CN113752291B - 一种机械手及一种机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机械手，包括位移驱动段和限位段；所述位移驱动段包括设于所述限位段两侧的第一爪臂和第二爪臂，所述第一爪臂和第二爪臂的结构相同，均包括依次连接的夹紧爪总成、第一伸缩段、旋转驱动机构和第二伸缩段。所述活动限位臂包括活动限位臂本体、弹性连接座、活动套、铰接座和第二限位爪。相应地，本申请还提供了一种机器人。本机械手可通过第一爪臂和第二爪臂的配合动作进行整体移动，到达预定区域进行物件抓取等工作，动作迅捷灵活，应用场合广。

Description

一种机械手及一种机器人

技术领域

本发明涉及机械手的设计领域，尤其涉及一种机械手及一种机器人。

背景技术

现有的通用型机械手由多个活动段和抓取机构组成，活动段之间的摆动由设于每个活动段上的电机驱动，此类机械手的活动段无法伸缩，因此其活动区域受到一定限制，在目标轨迹上存在较多障碍物时，甚至无法求出有效穿越路径，使其无法到达目标点。另外，现有的机械手重量大，造价高，便携性差，不适应户外森林等作业环境。

电力保障部门需要对输电网络进行巡检，将输电网络沿线可能威胁输电安全的杂物清除，树木砍除。此类架设于树林上空的输电线路通常是高压输电线路或特高压输电线路，如果采用人力处理，容易发生触电危险。在砍树过程中，树木倾倒时也可能会触碰高压线路，威胁地面人员安全。而大型机械常常难以进入林区预定位置。

现有的砍树设备一般通过滚轮沿树干攀爬，其在主体上设有自动锯，到达一定高度后，将砍树设备上方的树干砍掉，此类砍树设备主要针对桉树的处理。对于自然林区内的高树龄树木，由于其树干分叉多，砍树设备无法攀爬至预定高度，现有砍树设备无法适用。

发明内容

本发明实施例为了解决现有机械手重量大，不便移动的技术问题，提供一种机械手及一种机器人，可通过第一爪臂和第二爪臂的配合动作进行整体移动，到达预定区域进行物件抓取等工作，动作迅捷灵活，应用场合广。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种机械手，包括位移驱动段和限位段；所述位移驱动段包括设于所述限位段两侧的第一爪臂和第二爪臂，所述第一爪臂和第二爪臂的结构相同，均包括依次连接的夹紧爪总成、第一伸缩段、旋转驱动机构和第二伸缩段；所述夹紧爪总成包括夹紧爪驱动机构和夹紧爪，所述夹紧爪驱动机构能够驱动所述夹紧爪抓紧和松开；所述旋转驱动机构能够驱动第一伸缩段相对第二伸缩段摆动；

所述限位段包括固定限位臂和活动限位臂，所述固定限位臂和活动限位臂通过连接件连接；所述固定限位臂前端设有第一限位爪；所述活动限位臂包括活动限位臂本体、弹性连接座、活动套、铰接座和第二限位爪，所述弹性连接座通过弹簧组连接于所述活动限位臂本体的前端，所述弹性连接座外侧设有卡环，所述活动套套设于所述弹性连接座和活动限位臂本体外侧，所述活动套设有与所述卡环配合的卡扣，所述活动套能够通过自身移动，驱动所述弹性连接座向活动限位臂本体移动；所述铰接座铰接于所述弹性连接座上，所述第二限位爪设于所述铰接座的前端。

作为上述方案的改进，所述铰接座两侧设有第一滑杆和第二滑杆，所述弹性连接座的内侧面设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑杆的端部位于所述第一滑槽中，并能在所述第一滑槽内滑动，所述第二滑杆的端部位于所述第二滑槽中，并能在所述第二滑槽内滑动；所述第一滑槽内还设有用于驱动所述第一滑杆复位的复位弹簧。

作为上述方案的改进，所述第一滑槽水平设置；所述第二滑槽包括水平设置的水平导向段，以及与水平导向段的末端连接，分别向上和向下对称设置的弧形导向段。

作为上述方案的改进，所述活动套内侧设有齿条，所述齿条与预紧齿轮啮合，所述预紧齿轮与预紧电机连接。

作为上述方案的改进，所述活动限位臂本体外表面还设有第一限位环，所述第一限位环与所述活动套的内壁抵接，所述活动套的内侧还设有第二限位环，所述第二限位环能够与第一限位环抵接，以限定所述活动套的最大行程。

作为上述方案的改进，所述连接件上还设有锯切机构，所述锯切机构包括进给机构和电动伐木锯，所述进给机构用于驱动电动伐木锯以预定速度摆动。

作为上述方案的改进，所述第一伸缩段和第二伸缩段均由电动液压推杆构成，所述旋转驱动机构为伺服电机。

作为上述方案的改进，所述连接件包括与所述固定限位臂连接的连接套，与所述活动限位臂连接的伸缩梁，所述伸缩梁套设于所述连接套中；所述连接套内还设有用于驱动所述伸缩梁相对所述连接套伸缩的电动推杆。

相应地，本发明实施例还提供了一种机器人，包括升降机构和如上文所述的机械手，所述机械手可分离地设于所述升降机构上；所述升降机构包括上下对称设置的第一环体和第二环体，所述第一环体和第二环体通过连接杆连接；所述第一环体和第二环体内侧均设有周向分布并向其中心方向伸出的辅助轮组；所述连接杆上设有攀爬电机，所述攀爬电机连接有攀爬轮；所述攀爬轮具有预设倾斜度；所述第一环体和第二环体均由左半环体和右半环体铰接组成；所述左半环体和右半环体连接有拉紧气缸。

作为上述方案的改进，所述拉紧气缸的一端铰接于左半环体或右半环体上，另一端通过快接插销与对应的左半环体或右半环体连接。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

采用本实施例，能够通过所述第一爪臂和第二爪臂交替抓紧在空间内以一定密度分布的组件组成的物件，如铁塔、杆式垂直爬梯或树枝等，实现机械手的整体移动。到达预定位置后，通过第一爪臂和第二爪臂将限位段移动至目标位置或目标物件上，通过第一限位爪和/或第二限位爪将其固定，然后通过设于限位段上的执行元件，如摄像头、电动锯等进行作业。本机械手的身材苗条，便携性好，避障能力强，能够在复杂严苛的环境中移动和定位，适应电力保障工作的多种实际作业项目和作业环境，功能强大，适用范围广。

在其上安装独立的电动锯后，可将电动锯带到预定位置，并将可能影响输电安全的树木的部分树枝砍掉。在执行砍树工作时，可通过所述第一爪臂和第二爪臂交替抓紧树枝，实现机械手的整体移动。到达预定位置后，通过第一爪臂和第二爪臂将限位段移动至待砍伐的树枝上，将其固定，然后通过锯切机构将树枝或树干锯断，完成树枝的锯切操作。本机械手采用两个爪臂的设计，在应用于砍树项目时，能够灵活地向上攀爬，受到树枝的阻碍小，便于在茂密的树林中操作。在树枝被锯切前，被锯切部位被所述限位段固定，能够根据树枝的生长情况，在树枝完全锯断后再将树枝释放，从而精确控制树枝的下落位置和下落姿态，避免树枝的树冠摆动下落过程直接触碰电网，或因为与其它树枝碰撞而使其它树枝触碰电网，提升操作安全性。

附图说明

图1是本发明一种机械手的结构示意图；

图2是本发明一种机械手的活动限位臂的剖视结构示意图；

图3是本发明一种机械手的弹性连接座的结构示意图；

图4和图5是本发明一种机械手的工作原理图；

图6是本发明一种机器人的升降机构的结构示意图；

图7是图6的A部放大图。

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作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

如图1-图5所示，本发明第一实施例提供了一种机械手，包括位移驱动段100和限位段200；所述位移驱动段100包括设于所述限位段200两侧的第一爪臂1a和第二爪臂1b，所述第一爪臂1a和第二爪臂1b的结构相同，均包括依次连接的夹紧爪总成11、第一伸缩段12、旋转驱动机构13和第二伸缩段14；所述夹紧爪总成11包括夹紧爪驱动机构111和夹紧爪112，所述夹紧爪驱动机构111能够驱动所述夹紧爪112抓紧、松开和旋转；所述旋转驱动机构13能够驱动第一伸缩段12相对第二伸缩段14摆动。所述第二伸缩段14与所述限位段200的连接处设有旋转电机（图中未画出），所述旋转电机用于驱动所述第二伸缩段14旋转。所述夹紧爪驱动机构111包括连接夹紧爪112的丝杠机构（图中未画出），通过电机驱动丝杠旋转，控制夹紧爪112的抓紧和松开动作。为了实现旋转功能，还可以将所述丝杆机构和夹紧爪112整体设于旋动电机的转轴上，通过旋动电机的转轴带动丝杆机构和夹紧爪112整体旋转。

所述限位段200包括固定限位臂2和活动限位臂3，所述固定限位臂2和活动限位臂3通过连接件连接；所述固定限位臂2前端设有第一限位爪21，所述第一限位爪21可用于在锯切树木过程中固定被锯切的树枝；所述活动限位臂3包括活动限位臂本体31、弹性连接座32、活动套33、铰接座34和第二限位爪35，所述弹性连接座32通过弹簧组36连接于所述活动限位臂本体31的前端，所述弹性连接座32外侧设有卡环321，所述活动套33套设于所述弹性连接座32和活动限位臂本体31外侧，所述活动套33设有与所述卡环321配合的卡扣331，所述活动套33能够通过自身移动，驱动所述弹性连接座32向活动限位臂本体31移动；所述铰接座34铰接于所述弹性连接座32上，所述第二限位爪35设于所述铰接座34的前端。在应用于锯切领域时，所述连接件上还可以设置锯切机构，所述锯切机构包括进给机构41和电动伐木锯42，所述进给机构41用于驱动电动伐木锯42以预定速度摆动。所述进给机构41可以是减速电机，其能够驱动电动伐木锯42以一定角速度向下锯切。

采用本实施例，能够通过所述第一爪臂1a和第二爪臂1b交替抓紧在空间内以一定密度分布的组件组成的物件，如铁塔、杆式垂直爬梯或树枝等，实现机械手的整体移动。到达预定位置后，通过第一爪臂1a和第二爪臂1b将限位段200移动至目标位置或目标物件上，将其固定，然后通过设于限位段200上的执行元件，如摄像头、电动锯等进行作业。

本机械手采用两个爪臂的设计，在应用于大型钢结构框架的巡检时，可以通过摄像设备近距离地采集局部视频图像，从而方便检修人员远距离的查看钢结构的连接处是否出现裂缝、螺丝松动等情况。另外，可通过限位段200上的第一限位爪21和第二限位爪35将自身固定，然后使用第一爪臂1a和第二爪臂1b对钢结构上的塑料袋等杂物进行清理。

在应用于砍树项目时，能够灵活地向上攀爬，受到树枝的阻碍小，便于在茂密的树林中操作。在树枝被锯切前，被锯切部位被所述限位段200固定，能够根据树枝的生长情况，在树枝完全锯断后再将树枝释放，从而精确控制树枝的下落位置和下落姿态，避免树枝的树冠摆动下落过程直接触碰电网，或因为与其它树枝碰撞而使其它树枝触碰电网，提升操作安全性。

下面，以将本机械手应用于树林清障领域作为例子，详细说明本机械手的设计思路和工作原理。结合图2和图3，针对砍树项目的应用，为了实现对砍伐树枝下落位置和下落姿态的更加精确的控制，所述铰接座34两侧设有第一滑杆341和第二滑杆342，所述弹性连接座32的内侧面设有第一滑槽321和第二滑槽322，所述第一滑杆341的端部位于所述第一滑槽321中，并能在所述第一滑槽321内滑动，所述第二滑杆342的端部位于所述第二滑槽322中，并能在所述第二滑槽322内滑动；所述第一滑槽321内还设有用于驱动所述第一滑杆341复位的复位弹簧323。

优选地，所述第一滑槽321水平设置；所述第二滑槽322包括水平设置的水平导向段322a，以及与水平导向段322a的末端连接，分别向上和向下对称设置的弧形导向段322b。在初始状态下，所述第一滑杆341在复位弹簧323的推力作用下，第一滑杆341和第二滑杆342对应处于第一滑槽321和第二滑槽322的左侧，此时第一滑槽321和第二滑槽322的水平导向段322a配合，限制铰接座34相对弹性连接座32的上下摆动。

为了将砍断的树枝定向抛出，本申请设计了一套复合于机械手中的抛出机构。具体地，所述活动套33内侧设有齿条332，所述齿条332与预紧齿轮37啮合，所述预紧齿轮37与预紧电机（图中未画出）连接。所述活动限位臂本体31外表面还设有第一限位环311，所述第一限位环311与所述活动套33的内壁抵接，所述活动套33的内侧还设有第二限位环333，所述第二限位环333能够与第一限位环311抵接，以限定所述活动套33的最大行程。在树枝被砍断后，被砍断的树枝由于被第二限位爪35夹持固定，因此树枝仍然保持原有状态；此时预紧电机转动，通过预紧齿轮37和齿条332驱动活动套33压紧所述弹性连接座32，接着所述预紧齿轮37转动至其缺齿的位置，或者预紧电机撤销其对预紧齿轮37的驱动力，使得弹性连接座32在弹簧组36的弹力作用下向远离活动限位臂本体31方向弹出，所述铰接座34的第一滑杆341和第二滑杆342在弹力作用下沿第一滑槽321和第二滑槽322移动，在第一滑槽321和第二滑槽322的导向作用下将树枝的端部向斜下方抛出，树枝以接近竖直的方式下落，而且没有树冠部分向下摆动掉落的过程，被砍树枝不易与电网接触，既能保护砍树作业人员，也能避免砍树可能对电网造成的损害。

优选地，所述第一伸缩段12和第二伸缩段14均由电动液压推杆构成，所述旋转驱动机构13为伺服电机。电动液压推杆的集成度高，体积小，力量大，而伺服电机能够精确控制旋转角度，便于控制第一伸缩段12与第二伸缩段14之间夹角的控制。

优选地，所述连接件包括与所述固定限位臂2连接的连接套51，与所述活动限位臂3连接的伸缩梁52，所述伸缩梁52套设于所述连接套51中；所述连接套51内还设有用于驱动所述伸缩梁52相对所述连接套51伸缩的电动推杆（图中未画出）。在所述电动推杆的驱动下，所述伸缩梁52能够相对所述连接套51伸缩，从而控制所述固定限位臂2与活动限位臂3的距离，便于在夹持树枝前根据树枝的形态和位置对树枝进行限位固定。

下面详细说明本机械手的控制原理：

1、将本机械手人工托举或通过其它设备送到目标树木的一定高度处。

2、通过蓝牙等方式远程控制第一爪臂1a和第二爪臂1b的动作，使本机械手移动到预定位置。通过旋转电机控制第二伸缩段14旋转，从而控制第一伸缩段12的朝向；通过旋转驱动机构13控制第一伸缩段12和第二伸缩段14的夹角大小，同时配合第一伸缩段12和第二伸缩段14自身的伸缩动作，可以将第一爪臂1a和第二爪臂1b上的夹紧爪112移动至预定半径内的三维空间的任意位置，然后通过夹紧爪112将树枝夹紧，使其作为本机械手移动的支点，当另一夹紧爪112将另一位置的树枝夹紧时，松开原来的夹紧爪112，将原来的夹紧爪112向目标方向的树枝移动，以此交替，从而实现整体移动。

3、当机械手移动至目标树枝附近时，两个或单个夹紧爪112抓紧在目标树枝或目标树枝附近的树枝上，以此作为支点驱动限位段200移动至目标树枝上，第一限位爪21和第二限位爪35抓紧在目标树枝待砍伐位置的两侧。由于弹性连接座32通过弹簧组36连接于所述活动限位臂本体31的前端，因此第一限位爪21和第二限位爪35可以允许一定的位置偏差，以适应树枝的自然生长形态。

4、所述预紧电机驱动预紧齿轮37旋转，将活动套33回拉，使得弹性连接座32与活动限位臂3稍微压紧，此时弹性连接座32与活动限位臂3之间具有较强的刚性，能够在锯切过程中将树枝固定。

5、如图4所示，所述电动伐木锯42向下锯切，直到树枝400被完全锯断。

6、如图5所示，树枝锯断后，所述固定限位臂2继续抓紧靠近树干一侧的树枝；所述活动限位臂3抓紧已经被锯断的树枝，使其在短时间内保持静止。所述预紧电机驱动预紧齿轮37旋转，将活动套33回拉，使得弹性连接座32与活动限位臂3进一步压紧，接着所述预紧齿轮37转动至其缺齿的位置，或者预紧电机撤销其对预紧齿轮37的驱动力，使得弹性连接座32在弹簧组36的弹力作用下向远离活动限位臂本体31方向弹出，所述铰接座34的第一滑杆341和第二滑杆342在弹力作用下沿第一滑槽321和第二滑槽322移动，刚开始铰接座34经过第一滑槽321和第二滑槽322的水平段，带动树枝的锯断段平移；在铰接座34的第二滑杆342到达弧形导向段322b时，铰接座34将向下或向上对应翻转，同时第二限位爪35松开树枝，将树枝的端部向斜下方抛出，树枝以接近竖直的方式下落，减少树枝下落过程对周边的影响，提高安全性。

7、固定限位臂2松开，第一爪臂1a和第二爪臂1b将限位段200移动至另一待砍伐的树枝上，重复步骤3到6，直到本树所有影响供电线路的树枝都被砍伐完毕。

本机械手主要用于电力保障清障工作，其重量轻，可以攀爬输电铁架，将悬挂在铁架上的垃圾通过第一爪臂1a或第二爪臂1b夹持和清理。在其上安装独立的电动锯后，可将电动锯带到预定位置，并将可能影响输电安全的树木的部分树枝砍掉。其结构紧凑，活动灵活，具有多个活动部，能够绕过树枝的障碍带动电动锯进行移动。相对于将树木从树干整体砍倒，结合本机械手进行树枝砍伐工作，可以针对性地将对应位置的树枝砍掉，砍伐难度较低，可以缩小体积，提高便携性。另外，只砍除大树可能影响输电线路一侧的高空树枝，可以最大限度地保证树木的健康，这对于高龄树木的保护尤其重要，能够防止树的树枝被砍伐过多而死亡。

本设备可以通过人员通过蓝牙等方式远程控制，避免在砍伐过程中意外触碰高压线而威胁人员生命安全。

结合图6和图7，本发明第二实施例提供了一种机器人，所述机器人优选为砍树机器人，包括升降机构300和如上文所述的机械手，所述机械手可分离地设于所述升降机构300上；所述升降机构300包括上下对称设置的第一环体61和第二环体62，所述第一环体61和第二环体62通过连接杆63连接；所述第一环体61和第二环体62内侧均设有周向分布并向其中心方向伸出的辅助轮组7；所述连接杆63上设有攀爬电机8，所述攀爬电机8连接有攀爬轮9；所述攀爬轮9具有预设倾斜度；所述第一环体61和第二环体62均由左半环体611和右半环体612铰接组成；所述左半环体611和右半环体612连接有拉紧气缸64。

本升降机构300可以将机械手移送到树木的一定高度处，再由机械手自行进行攀爬和砍伐工作，弥补了第一实施例中部分树种接近地面的树干分支较少，机械手难以移动的缺陷，能够快速地将上述机械手送到一定高度，也免去了前段较为复杂的移动控制过程，提高砍伐效率。

优选地，所述拉紧气缸64的一端铰接于左半环体611或右半环体612上，另一端通过快接插销65与对应的左半环体611或右半环体612连接。

本升降机构300的工作原理是：

拔出快接插销65，将拉紧气缸64松开，将第一环体61和第二环体62的左半环体611和右半环体612打开，套入树干中。

通过快接插销65将拉紧气缸64与左半环体611和右半环体612连接，拉紧气缸64回缩，将左半环体611和右半环体612收紧，此时辅助轮组7与树干周向抵接，对本升降机构300提供夹持力。此时攀爬轮9也与树干抵接，由于其与树干成一定角度，当攀爬电机8驱动攀爬轮9旋转时，攀爬轮9将沿着树干螺旋上升。

当到达分支较多的位置时，所述机械手脱离本升降机构300，独自向上攀爬移动。移动和砍伐过程可参照第一实施例。

砍伐完成后，上述机械手重新落入本升降机构300中，升降机构300带着机械手下降，到达地面附近时由人工从树干上移出，到下一树上进行砍伐工作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机械手，其特征在于，包括位移驱动段和限位段；

所述位移驱动段包括设于所述限位段两侧的第一爪臂和第二爪臂，所述第一爪臂和第二爪臂的结构相同，均包括依次连接的夹紧爪总成、第一伸缩段、旋转驱动机构和第二伸缩段；所述夹紧爪总成包括夹紧爪驱动机构和夹紧爪，所述夹紧爪驱动机构能够驱动所述夹紧爪抓紧和松开；所述旋转驱动机构能够驱动第一伸缩段相对第二伸缩段摆动；

所述限位段包括固定限位臂和活动限位臂，所述固定限位臂和活动限位臂通过连接件连接；所述固定限位臂前端设有第一限位爪；所述活动限位臂包括活动限位臂本体、弹性连接座、活动套、铰接座和第二限位爪，所述弹性连接座通过弹簧组连接于所述活动限位臂本体的前端，所述弹性连接座外侧设有卡环，所述活动套套设于所述弹性连接座和活动限位臂本体外侧，所述活动套设有与所述卡环配合的卡扣，所述活动套能够通过自身移动，驱动所述弹性连接座向活动限位臂本体移动；所述铰接座铰接于所述弹性连接座上，所述第二限位爪设于所述铰接座的前端；

所述铰接座两侧均设有第一滑杆和第二滑杆，所述弹性连接座的内侧面均设有第一滑槽和第二滑槽，所述第一滑杆的端部位于所述第一滑槽中，并能在所述第一滑槽内滑动，所述第二滑杆的端部位于所述第二滑槽中，并能在所述第二滑槽内滑动；所述第一滑槽内还设有用于驱动所述第一滑杆复位的复位弹簧；

所述第二滑槽包括水平设置的水平导向段，以及与水平导向段的末端连接，分别向上和向下对称设置的弧形导向段。

2.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述活动套内侧设有齿条，所述齿条与预紧齿轮啮合，所述预紧齿轮与预紧电机连接。

3.如权利要求2所述的机械手，其特征在于，所述活动限位臂本体外表面还设有第一限位环，所述第一限位环与所述活动套的内壁抵接，所述活动套的内侧还设有第二限位环，所述第二限位环能够与第一限位环抵接，以限定所述活动套的最大行程。

4.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述连接件上还设有锯切机构，所述锯切机构包括进给机构和电动伐木锯，所述进给机构用于驱动电动伐木锯以预定速度摆动。

5.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述第一伸缩段和第二伸缩段均由电动液压推杆构成，所述旋转驱动机构为伺服电机。

6.如权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述连接件包括与所述固定限位臂连接的连接套，与所述活动限位臂连接的伸缩梁，所述伸缩梁套设于所述连接套中；所述连接套内还设有用于驱动所述伸缩梁相对所述连接套伸缩的电动推杆。

7.一种机器人，其特征在于，包括升降机构和如权利要求1-6任一项所述的机械手，所述机械手设于所述升降机构上，并可根据需求与所述升降机构分离；所述升降机构包括上下对称设置的第一环体和第二环体，所述第一环体和第二环体通过连接杆连接；所述第一环体和第二环体内侧均设有周向分布并向其中心方向伸出的辅助轮组；所述连接杆上设有攀爬电机，所述攀爬电机连接有攀爬轮；所述攀爬轮具有预设倾斜度；所述第一环体和第二环体均由左半环体和右半环体铰接组成；所述左半环体和右半环体连接有拉紧气缸。

8.如权利要求7所述的机器人，其特征在于，所述拉紧气缸的一端铰接于左半环体或右半环体上，另一端通过快接插销与对应的左半环体或右半环体连接。

Images