CN113370245B - 一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器，该装置的基本组件包括双轴舵机、舵机外壳、轴承、齿轮、轴承固定圆盘、夹持器的夹持前端主体、夹持器的夹持后端主体、弹簧、弹簧连接柱、弹簧挡板以及连接固定各组件所需的标准件。该夹持器机构突出优点是能够实现机械臂在夹持物体的过程当中，夹持器的夹持前端能够自动地向内弯曲从而更好更稳地夹紧物体，以防止物体向前滑脱，并且在松开物体后夹持前端能够自动地恢复到原位置。该夹持器机构在实现夹取过程中夹持前端自动弯曲和复原的功能结构上采用纯机械结构设计，设计简洁、结构简单、制造方便。同时整个夹持器尽可能地减少自身重量，在节省材料的同时能够更好更广泛地适用于多种类型的机械臂。

Description

一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器

技术领域

本发明属于机械臂技术领域，尤其是一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器。

背景技术

随着现代化工业生产的迅速发展，机械臂渐渐地出现在工厂中，模仿人体手臂动作,以实现抓取﹑搬运物件或操作工具,其能够有效降低人员劳动负荷,提高工作效率。工厂逐渐用搬运机器人代替人工搬运,而机械臂的使用最重要的就是需要通过夹持器对物品进行有效地夹取移动。

中国发明专利CN201820361527.0提出一种工业用箱盒搬运码垛机器人,其夹持器采用伺服电机驱动,通过锥齿轮传动带动丝杆组件,实现夹板的相互靠近或远离。但此发明存在夹持器夹持物体时对物品的夹持力度不够,容易出现物品掉落的情况以及夹持范围不可调节,不能实现不同最大夹持距离的调节等问题。中国发明专利CN201620294351.2公开了一种具有自适应能力的机械臂夹持器,其基本组成包括下底座和上底座；此发明具备一定的自适应能力,通过夹持臂及弹簧、驱动电机之间的合理配合,可可以实现夹持、移动多种类型物体的功能,如基本形状为长方体、横截面为圆形的物体以及含有一定内径孔洞的不规则形状的物体。但此发明专利的结构比较复杂繁琐，采用电机存在夹取物体不稳固的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器，能够实现机械臂在夹持物体的过程当中，夹持器的夹持前端能够自动地向内弯曲从而更好更稳地夹紧物体，以防止物体向前滑脱，并且在松开物体后夹持前端能够自动地恢复到原位置。

本发明所采用的技术方案如下：

一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器，包括双轴舵机、舵机外壳、夹持主体、自动弯曲回位装置；所述夹持主体包括两组夹持爪，每一组夹持爪包括主动夹持爪和从动夹持爪；主动夹持爪和从动夹持爪均由夹持后端主体和夹持前端主体构成；夹持后端主体的一端设有齿轮，夹持后端主体的另一端与夹持前端主体铰接；主动夹持爪的齿轮与双轴舵机的动力输出端相连，从动夹持爪的齿轮与舵机外壳铰接；且同一组中，主动夹持爪的齿轮与从动夹持爪的齿轮啮合传动；

在每一组夹持爪的夹持后端主体和夹持前端主体的铰接处设有自动弯曲回位装置，自动弯曲回位装置包括上部弹簧、下部弹簧、弹簧连接柱以及弹簧挡板，所述下部弹簧套装在弹簧连接柱上，弹簧连接柱穿过夹持后端主体与弹簧挡板连接；所述上部弹簧的两端分别连接弹簧挡板和夹持前端主体。

进一步，弹簧挡板上设置圆柱形的凸起，在夹持前端主体铰接端也设有相同的圆柱形的凸起，将上部弹簧的两端套装在这两个圆柱形的凸起上并在上部弹簧与夹持前端主体和弹簧挡板的主平面接触的位置采用热熔胶进行加固，圆柱形凸起起到的是定位和轻度固定的作用。

进一步，弹簧挡板上设置榫头，在弹簧连接柱的一端设有与榫头相配合的榫槽，在组装时，下部弹簧套装在弹簧连接柱上，弹簧连接柱穿入夹持后端主体，且弹簧连接柱的榫槽与弹簧挡板的榫头相配合，且利用紧固件对榫槽和榫头进行固定连接。

进一步，夹持前端主体上开有连接孔，在夹持后端主体上设有第一连接柱，夹持前端主体的连接孔套装在夹持后端主体的第一连接柱上，实现两者之间的铰接。

进一步，在两个主动夹持爪的夹持后端主体之间设置连接柱，通过连接柱将同侧的夹持后端主体之间固定连接，为了保证工作时的同步性。

进一步，齿轮、夹持前端主体与夹持后端主体是由3D打印制造的一体化部件。

进一步，所述主动夹持爪的夹持后端主体以及两个连接柱是一体化部件。

进一步，在弹簧挡板上固定安装压力传感器，在夹持前端主体的前端平滑的内侧安装压力传感器。

本发明的有益效果：

本发明所提供的机械臂夹持器结构，其主要特征在于此夹持器结构存在一种可使夹持前端主体自动向内弯曲和回位的装置，使得机械臂夹持器在夹持物体移动的过程中能够自动地向内弯曲，对物体形成包络抓握效果，确保物体的不滑出。

本发明所提供的的自动弯曲回位装置采用纯机械结构，利用弹簧压缩和伸长所产生的弹力方向不同，巧妙设计上部弹簧和下部弹簧的位置，将两个弹簧联系在一起，通过下部弹簧的作用，实现上部弹簧弹力的变化，进而导致夹持器在夹取和松开物体的过程中能够自动地向内弯曲和回位。在弹簧挡板与弹簧连接柱的连接处存在榫卯结构，能够有效防止弹簧挡板在工作或连接时自身旋转。

本发明所提供的机械臂夹持器结构在实现夹持爪平滑转动功能上采用定位固定轴与轴承相连、利用圆盘固定轴承、轴承与齿轮套娃式的连接实现，利用齿轮传动和轴承的平滑旋转实现夹持爪的平滑转动，减小夹持物体过程中夹持器在旋转过程中自身产生的阻碍转动的摩擦力，减小舵机和机械臂的负载。

本发明所提供的机械臂夹持器结构尽可能得减轻自身的重量，在夹持前端和后端主体部分挖去圆形或者椭圆形结构，在保证机械臂夹持器自身结构强度的前提下，尽可能得减轻自身重量，减小机械臂的负担。

本发明所提供的机械臂夹持器结构可根据机械臂姿态和所需夹取的物体形状的不同选择不同的夹取方式。可在夹持前端主体前的平滑区域上加上压力传感器直接，利用夹持前端主体前的平滑区域夹取物体，类似人手指的捏取动作。也可利用夹持前端主体和夹持后端主体的弯曲区域，采用包覆式的方式夹取物体。

与现有技术相比的优点，本发明是一种基于齿轮传动以及弹簧作用的机械臂夹持器的夹持结构，能够实现夹持器在夹取物体的过程中夹持器的夹持前端自动地向内弯曲从而更稳固地夹紧不同形状的物体以及松开物体后自动回位的功能。本发明在实现上述功能的部分采用纯机械结构，降低了对控制部分的要求，省去了关节电机等致动器的安装空间，减轻了整机重量。且该结构设计简洁、结构简单，整个夹持器的零件装配简单。并且该夹持器进行大量的拓扑优化，尽可能减轻自身零件重量，可适用于更多类型的机械臂，满足机械臂对夹持装置轻量化的需求。

附图说明

图1是夹持器整体结构示意图；

图2是舵机外壳结构示意图；

图3是夹持爪结构示意图；

图4是夹持爪的连接孔与连接柱示意图；

图5是主动夹持爪示意图；

图6是从动夹持爪示意图；

图7是齿轮圆孔内侧突出示意图；

图8是自动弯曲回位结构示意图；

图9是圆柱形凸起结构示意图；

图10是榫卯结构示意图；

图11是齿轮传动示意图；

图12是下部弹簧安装示意图；

图中，1、双轴舵机，2、舵机外壳，3、定位固定轴，4、齿轮，5、夹持前端主体，6、夹持后端主体，7、螺钉，8、轴承固定圆盘，9、连接柱，10、橡胶层，11、弹簧挡板，12、弹簧连接柱，13、上部弹簧，14、下部弹簧，15、轴承，16、压力传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所设计的一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器，其基本结构主要是由双轴舵机1、舵机外壳2、夹持主体、自动弯曲回位装置等组成。

如图2所示舵机外壳2呈拱状，舵机外壳2上设有定位固定轴3以及安装孔，定位固定轴3设置在舵机外壳2相对的两个侧壁上，定位固定轴3用于安装轴承15。舵机外壳2与定位固定轴3在制作时需要直接制作在一起，舵机外壳2与双轴舵机1之间通过螺钉进行连接固定。另外舵机外壳2上设有机械臂安装孔，通过连接件可以用于实现夹持器与机械臂之间的连接，机械臂安装孔的大小以及位置可根据机械臂的类型以及实际情况灵活进行调整，连接时使用螺钉7进行安装固定。

夹持主体包括两组夹持爪，每一组夹持爪包括主动夹持爪和从动夹持爪；主动夹持爪和从动夹持爪均由夹持后端主体6和夹持前端主体5构成。夹持后端主体6的一端设有齿轮4，主动夹持爪的齿轮4与双轴舵机1的动力输出端相连(使用联轴器等实现连接)；从动夹持爪的齿轮4内部装有轴承15，且轴承15套装在定位固定轴3上，实现从动夹持爪的齿轮4与舵机外壳2铰接。定位固定轴3的位置可根据齿轮的大小以及实际情况灵活调整。夹持后端主体6的另一端设有第一连接柱，夹持前端主体5上开有连接孔，将夹持前端主体5的连接孔套装在夹持后端主体6的第一连接柱上，实现两者之间的铰接。为保证夹持前端主体5能够自由转动，要求在设计时需满足夹持前端主体5的连接孔的直径大于夹持后端主体6的第一连接柱的直径，以形成铰链结构。夹持前端主体5的宽度小于夹持后端主体6两个内表面之间的距离，如图4所示。更优的，在制作时需将齿轮4、夹持前端主体5与夹持后端主体6制作在一起，也就是将其看成一个零件(称为夹持爪)，如图3所示，这样有效的减少零件个数，省去安装组装的麻烦；该零件可采用3D打印制造。在夹持前端主体5内侧涂覆橡胶层10，可以避免在夹持过程中对物品的损伤，且起到防滑作用。

为了实现两个主动夹持爪的夹持后端主体6运动的同步性，两个主动夹持爪的夹持后端主体6之间通过两个连接柱9连接在一起。在制作主动夹持爪的夹持后端主体6时，可以将两个主动夹持爪以及两个连接柱9直接当成一个零件进行制作，如图5所示，连接柱9的长度由双轴舵机1的两个舵机圆盘外侧的垂直距离以及主动夹持爪的宽度决定。与轴承14相连的夹持爪的从动夹持爪，如图6所示，通过定位固定轴3、轴承固定圆盘8以及轴承14与主动夹持爪啮合连接在一起，形成一个齿轮传动装置，从动夹持爪的齿轮中心的圆孔外侧向圆孔内侧稍微突出一点，如图7所示，使得轴承14与齿轮能够更紧密地进行连接固定。

自动弯曲回位装置由上部弹簧13、下部弹簧14、弹簧连接柱12以及弹簧挡板11组成，如图8所示。下部弹簧14直接套在弹簧连接柱12上，上部弹簧13通过热熔胶与夹持前端主体5和弹簧挡板11连接。夹持前端主体5的下部与弹簧挡板11的下部有圆柱形的凸起，如图9所示，该圆柱形的凸起用于上部弹簧13的紧密连接固定，可防止上部弹簧13在垂直于自身中心轴的平面上发生滑移，圆柱形凸起的直径和长度由上部弹簧13的型号决定。在弹簧连接柱12与弹簧挡板11之间存在一种榫卯结构，弹簧挡板11上设置榫头，在弹簧连接柱12的一端设有与榫头相配合的榫槽，在组装时，下部弹簧14套装在弹簧连接柱12上，弹簧连接柱12穿入夹持后端主体6，且弹簧连接柱12的榫槽与弹簧挡板11的榫头相配合如图10所示，用于弹簧连接前的固定以及防止弹簧挡板11的滑动，榫卯配合之后再用螺钉进行紧密连接。更优的，在固定上部弹簧13时采用热熔胶固定弹簧两端，可能会存在固定不稳弹簧容易松动的情况。在此处的固定上，可在两个圆柱形凸起的底部开一个小圆孔，当放上上部弹簧13后，可将铁丝穿过圆孔(铁丝位于弹簧最两端的外侧)向后缠绕，最后将铁丝紧紧地拧在一起。

以下结合本机械臂夹持器的安装方法及连接关系做进一步说明：舵机外壳2根据实际情况通过机械臂安装孔用螺钉与机械臂主体的末端进行连接。将双轴舵机1根据舵机外壳2上的舵机安装孔的具体位置正确放入并用螺钉进行紧密连接。将双轴舵机1的连轴圆盘安装在双轴舵机1上并用螺钉进行固定。将主动夹持爪平推至两侧的齿轮分别与舵机圆盘紧密接触，并使舵机圆盘上的安装孔与齿轮上的舵机圆盘安装孔分别对齐，之后再用螺钉进行固定。将主动夹持爪安装好后，将轴承垂直放入舵机外壳一侧的轴承定位安装轴上，再在轴承的外侧的正确位置上放上轴承固定圆盘，使轴承固定圆盘上的螺纹口与定位固定轴上的螺纹口同轴心，最后用螺钉进行固定。另一侧的轴承15按上述相同的步骤进行安装连接。安装好轴承15后根据主动夹持爪的位置以及齿轮配合的关系将从动夹持爪套在轴承15上，使从动夹持爪的夹持主体与主动夹持爪的主体大致平行并且能够满足齿轮传动，如图11所示，之后可在齿轮圆孔的外侧用热熔胶将从动夹持爪与轴承15外圈固定在一起(注意不可影响轴承内外圈之间的转动自由度)。另一侧的从动夹持爪按上述相同的步骤进行安装固定。安装自动弯曲回位装置，将上部弹簧13的两端分别套在夹持前端主体5下侧以及弹簧挡板11上侧的圆柱形凸起上(弹簧挡板半圆一侧需处于下方)，再用热熔胶分别将两侧进行固定，待热熔胶充分凝固后，将弹簧连接柱12穿过夹持后端主体6外侧的圆孔，如图12所示，将下部弹簧14从内侧套入圆孔连接柱，按照榫卯结构将弹簧连接柱12与弹簧挡板11进行连接，再用螺钉进行紧密地连接固定。剩下三个夹持爪上的自动弯曲回位装置按上述相同方法进行连接。安装压力传感器16，任选一个弹簧挡板11，在其外侧用热熔胶将压力传感器16安装在上面，按上述相同步骤在任意一个夹持前端主体5的前端平滑的内侧安装压力传感器。夹持器的整体结构如图1所示。

工作机制：机械臂夹持器夹取物体时，驱动双轴舵机1旋转，通过舵机圆盘带动主动夹持爪向外侧旋转，通过齿轮传动从动夹持爪以相同的角速度向外侧旋转，夹持器张开，机械臂带动夹持器移动到需要夹持的物体附近，并逐渐向物体靠近，使物体位于夹持器的内侧，之后驱动双轴舵机1旋转，使得主动夹持爪带动从动夹持爪一起向内侧旋转从而渐渐地夹紧物体。在夹紧物体的过程中，当四个弹簧挡板11碰到物体时，随着夹持爪向内旋转，物体会推动弹簧挡板11向外侧移动，进而弹簧挡板11会压缩上部弹簧13和下部弹簧14，使两个弹簧处于压缩状态，上部弹簧13就会产生方向向外的弹力，从而推动夹持前端主体5的下部向外转动，最终导致夹持前端主体5向内侧弯曲，对被夹物体形成包络效果，封锁物体向前端滑出的路径。当压力传感器16达到设定值时双轴舵机1停止旋转，机械臂将物体移动到指定位置后，驱动双轴舵机1向外侧旋转，夹持器松开物体，在松开物体的过程中，由于物体不再挤压弹簧挡板11，处于压缩状态的下部弹簧14会向外推动弹簧挡板11使其恢复到原位置，在此过程中又会从原长上部弹簧处于伸长状态，进而拉动夹持前端主体5的下部向内侧旋转，最终使夹持前端主体恢复到原来的位置，整个夹持物体的过程结束。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可自动弯曲回位的机械臂夹持器，其特征在于，包括双轴舵机(1)、舵机外壳(2)、夹持主体、自动弯曲回位装置；所述夹持主体包括两组夹持爪，每一组夹持爪包括主动夹持爪和从动夹持爪；主动夹持爪和从动夹持爪均由夹持后端主体(6)和夹持前端主体(5)构成；夹持后端主体(6)的一端设有齿轮(4)，夹持后端主体(6)的另一端与夹持前端主体(5)铰接；主动夹持爪的齿轮(4)与双轴舵机(1)的动力输出端相连，从动夹持爪的齿轮(4)与舵机外壳(2)铰接；且同一组中，主动夹持爪的齿轮(4)与从动夹持爪的齿轮(4)啮合传动；

在每一组夹持爪的夹持后端主体(6)和夹持前端主体(5)的铰接处设有自动弯曲回位装置，自动弯曲回位装置包括上部弹簧(13)、下部弹簧(14)、弹簧连接柱(12)以及弹簧挡板(11)，所述下部弹簧14套装在弹簧连接柱(12)上，弹簧连接柱(12)穿过夹持后端主体(6)与弹簧挡板(11)连接；所述上部弹簧(13)的两端分别连接弹簧挡板(11)和夹持前端主体(5)；

弹簧挡板(11)上设置圆柱形的凸起，在夹持前端主体(5)铰接端也设有相同的圆柱形的凸起，将上部弹簧(13)的两端套装在这两个圆柱形的凸起上，并在上部弹簧(13)与夹持前端主体(5)和弹簧挡板(11)的主平面接触的位置采用热熔胶进行加固，圆柱形凸起起到的是定位和轻度固定的作用；

弹簧挡板(11)上设置榫头，在弹簧连接柱(12)的一端设有与榫头相配合的榫槽，在组装时，下部弹簧(14)套装在弹簧连接柱(12)上，弹簧连接柱(12)穿入夹持后端主体(6)，且弹簧连接柱(12)的榫槽与弹簧挡板(11)的榫头相配合，且利用紧固件对榫槽和榫头进行固定连接。

2.根据权利要求1所述的机械臂夹持器，其特征在于，夹持前端主体(5)上开有连接孔，在夹持后端主体(6)上设有第一连接柱，夹持前端主体(5)的连接孔套装在夹持后端主体(6)的第一连接柱上，实现两者之间的铰接。

3.根据权利要求1所述的机械臂夹持器，其特征在于，在两个主动夹持爪的夹持后端主体(6)之间设置连接柱(9)，通过连接柱(9)将同侧的夹持后端主体(6)之间固定连接，为了保证工作时的同步性。

4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的机械臂夹持器，其特征在于，齿轮4、夹持前端主体(5)与夹持后端主体(6)是由3D打印制造的一体化部件。

5.根据权利要求4所述的机械臂夹持器，其特征在于，所述主动夹持爪的夹持后端主体(6)以及两个连接柱(9)是一体化部件。

6.根据权利要求4所述的机械臂夹持器，其特征在于，在弹簧挡板(11)上固定安装压力传感器(16)，在夹持前端主体(5)的前端平滑的内侧安装压力传感器(16)。

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