CN114227744A - 一种具有自锁功能的电动机械爪及其夹取物品的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自锁功能的电动机械爪，包括减速电机、机壳、丝杠副和相对设置的两组夹爪组件；所述丝杠副包括丝杠及丝杠螺母，丝杠螺母上设有圆形销轴；夹爪组件包括夹爪、滑块和V形杆，夹爪包括滑块和夹指，滑块的底部设有容纳槽，V形杆包括杆A和杆B，杆A和杆B的结合处通过铰接轴铰接在机壳上，杆A伸入容纳槽内，杆A具有斜面，杆B设置有导向槽，导向槽内滑动安装圆形销轴，以让圆形销轴在丝杠螺母的带动下在导向槽内移动，从而也让圆形销轴带动V形杆绕铰接轴的中心线转动，进而让V形杆的开口处的第一端拨动所述滑块。本发明采用丝杠螺母传动，具有自锁功能，可以避免减速电机进入锁定状态，能提高减速电机的使用寿命。

Description

一种具有自锁功能的电动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，涉及一种具有自锁功能的电动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们生产生活方面发挥了越来越重要的作用，随着科学技术的发展，机器人在各行各业的使用率更加普及，而机器人上的机械臂和机械爪就像人类的手一样，是发挥作用的重要组成部分。

机械爪按照驱动的动力来源可分为气动机械爪和电动机械爪，气动机械爪的夹持力稳定且比电动机械爪的夹持力更大，但同样的，气动机械爪结构死板，体积大，噪音高，且难以进行速度控制，无法即停即走，不能满足定位精度和抓取精度高的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有自锁功能的电动机械爪及其夹取物品的判断方法，其采用丝杠副传动，具有自锁功能，可以避免减速电机进入锁定状态，能提高减速电机的使用寿命。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，包括减速电机、机壳、丝杠副和相对设置的两组夹爪组件，其中：

所述减速电机安装在所述机壳上，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，所述丝杠螺母上设置有圆形销轴；

对于每个所述夹爪组件而言，其包括夹爪、滑块和V形杆，所述夹爪包括滑块和与所述滑块固连的用于夹取物品的夹指，所述滑块滑动安装在所述机壳上的水平滑轨上，所述滑块的底部设置有容纳槽，所述V形杆包括杆A和杆B，所述杆A的第一端和杆B的第一端固连在一起，所述杆A和杆B的结合处通过铰接轴铰接在所述机壳上，所述杆A的第二端伸入所述滑块的容纳槽内，以用于拨动所述滑块来让滑块在所述水平滑轨上滑动，所述杆A的第二端靠近杆B的一侧通过切削形成用于与容纳槽的槽底边缘接触的斜面，所述杆B的第二端设置有导向槽，所述导向槽内滑动安装所述圆形销轴，以让圆形销轴在丝杠螺母的带动下在导向槽内移动，从而也让圆形销轴带动V形杆绕铰接轴的中心线转动，进而让所述V形杆的杆A的第二端拨动所述滑块。

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，所述减速电机包括电机和行星齿轮减速箱，所述电机的电机轴与所述行星齿轮减速箱的输入轴连接，所述行星齿轮减速箱的输出轴连接所述丝杠。

优选地，所述机壳包括下盖、外壳和上盖，所述减速电机位于所述下盖和所述外壳之间，所述电机安装在所述下盖上，所述行星齿轮减速箱安装在所述外壳上，所述上盖上设置所述水平滑轨。

优选地，所述电机带有编码器和驱动器。

优选地，所述V形杆包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第二连杆呈V形，所述第二连杆包括连接在一起的第一直线段和第二直线段，所述第二连杆的第一直线段和第一连杆固连形成杆B，所述第二连杆的第二直线段和第三连杆固连形成杆A。

优选地，所述机壳上设置有与所述水平滑轨平行的水平直槽，所述水平直槽内设置有一排滚珠，所述滚珠与所述滑块接触，以用于降低摩擦，所述水平直槽的端部设置有用于防止滚珠掉出的滚珠盖。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的一种具有自锁功能的电动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，F_a为推拉丝杠螺母的竖直的力，则：

由T＝F_a*(D/2)*tan(α+β)，获得F_a＝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；

杆B的第二端也受到竖直力F_a的作用，杆B的第二端受到的力F_a分解为与杆B垂直的力F₁和与杆B平行的力F₂，F₁的作用是让V形杆围绕铰接轴的中心线旋转；

2)所述杆A的第二端上的斜面与滑块的接触点把F₁对杆A的作用分解为垂直于斜面的力F₃和平行于斜面的力F₄，然后F₃分解为平行于水平滑轨的力F₅和垂直于水平滑轨的力F₆，其中F₅为推动夹爪的滑块在水平滑轨上滑动的力，并且：

F₁＝F_a*cosθ

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₃＝F₁*cosσ；

F₅＝F₃*cos§；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，σ为F₁与F₃的夹角，§为F₃与F₅的夹角；

已知ρ,

和

则可获得夹爪在动作开始时候和动作结束时候的力F₅，也是夹爪的把持力；

在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)本发明通过V形杆的转动，将丝杠螺母的竖直移动转化为滑块和夹爪的水平移动，让两个夹爪可以相向移动来夹取物品或相背移动来松开物品，定位精度高和抓取精度高。

2)本发明创新的使用电机取代气动控制，在使用地点上更加的方便快捷，只需要有电，不需要额外的压缩空气系统，且所用行业十分广泛，根据所需环境和精度的不同，电机可以采用有刷电机，空心杯电机，步进电机，无刷电机和伺服电机。

3)本发明采用丝杠和丝杠螺母传动，具有自锁功能，可以避免电机进入锁定状态，能提高电机的使用寿命。

4)本发明在滑块和上盖接触的地方放置有滚珠，可以减少滑块和上盖之间的摩擦，提高整体机构的使用效率和使用寿命。

5)本发明设计有引导丝杠螺母滑动的竖直隧道，可以约束丝杠螺母滑动在其方位内，减少丝杠螺母在使用过程中产生的偏移，也减少丝杠螺母和丝杠之间的摩擦，提高整体机构的使用效率和使用寿命。

附图说明

图1是本发明的立体示意图；

图2是本发明撤去外壳和上盖后的主视图；

图3是本发明中丝杠副驱动夹爪的示意图；

图4是本发明中夹爪详细受力的机械简图；

图5是图4中C处的放大示意图。

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3，一种具有自锁功能的电动机械爪，包括减速电机、机壳、丝杠副和相对设置的两组夹爪组件，其中：

所述减速电机安装在所述机壳上，所述减速电机的输出轴朝上设置。

所述丝杠副包括丝杠5及穿装在所述丝杠5上的丝杠螺母51，所述丝杠5与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母51上设置有圆形销轴55。

对于每个所述夹爪组件而言，其包括夹爪1、滑块12和V形杆，所述夹爪1包括滑块12和与所述滑块12固连的用于夹取物品的夹指，所述滑块12滑动安装在所述机壳上的水平滑轨上，所述滑块12的底部设置有容纳槽，所述V形杆包括杆A和杆B，所述杆A的第一端和杆B的第一端固连在一起，所述杆A和杆B的结合处通过铰接轴56铰接在所述机壳上，所述杆A的第二端伸入所述滑块12的容纳槽内，以用于拨动所述滑块12来让滑块12在所述水平滑轨上滑动。所述杆A的第二端靠近杆B的一侧通过切削形成用于与容纳槽的槽底边缘接触的斜面，方便拨动滑块。斜面是在夹爪闭合时与槽底边缘接触来拨动滑块。在杆A的第二端的与斜面相对的一侧，也是用于在夹爪分开时拨动滑块的，在这一侧可以拟合出曲面，该曲面无论是在夹爪闭合还是分开的移动过程中，一直都与槽底边缘接触，这样就可以防止这一侧与槽底边缘分离而出现空隙，如果出现空隙，会导致夹爪闭合时杆A出现空行程，在这段空行程内杆A没有带动滑块移动，影响工作效率。所述杆B的第二端设置有导向槽，所述导向槽内滑动安装所述圆形销轴55，以让圆形销轴55在丝杠螺母51的带动下在导向槽内移动，从而也让圆形销轴55带动V形杆绕铰接轴56的中心线转动，进而让所述V形杆的杆A的第二端拨动所述滑块12。

进一步，所述机壳内设置有用于对丝杠螺母51的上下移动进行导向的竖直隧道。竖直隧道可以约束丝杠螺母51滑动在其方位内，减少丝杠螺母51在使用过程中产生的偏移，也减少丝杠螺母51和丝杠5之间的摩擦，提高整体机构的使用效率和使用寿命。

进一步，所述机壳包括下盖42、外壳3和上盖2，所述减速电机位于所述下盖42和所述外壳3之间，所述电机4优选通过第一螺钉43安装在所述下盖42上，所述行星齿轮减速箱41安装在所述外壳3上，所述上盖2上设置所述水平滑轨。上盖2和外壳3通过四个第二螺钉21固定安装在一起。外壳3上预留有容纳孔31和安装孔32，铰接轴56伸入容纳孔31内。安装孔32用于将外壳3安装在使用的机器譬如机械臂上

进一步，每个夹爪1上分别开有两个连接孔11，根据所需夹取物品的形状和性质的不同，可以安装不同形状的定制爪子。

进一步，所述减速电机包括电机4和行星齿轮减速箱41，所述电机4的电机轴与所述行星齿轮减速箱41的输入轴连接，所述行星齿轮减速箱41的输出轴连接所述丝杠5。通过电机4的输出轴安装减速箱41，可以让出力增大，且转速变小，这样让夹爪1的加持力增大，便于夹取重量更重的物品，也能让夹爪1开合更加缓慢平稳，保证所加持物品不会因为夹爪1的突然动作而挤压或掉落。减速箱41和外壳3通过螺丝固定安装在一起。

进一步，所述电机4带有编码器和驱动器，具有量化反馈和控制功能，可以让机械爪的控制更加精密，反应更加迅速。

进一步，所述V形杆包括第一连杆52、第二连杆53和第三连杆54，所述第二连杆53呈V形，所述第二连杆53包括连接在一起的第一直线段和第二直线段，所述第二连杆53的第一直线段和第一连杆52固连形成杆B，所述第二连杆53的第二直线段和第三连杆54固连形成杆A。

进一步，所述机壳上设置有与所述水平滑轨平行的水平直槽，所述水平直槽内设置有一排滚珠15，所述滚珠15与所述滑块12接触，以用于降低摩擦，所述水平直槽的端部设置有用于防止滚珠15掉出的滚珠盖13。滚珠15可以减少滑块12和机壳之间的摩擦，提高整体机构的使用效率和使用寿命。上盖2上安装有挡板，滚珠盖13安装在挡板上，挡板与上盖2通过第四螺钉14连接。

参照图4、图5，按照本发明的另一个方面，还提供了所述的一种具有自锁功能的电动机械爪夹取物品的判断方法，包括以下步骤：

1)令T为减速电机的输出扭矩，F_a为推拉丝杠螺母51的竖直的力，则：

由T＝F_a*(D/2)*tan(α+β)，获得F_a＝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，f参照材料、设计和加工参数确定；

以夹爪1闭合为例，杆B的第二端也受到竖直力F_a的作用，杆B的第二端受到的力F_a分解为与杆B垂直的力F₁和与杆B平行的力F₂，F₁的作用是让V形杆围绕铰接轴56的中心线旋转；

2)所述杆A的第二端上的斜面与滑块12的接触点把F₁对杆A的作用分解为垂直于斜面的力F₃和平行于斜面的力F₄，然后F₃分解为平行于水平滑轨的力F₅和垂直于水平滑轨的力F₆，其中F₅为推动夹爪1的滑块12在水平滑轨上滑动的力，并且：

F₁＝F_a*cosθ

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₃＝F₁*cosσ；

F₅＝F₃*cos§；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，σ为F₁与F₃的夹角，§为F₃与F₅的夹角；

已知夹爪1在动作开始时候和动作结束时的角度ρ,

和

则经过分析可获得夹爪1在动作开始时候和动作结束时候的力F₅，也就是夹爪1的把持力；

在夹爪1夹取物品之前对物品的性质和承受力进行判断，判断夹爪1能否夹取物品，从而保证物品不会被损坏。

用以上的分析方法，可以对夹爪1打开的时候的力分布，其力的方向相反于打开时的方向。

工作原理：根据外接电源，通过驱动板给减速电机的电机4通电，电机4通电后正转(CW)或反转(CCW)，带动丝杠5正转或反转，如果丝杠5带右旋螺纹，当电机反转(CCW)的时候，丝杠5反转，带动与丝杠5啮合的丝杠螺母51向下运动，丝杠螺母51向下运动会通过圆形销轴55给第一连杆52一个向下的拉力，因此，第二连杆53会围绕第二铰接轴56向内旋转，进而带动一对第三连杆54和滑块12做相向直线运动，从而带动机械夹爪1平行闭合，夹取物品。

当机械夹爪1夹取到物品之后，驱动板根据反馈进行断电处理，因为丝杠螺母51传动组合带自锁功能，即使电机4断电，丝杠螺母51也不会回落，这就保证机械夹爪1能夹取牢固物品不会掉落，且能保证电机4不会进入锁定状态，提高电机4的使用寿命。

当机械夹爪1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电机4进行正转(CW)，电机4的正转带动丝杠5正转，与丝杠5啮合的丝杠螺母51则向上运动，丝杠螺母51向上运动会通过圆形销轴55给铰接在圆形销轴55上的第一连杆52产生一个向上的推力，因此，第二连杆53会围绕第二铰接轴56向外旋转，进而带动一对滑块12做背向直线运动，从而带动机械夹爪1平行松开，放下物品。

如果丝杠5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51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 (8)

1.一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，包括减速电机、机壳、丝杠副和相对设置的两组夹爪组件，其中：

所述减速电机安装在所述机壳上，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，所述丝杠螺母上设置有圆形销轴；

对于每个所述夹爪组件而言，其包括夹爪、滑块和V形杆，所述夹爪包括滑块和与所述滑块固连的用于夹取物品的夹指，所述滑块滑动安装在所述机壳上的水平滑轨上，所述滑块的底部设置有容纳槽，所述V形杆包括杆A和杆B，所述杆A的第一端和杆B的第一端固连在一起，所述杆A和杆B的结合处通过铰接轴铰接在所述机壳上，所述杆A的第二端伸入所述滑块的容纳槽内，以用于拨动所述滑块来让滑块在所述水平滑轨上滑动，所述杆A的第二端靠近杆B的一侧通过切削形成用于与容纳槽的槽底边缘接触的斜面，所述杆B的第二端设置有导向槽，所述导向槽内滑动安装所述圆形销轴，以让圆形销轴在丝杠螺母的带动下在导向槽内移动，从而也让圆形销轴带动V形杆绕铰接轴的中心线转动，进而让所述V形杆的杆A的第二端拨动所述滑块。

2.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，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所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，所述减速电机包括电机和行星齿轮减速箱，所述电机的电机轴与所述行星齿轮减速箱的输入轴连接，所述行星齿轮减速箱的输出轴连接所述丝杠。

4.根据权利要求3所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，所述机壳包括下盖、外壳和上盖，所述减速电机位于所述下盖和所述外壳之间，所述电机安装在所述下盖上，所述行星齿轮减速箱安装在所述外壳上，所述上盖上设置所述水平滑轨。

5.根据权利要求3所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，所述电机带有编码器和驱动器。

6.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，所述V形杆包括第一连杆、第二连杆和第三连杆，所述第二连杆呈V形，所述第二连杆包括连接在一起的第一直线段和第二直线段，所述第二连杆的第一直线段和第一连杆固连形成杆B，所述第二连杆的第二直线段和第三连杆固连形成杆A。

7.根据权利要求1所述的一种具有自锁功能的电动机械爪，其特征在于，所述机壳上设置有与所述水平滑轨平行的水平直槽，所述水平直槽内设置有一排滚珠，所述滚珠与所述滑块接触，以用于降低摩擦，所述水平直槽的端部设置有用于防止滚珠掉出的滚珠盖。

8.权利要求1～7中任一权利要求所述的一种具有自锁功能的电动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，F_a为推拉丝杠螺母的竖直的力，则：

由T＝F_a*(D/2)*tan(α+β)，获得F_a＝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；

杆B的第二端也受到竖直力F_a的作用，杆B的第二端受到的力F_a分解为与杆B垂直的力F₁和与杆B平行的力F₂，F₁的作用是让V形杆围绕铰接轴的中心线旋转；

2)所述杆A的第二端上的斜面与滑块的接触点把F₁对杆A的作用分解为垂直于斜面的力F₃和平行于斜面的力F₄，然后F₃分解为平行于水平滑轨的力F₅和垂直于水平滑轨的力F₆，其中F₅为推动夹爪的滑块在水平滑轨上滑动的力，并且：

F₁＝F_a*cosθ

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₃＝F₁*cosσ；

F₅＝F₃*cos§；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，σ为F₁与F₃的夹角，§为F₃与F₅的夹角；

已知ρ,β和

则可获得夹爪在动作开始时候和动作结束时候的力F₅，也是夹爪的把持力；

在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。

Images