CN113650040B - 末端执行器、机械手、操作设备及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种末端执行器、机械手、操作设备与操作系统，其中末端执行器包括支座、至少两个转动件、扭带与驱动机构，两个转动件均绕转动中心轴转动连接于支座，转动件沿转动中心轴的方向开设有与线状体相匹配的定位孔，转动件的侧部开设有与定位孔相连通的预留槽，预留槽供线状体滑入定位孔；扭线带与两个转动件相连接，用于缠绕于线状体；驱动机构与转动件相连接，以驱动两个转动件同向转动或反向转动。相比现有技术中利用机械手的夹爪夹持线状体，本申请方案利用柔性带缠紧线状体，然后使线状体绕其自身的延伸方向旋转，如此，避免了由于线状体夹持不稳定，线状体出现打滑的问题。

Description

末端执行器、机械手、操作设备及控制系统

技术领域

本发明涉及机械手的技术领域，尤其涉及一种末端执行器、机械手、操作设备及控制系统。

背景技术

相关技术中，随着机器人开发和自动化技术的成熟，各种应用领域对线状体自动操作的需求逐渐提高。当前国内外对线状体的自动操作研究中，主要使用的技术方案是多自由度机械手搭配二指夹爪末端执行器，通过机械手的运动和夹爪开合操作线状体。然而，机械手与二指夹爪机构对于完成线状体的扭转操作具有较大困难，原因在于机械手扭转线状体的操作中，由于二指夹爪与线状体之间为线接触，机械手对线状体的稳固性较低，所以线状体扭转过程中，线状体容易出现打滑的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种末端执行器，能够放置线状体打滑。

本发明还提出一种具有上述末端执行器的机械手。

本发明还提出一种具有上述机械手的操作设备。

本发明还提出一种用于控制端头机构的控制系统。

根据本发明实施例的末端执行器，包括：

支座；

至少两个转动件，两个所述转动件均绕转动中心轴转动连接于所述支座，所述转动件沿所述转动中心轴的方向开设有与所述线状体相匹配的定位孔，所述转动件的侧部开设有与所述定位孔相连通的预留槽，所述预留槽供所述线状体滑入所述定位孔；

扭线带，与所述两个所述转动件相连接，用于缠绕于所述线状体；

驱动机构，与所述转动件相连接，以驱动两个所述转动件同向转动或反向转动。

根据本发明实施例的末端执行器，至少具有如下有益效果：第一步，末端执行器在机械臂的作用下，线状体自预留槽滑入定位孔中，此时扭线带为初始状态；第二步，驱动机构驱动两个转动件绕线状体的沿延伸方向转动，且转动方向相反，一个转动件顺时针转动，另一个转动件逆时针转动，如此，从而将将扭线带缠绕于线状体的周面，直至扭线带与线状体之间的摩擦力足够大，此时扭线带为缠紧状态；第三步，驱动机构驱动两个转动件同向转动，由于扭线带与线状体之间具有足够大的摩擦力，因此，两个转动件带动线状体的绕自身旋转，即正向转动或反向转动，从而实现线状体的操作。第四步，驱动机构驱动两个转动件绕线状体的沿延伸方向转动，且转动方向相反，例如说明书附图中左侧的转动件反向转动，说明书附图中右侧的转动件正向转动，从而使扭线带自缠紧状态复位至初始状态，线状体能够自预留槽脱离转动件。由上可见，相比现有技术中利用机械手的夹爪夹持线状体，本申请方案利用柔性带缠紧线状体，然后使线状体绕其自身的延伸方向旋转，从而实现线状体连续扭转的操作；并且，采用上述方式固定线状体，避免了由于线状体固定不稳定，线状体出现打滑的问题，以及由于机械臂工作空间限制，机械臂无法绕线状体旋转超过360°，线状体难以被连续转动的问题。

根据本发明的一些实施例，所述驱动机构具有两个，一个所述驱动机构与一个所述转动件相连接，用于驱动一个所述转动件转动，另一个所述驱动机构与另一个所述转动件相连接，用于驱动另一个所述转动件转动；或，所述驱动机构具有两个，一个所述驱动机构与两个所述转动件相连接，用于驱动两个所述转动件反向转动，另一个所述驱动机构与两个所述转动件相连接，用于驱动两个所述转动件同向转动。

根据本发明的一些实施例，所述驱动机构具有两个，分别与所述转动件连接，用于驱动所述转动件转动；每个所述驱动机构包括驱动件与齿轮组件，所述驱动件与所述齿轮组件相连接，用于所述齿轮组件转动，所述转动件的外边沿具有啮合齿，所述啮合齿与所述齿轮组件相啮合。

根据本发明的一些实施例，所述齿轮组件至少包括两个与所述转动件相啮合的传动齿轮，以使所述齿轮组件在所述转动件转动时始终与所述啮合齿相啮合。

根据本发明的一些实施例，所述支座包括底板与两个支架，两个所述支架固定连接于所述底板，并平行设置，所述转动件及与所述转动件相啮合的传动齿轮转动连接于同一个所述支架。

根据本发明的一些实施例，所述扭线带由布料制作而成。

根据本发明的一些实施例，所述转动件的侧壁绕所述转动中心轴开设有弧形通槽，所述扭线带的端部与所述弧形通槽固定连接，以使所述扭线带的侧面以所述转动中心轴为中心呈弧形展开。

根据本发明实施例的机械手，包括上述的末端执行器。

根据本发明实施例的操作设备，包括上述的机械手，所述操作设备用于线缆的控制或手术线的控制。

根据本发明实施例的控制系统，用于与上述的末端执行器电连接；

其中，当所述控制系统接受缠紧命令，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带自初始状态转换为缠紧状态；

当所述控制系统接受复位命令，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带自所述缠紧状态转换为所述初始状态；

当所述控制系统接受预设角度命令，所述控制系统检测所述扭线带是否为所述缠紧状态，其中，若所述控制系统检测到所述扭线带为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件同向转动，以使所述线状体旋转预设角度；若所述控制系统检测到所述扭线带未为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带转换为所述缠紧状态，此后，所述控制系统检测到所述扭线带为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件同向转动，以使所述线状体旋转预设角度

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例的末端执行器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的末端执行器的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例的控制系统与驱动件的线路示意图。

附图标记：

10、末端执行器；100、支座；110、底板；111、连接孔；120、支架；130、支板；200、转动件；210、定位孔；220、预留槽；230、啮合齿；240、弧形通槽；300、扭线带；400、驱动机构；410、驱动件；420、齿轮组件；421、主齿轮；422、传动齿轮；500、线状体；600、转动中心轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明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示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者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。

根据本发明公开了一种末端执行器10，用于线状体500，参照图1，末端执行器10包括支座100、至少两个转动件200、扭带与驱动机构400，两个转动件200均绕转动中心轴600转动连接于支座100，转动件200沿转动中心轴600的方向开设有与线状体500相匹配的定位孔210，转动件200的侧部开设有与定位孔210相连通的预留槽220，预留槽220供线状体500滑入定位孔210；扭线带300与两个转动件200相连接，用于缠绕于线状体500；驱动机构400与转动件200相连接，以驱动两个转动件200同向转动或反向转动。

具体的，第一步，末端执行器10在机械臂的作用下，线状体500自预留槽220滑入定位孔210中，此时扭线带300为初始状态；第二步，驱动机构400驱动两个转动件200绕线状体500的沿延伸方向转动，且转动方向相反，例如说明书附图1中左侧的转动件200顺时针转动，说明书附图1中右侧的转动件200逆时针转动，如此，从而将将扭线带300缠绕于线状体500的周面，直至扭线带300与线状体500之间的摩擦力足够大，此时扭线带300为缠紧状态；第三步，驱动机构400驱动两个转动件200同向转动，由于扭线带300与线状体500之间具有足够大的摩擦力，因此，两个转动件200带动线状体500的绕自身旋转，即正向转动或反向转动，从而实现线状体500的操作。第四步，驱动机构400驱动两个转动件200绕线状体500的沿延伸方向转动，且转动方向相反，例如说明书附图1中左侧的转动件200反向转动，说明书附图1中右侧的转动件200正向转动，从而使扭线带300自缠紧状态复位至初始状态，线状体500能够自预留槽220脱离转动件200。

由上可见，相比现有技术中利用机械手的夹爪夹持线状体500，本申请方案利用柔性带缠紧线状体500，然后使线状体500绕其自身的延伸方向旋转，从而实现线状体500的扭转操作。通过采用上述方式固定线状体500，避免了由于线状体500固定不稳定，线状体500出现打滑的问题，以及由于机械臂工作空间限制，机械臂无法绕线状体500旋转超过360°，线状体500难以连续转动的问题。

而且，机械手具有结构较复杂、使用时占用空间大以及对线状体500的旋转范围有限等缺点，导致机械手的适用环境有限；相反地，在本申请方案中，末端执行器10结构较简单，末端执行器10工作时占用空间小，并且可任意旋转线状体500，由此可见，本申请方案中的末端执行器10能能够适用各种复杂的环境。

需要说明的是，转动件200的数量可采用二个以上，多个转动件200沿转动中心轴600依次间隔设置，且相邻两个转动件200之间设置有扭线带200，只要相邻两个转动件200转动方向相反，实现扭线带300紧固缠绕于线状体500的周面。

在一些实施例中，驱动机构400具有两个，一个驱动机构400与一个转动件200相连接，用于驱动一个转动件200转动，另一个驱动机构400与另一个转动件200相连接，用于驱动另一个转动件200转动，如此，每个驱动机构400驱动一个转动件200，从而更便捷地对两个转动件200的转动方向进行控制。

代替地，驱动机构400具有两个，一个驱动机构400与两个转动件200相连接，用于驱动两个转动件200反向转动，另一个驱动机构400与两个转动件200相连接，用于驱动两个转动件200同向转动，如此，每个驱动机构400同时驱动两个转动件200，从而能够保证两个转动件200的转动速度的一致性(图中未示出)。

基于一个转动件200由一个驱动机构400驱动，在一些实施例中，参照图1与图2，驱动机构400包括驱动件410与齿轮组件420，驱动件410固定连接于支座100，驱动件410为电机，齿轮组件420由多个相互啮合的齿轮组成，驱动件410的驱动轴与齿轮组件420的一个齿轮相连接，如此，驱动件410驱动齿轮组件420转动。转动件200的外部的边沿面上具有以转动中心轴600设置有啮合齿230，齿轮组件420与转动件200的啮合齿230相啮合，如此，驱动件410驱动齿轮组件420转动，齿轮组件420带动转动件200转动，从而实现扭线带300缠绕于线状体500，并实现线状体500绕自身延伸方向旋转。

由上可见，本申请方案采用电机齿轮的方式，从而驱动转动件200的转动，进而实现扭线带300的缠紧及线状体500转动。相比于现有技术，本申请方案明显地具有占用空间小、可任意角度转动线状体500等优势。

进一步地，齿轮组件420中至少两个齿轮与转动件200相啮合，以使齿轮组件420始终与转动件200的啮合齿230相啮合。具体的，转动件200在齿轮组件420的作用下旋转，一个齿轮旋转至预留槽220的位置时，至少另一个齿轮与转动件200相啮合。转动件200转动过程中，齿轮组件420始终与转动件200保持啮合状态，转动件200在驱动机构400的作用下，转动件200可以绕正向方向或反向方向旋转360度以上，从而使扭线带300充分缠绕于线状体500上，进而使线状体500与扭线带300之间具有足够大的摩擦力，以满足线状体500后续与转动件200同步转动。而且，齿轮组件420始终与转动件200保持啮合状态，驱动机构400能够任意角度地旋转转动件200，从而能够任意角度地调整线状体500的旋转角度。

具体的，齿轮组件420包括主动齿轮421与两个传动齿轮422，主动齿轮421与驱动件410的驱动轴固定连接，两个传动齿轮422同时与一个主动齿轮421啮合连接，两个传动齿轮422同时与一个转动件200啮合连接，如此，驱动件410驱动主动齿轮421，主动齿轮421驱动两个传动齿轮422转动，两个传动齿轮422驱动转动件200转动。由于转动件200自一个传动齿轮422到另一个传动齿轮422啮之间弧长大于预留槽220的开口占用的弧长，所以任意一个传动齿轮422经过预留槽220的开口时，另一个传动齿轮422与转动件200的啮合齿230保持啮合状态，从而保证驱动件410能够驱动转动件200更大角度的旋转。

在一些实施例中，支座100包括底板110、两个支架120与两个支板130，沿底板110的正面的长度方向，两个支架120与两个支板130依次并垂直固定连接于底板110的正面，即自左向右设置于底板110的下表面，支架120与支板130平行设置，且两个支架120位于两个支板130之间。两个驱动件410的尾部分别固定连接于支板130上，驱动件410的驱动轴水平朝向支架120设置，并与主动齿轮421固定连接。同时，每个支架120上沿底板110的长度方向开设有安装孔，即自左向右的方向，传动齿轮422及转动件200均转动连接于支架120的安装孔。由上可见，支座100采用上述结构，转动件200、齿轮组件420以及驱动件410便捷地、更加紧凑的安装于支座100上，减小了末端执行器10的占用空间，以满足末端执行器10能够适用范围较小的空间。

在一些实施例中，扭线带300由布料制作而成，扭线带300在缠绕与线状体500的表面时，扭线带300能够更加紧密地贴合线状体500的周面，从而保证扭线带300与线状体500之间的摩擦力。

在一些实施例中，两个转动件200的侧壁绕转动中心轴600开设有弧形通槽240，扭线带300的两端部分别与弧形通槽240固定连接，扭线带300的一个侧面与弧形通槽240的一个侧面相贴合，扭线带300的另一个侧面与弧形通槽240的另一个侧面相贴合，从而使扭线带300的侧面以转动中心轴600为中心呈弧形展开。如此，扭线带300缠绕于线状体500的过程中，扭线带300的侧面更加贴合线状体500的表面，从而保证扭线带300与线状体500之间的摩擦力。

根据本发明第二方面公开了一种机械手，包括机械臂与上述的末端执行器10，末端执行器10设置于机械臂(图中未示出)，如此，机械臂控制末端执行器10运动，从而灵活地控制线状体500的操作。具体的，机械手通过采用上述末端执行器10，由于末端执行器10占用空间小，对线状体500夹持较紧固，并可以使线状体500绕自身任意旋转，因此，机械手能够适用于更复杂的环境，满足相应设备的要求。

在一些实施例中，机械臂为六轴机械臂或三轴机械臂，底板110开设有连接孔111，连接孔111穿设有与机械臂的活动端相连接的紧固螺栓，从而将末端执行器10安装于机械臂的活动端。

根据本发明第三方面公开了一种操作设备，包括上述机械手，操作设备用于线缆的控制或手术线的控制。操作设备采用上述机械手，机械手采用上述末端执行器10，由于末端执行器10占用空间小，对线状体500夹持较紧固，并可以使线状体500绕自身任意旋转，因此操作设备可用于线缆的控制，以对线缆进行布置、安装与焊接等，或，操作设备用于医疗手术线的控制，对伤口进行缝合。

根据本发明第四方面公开了末端执行器10的控制系统，参照图1与图3，用于与上述的末端执行器10电连接。

具体的，当控制系统接受缠紧命令，并反馈至驱动机构400，驱动机构400驱动两个转动件200反向转动，以使扭线带300自初始状态转换为缠紧状态；当控制系统接受复位命令，并反馈至驱动机构400，驱动机构400驱动两个转动件200反向转动，以使扭线带300自缠紧状态转换为初始状态；当控制系统接受预设角度命令，控制系统检测扭线带300是否为缠紧状态，其中，若控制系统检测到扭线带300为缠紧状态，并反馈至驱动机构400，驱动机构400驱动两个转动件200同向转动，以使线型件旋转预设角度；若控制系统检测到扭线带300未为缠紧状态，并反馈至驱动机构400，驱动机构400驱动两个转动件200反向转动，以使扭线带300转换为缠紧状态，此后，控制系统检测到扭线带300为缠紧状态，并反馈至驱动机构400，驱动机构400驱动两个转动件200同向转动，以使线型件旋转预设角度。

控制系统包括下位机与上位机，两个驱动件410均为磁编码舵机，磁编码舵机均与下位机电连接，上位机与下位机相连接。本申请方案通过上位机、下位机和磁编码舵机实现转动件200的电控，进而实现扭线带300的电控。具体的，工作人员通过向上位机输入不同指令，完成不同操作，例如：输入指令“缠紧命令”，上位机将命令反馈给下位机，下位机使磁编码舵机带动两个转动件200反向转动，直到扭线带300缠紧线状体500后停止转动，即扭线带300为缠紧状态。输入指令“复位命令”，上位机将命令反馈给下位机，下位机使磁编码舵机带动两个转动件200回到初始状态。输入指令“预设角度命令”，即向上位机输入线状体500转动方向命令及线状体500的转动角度命令，上位机将首先判断线状体500是否被缠紧，若没有被缠紧，则先执行“缠紧命令”指令，“缠紧命令”完成后，此时，上位机将“预设角度命令”反馈到下位机，下位机使磁编码舵机带动转动件200同向转动对应数字的角度，此时扭线带300带动线状体500同步旋转此角度，比如，输入“90”，线状体500将顺时针旋转90°；输入“-720”，线状体500将逆时针旋转2圈。

需要说明的是，在扭线带300缠绕线状体500的过程中，磁编码舵机实时接收力矩反馈值并通过下位机发送至上位机，当力矩反馈值的绝对值超过设定的临界载荷值时(临界载荷值为上位机系统本身具有的限定值)，线状柔性体被扭线带300缠紧。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.末端执行器，用于线状体，其特征在于，包括：

支座；

至少两个转动件，两个所述转动件均绕转动中心轴转动连接于所述支座，所述转动件沿所述转动中心轴的方向开设有与所述线状体相匹配的定位孔，所述转动件的侧部开设有与所述定位孔相连通的预留槽，所述预留槽供所述线状体滑入所述定位孔；

扭线带，与所述两个所述转动件相连接，用于缠绕于所述线状体；

驱动机构，与所述转动件相连接，以驱动两个所述转动件同向转动或反向转动。

2.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述驱动机构具有两个，一个所述驱动机构与一个所述转动件相连接，用于驱动一个所述转动件转动，另一个所述驱动机构与另一个所述转动件相连接，用于驱动另一个所述转动件转动；

或，

所述驱动机构具有两个，一个所述驱动机构与两个所述转动件相连接，用于驱动两个所述转动件反向转动，另一个所述驱动机构与两个所述转动件相连接，用于驱动两个所述转动件同向转动。

3.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述驱动机构具有两个，分别与所述转动件连接，用于驱动所述转动件转动；

每个所述驱动机构包括驱动件与齿轮组件，所述驱动件与所述齿轮组件相连接，用于所述齿轮组件转动，所述转动件的外边沿具有啮合齿，所述啮合齿与所述齿轮组件相啮合。

4.根据权利要求3所述的末端执行器，其特征在于，所述齿轮组件至少包括两个与所述转动件相啮合的传动齿轮，以使所述齿轮组件在所述转动件转动时始终与所述啮合齿相啮合。

5.根据权利要求4所述的末端执行器，其特征在于，所述支座包括底板与两个支架，两个所述支架固定连接于所述底板，并平行设置，所述转动件及与所述转动件相啮合的传动齿轮转动连接于同一个所述支架。

6.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述扭线带由布料制作而成。

7.根据权利要求1所述的末端执行器，其特征在于，所述转动件的侧壁绕所述转动中心轴开设有弧形通槽，所述扭线带的端部与所述弧形通槽固定连接，以使所述扭线带的侧面以所述转动中心轴为中心呈弧形展开。

8.机械手，其特征在于，包括权利要求1至7中任意一项所述的末端执行器。

9.操作设备，其特征在于，包括权利要求8所述的机械手，所述操作设备用于线缆的控制或手术线的控制。

10.控制系统，其特征在于，用于与权利要求1至7中任意一项所述的末端执行器电连接；

其中，当所述控制系统接受缠紧命令，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带自初始状态转换为缠紧状态；

当所述控制系统接受复位命令，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带自所述缠紧状态转换为所述初始状态；

当所述控制系统接受预设角度命令，所述控制系统检测所述扭线带是否为所述缠紧状态，其中，若所述控制系统检测到所述扭线带为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件同向转动，以使所述线状体旋转预设角度；若所述控制系统检测到所述扭线带未为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件反向转动，以使所述扭线带转换为所述缠紧状态，此后，所述控制系统检测到所述扭线带为所述缠紧状态，并反馈至所述驱动机构，所述驱动机构驱动两个所述转动件同向转动，以使所述线状体旋转预设角度。

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