CN114227747B - 一种具有抓握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抓握功能的电动机械爪，包括机壳、减速电机、丝杠副和三个夹爪，丝杠副包括丝杠及丝杠螺母，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三个圆形销轴；夹爪包括下指节、上指节、第一连杆和第二连杆，第一连杆的上端通过第一铰轴与上指节铰接，上指节与所述下指节通过第二铰轴铰接，第一连杆的下端通过第三铰轴与丝杠螺母铰接，第二连杆与下指节的结合处通过第四铰轴铰接在机壳上，第二连杆的下端设置有导向槽，所述第一铰轴～第四铰轴均位于所述圆形销轴的上方，导向槽内容纳一所述圆形销轴。本发明通过上指节和下指节的配合，在球状物品的抓握上具有优越性，却又不妨碍抓取长条形物品。

Description

一种具有抓握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，涉及电动机械爪及其夹取物品的判断方法。

背景技术

机器人设备对环境适应性高，且效率可靠，可以代替人类完成繁重的劳动，因此，越来越多的行业采用机器人设备代替人类工作，经过科学技术的发展，机器人设备的种类越来越多，而机器人上的机械臂和机械爪是帮助机器人发挥功能的重要组成部分。

通常，机器人或机械臂通过末端执行器进行操作，在装配，移动等方面，机械爪是应用最多的末端执行器，而现有的机械爪多为直线型，在夹取或移动球状物体时，使用不太方便，且容易掉落。

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，本发明提供了一种具有抓握功能的电动机械爪及其夹取物品的判断方法，其通过上指节和下指节的配合，在球状物品的抓握上具有优越性，却又不妨碍抓取长条形物品。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副和三个夹爪，这三个所述夹爪呈三角形布置，其中：

所述减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，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三个圆形销轴，每个所述圆形销轴均水平设置且分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括下指节、上指节、第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的上端通过第一铰轴与所述上指节铰接，所述上指节与所述下指节通过第二铰轴铰接，所述第一连杆的下端通过第三铰轴与所述丝杠螺母铰接，所述第二连杆的上端与所述下指节的下端固连，所述第二连杆与所述下指节的结合处通过第四铰轴铰接在所述机壳上，所述第二连杆的下端设置有导向槽，所述第一铰轴～第四铰轴均位于所述圆形销轴的上方，所述圆形销轴、第一铰轴～第四铰轴相互平行，所述第一铰轴～第四铰轴分布在四边形的四个顶点上，所述导向槽内容纳一所述圆形销轴，以让圆形销轴在丝杠螺母的带动下在导向槽内移动，从而让圆形销轴带动第二连杆和下指节绕第四铰轴的中心线转动，并且也让第一连杆带动上指节绕第二铰轴的中心线转动，实现下指节和上指节转动来夹取或松开物品。

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，所述第一连杆整体呈V形并且其V角为钝角。

优选地，三个所述夹爪呈等腰三角形布置。

优选地，所述机壳包括外壳、夹爪底座和上盖，所述夹爪底座安装在所述外壳顶部，所述第四铰轴安装在所述夹爪底座上，所述上盖盖合在所述夹爪底座上并且两者固定连接。

优选地，所述夹爪底座上设置有用于对螺母的上下移动进行导向的竖直隧道。

优选地，所述减速电机的电机带有编码器和驱动器。

按照本发明的另一个方面，还提供了任一所述的一种具有抓握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，则第二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的方向垂直于第二连杆，F₂的方向平行于第二连杆，F₁为拖动第二连杆旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

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

其中， 为下指节的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为下指节的长度方向与F_d的夹角；

θ为动态角，随着下指节的转动而变，定义θ_i和F_i为下指节启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为下指节停止瞬间的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，在三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)本发明通过设置第一连杆，在丝杠螺母带动第二连杆绕圆形销轴转动的同时，第一连杆也可带动上指节绕第二铰轴的中心线转动，从而使得一个减速电机驱动丝杠螺母移动即可带动下指节和上指节同时转动，不需要额外再增加动力装置来驱动上指节绕第二铰轴的中心线转动，控制简单可靠。

2)本发明提供的一种具有抓握功能的高精度电动机械爪，机械爪仿人手指设计，拥有下指节和上指节，且三个手指呈T形分布，在球状物品的抓握上具有优越性，却又不妨碍抓取长条形物品。

3)本发明根据用户所需环境和精度的不同，可以采用如：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减速电机，适用范围广，可用于各行业各精度要求的机器人手臂。

4)本发明的传动结构采用丝杠与丝杠螺母传动，带自锁功能，可以保护减速电机，增加电机的使用寿命。

5)本发明的夹爪整体都采用连杆带动，设计结构简单，装配容易。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明撤去上盖后的立体图；

图3是本发明撤去机壳后的示意图；

图4是本发明中下指节和第二连杆的受力分析图；

图5是本发明中丝杠副驱动单个夹爪的示意图；

图6是本发明中夹爪、第一连杆和第二连杆的受力分析图。

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3，一种具有抓握功能的电动机械爪，包括机壳、减速电机、丝杠副和三个夹爪，这三个所述夹爪呈三角形布置，优选呈等腰三角形布置，其中两个夹爪呈直线安装，另一个夹爪跟之前的两根整体呈直角安装，这样既能方便抓取球状物品，又能抓取长条形的物品，其中：

所述减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，所述减速电机的输出轴朝上设置。减速电机的电机12的输出轴安装有减速箱11，可以让出力增大，且转速变小，这样让夹爪的加持力增大，便于夹取重量更重的物品，也能让夹爪开合更加缓慢平稳，保证所加持物品不会因为夹爪的突然动作而挤压或掉落。

所述丝杠副包括丝杠10及穿装在所述丝杠10上的丝杠螺母9，所述丝杠10与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母9上设置有三个圆形销轴17，每个所述圆形销轴17均水平设置且分别连接一所述夹爪。

对于每个所述夹爪而言，其包括下指节2、上指节1、第一连杆6和第二连杆8，所述第一连杆6的上端通过第一铰轴13与所述上指节1铰接，所述上指节1与所述下指节2通过第二铰轴14铰接，所述第一连杆6的下端通过第三铰轴15与所述丝杠螺母9铰接，第二连杆8为U形连杆，其开口朝向圆形销轴17，所述第二连杆8的上端与所述下指节2的下端固连，所述第二连杆8与所述下指节2的结合处通过第四铰轴16铰接在所述机壳上，所述第二连杆8的下端设置有导向槽，所述第一铰轴13～第四铰轴16均位于所述圆形销轴17的上方，所述圆形销轴17、第一铰轴13～第四铰轴16相互平行，所述第一铰轴13～第四铰轴16分布在四边形的四个顶点上，所述导向槽内容纳一所述圆形销轴17，以让圆形销轴17在丝杠螺母9的带动下在导向槽内移动，从而让圆形销轴17带动第二连杆8和下指节2绕第四铰轴16的中心线转动，并且也让第一连杆6带动上指节1绕第二铰轴14的中心线转动，实现下指节2和上指节1转动来夹取或松开物品。

其中一个夹爪上，第一铰轴13、第三铰轴15、第四铰轴16和第二铰轴14按顺时针方向依次布置。另一个夹爪上，第一铰轴13、第三铰轴15、第四铰轴16和第二铰轴14按逆时针方向依次布置。

进一步，所述第一连杆6整体呈V形，并且其V角为钝角，第一连杆6优选呈浅V形。

进一步，所述机壳包括外壳5、夹爪底座4和上盖3，所述夹爪底座4安装在所述外壳5顶部，所述第四铰轴16安装在所述夹爪底座4上，所述上盖3盖合在所述夹爪底座4上并且两者固定连接。

进一步，所述夹爪底座4上设置有用于对丝杠螺母9的上下移动进行导向的竖直隧道7，竖直隧道7用于约束丝杠螺母9滑动在其方位内，减少丝杠螺母9的偏移和磨损。

进一步，所述减速电机的电机12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。

本发明的竖直隧道7的两侧又开设安装圆孔，用于安装夹爪的下指节2，夹爪底座4通过螺丝和减速箱11固定，丝杠螺母9安装在丝杠10上，丝杠螺母9的内牙和丝杠10的外牙互相啮合，把丝杠10的螺旋运行转化为螺母的直线运动。所述减速电机通电后正反转(CW或CCW)，带动丝杠10正反转，进而带动丝杠螺母9做上下直线运动。

本发明的工作过程如下：

减速电机通过外接电源或信号发生器的信息来正、反转，如果丝杠10为右旋螺纹，当减速电机的电机12反转(CCW)的时候，带动减速电机的减速箱11的输出轴反转，从而带动丝杠10逆时针旋转，丝杠10逆时针旋转会带动啮合在外面的丝杠螺母9在丝杠螺母9滑动的竖直隧道7内进行向下运动，因为夹爪的上指节1和下指节2分别通过第一连杆6和第二连杆8固定安装在丝杠螺母9上，所以丝杠螺母9向下运动的时候会给第二连杆8和第一连杆6一个向下的拉力，从而带动第二连杆8围绕第四铰轴16的中心线转动和以及带动第一连杆6围绕第三铰轴15旋转，第二连杆8和第一连杆6都向内转动，也就带动夹爪的上指节1和下指节2同时运动，使得夹爪闭合，进而夹取物品。

夹爪夹取到物品之后，外接驱动器可以根据减速电机自带编码器的量化数据反馈，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9就会静止在当前位置，而通过圆形销轴17安装在丝杠螺母9上的第二连杆8和通过第三铰轴15安装在丝杠螺母9上的第一连杆6也会静止在当前位置，这就保证了夹爪处于静止状态，也就是说，即便减速电机断电之后，夹爪也能稳定可靠的夹持物品，而不会发生掉落。

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，减速电机正转(CW)，进而带动减速箱11的输出轴正转，也就带动丝杠10顺时针旋转，丝杠10顺时针旋转的时候，与它啮合的丝杠螺母9则会在丝杠螺母9隧道7内做向上的运动，丝杠螺母9向上运动会给根据圆形销轴17安装在丝杠螺母9上的第二连杆8和第一连杆6一个向上的推力，这个推力会让第二连杆8和第一连杆6向外旋转，从而带动夹爪的上指节1和下指节2同时向外旋转，使得夹爪分开而放下物品。

参照图4～图6，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，上指节1、下指节2、第二连杆8和V形的第一连杆6的两段均简化为直杆；

令T为减速电机的输出扭矩，则第二连杆8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)第二连杆8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的方向垂直于第二连杆8，F₂的方向平行于第二连杆8，F₁为拖动第二连杆8旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

则下指节2的上端也受到力F₁的作用，并且下指节2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在下指节2的上端分解成F_d和F_m，F_d垂直于下指节2，F_m平行于下指节2，F_d为拖动下指节2旋转的力，并且F_d＝F₁*cosθ，θ为F_d与F₁之间的夹角；

为下指节2的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为下指节2的长度方向与F_d的夹角，γ＝90°；

θ为动态角，随着下指节2的转动而变，定义θ_i和F_i为下指节2启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为下指节2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，在三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10上升和下降过程中，上面各力的方向相反。

参见图6，第一连杆6采用V形的连杆时，其具有一体成型的第一段及位于第一段下方的第二段，在丝杠螺母9向下的过程中，第二段受到向下的力F可分解为与第二段垂直的力F_2a和与第二段平行的力F_2b，F还可分解为与第二连杆8垂直的力F_1a和与第二连杆8平行的力F_1b，反应在下指节2上，F_1a在下指节2的上端分解为与下指节2垂直的力F_d1和与下指节2平行的力F_m1，在夹爪的上指节1在第一铰轴13处，F_2a分解为与上指节1垂直的力F_g2c和与上指节1平行的力F_g2d，F_d1分解为与上指节1垂直的力F_g2a和与上指节1平行的力F_g2b，在F_2a和F_d1的共同作用下，产生力矩，让夹爪的上指节1产生旋转。

F_2a和F_d1这两个力可以分解为：

F_d1＝F_1a*cosθ₁，θ₁为F_1a与F_d1的夹角；

F_1a＝F*cosρ₁，ρ₁为F与F_1a的夹角；

那么，F_d1＝F*cosρ₁*cosθ₁；

和/>的合力是机械爪的上指节1的旋转力矩，那么，/>

F_2a＝F*cos§，§是F与F_2a的夹角；

F_g2c＝F_2a*cos8，8是F_2a与F_g2c的夹角；

决定夹爪的上指节1的转向，夹爪闭合时，前期，/>大于/>夹爪的上指节1向外旋转，使它有短暂的打开动作，但时间很短，随着丝杠螺母9的继续向下，由于8增加到90度，/>很快变为0，随后/>变为反向，与/>方向相同，/>与/>这两个力的合力增加，使夹爪的上指节1开始向内旋转，这样可以确保夹爪的闭合和扣住物体精确到位。

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)

1.一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副和三个夹爪，这三个所述夹爪呈三角形布置，其中：

所述减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，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三个圆形销轴，每个所述圆形销轴均水平设置且分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括下指节、上指节、第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的上端通过第一铰轴与所述上指节铰接，所述上指节与所述下指节通过第二铰轴铰接，所述第一连杆的下端通过第三铰轴与所述丝杠螺母铰接，所述第二连杆的上端与所述下指节的下端固连，所述第二连杆与所述下指节的结合处通过第四铰轴铰接在所述机壳上，所述第二连杆的下端设置有导向槽，所述第一铰轴～第四铰轴均位于所述圆形销轴的上方，所述圆形销轴、第一铰轴～第四铰轴相互平行，所述第一铰轴～第四铰轴分布在四边形的四个顶点上，所述导向槽内容纳一所述圆形销轴，以让圆形销轴在丝杠螺母的带动下在导向槽内移动，从而让圆形销轴带动第二连杆和下指节绕第四铰轴的中心线转动，并且也让第一连杆带动上指节绕第二铰轴的中心线转动，实现下指节和上指节转动来夹取或松开物品。

2.根据权利要求1所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，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所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，所述第一连杆整体呈V形并且其V角为钝角。

4.根据权利要求1所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，三个所述夹爪呈等腰三角形布置。

5.根据权利要求1所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，所述机壳包括外壳、夹爪底座和上盖，所述夹爪底座安装在所述外壳顶部，所述第四铰轴安装在所述夹爪底座上，所述上盖盖合在所述夹爪底座上并且两者固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，所述夹爪底座上设置有用于对螺母的上下移动进行导向的竖直隧道。

7.根据权利要求1所述的一种具有抓握功能的电动机械爪，其特征在于，所述减速电机的电机带有编码器和驱动器。

8.权利要求1～7中任一所述的一种具有抓握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，则第二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的方向垂直于第二连杆，F₂的方向平行于第二连杆，F₁为拖动第二连杆旋转的力，F₁＝F*cosρ，ρ为F₁与F之间的夹角；

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

其中， 为下指节的长度方向与竖直方向形成的钝角，γ为下指节的长度方向与F_d的夹角；

θ为动态角，随着下指节的转动而变，定义θ_i和F_i为下指节启动瞬间的θ角和对应的把持力，θ_z和F_z为下指节停止瞬间的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，在三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。