CN114227748B - 用于抓取球状物品的电动机械爪及其夹持物品的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于抓取球状物品的电动机械爪，包括机壳、第一减速电机、丝杠副和三个夹爪，丝杠副包括丝杠及丝杠螺母，丝杠螺母包括螺母本体及三个连接部，夹爪包括连杆、下指节、上指节、第二减速电机、蜗杆和蜗轮，连杆与下指节的下端固连，连杆的下端设置有圆形销轴，圆形销轴位于连接部的导向槽内，连杆的上端通过第一铰轴铰接在机壳上，下指节的上端与上指节的下端通过第二铰轴铰接，第二减速电机安装在下指节上并且连接蜗杆，蜗轮固定连接在上指节上。本发明的夹爪仿人手指设计，上指节可以在蜗轮蜗杆传动机构的带动下转动，相对于下指节可以弯曲，从而在圆形物品的抓握上具有优越性，却又不妨碍抓取长条形物品。

Description

用于抓取球状物品的电动机械爪及其夹持物品的判断方法

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持物品的判断方法。

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，本发明提供了用于抓取球状物品的电动机械爪及其夹持物品的判断方法，其在圆形物品的抓握上具有优越性，又不妨碍抓取长条形物品，可用于各行业的机器人手臂。

为实现上述目的，按照本发明，提供了用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，包括机壳、第一减速电机、丝杠副和三个夹爪，这三个所述夹爪呈三角形布置，其中：

所述第一减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，所述第一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，所述丝杠与所述第一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三个连接部，每个所述连接部上均设置有导向槽，每个所述连接部分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括连杆、下指节、上指节、第二减速电机、蜗杆和蜗轮，所述连杆与所述下指节的下端固连，所述连杆的下端设置有水平的圆形销轴，所述圆形销轴位于一所述连接部的导向槽内，以在连接部的带动下在导向槽内移动和转动，所述连杆的上端通过第一铰轴铰接在所述机壳上，所述下指节的上端与所述上指节的下端通过第二铰轴铰接，所述第二减速电机安装在所述下指节上并且该第二减速电机的输出轴连接所述蜗杆，所述蜗轮固定连接在所述上指节上并且与所述第二铰轴同轴设置，所述蜗轮与蜗杆啮合；

所述圆形销轴、第一铰轴和第二铰轴相互平行。

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，所述机壳内设置有用于限制所述螺母向下移动的位移的限位台。

优选地，所述第一减速电机通过所述限位台安装在所述机壳上。

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，所述第一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，三个所述夹爪呈等腰三角形布置。

优选地，所述第一减速电机的马达带有编码器和驱动器。

按照本发明的另一个方面，还提供了所述的电动机械爪的夹持物品的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)令T为第一减速电机的输出扭矩，则连杆与圆形销轴接触的部位受到的竖直力F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这两个相互垂直的力，其中F₁的方向垂直于连杆，F₂的方向平行于连杆，F₁为拖动连杆旋转的力，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，第一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)本发明提供用于抓取球状物品的电动机械爪，夹爪仿人手指设计，拥有下指节和上指节，且三个手指呈三角形分布，而且上指节可以在蜗轮蜗杆传动机构的带动下转动，上指节相对于下指节可以弯曲，上指节与下指节配合，在圆形物品的抓握上具有优越性，却又不妨碍抓取长条形物品，可用于各行业的机器人手臂。

2)本发明采用丝杠传动和蜗轮蜗杆传动，均带自锁功能，可以保护减速电机，提高减速电机的使用寿命。

3)本发明的夹爪的上指节和下指节分别采用不同的减速电机作为驱动源，控制更加灵敏方便。

4)本发明的第一减速电机的马达可以根据所需场合的精密度采用有刷电机、空心杯电机、无刷电机、步进电机或伺服电机，根据具体情况可灵活变动。

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是本发明的立体示意图；

图2是本发明撤去上盖后的示意图；

图3是本发明剖去一部分后的示意图；

图4是本发明中下指节和连杆的受力分析图。

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，用于抓取球状物品的电动机械爪，包括机壳、第一减速电机、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：

所述第一减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，所述第一减速电机的输出轴朝上设置。

所述丝杠副包括丝杠12及穿装在所述丝杠12上的丝杠螺母11，所述丝杠12与所述第一减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母11包括穿装在所述丝杠12上的螺母本体及固设在所述螺母本体上的三个连接部，每个所述连接部上均设置有导向槽，每个所述连接部分别连接一所述夹爪。

对于每个所述夹爪而言，其包括连杆10、下指节2、上指节1、第二减速电机8、蜗杆7和蜗轮6，所述连杆10与所述下指节2的下端固连，两者优选一体成型，所述连杆10的下端设置有水平的圆形销轴15，所述圆形销轴15位于一所述连接部的导向槽内，以在连接部的带动下在导向槽内移动和转动，所述连杆10的上端通过第一铰轴16铰接在所述机壳上，所述下指节2的上端与所述上指节1的下端通过第二铰轴17铰接，所述第二减速电机8安装在所述下指节2上并且该第二减速电机8的输出轴连接所述蜗杆7，所述蜗轮6固定连接在所述上指节1上并且与所述第二铰轴17同轴设置，所述蜗轮6与蜗杆7啮合。

所述圆形销轴15、第一铰轴16和第二铰轴17相互平行。

进一步，所述机壳内设置有用于对丝杠螺母11的上下移动进行导向的竖直隧道9，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，所述第一铰轴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，所述竖直隧道9设置在所述夹爪底座4上。

进一步，所述机壳内设置有用于限制所述丝杠螺母11向下移动的位移的限位台，所述第一减速电机通过所述限位台安装在所述机壳上。

第一减速电机包括马达14和与马达14连接的减速箱13，竖直隧道9用于约束丝杠螺母11滑动在其方位内，减少偏移和磨损，竖直隧道9的底部设计限位台，可以限制丝杠螺母11的下行位置，限位台上开设有小孔，用于减速箱13的安装，其马达14安装在减速箱13的下方，通过减速箱13，可以使丝杠12的旋转速度小且扭力更大，这样能增加夹爪的抓握力，且能使夹爪的开合更加平缓，不会因为速度过快而响应过快，进而导致挤压夹坏物品。

进一步，所述第一减速电机的马达14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。

本发明的丝杠12和丝杠螺母11配合带有自锁功能，在机械爪抓取到物品之后，第一减速电机立刻断电，丝杠螺母11就会停在当前位置，不会前后滑动，这就保证了抓握物品的机械爪处于稳定状态，不会突然夹紧或松开，这就保护了被抓握的物品；同样的，自锁功能也可以保护第一减速电机，不会让第一减速电机因为电流过高而损坏，可以延长第一减速电机的使用寿命。

由于机械爪的下指节2和上指节1分别由不同的减速电机驱动，故而，上指节1和下指节2之间的夹角可以自由变化，就像人类的手指可以自由伸直和弯曲一样，这样使得机械爪在抓取物品的时候更加灵活，不但能抓握球状物品，也能抓取不规则形状的物品，使得机械手更加灵活，应用范围更加广泛。

第二减速电机8既能增加夹爪的上指节1的抓握力，使夹爪能抓取更重的物品，也能减缓夹爪的开合速度，使得夹爪运动更加平缓，在抓取易碎的球状物时，不会因为夹爪的响应速度过快而导致挤压夹坏物品。夹爪的下指节2的下端根部设计有连杆10，连杆10根据圆形销轴15安装在丝杠螺母11上，丝杠螺母11的连接部由于有导向槽，使得连接部呈U形并且开口朝向圆形销轴15，丝杠螺母11安装在丝杠12的外部，丝杠螺母11的内牙与丝杠12的外牙相互啮合，由螺旋运动转化为直线运动。

参照图4，按照本发明的另一个方面，还提供了所述的电动机械爪的夹持物品的判断方法，包括以下步骤：

1)令T为第一减速电机的输出扭矩，则连杆10与圆形销轴15接触的部位受到的竖直力F如下：

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

其中，D为丝杠12的螺纹中径，α为丝杠12的螺纹升角且α＝tan^-1(L_d/πD)，L_d为丝杠12的螺纹牙距；β为当量摩擦角且β＝tan^-1f，f为丝杠12与丝杠螺母11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)连杆10和下指节2在受力分析中都简化为直杆，两者结合部有第一铰轴16，连杆10与圆形销轴15接触的部位受到的竖直力F分解成F₁和F₂这两个互相垂直的力，其中F₁的方向垂直于连杆10，F₂的方向平行于连杆10，F₁为拖动连杆10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，下指节2的上端的力F₁与连杆10上的力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；

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，第一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。

考虑丝杠副的效率η；η＝tanα/tan(α+β)，也是机械爪的整体效率η。

定义丝杠12的周长和丝杠12旋转一整圈使丝杠螺母11对应的移动距离的比例为速比V_r，则V_r＝πD/L_d。丝杠副选择不同的材料和加工工艺可以优化丝杠副的效率，也就是优化机械爪的整体效率。

图4所示为夹爪闭合时的受力情况分析，此时F竖直朝下，F等于丝杠螺母11在竖直方向受到的推拉力。

丝杠12上升和下降过程中，上面各力的方向相反。

本发明的工作过程如下：

第一减速电机通过外接电源正、反转(CW、CCW)，如果丝杠12为右旋螺纹，当第一减速电机的马达14轴反转(CCW)的时候，带动减速箱13的输出轴反转，从而带动丝杠12逆时针旋转，丝杠12逆时针旋转会带动啮合在外面的丝杠螺母11在竖直隧道9内进行向下运动，同时带动丝杠螺母11的连接部圆形销轴15运动，圆形销轴15在连接部的导向槽内移动的同时也转动，圆形销轴15带动连杆10和下指节2围绕第一铰轴16转动，使得夹爪闭合，用于抓取物品。

如果蜗杆7为右旋，当第二减速电机8反转的时候，蜗杆7逆时针旋转，进而推动与之啮合的蜗轮6逆时针旋转，使得夹爪的上指节1逆时针旋转，形成闭合，使得抓取的物品更加牢固，有利于抓取球状物品。

夹爪夹取到物品之后，外接驱动器可以根据第一减速电机的自带编码器的量化数据反馈，进行断电处理，因为丝杠12的螺旋升角小于齿面间当量摩擦角，所以丝杠副具有自锁功能，这样，丝杠螺母11就会静止在当前位置，而通过圆形销轴15安装在丝杠螺母11上的连杆10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，即便第一减速电机的断电之后，夹爪也能稳定可靠的夹持物品，而不会发生掉落。

夹爪的上指节1采用蜗轮蜗杆驱动，由于蜗轮蜗杆的传动特性，蜗杆7可以轻易的转动蜗轮6，但是蜗轮6无法转动蜗杆7，这就使得，即使第二减速电机8断电，蜗轮6也会静止在当前位置，也就是夹爪的上指节1也会静止在当前位置，而不会由于物品的推力使得夹爪的上指节1顺时针旋转，进而掉落物品。

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驱动第一减速电机的正转(CW)，进而带动减速箱13的输出轴正转，也就带动丝杠12顺时针旋转，丝杠12顺时针旋转的时候，与它啮合的丝杠螺母11则会在隧道9内做向上的运动，丝杠螺母11向上运动会给圆形销轴15及圆形销轴15上的连杆10一个向上的推力，使圆形销轴15移动的同时也转动，这个推力会让连杆10向外旋转，从而带动夹爪的下指节2向外旋转。同时，第二减速电机8顺时针旋转，进而带动蜗杆7顺时针旋转，蜗杆7的顺时针旋转使得啮合在外的蜗轮6顺时针旋转，进而带动夹爪上指节1顺时针旋转。使得夹爪的上指节1和下指节2同时松开，放下物品。

如果丝杠12和蜗杆7为左旋，则，旋转运动方向相反。

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.用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，包括机壳、第一减速电机、丝杠副和三个夹爪，这三个所述夹爪呈三角形布置，其中：

所述第一减速电机位于所述机壳内且安装在所述机壳上，所述第一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，所述丝杠与所述第一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三个连接部，每个所述连接部上均设置有导向槽，每个所述连接部分别连接一所述夹爪；

对于每个所述夹爪而言，其包括连杆、下指节、上指节、第二减速电机、蜗杆和蜗轮，所述连杆与所述下指节的下端固连，所述连杆的下端设置有水平的圆形销轴，所述圆形销轴位于一所述连接部的导向槽内，以在连接部的带动下在导向槽内移动和转动，所述连杆的上端通过第一铰轴铰接在所述机壳上，所述下指节的上端与所述上指节的下端通过第二铰轴铰接，所述第二减速电机安装在所述下指节上并且该第二减速电机的输出轴连接所述蜗杆，所述蜗轮固定连接在所述上指节上并且与所述第二铰轴同轴设置，所述蜗轮与蜗杆啮合；

所述圆形销轴、第一铰轴和第二铰轴相互平行。

2.根据权利要求1所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，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所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，所述机壳内设置有用于限制所述螺母向下移动的位移的限位台。

4.根据权利要求3所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，所述第一减速电机通过所述限位台安装在所述机壳上。

5.根据权利要求1所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，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，所述第一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1所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，三个所述夹爪呈等腰三角形布置。

7.根据权利要求1所述的用于抓取球状物品的电动机械爪，其特征在于，所述第一减速电机的马达带有编码器和驱动器。

8.权利要求1～7中任一权利要求所述的电动机械爪的夹持物品的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)令T为第一减速电机的输出扭矩，则连杆与圆形销轴接触的部位受到的竖直力F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这两个相互垂直的力，其中F₁的方向垂直于连杆，F₂的方向平行于连杆，F₁为拖动连杆旋转的力，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，第一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。