CN114227697A - 一种高寿命的通用电控机械爪及其夹取物品的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寿命的通用电控机械爪，包括机壳、减速电机、丝杠副、电机驱动板、信号线和两个夹爪；丝杠副包括丝杠及丝杠螺母，丝杠与减速电机的输出轴同轴连接，丝杠螺母包括螺母本体及两个连接部，每个所述连接部上均设置有圆形销轴，每个所述圆形销轴分别连接一所述夹爪；对于每个所述夹爪而言，其包括U形连杆和指节，所述U形连杆与所述指节的下端固连，所述U形连杆的开口叉入所述圆形销轴，以使U形连杆在圆形销轴的带动下相对圆形销轴移动和转动，所述U形连杆的上端通过铰轴可转动安装在所述机壳上，所述铰轴和所述圆形销轴相互平行。本发明传动精度高，使用寿命长，机械爪开合平滑，增加了机械爪整体结构的使用寿命。

Description

一种高寿命的通用电控机械爪及其夹取物品的判断方法

技术领域

本发明属于机械爪领域，更具体地，涉及一种通用电控机械爪及其夹取物品的判断方法。

背景技术

众所周知，机器人设备在帮助人类生产生活方面发挥着越来越多的作用，随着科技的发展，机器人的种类和所用于的行业也越来越多，在机械制造、冶金、电子、轻工等行业，很多都已经用机器人来代替人类的繁重劳动。

而机械爪作为机器人机械手上不可或缺的部件，常用来夹取、搬运物体，具有使用方便，结构简单，适应性好的优点。

市面上已有的机械爪多为专用机械爪，根据需要抓取零件和物品的形状大小的不同，而设计的专用机械爪，其结构复杂，驱动方式也复杂，容易出现故障，使用寿命不长；此外，其一般只能用于一种固定的零件或物品的抓取，无法通用。

此外，现在的夹爪夹取物体时，只是依靠人为的经验来判断能否夹持物品而不破坏物品，并没有一个定量的判断依据，而人为主观判断并不一定准确，误差很大，容易出现夹不住物品或者因夹持力过大而损坏物品的情况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高寿命的通用电控机械爪及其夹取物品的判断方法，通用电控机械爪的传动精度高，使用寿命长，机械爪开合平滑，增加了机械爪整体结构的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副、电机驱动板、信号线和两个夹爪，其中：

所述减速电机和驱动板均位于所述机壳内且均安装在所述机壳上，所述电机驱动板与所述减速电机连接，所述信号线的一端与所述电机驱动板连接而另一端露出所述机壳，所述减速电机的输出轴朝上设置；

所述丝杠副包括丝杠及穿装在所述丝杠上的丝杠螺母，所述丝杠与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母包括穿装在所述丝杠上的螺母本体及固设在所述螺母本体上的两个连接部，每个所述连接部上均设置有水平的圆形销轴，每个所述圆形销轴分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括U形连杆和指节，所述U形连杆与所述指节的下端固连，所述U形连杆的开口叉入所述圆形销轴，以使U形连杆在圆形销轴的带动下相对圆形销轴移动和转动，所述U形连杆的上端通过铰轴可转动安装在所述机壳上，所述铰轴和所述圆形销轴相互平行。

优选地，所述机壳内设置有用于对丝杠螺母的上下移动进行导向的竖直隧道。

优选地，所述机壳包括外壳、侧面上盖和侧面下盖，所述侧面上盖和侧面下盖分别盖合在所述外壳的上部和下部。

优选地，所述铰轴通过滚珠轴承可转动安装在所述机壳上。

优选地，所述信号线上套接有护线套，所述护线套的一端伸入所述机壳内并且此端与所述机壳密封连接。

优选地，每个所述夹爪上均设置有安装孔，以用于安装不同形状的夹指。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的一种高寿命的通用电控机械爪夹取物品的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)令T为减速电机的输出扭矩，则U形连杆与圆形销轴接触的部位受到的竖直力F分析如下：

F＝T/((D/2)*tan(α+β))；

其中，D为丝杠的螺纹中径，α为丝杠的螺纹升角且α＝tan^-1(L_d/πD)，L_d为丝杠的螺纹牙距；β为当量摩擦角且β＝tan^-1f，f为丝杠与丝杠螺母组成的丝杠副的当量摩擦系数；

2)竖直力F分解成F₁和F₂两个垂直的力，其中F₁的方向垂直于U形连杆，F₂的方向平行于U形连杆，F₁为拖动U形连杆旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

则指节的上端也受到力F₁的作用，反向的力F₁在指节的上端分解成F_d和F_m，F_d垂直于指节，F_m平行于指节，F_d为拖动指节旋转的力，并且F_d＝F₁*cosθ，θ为F_d与F₁之间的夹角；

其中，

为指节的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为指节的长度方向与F_d的夹角；

θ为动态角，随着指节的转动而变，定义θ_i和F_i为指节启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为指节停止瞬间的θ角和对应的把持力，则：

F_i＝F₁*cosθ_i；F_z＝F₁*cosθ_z；

4)

和ρ根据夹爪大小确定或测量，减速电机选定好以后，获得把持力F_i和F_z，根据F_i和F_z，在两个夹爪夹取物品之前对物品的性质和承受力进行判断，判断夹爪能否夹取物品，从而保证物品不会被损坏。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明提供一种高寿命的通用电动机械爪，采用减速电机驱动替换传统的气缸驱动模式，不需要额外带空气压缩器，可以应用于任何有电的场所；且相比气缸驱动，电机驱动噪音小，更加符合环保要求。减速电机后固定有电机驱动板，可以根据反馈数据来调节和控制，使得机械爪开合平稳，响应迅速。

2)机械爪上开有安装孔，根据不同形状的物品可以使用不同的爪子，而没必要拆卸整个机械臂。

3)传动结构采用了丝杠螺母和丝杠相互配合，机械爪具有自锁功能，可以保护减速电机的电机，增加了丝杠螺母移动的竖直隧道，可以让丝杠螺母滑动更加均匀，机械爪开合更加平滑，增加了机械爪整体结构的使用寿命。

4)本发明能根据用户所需环境和精度要求，而采用如：有刷电机、空心杯电机、步进电机、无刷电机或伺服电机等不同的电机，适用于各行业的机器人手臂，通用性强，便于拆卸、更换、安装、和调试。

5)本发明可在夹持物品前判断机械爪是否会对物品造成破坏，安全性和可靠性高。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的机壳撤去一部分后的立体图；

图3是本发明的机壳撤去一部分后的主视图；

图4是本发明的立体图；

图5为本发明机械爪从分开到闭合的示意图；

图6为本发明机械爪从闭合到分开的示意图；

图7为本发明的U形连杆和机械爪的受力分析图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图6，一种高寿命的通用电控机械爪，包括机壳、减速电机、丝杠副、电机驱动板14、信号线5和两个夹爪，其中：

所述减速电机和驱动板均位于所述机壳内且均安装在所述机壳上，所述电机驱动板14与所述减速电机连接，所述信号线5的一端与所述电机驱动板14连接而另一端露出所述机壳，所述减速电机的输出轴朝上设置；

所述丝杠副包括丝杠9及穿装在所述丝杠9上的丝杠螺母8，所述丝杠9与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母8包括穿装在所述丝杠9上的螺母本体及固设在所述螺母本体上的两个连接部，每个所述连接部上均设置有水平的圆形销轴17，每个所述圆形销轴17分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括U形连杆7和指节1，所述U形连杆7与所述指节1的下端固连，两者优选一体成型，所述U形连杆7的开口叉入所述圆形销轴17，以使U形连杆7在圆形销轴17的带动下相对圆形销轴17移动和转动，所述U形连杆7的上端通过铰轴18可转动安装在所述机壳上，所述铰轴18和所述圆形销轴17相互平行。铰轴18包括转轴和轴承，转轴通过所述轴承可转动安装在所述机壳上，U形连杆7和指节1与转轴固定连接。转轴上连接有编码器，可以知道夹爪的位置。

进一步，所述机壳内设置有用于对丝杠螺母8的上下移动进行导向的竖直隧道10。竖直隧道10用于约束丝杠螺母8滑动在其方位内，减少偏移和磨损。

进一步，所述机壳包括外壳16、侧面上盖2和侧面下盖3，所述侧面上盖2和侧面下盖3分别盖合在所述外壳16的上部和下部，整体对内部零件起到保护作用。

进一步，所述铰轴18通过滚珠轴承15可转动安装在所述机壳上，可使得夹爪比较顺滑地转动，而且可以降低装配难度，夹爪通过丝杠螺母8的推动绕销轴的中心线旋转，形成开合，用于抓取物品。

进一步，所述信号线5上套接有护线套4，所述护线套4的一端伸入所述机壳内并且此端与所述机壳密封连接，护线套4可以防止灰尘等进入机壳内，起到一定的防护作用。

进一步，每个所述夹爪上均设置有安装孔6，以用于安装不同形状的夹指。

参照图7，按照本发明的另一个方面，还提供了所述的高精度电动机械爪的夹持物品的判断方法，包括以下步骤：

1)受力分析中，指节1和U形连杆7均简化为直杆；

令T为减速电机的输出扭矩，则U形连杆7与圆形销轴17接触的部位受到的竖直力F分析如下：

由T＝F*(D/2)*tan(α+β)，获得F＝T/((D/2)*tan(α+β))；

其中F等于丝杠螺母9直线运动的竖直的推拉力，D为丝杠10的螺纹中径，α为丝杠10的螺纹升角且α＝tan^-1(L_d/πD)，L_d为丝杠10的螺纹牙距；β为当量摩擦角且β＝tan^-1f，f为丝杠10与丝杠螺母9组成的丝杠副的当量摩擦系数，f参照材料、设计和加工参数确定；

2)U形连杆7与圆形销轴17接触的部位所受竖直力F分解成F₁和F₂两个垂直的力，其中F₁的方向垂直于U形连杆7，F₂的方向平行于U形连杆7，F₁为拖动U形连杆7旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

则指节1的上端也受到力F₁的作用，并且指节1的上端的力F₁与第一连杆8受到的力F₁方向相反，反向的力F₁在指节1的上端分解成F_d和F_m，F_d垂直于指节1，F_m平行于指节1，F_d为拖动指节1旋转的力，并且F_d＝F₁*cosθ，θ为F_d与F₁之间的夹角；

为指节1的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为指节1的长度方向与F_d的夹角，γ＝90°；

θ为动态角，随着指节1的转动而变，定义θ_i和F_i为指节1启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为指节1停止瞬间的θ角和对应的把持力，则：

F_i＝F₁*cosθ_i；F_z＝F₁*cosθ_z；

4)

和ρ根据夹爪大小确定或测量，减速电机选定好以后，获得把持力F_i和F_z，根据F_i和F_z，在两个夹爪夹取物品之前对物品的性质和承受力进行判断，判断夹爪能否夹取物品，从而保证物品不会被损坏。

图4～图6为夹爪闭合时的受力情况，此时力F竖直朝下。

丝杠9上升和下降过程中，上面各力的方向相反。

本发明的减速电机包括电机12和与电机12的电机轴连接的减速箱11，减速箱11可以让电机12的出力增大，且转速变小，这样让夹爪的夹持能力增大，且运行缓慢平稳。电机驱动板14安装在安装板13上，安装板13通过螺丝固定在外壳16上。外壳16上开有出线孔，信号线5套在护线套4上从出线孔中伸出，可以外接电源或信号发生器进行驱动和调试。

本发明的工作过程如下：

信号线5根据外接电源，通过电机驱动板14给电机12通电，带动电机12正反转，如果丝杠9为右旋螺纹，当电机12反转(CCW)的时候，带动齿轮箱的出轴反转，从而带动丝杠9逆时针旋转，丝杠9逆时针旋转会带动啮合在外面的丝杠螺母8在竖直隧道10内进行向下运动，丝杠螺母8向下运动的时候会给U形连杆7一个向下的拉力，从而带动U形连杆7围绕圆形销轴17相向旋转，U形连杆7的相向旋转带动一对夹爪相向旋转，进而夹取物品。

夹爪夹取到物品之后，电机驱动板14根据电机12的量化数据反馈，进行断电处理，因为螺旋升角小于齿面间当量摩擦角，所以螺旋传动具有自锁功能，这样，丝杠螺母8就会静止在当前位置，而通过圆形销轴17安装在丝杠螺母8上的U形连杆7也会静止在当前位置，这就保证了一对夹爪处于静止状态，也就是说，即便电机12断电之后，夹爪也能稳定可靠的夹持物品，而不会发生掉落。当夹爪夹取物品到指定地点或位置之后，根据外接电源或信号发生器的信息，电机12正转(CW)，进而带动减速箱11的出轴正转，也就带动丝杠9顺时针旋转，丝杠9顺时针旋转的时候，与它啮合的丝杠螺母8则会在竖直隧道10内做向上的运动，丝杠螺母8向上运动会给根据圆形销轴17安装在丝杠螺母8上的U形连杆7一个向上的推力，这个推力会让两个U形连杆7围绕圆形销轴17背向旋转，从而带动一对夹爪背向旋转，夹爪分开而放下物品。

如果丝杠9为左旋螺纹(常用右旋螺纹，只有在右旋螺纹无法满足的情况下用左旋螺纹)，则丝杠螺母8的升降情况与上述相反。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副、电机驱动板、信号线和两个夹爪，其中：

所述减速电机和驱动板均位于所述机壳内且均安装在所述机壳上，所述电机驱动板与所述减速电机连接，所述信号线的一端与所述电机驱动板连接而另一端露出所述机壳，所述减速电机的输出轴朝上设置；

所述丝杠副包括丝杠及穿装在所述丝杠上的丝杠螺母，所述丝杠与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母包括穿装在所述丝杠上的螺母本体及固设在所述螺母本体上的两个连接部，每个所述连接部上均设置有水平的圆形销轴，每个所述圆形销轴分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括U形连杆和指节，所述U形连杆与所述指节的下端固连，所述U形连杆的开口叉入所述圆形销轴，以使U形连杆在圆形销轴的带动下相对圆形销轴移动和转动，所述U形连杆的上端通过铰轴可转动安装在所述机壳上，所述铰轴和所述圆形销轴相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，所述机壳内设置有用于对丝杠螺母的上下移动进行导向的竖直隧道。

3.根据权利要求1所述的一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，所述机壳包括外壳、侧面上盖和侧面下盖，所述侧面上盖和侧面下盖分别盖合在所述外壳的上部和下部。

4.根据权利要求1所述的一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，所述铰轴通过滚珠轴承可转动安装在所述机壳上。

5.根据权利要求1所述的一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，所述信号线上套接有护线套，所述护线套的一端伸入所述机壳内并且此端与所述机壳密封连接。

6.根据权利要求1所述的一种高寿命的通用电控机械爪，其特征在于，每个所述夹爪上均设置有安装孔，以用于安装不同形状的夹指。

7.权利要求1～6中任一所述的一种高寿命的通用电控机械爪夹取物品的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)令T为减速电机的输出扭矩，则U形连杆与圆形销轴接触的部位受到的竖直力F分析如下：

F＝T/((D/2)*tan(α+β))；

其中，D为丝杠的螺纹中径，α为丝杠的螺纹升角且α＝tan^-1(L_d/πD)，L_d为丝杠的螺纹牙距；β为当量摩擦角且β＝tan^-1f，f为丝杠与丝杠螺母组成的丝杠副的当量摩擦系数；

2)竖直力F分解成F₁和F₂两个垂直的力，其中F₁的方向垂直于U形连杆，F₂的方向平行于U形连杆，F₁为拖动U形连杆旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

则指节的上端也受到力F₁的作用，反向的力F₁在指节的上端分解成F_d和F_m，F_d垂直于指节，F_m平行于指节，F_d为拖动指节旋转的力，并且F_d＝F₁*cosθ，θ为F_d与F₁之间的夹角；

其中，

为指节的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为指节的长度方向与F_d的夹角；

θ为动态角，随着指节的转动而变，定义θ_i和F_i为指节启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为指节停止瞬间的θ角和对应的把持力，则：

F_i＝F₁*cosθ_i；F_z＝F₁*cosθ_z；

4)

和ρ根据夹爪大小确定或测量，减速电机选定好以后，获得把持力F_i和F_z，根据F_i和F_z，在两个夹爪夹取物品之前对物品的性质和承受力进行判断，判断夹爪能否夹取物品，从而保证物品不会被损坏。

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