CN114310995B - 一种张合机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种张合机械手，包括壳体、转座、两个手抓、传动杆、张合驱动机构，以及旋转驱动机构；壳体用于固定连接在机械臂上；转座上设有空心轴，空心轴穿入壳体内并与壳体转动连接；两个手抓以空心轴为中心对称铰接于转座上，手抓的铰接轴上套设有驱动齿轮；传动杆的一端滑动连接于壳体内，另一端滑动穿过空心轴并设有延伸至两个驱动齿轮之间的圆齿条，圆齿条与两个驱动齿轮分别啮合，传动杆与空心轴之间具有相对转动的自由度；张合驱动机构设于壳体内，输出端与传动杆连接；旋转驱动机构设于壳体内，输出端与空心轴连接。本发明提供的一种张合机械手，传动结构的集成度高，能够提高机械手的动作灵活性。

Description

一种张合机械手

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种张合机械手。

背景技术

目前，自动化机器人的应用越来越广泛，对于两个手抓配合夹装物品的机器人而言，其两个手抓通常至少需要具备张合夹持和周向旋转两个动作，两个动作单独实现起来难度不大，通常，张合动作采用驱动件带动蜗杆转动，从而带动分别与两个手抓的铰接轴连接、并啮合于蜗杆两侧的两个蜗轮转动的结构方式，旋转动作采用驱动件通过齿轮传动带动用于连接两个手抓的旋转座进行转动即可。

由于驱动两个蜗轮的蜗杆需要随转座同步转动才能实现在手抓转动过程中保持稳定的夹持状态，否则会因两个蜗轮与蜗杆的自锁作用而导致无法旋转，或者两个手抓在旋转动作的同时会产生张合运动（蜗轮蜗杆无自锁时，蜗轮随手抓旋转时会驱动蜗杆转动，而蜗杆反向驱动两个蜗轮转动，从而导致两个手抓出现张合动作），因此，需要蜗杆和驱动件随着两个手抓一并旋转，驱动蜗杆转动的驱动件只能够固定在旋转座上，并需要附加额外的传动结构才能带动蜗杆转动，这会导致而整个机械手执行端的结构复杂笨重，无法适应空间狭小的操作空间，影响机械手的灵活性。

发明内容

本发明实施例提供一种张合机械手，旨在提高机械手传动结构的集成度，从而提高机械手的动作灵活性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种张合机械手，包括壳体、转座、两个手抓、传动杆、张合驱动机构，以及旋转驱动机构；壳体用于固定连接在机械臂上；转座上设有空心轴，空心轴穿入壳体内并与壳体转动连接；两个手抓以空心轴为中心对称铰接于转座上，手抓的铰接轴上套设有驱动齿轮；传动杆的一端滑动连接于壳体内，另一端滑动穿过空心轴并设有延伸至两个驱动齿轮之间的圆齿条，圆齿条与两个驱动齿轮分别啮合，传动杆与空心轴之间具有相对转动的自由度；张合驱动机构设于壳体内，输出端与传动杆连接；旋转驱动机构设于壳体内，输出端与空心轴连接；其中，在旋转驱动机构带动空心轴、进而带动转座旋转时，两个驱动齿轮处于啮合状态的齿牙在圆齿条上相应的环形齿面上周向滑动，且在两个手抓随转座旋转的同时，张合驱动机构能够带动传动杆滑动、从而通过圆齿条带动两个驱动齿轮转动、进而驱动两个手抓同步张合。

在一种可能的实现方式中，壳体内靠近转座的位置上设有用于容纳旋转驱动机构的第一传动箱，远离转座的位置上设有用于容纳张合驱动机构的第二传动箱，空心轴穿入第一传动箱内，传动杆穿过第一传动箱并伸入第二传动箱内。

一些实施例中，旋转驱动机构包括旋转驱动电机和多组第一蜗轮蜗杆传动副；其中，旋转驱动电机固定连接于第一传动箱的外壁上，输出轴穿入第一传动箱内；多组第一蜗轮蜗杆传动副的动力输入端蜗杆与旋转驱动电机的输出轴连接，动力输出端蜗轮固定套装于空心轴上。

示例性的，空心轴穿入第一传动箱内的部位上套设有第一编码齿轮，第一传动箱内转动连接有与第一编码齿轮啮合、且齿数相等的第二编码齿轮，第二编码齿轮上同轴连接有第一磁环，第一传动箱上设有与第一磁环位置对应的第一磁编码器。

在一种可能的实现方式中，传动杆伸入第二传动箱内的部分为直齿条，直齿条滑动连接于第二传动箱内，张合驱动机构的输出端套设有直齿轮，直齿轮与直齿条啮合。

一些实施例中，直齿轮上同轴连接有第二磁环，第二传动箱上设有与第二磁环位置对应的第二磁编码器。

示例性的，张合驱动机构包括张合驱动电机和多组第二蜗轮蜗杆传动副；其中，张合驱动电机固定连接于第二传动箱的外壁上，输出轴穿入第二传动箱内；多组第二蜗轮蜗杆传动副的动力输入端蜗杆与张合驱动电机的输出轴连接，动力输出端蜗轮与直齿轮连接。

举例说明，多组第二蜗轮蜗杆传动副的动力输出端蜗轮上同轴连接有第一传动齿轮，直齿轮上同轴连接有第二传动齿轮，第二传动齿轮与第一传动齿轮啮合。

一些实施例中，转座内设有空腔，空心轴的轴孔与空腔连通，圆齿条和两个齿轮均位于空腔内。

一些实施例中，壳体的外壁上设有摄像组件，摄像组件的拍摄端朝向两个手抓。

本发明提供的一种张合机械手的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种张合机械手，通过张合驱动机构带动传动杆在空心轴内滑动，从而通过圆齿条带动两个驱动齿轮同步转动，由于驱动齿轮固定在手抓的铰接轴上，因此两个手抓同时受到反向驱动力而进行同步张合动作抓取目标物，当需要旋转目标物时，由于驱动齿轮与圆齿条处于啮合状态的齿牙能够在圆齿条上相应的环形齿面上进行周向滑动，因此在圆齿条处于固定状态下，旋转驱动机构能够带动空心轴、进而带动转座旋转，从而实现抓取在两个手抓之间的目标物的旋转，另外，在两个手抓空载状态下需要旋转一定角度去抓取目标物时，两个手抓在旋转驱动机构的带动下旋转的过程中，还能够通过张合驱动机构驱动两个手抓进行同步张合至适于抓取目标物的开度，无需在旋转到位后再执行张合动作，从而能够提高作业效率；

由于采用了圆齿条的轴向滑动以驱动两个驱动齿轮转动、从而带动两个手抓张合的结构形式，因此在手抓旋转过程中传动杆无需跟随转座一并转动，传动杆穿过空心轴伸入壳体内与张合驱动机构的输出端直接连接即可，从而能够将张合驱动机构和旋转驱动机构全部集成在远离两个手抓的壳体内部，从而避免靠近两个手抓的转座上的结构冗余，传动结构集成度高，从而适应空间狭小的工作环境，提高机械手的动作灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种张合机械手的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种张合机械手的驱动结构示意图一；

图3为本发明实施例提供的一种张合机械手的驱动结构示意图二；

图4为本发明实施例所采用的直齿条与第二传动箱的连接结构示意图。

图中：10、壳体；11、第一传动箱；111、第二编码齿轮；112、第一磁环；12、第二传动箱；121、滑槽；20、转座；21、空心轴；211、第一编码齿轮；212、滑套；22、空腔；30、手抓；31、驱动齿轮；40、传动杆；41、圆齿条；42、直齿条；50、张合驱动机构；51、张合驱动电机；52、第二蜗轮蜗杆传动副；53、第一传动齿轮；54、第二传动齿轮；55、直齿轮；551、第二磁环；60、旋转驱动机构；61、旋转驱动电机；62、第一蜗轮蜗杆传动副；70、第一磁编码器；80、第二磁编码器；90、摄像组件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

请一并参阅图1至图4，现对本发明提供的一种张合机械手进行说明。所述一种张合机械手，包括壳体10、转座20、两个手抓30、传动杆40、张合驱动机构50，以及旋转驱动机构60；壳体10用于固定连接在机械臂上；转座20上设有空心轴21，空心轴21穿入壳体10内并与壳体10转动连接；两个手抓30以空心轴21为中心对称铰接于转座20上，手抓30的铰接轴上套设有驱动齿轮31；传动杆40的一端滑动连接于壳体10内，另一端滑动穿过空心轴21并设有延伸至两个驱动齿轮31之间的圆齿条41，圆齿条41与两个驱动齿轮31分别啮合，传动杆40与空心轴21之间具有相对转动的自由度；张合驱动机构50设于壳体10内，输出端与传动杆40连接；旋转驱动机构60设于壳体10内，输出端与空心轴21连接；其中，在旋转驱动机构60带动空心轴21、进而带动转座20旋转时，两个驱动齿轮31处于啮合状态的齿牙在圆齿条41上相应的环形齿面上周向滑动，且在两个手抓30随转座20旋转的同时，张合驱动机构50能够带动传动杆40滑动、从而通过圆齿条41带动两个驱动齿轮31转动、进而驱动两个手抓30同步张合。

需要解释的是，在本实施例中，圆齿条41是指沿传动杆40的轴向分布的多圈环形齿结构，圆齿条41与驱动齿轮31的啮合传动不仅能够实现将传动杆40的直线滑移运动转换为驱动齿轮31带动手抓30的摆动动作，还能够使驱动齿轮31（根据手抓30张合开度的需求，驱动齿轮31采用扇形齿轮即可，以减小安装空间需求）的啮合齿牙沿着与其啮合的环形齿面做周向滑动，从而实现两个手抓30做旋转运动时空心轴21相对传动杆40进行转动的目的；张合驱动机构50在于驱动传动杆40在空心轴21内相对滑动，具体可以是与传动杆40直连的电动推杆或气缸，或者电机配合能够实现将输入的旋转运动转换为输出的直线运动的传动件（如齿轮齿条传动副、丝杠螺母副、曲柄连杆机构等），只要能够满足传动力矩要求即可，在此不做具体结构限定；同样的旋转驱动机构60在于驱动空心轴21相对于壳体10进行转动，其具体可以电机或者旋转气缸配合同步带传动、齿轮传动实现，在此不做具体结构限定。

另外，传动杆40与空心轴21之间的配合关系具体可以是空心轴21的内孔两端嵌装两个短滑套212或者整体嵌装一个长滑套212，传动杆40的杆壁与滑套212滑动配合，传动杆40和滑套212均采用圆形，因此传动杆40与滑套212之间具有两个自由度，既能够相对滑动，也能够相对转动。

本实施例提供的一种张合机械手的工作方式为：通过张合驱动机构50带动传动杆40在空心轴21内滑动，从而通过圆齿条41带动两个驱动齿轮31同步转动，由于驱动齿轮31固定在手抓30的铰接轴上，因此两个手抓30同时受到反向驱动力而进行同步张合动作抓取目标物，当需要旋转目标物时，由于驱动齿轮31与圆齿条41处于啮合状态的齿牙能够在圆齿条41上相应的环形齿面上进行周向滑动，因此在圆齿条41处于固定状态下，旋转驱动机构60能够带动空心轴21、进而带动转座20旋转，从而实现抓取在两个手抓30之间的目标物的旋转，另外，在两个手抓30空载状态下需要旋转一定角度去抓取目标物时，两个手抓30在旋转驱动机构60的带动下旋转的过程中，还能够通过张合驱动机构50驱动两个手抓30进行同步张合至适于抓取目标物的开度，无需在旋转到位后再执行张合动作，从而能够提高作业效率。

本实施例提供的一种张合机械手，与现有技术相比，由于采用了圆齿条41的轴向滑动以驱动两个驱动齿轮31转动、从而带动两个手抓30张合的结构形式，因此在手抓30旋转过程中传动杆40无需跟随转座20一并转动，传动杆40穿过空心轴21伸入壳体10内与张合驱动机构50的输出端直接连接即可，从而能够将张合驱动机构50和旋转驱动机构60全部集成在远离两个手抓30的壳体10内部，从而避免靠近两个手抓30的转座20上的结构冗余，传动结构集成度高，从而适应空间狭小的工作环境，提高机械手的动作灵活性。

在一些实施例中，参见图1，壳体10内靠近转座20的位置上设有用于容纳旋转驱动机构60的第一传动箱11，远离转座20的位置上设有用于容纳张合驱动机构50的第二传动箱12，空心轴21穿入第一传动箱11内，传动杆40穿过第一传动箱11并伸入第二传动箱12内。

在进行装配时，能够将旋转驱动机构60在第一传动箱11内装配完成、张合驱动机构50在第二传动箱12内装配完成之后，再将第一传动箱11和第二传动箱12组装在壳体10的相应位置上（在第一传动箱11和第二传动箱12装配完成后再装配转座20和传动杆40），相较于直接在壳体10内组装的方式，一方面能够降低装配难度，另一方面能够实现张合驱动机构50和旋转驱动机构60的模块化，使整体驱动结构更加紧凑；当然，应当理解的是，第一传动箱11和第二传动箱12应当不限于分体式结构，也可以作为具有两个腔室的整体结构。

作为上述旋转驱动机构60的一种具体实施方式，请结合图1至图3，旋转驱动机构60包括旋转驱动电机61和多组第一蜗轮蜗杆传动副62；其中，旋转驱动电机61固定连接于第一传动箱11的外壁上，输出轴穿入第一传动箱11内；多组第一蜗轮蜗杆传动副62的动力输入端蜗杆与旋转驱动电机61的输出轴连接，动力输出端蜗轮固定套装于空心轴21上。

采用多组第一蜗轮蜗杆传动副62进行动力传输，一方面在于能够利用蜗轮蜗杆传动副的高速比特性将旋转驱动电机61的旋转动力由高速低扭矩状态转换为低速高扭矩状态，从而满足两个手抓30的旋转动力需求，应当理解，相较于其它传动方式，蜗轮蜗杆传动副能够以少量的级数满足很大的减速比要求，因此能够简化传动结构的占用空间，从而降低壳体10体积，利于实现机械手小型化和轻量化，提高动作灵活性，另一方面在于能够利用蜗轮蜗杆传动副的反向传动自锁性（即蜗杆带动蜗轮旋转，而蜗轮无法带动蜗杆旋转），应当理解的是，在本实施例中至少一组第一蜗轮蜗杆传动副62具有自锁性能，从而避免手抓30在外力作用下发生旋转，确保手抓30的旋转稳定性和动作精度。

为了实现手抓30的旋转角度可控，在本实施例中，请参阅图1及图2，空心轴21穿入第一传动箱11内的部位上套设有第一编码齿轮211，第一传动箱11内转动连接有与第一编码齿轮211啮合、且齿数相等的第二编码齿轮111，第二编码齿轮111上同轴连接有第一磁环112，第一传动箱11上设有与第一磁环112位置对应的第一磁编码器70。由于第一编码齿轮211和第二编码齿轮111的齿数相等，因此第一磁编码器70检测到随第二编码齿轮111同轴旋转的第一磁环112的转动角度，即为第一编码齿轮211的转动角度，也就是两个手抓30随转座20（空心轴21）旋转的角度，关键在于，由于上述用于实现旋转角度检测的结构全部设置在第一传动箱11内部，因此无需在手抓30及转座20上设置其它的附加结构，从而能够提高手抓30的动作灵活性。

可选地，请参阅图1、图3及图4，一些实施例中，传动杆40伸入第二传动箱12内的部分为直齿条42，直齿条42滑动连接于第二传动箱12内，张合驱动机构50的输出端套设有直齿轮55，直齿轮55与直齿条42啮合。直齿条42具体可以为矩形或方形或T型，通过直齿条42与第二传动箱12（内部相应的滑槽121，参见图4）滑动连接，既能够提高传动杆40轴向滑动的稳定性，还能够限制传动杆40与第二传动箱12相对转动的自由度，保证直齿条42与直齿轮55啮合连接的稳定性，而通过套设于张合驱动机构50输出端的直齿轮55驱动直齿条42以实现传动杆40的轴向滑移运动，能够避免传动杆40受到偏离其轴线方向的驱动力，从而提高动力传输效率和平稳性。

为了实现手抓30的张合开度可控，在本实施例中，请结合图1及图3，直齿轮55上同轴连接有第二磁环551，第二传动箱12上设有与第二磁环551位置对应的第二磁编码器80。通过第二磁编码器80能够检测随直齿轮55同步转动的第二磁环551的旋转角度，从而能够获得与直齿轮55啮合的直齿条42的滑移距离，而直齿条42和圆齿条41分别为位于传动杆40两端的结构，因此直齿条42的滑移距离也就是圆齿条41的移动距离，通过圆齿条41的移动距离能够得到与其啮合的驱动齿轮31的转动角度，从而获得两个手抓30的摆动角度，进而获得两个手抓30的张合开度，关键在于，由于上述用于实现张合开度检测的结构全部设置在第二传动箱12上，因此无需在手抓30及转座20上设置其它的附加结构，从而能够提高手抓30的动作灵活性。

作为上述张合驱动机构50的一种具体实施方式，请一并参阅图1至图3，张合驱动机构50包括张合驱动电机51和多组第二蜗轮蜗杆传动副52；其中，张合驱动电机51固定连接于第二传动箱12的外壁上，输出轴穿入第二传动箱12内；多组第二蜗轮蜗杆传动副52的动力输入端蜗杆与张合驱动电机51的输出轴连接，动力输出端蜗轮与直齿轮55连接。

采用多组第二蜗轮蜗杆传动副52进行动力传输，一方面在于能够利用蜗轮蜗杆传动副的高速比特性将张合驱动电机51的旋转动力由高速低扭矩状态转换为低速高扭矩状态，并最终转化为直齿轮55对直齿条42的直线驱动力，从而满足两个手抓30的张合动力需求，应当理解，相较于其它传动方式，蜗轮蜗杆传动副能够以少量的级数满足很大的减速比要求，因此能够简化传动结构的占用空间，从而降低壳体10体积，利于实现机械手小型化和轻量化，提高动作灵活性，另一方面在于能够利用蜗轮蜗杆传动副的反向传动自锁性（即蜗杆带动蜗轮旋转，而蜗轮无法带动蜗杆旋转），应当理解的是，在本实施例中至少一组第二蜗轮蜗杆传动副52具有自锁性能，从而避免手抓30在外力作用下发生张合动作，确保手抓30的动作精度和抓取稳定性。

进一步地，参见图3，多组第二蜗轮蜗杆传动副52的动力输出端蜗轮上同轴连接有第一传动齿轮53，直齿轮55上同轴连接有第二传动齿轮54，第二传动齿轮54与第一传动齿轮53啮合。通过设置相啮合的第一传动齿轮53和第二传动齿轮54，从而实现第二蜗轮蜗杆传动副52的动力输出端蜗轮将动力传递至直齿轮55上，结构简单，动力传输稳定，同时由于蜗轮蜗杆传动副的传动比较大，难以保证最终输出的转速与实际需求匹配，因此通过设置第一传动齿轮53和第二传动齿轮54的传动结构，能够利用两者的传动比对张合驱动电机51的最终输出转速进行调节（放大或减小），以满足张合动作速度要求。

一些可能的实现方式中，如图1所示，转座20内设有空腔22，空心轴21的轴孔与空腔22连通，圆齿条41和两个齿轮均位于空腔22内。避免异物掉落至圆齿条41和驱动齿轮31之间而导致两个手抓30之间的张合动作卡死现象，确保运行稳定安全。

进一步地，请参阅图1，壳体10的外壁上设有摄像组件90，摄像组件90的拍摄端朝向两个手抓30。通过摄像组件90能够将两个手抓30的工作状态及其周围的环境实时传输至机器人的控制端，从而便于工作人员实时掌控机械手的工作状态和工作环境。

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 (10)

1.一种张合机械手，其特征在于，包括：

壳体，用于固定连接在机械臂上；

转座，设有空心轴，所述空心轴穿入所述壳体内并与所述壳体转动连接；

两个手抓，以所述空心轴为中心对称铰接于所述转座上，所述手抓的铰接轴上套设有驱动齿轮；

传动杆，一端滑动连接于所述壳体内，另一端滑动穿过所述空心轴并设有延伸至两个所述驱动齿轮之间的圆齿条，所述圆齿条与两个所述驱动齿轮分别啮合，所述传动杆与所述空心轴之间具有相对转动的自由度；

张合驱动机构，设于所述壳体内，输出端与所述传动杆连接；

旋转驱动机构，设于所述壳体内，输出端与所述空心轴连接；

其中，在所述旋转驱动机构带动所述空心轴、进而带动所述转座旋转时，两个所述驱动齿轮处于啮合状态的齿牙在所述圆齿条上相应的环形齿面上周向滑动，且在两个所述手抓随所述转座旋转的同时，所述张合驱动机构能够带动所述传动杆滑动、从而通过所述圆齿条带动两个所述驱动齿轮转动、进而驱动两个所述手抓同步张合。

2.如权利要求1所述的一种张合机械手，其特征在于，所述壳体内靠近所述转座的位置上设有用于容纳所述旋转驱动机构的第一传动箱，远离所述转座的位置上设有用于容纳所述张合驱动机构的第二传动箱，所述空心轴穿入所述第一传动箱内，所述传动杆穿过所述第一传动箱并伸入所述第二传动箱内。

3.如权利要求2所述的一种张合机械手，其特征在于，所述旋转驱动机构包括：

旋转驱动电机，固定连接于所述第一传动箱的外壁上，输出轴穿入所述第一传动箱内；

多组第一蜗轮蜗杆传动副，多组所述第一蜗轮蜗杆传动副的动力输入端蜗杆与所述旋转驱动电机的输出轴连接，动力输出端蜗轮固定套装于所述空心轴上。

4.如权利要求2所述的一种张合机械手，其特征在于，所述空心轴上套设有第一编码齿轮，所述第一传动箱内转动连接有与所述第一编码齿轮啮合、且齿数相等的第二编码齿轮，所述第二编码齿轮上同轴连接有第一磁环，所述第一传动箱上设有与所述第一磁环对应的第一磁编码器。

5.如权利要求2所述的一种张合机械手，其特征在于，所述传动杆伸入所述第二传动箱内的部分为直齿条，所述直齿条滑动连接于所述第二传动箱内，所述张合驱动机构的输出端套设有直齿轮，所述直齿轮与所述直齿条啮合。

6.如权利要求5所述的一种张合机械手，其特征在于，所述直齿轮上同轴连接有第二磁环，所述第二传动箱上设有与所述第二磁环对应的第二磁编码器。

7.如权利要求5所述的一种张合机械手，其特征在于，所述张合驱动机构包括：

张合驱动电机，固定连接于所述第二传动箱的外壁上，输出轴穿入所述第二传动箱内；

多组第二蜗轮蜗杆传动副，多组所述第二蜗轮蜗杆传动副的动力输入端蜗杆与所述张合驱动电机的输出轴连接，动力输出端蜗轮与所述直齿轮连接。

8.如权利要求7所述的一种张合机械手，其特征在于，多组所述第二蜗轮蜗杆传动副的动力输出端蜗轮上同轴连接有第一传动齿轮，所述直齿轮上同轴连接有第二传动齿轮，所述第二传动齿轮与所述第一传动齿轮啮合。

9.如权利要求1所述的一种张合机械手，其特征在于，所述转座内设有空腔，所述空心轴的轴孔与所述空腔连通，所述圆齿条和两个所述齿轮均位于所述空腔内。

10.如权利要求1-9任一项所述的一种张合机械手，其特征在于，所述壳体的外壁上设有摄像组件，所述摄像组件的拍摄端朝向两个所述手抓。