斜齿轮25在花键轴15的带动下转动的同时，依次带动第二斜齿轮26、第三斜齿轮27、第四斜齿轮28和第五斜齿轮29进行同步转动。

每组变刚度组件包括四根柔性轴8，本实施例中，每根柔性轴8为片簧式结构，每根柔性轴8的两端分别通过轴承（图未示）与对应侧的滑动座16和夹指1转动连接。另外，四根柔性轴8的上端分别连接上述第二斜齿轮26、第三斜齿轮27、第四斜齿轮28和第五斜齿轮29，即这四个斜齿轮分别带动相应的四根柔性轴8转动。本发明的变刚度组件采用四根并联设置的柔性轴8，既能消除夹指1在非夹持方向产生的寄生运动，又实现了夹指1的平行夹持作业。本发明变刚度驱动机构的工作原理为：变刚度驱动电机19通过第二同步带组件带动花键轴15转动，从而带动位于花键轴15上的两个第一斜齿轮25转动，进一步按顺序依次带动第二斜齿轮26、第三斜齿轮27、第四斜齿轮28、第五斜齿轮29同步转动，最终实现所有柔性轴8的同步转动，从而实现夹指1的变刚度运动。本实施例中的斜齿轮均为45°斜齿轮。

另外，在壳体5的左右两侧边还可分别设置一侧盖4，用于分别将壳体5左右两侧外表面上的两个同步带组件封装到侧盖4内。

进一步地，结合图1、图2和图5所示，本发明实施例所揭示的一种可变刚度的夹取装置，还包括两个第二外壳和两组第二导向组件，其中，两个第二外壳分别封装在两组变刚度组件外，每个第二外壳包括位于变刚度组件前后两侧（即夹指的非夹持方向）的侧向支撑板2，侧向支撑板2的上端与对应侧的滑动座16固定连接。

每组第二导向组件包括至少两个导向块7，本实施例中，在夹指1上端面的前后方向（即夹指的非夹持方向）上各设置一导向块7，每个导向块7具体可通过螺钉（图未示）固定于夹指1的上端面上，且导向块7与对应的侧向支撑板2配合，滑动设置于对应的侧向支撑板2上，使夹指1在处于柔性状态下可通过导向块7在侧向支撑板2上进行二维的滑动，这里的二维滑动具体是指X方向（即夹指1左右方向）的滑动和Y方向（即夹指1上下方向）的滑动。本实施例中，导向块7采用聚四氟乙烯类具有低摩擦系数的材料制成。结合图3所示，每侧的四根柔性轴8与上端的滑动座16、和夹指1构成了柔性平行四边形机构，在夹持力的作用下，夹指1运动状态始终为平动，从而实现了平行夹持作业；进一步的，夹指1在侧向支撑板2上的滑动方向不是单一的左右或上下方向的，其实是一个绕固定支点（具体是柔性轴8的上端与滑动座16的连接点）的摆动，因为柔性片簧轴的变形可以看成如图3所示的平行四边形机构，夹指1其实是绕柔性轴8上部支点的摆动变形，也就是说，夹指1在夹持方向产生相应柔性变形的同时，在竖直方向也会有微小的位移变化，也正是因为这个原因，所以本发明的第二导向机构不能用传统的直线滑轨类的导向机构，而是采用聚四氟乙烯类具有低摩擦系数材料制成的滑动导向块实现。导向块7与前后方向的侧向支撑板2配合，对夹指1在非夹持方向起支撑作用，而且不限制夹指1在竖直方向的位移。相比于现有的设计没有第二导向机构和刚性的侧向支撑板2，夹指1随着柔性轴8的转动，在夹持方向和非夹持方向刚度都是时刻变化的。本发明通过增设导向块7以及与导向块7相配合的侧向支撑板2，限制了夹指1在前后方向的变形，所以使夹指1在非夹持方向（即前后方向）刚度就不会随着柔性轴8角度的变化而变化，能够适应竖直、倾斜、水平等多种姿态作业。

综上，本发明的可变刚度的夹取装置通过采用多根柔性轴8并联布置的方式，实现夹指1平行夹持和消除寄生运动；进一步地，通过采用同一个变刚度驱动电机19驱动所有柔性轴8转动的方式，实现变刚度调整；进一步地，通过在夹指1侧面增加导向块7和支撑设计，使夹指1在非夹持方向的刚度不会随着柔性轴8的转动而变化，从而能够适应竖直、倾斜、水平等多种姿态作业。

本发明夹指的开合运动和变刚度运动两条传动链完全独立，互不影响，具有结构简单、变刚度范围大、响应速度快、传动效率高等优点。

如图7所示，本发明实施例还揭示了一种工业机器人，包括机械臂31和上述可变刚度的夹取装置，夹取装置与机械臂31的末端连接。工作时，首先调整好机械臂31的姿态，之后，变刚度驱动电机19驱动柔性轴8转动调整至合适的刚度姿态，然后开合驱动电机12驱动夹指1对工件30进行夹持作业即可。本实施例中，夹取装置通过一顶板6与机械臂31的末端连接，顶板6固定在壳体5的顶端上。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (5)

1.一种可变刚度的夹取装置，其特征在于，所述装置包括移动模块、变刚度模块、第二导向机构和两个夹指，所述移动模块包括开合驱动机构和与开合驱动机构相连的两个滑动座，所述两个滑动座分别与两个夹指相连，所述两个滑动座在开合驱动机构的驱动下向相互靠近或相互远离的方向移动，移动的同时带动两个夹指进行开合运动；

所述变刚度模块包括变刚度驱动机构和与变刚度驱动机构相连的两组变刚度组件，每组变刚度组件的两端分别与对应的滑动座和夹指相连，且在变刚度驱动机构的驱动下实现夹指的变刚度运动；

每个滑动座还固定连接至少两个侧向支撑板，所述两个侧向支撑板分别位于夹指在非夹持方向的两侧；

每个所述夹指在非夹持方向的两侧还各设一与所述侧向支撑板配合的所述第二导向机构，所述夹指在变刚度运动时通过所述第二导向机构和侧向支撑板的组合作用，限制夹指在非夹持方向的刚度变化；

所述第二导向机构包括至少两个导向块，所述两个导向块分别固定于夹指在非夹持方向的两侧上端面上，且每一导向块滑动设置于对应的侧向支撑板上，使所述夹指在处于柔性状态时能通过导向块在侧向支撑板上进行二维的滑动；

所述导向块采用聚四氟乙烯类具有低摩擦系数的材料制成；

所述变刚度驱动机构包括变刚度驱动电机、第二同步带组件、花键轴和两组齿轮组件，所述第二同步带组件与变刚度驱动电机相连，所述花键轴与第二同步带组件相连，每组齿轮组件包括多个斜齿轮，至少一个斜齿轮设置在花键轴上并与齿轮组件的其他斜齿轮中的任意一个斜齿轮啮合传动，从而使花键轴与对应的变刚度组件相连，所述第二同步带组件在变刚度驱动电机的驱动下带动花键轴转动，所述花键轴的转动带动两组齿轮组件转动，从而驱动与两组齿轮组件相连的变刚度组件作变刚度运动；

每组所述变刚度组件包括四根柔性轴，每根柔性轴的两端分别与对应的滑动座和夹指转动连接，且每根柔性轴与齿轮组件中的一个斜齿轮相连，四根柔性轴及滑动座、夹指构成平行四边形机构；

所述斜齿轮均为45°斜齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种可变刚度的夹取装置，其特征在于，所述移动模块还包括第一导向机构，两个滑动座通过所述第一导向机构沿夹持方向做相互靠近或远离滑动。

3.根据权利要求1所述的一种可变刚度的夹取装置，其特征在于，所述开合驱动机构包括开合驱动电机、第一同步带组件、正反滚珠丝杆、左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母，所述第一同步带组件与开合驱动电机相连，所述正反滚珠丝杆与第一同步带组件相连，所述左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母设置在正反滚珠丝杆上，且分别与两个滑动座固定连接，所述第一同步带组件在开合驱动电机的驱动下带动正反滚珠丝杆转动，所述正反滚珠丝杆的转动带动左旋滚珠螺母、右旋滚珠螺母作相互靠近或相互远离的移动，从而带动两个滑动座向相互靠近或相互远离的方向移动。

4.根据权利要求2所述的一种可变刚度的夹取装置，其特征在于，所述第一导向机构包括多个沿夹持方向延伸的直线滑轨以及滑动设置在直线滑轨上的两个滑块，所述两个滑块分别与两个滑动座固定相连。

5.一种工业机器人，其特征在于，包括机械臂和权利要求1~4任意一项所述的可变刚度的夹取装置，所述夹取装置与机械臂的末端连接。

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