CN114311002A - 夹持牢固的高精度电动机械爪及其夹持物品的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了夹持牢固的高精度电动机械爪，包括机壳、减速电机、丝杠副和两组夹爪组件，丝杠副包括丝杠和丝杠螺母，丝杠螺母的外侧设置有外齿；夹爪组件包括夹爪、转轮、第一连杆和第二连杆，夹爪包括第一段和第二段，第一段与第二段的结合处通过第一铰轴铰接第一连杆的上端，第一段的下端通过第二铰轴与第二连杆的上端铰接，第一连杆的下端通过第三铰轴铰接在机壳上，第二连杆的下端通过第四铰轴铰接在机壳上，转轮上的外齿与丝杠螺母的外齿啮合。本发明的连杆结构让开合的夹爪的第一段一直竖直状态，两个夹爪的第一段处于平行状态，可以让夹持更加牢固，定位更加精准，且拥有更大的冲程。

Description

夹持牢固的高精度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

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、服务业和农业等行业，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，适应性好的优点。

机械爪根据开合方式的不同可以分为平移机械爪和翻转机械爪，相比于平移机械转，翻转机械爪拥有更大的冲程，即能夹取的物品大小的范围可以更大，但是在夹取的时候，夹爪在保持平行的状态下，夹取的物品是最牢固的状态，在夹爪在翻转且相互有角度的情况下，夹取的物品容易发生掉落。

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，本发明提供了夹持牢固的高精度电动机械爪及其夹持物品的判断方法，连杆结构让开合的夹爪一直处于平行状态，可以让夹持更加牢固，定位更加精准，且拥有更大的冲程，而且可预先根据受力判断物品能否被本机械爪夹持，防止损坏物品。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副和两组夹爪组件，其中：

所述减速电机位于所述机壳内并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和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，所述丝杠螺母的外侧设置有两列外齿，每列外齿均竖直设置并且这两列所述外齿左右对称布置；

对于每组所述夹爪组件而言，其包括夹爪、转轮、第一连杆和第二连杆，所述夹爪为V形并包括一体成型的第一段和第二段，所述夹爪的第二段竖直设置且位于第一段上方，以用于与物品接触来夹持物品，所述第一段与第二段的结合处通过第一铰轴铰接所述第一连杆的上端，所述第一段的下端通过第二铰轴与第二连杆的上端铰接，所述第一连杆的下端通过第三铰轴铰接在所述机壳上，所述第二连杆的下端通过第四铰轴铰接在所述机壳上，所述转轮与所述第二连杆固定连接并且与所述第四铰轴同轴设置，所述转轮外侧的外齿与所述丝杠螺母外侧的一列外齿啮合，所述第一铰轴～第四铰轴分布在平行四边形的四个顶点上；

两个所述转轮左右对称布置。

优选地，所述转轮外侧的外齿分布在一段弧线上。

优选地，每个所述夹爪的第二段上均设置有安装孔，以用于安装各种型号的夹指。

优选地，所述减速电机的电机带有编码器。

优选地，还包括电机驱动板和信号线，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。

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，所述减速电机的减速箱为行星齿轮减速箱。

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

1)T为减速电机的输出扭矩，通过该输出扭矩T在第二连杆的顶端产生竖直的推力F_a，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_a分解为与第二连杆垂直的力F₁和与第二连杆平行的力F₂，F₁的作用是让第二连杆围绕第四铰轴的中心线旋转，F₁在让第二连杆围绕第四铰轴的中心线旋转过程中，对夹爪同时产生作用，其作用由经F₁分解的与夹爪的第一段垂直的力F₃和与夹爪的第一段平行的力F₄产生，F₃让夹爪的第一段围绕第二铰轴15的中心线旋转，F₄分解成与第一连杆垂直的力F₅和与第一连杆平行的力F₆，则：

F₁＝F_a*cosθ；

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₅＝F₄*cosσ

＝F₄*cos(90-Υ)；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，

为F₃与F₁的夹角，σ为F₅与F₄的夹角，Υ为F₆与F₄的夹角；

F₅让第一连杆绕第三铰轴的中心线旋转，F₅同时带动夹爪转动，F₅分解成与夹爪的第二段平行的力F₇和与夹爪的第二段垂直的力F₈；

F₈＝F₅*cosβ

＝F₅*cos(90-§)；

其中，β为F₅与F₈的夹角，§为F₅与F₇的夹角；

已知§，则可获得夹爪的把持力F₈，根据所需夹取物品的属性和软硬性质可判断该物品可承受力的大小及能否用该机械爪夹取，以保证物品不会被夹坏。

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)本发明提供一种夹持牢固的高精度翻转电动机械爪，采用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，电机后固定有驱动板，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)本发明的第一铰轴～第四铰轴分布在平行四边形的四个顶点上，使得第一连杆、第二连杆和夹爪的第一段组成了平行四边形机构，从而让开合的夹爪的第一段一直处于竖直状态，两个夹爪的第一段处于平行状态，可以让夹持更加牢固，定位更加精准，且拥有更大的冲程。

3)本发明可以根据用户的要求或所需环境、精度的不同而采用如有刷电机、空心杯电机、步进电机、无刷电机或伺服电机等不同的电机，适用范围广，可以用于不同行业的机器人手臂。

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是本发明撤去机壳后的主视图；

图4是本发明中丝杠螺母输出力F_a的示意图；

图5是本发明中丝杠螺母输出力F_a的机械简图；

图6是本发明中夹爪、第一连杆和第二连杆受力的机械简图；

图7是本发明中夹爪的第一段受力的机械简图。

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，夹持牢固的高精度电动机械爪，包括机壳9、减速电机、丝杠副和两组夹爪组件，其中：

所述减速电机位于所述机壳9内并且安装在所述机壳9上，所述减速电机的输出轴朝上设置；所述减速电机包括电机7和与电机7的电机轴连接的减速箱13，所述减速箱13为行星齿轮减速箱，电机7的输出轴安装减速箱13，可以让出力增大，且转速变小，这样让夹爪1的夹持能力增大，且运行缓慢平稳。

所述丝杠副包括丝杠12和穿装在所述丝杠12上的丝杠螺母6，所述丝杠12与所述减速电机的输出轴同轴连接，所述丝杠螺母6的外侧设置有两列外齿，每列外齿均竖直设置并且这两列所述外齿左右对称布置；丝杠螺母6的外齿可以为螺旋齿或直齿。

对于每组所述夹爪1组件而言，其包括夹爪1、转轮5、第一连杆3和第二连杆4，所述夹爪1为V形并包括一体成型的第一段和第二段，所述夹爪1的第二段竖直设置且位于第一段上方，以用于与物品接触来夹持物品，所述第一段与第二段的结合处通过第一铰轴14铰接所述第一连杆3的上端，所述第一段的下端通过第二铰轴15与第二连杆4的上端铰接，所述第一连杆3的下端通过第三铰轴16铰接在所述机壳9上，所述第二连杆4的下端通过第四铰轴17铰接在所述机壳9上，所述转轮5与所述第二连杆4固定连接并且与所述第四铰轴17同轴设置，所述转轮5的外侧设置有外齿，所述转轮5外侧的外齿与所述丝杠螺母6外侧的一列外齿啮合，所述第一铰轴14～第四铰轴17分布在平行四边形的四个顶点上，从而使第一连杆3、第二连杆4和夹爪1一起形成平行四边形机构。丝杠螺母6外侧的上下运动带动转轮5的旋转，第二连杆4可在转轮5的带动下旋转，第二连杆4、第一连杆3和夹爪1一起运动，形成开合。由于夹爪1同时还受到第一连杆3和第二连杆4的限制，这就让一对夹爪1的第二段在运动的时候始终保持相互平行的竖直状态。

两个所述转轮5左右对称设置。

进一步，所述转轮5外侧的外齿分布在一段弧线上，即转轮5上的齿并没有分布在整个外圈，而只是分布一部分。由于夹爪1的行程不大，因此转轮5不必做成整圈都有齿。

进一步，每个所述夹爪1的第二段上均设置有安装孔2，以用于安装各种型号的夹指。

进一步，所述减速电机的电机带有编码器，还包括电机驱动板8和信号线11，所述电机驱动板8与所述减速电机连接，所述信号线11的一端与所述电机驱动板8连接而另一端露出所述机壳9。电机7的内部自带编码器，下端安装有驱动板8，编码器可以根据夹爪1的状态反馈不同的量化数据，如电流或电压等，驱动板8根据编码器反馈的量化数据，对驱动进行调试和控制，让夹爪1在夹取到物品之后，保证夹持力的稳定。

进一步，所述信号线11上套接有护线套10，所述护线套10的一端伸入所述机壳9内并且此端与所述机壳9密封连接。机壳9的一侧开有出线孔，信号线11经过护线套10的保护从出线孔中伸出，用于外接电源或信号发生器进行调试控制，护线套10可以保护信号线11，还可防止灰尘等进入机壳9内，起到一定的防护作用。

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

1)T为减速电机的输出扭矩，通过该输出扭矩T在第二连杆4的顶端产生竖直力F_a，同时F_a也是丝杠12推拉丝杠螺母6直线运动的力；

第一连杆、第二连杆、夹爪的第一段、夹爪的第二段在受力分析中均简化为直杆；

F_a分解为与第二连杆4垂直的力F₁和与第二连杆4平行的力F₂，F₁的作用是让第二连杆4围绕第四铰轴17的中心线旋转，F₁在让第二连杆4围绕第四铰轴17的中心线旋转过程中，对夹爪1同时产生作用，其作用由经F₁分解的与夹爪1的第一段垂直的力F₃和与夹爪1的第一段平行的力F₄产生，F₃让夹爪1的第一段围绕第二铰轴15的中心线旋转，同时，F₄对夹爪1的第一段产生作用，同理F₄对第一连杆3也能产生作用，F₄分解成与第一连杆3垂直的力F₅和与第一连杆3平行的力F₆；

用以上的分析方法，可以对机械夹爪1打开和闭合的时候的力进行分析，打开和闭合时力的方向相反。

2)根据以上受力分析，得出：

T＝F_a*(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6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；

从而得到：

F_a＝T/((D/2)*tan(α+β))；

F₁＝F_a*cosθ；

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₅＝F₄*cosσ

＝F₄*cos(90-Υ)；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，

为F₃与F₁的夹角，σ为F₅与F₄的夹角，Υ为F₆与F₄的夹角；

F₅让第一连杆3绕第三铰轴16的中心线旋转，F₅同时带动夹爪1转动，F₅分解成与夹爪1的第二段平行的力F₇和与夹爪1的第二段垂直的力F₈；

F₈＝F₅*cosβ

＝F₅*cos(90-§)；

其中，β为F₅与F₈的夹角，§为F₅与F₇的夹角；

从设计图已知§，则可获得夹爪1的把持力F₈，根据所需夹取物品的属性和软硬性质可判断该物品受力及能否用该机械爪夹取，以保证物品不会被夹坏。

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6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。

本发明的工作过程如下：

信号线11根据外接电源，通过驱动板8给电机7通电，电机7通电后正转(CW)或反转(CCW)，带动丝杠12正转或反转，如果丝杠12带右旋螺纹，当电机反转(CCW)的时候，丝杠12反转，带动与丝杠12啮合的丝杠螺母6向下运动，丝杠螺母6向下运动会对于它啮合的转轮5产生一个向下的拉力，因此，啮合在丝杠螺母6左右两侧的转轮5会相向旋转，从而带动第二连杆4相向旋转，第二连杆4的运动带动第一连杆3和夹爪1运动，让一对夹爪1的第二段平行闭合，夹取物品。

夹爪1的第二段夹取到物品之后，驱动板8根据电机7自带的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，所以螺旋传动具有自锁功能，这样，丝杠螺母6就会静止在当前位置，而与丝杠螺母6啮合的转轮5也会静止在当前位置，这就保证了一对夹爪1处于静止状态，也就是说，即便电机7断电之后，夹爪1也能稳定可靠的夹持物品，而不会发生掉落。

当夹爪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7进行正转(CW)，电机7的正转带动丝杠12正转，与丝杠12啮合的丝杠螺母6则向上运动，丝杠螺母6向上运动会对与它啮合的转轮5产生一个向上的推力，因此，啮合在丝杠螺母6左右两侧的转轮5会背向旋转，从而带动连杆背向旋转，连杆的运动带动连杆和夹爪1，让一对夹爪1平行分开，放下物品。

如果丝杠12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6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)

1.一种夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，包括机壳、减速电机、丝杠副和两组夹爪组件，其中：

所述减速电机位于所述机壳内并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和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，所述丝杠螺母的外侧设置有两列外齿，每列外齿均竖直设置并且这两列所述外齿左右对称布置；

对于每组所述夹爪组件而言，其包括夹爪、转轮、第一连杆和第二连杆，所述夹爪为V形并包括一体成型的第一段和第二段，所述夹爪的第二段竖直设置且位于第一段上方，以用于与物品接触来夹持物品，所述第一段与第二段的结合处通过第一铰轴铰接所述第一连杆的上端，所述第一段的下端通过第二铰轴与第二连杆的上端铰接，所述第一连杆的下端通过第三铰轴铰接在所述机壳上，所述第二连杆的下端通过第四铰轴铰接在所述机壳上，所述转轮与所述第二连杆固定连接并且与所述第四铰轴同轴设置，所述转轮外侧的外齿与所述丝杠螺母外侧的一列外齿啮合，所述第一铰轴～第四铰轴分布在平行四边形的四个顶点上；

两个所述转轮左右对称布置。

2.根据权利要求1所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，所述转轮外侧的外齿分布在一段弧线上。

3.根据权利要求1所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，每个所述夹爪的第二段上均设置有安装孔，以用于安装各种型号的夹指。

4.根据权利要求1所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，所述减速电机的电机带有编码器。

5.根据权利要求1所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，还包括电机驱动板和信号线，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。

6.根据权利要求5所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，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。

7.根据权利要求1所述的夹持牢固的高精度电动机械爪，其特征在于，所述减速电机的减速箱为行星齿轮减速箱。

8.权利要求1～7中任一所述的夹持牢固的高精度电动机械爪夹持物品的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)T为减速电机的输出扭矩，通过该输出扭矩T在第二连杆的顶端产生竖直的推力F_a，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_a分解为与第二连杆垂直的力F₁和与第二连杆平行的力F₂，F₁的作用是让第二连杆围绕第四铰轴的中心线旋转，F₁在让第二连杆围绕第四铰轴的中心线旋转过程中，对夹爪同时产生作用，其作用由经F₁分解的与夹爪的第一段垂直的力F₃和与夹爪的第一段平行的力F₄产生，F₃让夹爪的第一段围绕第二铰轴15的中心线旋转，F₄分解成与第一连杆垂直的力F₅和与第一连杆平行的力F₆，则：

F₁＝F_a*cosθ；

＝F_a*cos(90-ρ)；

F₃＝F₁*cosθ；

F₄＝F₁*sinθ；

F₅＝F₄*cosσ

＝F₄*cos(90-Υ)；

其中，θ为F_a与F₁的夹角，ρ为F_a与F₂的夹角，θ为F₃与F₁的夹角，σ为F₅与F₄的夹角，Υ为F₆与F₄的夹角；

F₅让第一连杆绕第三铰轴的中心线旋转，F₅同时带动夹爪转动，F₅分解成与夹爪的第二段平行的力F₇和与夹爪的第二段垂直的力F₈；

F₈＝F₅*cosβ

＝F₅*cos(90-§)；

其中，β为F₅与F₈的夹角，§为F₅与F₇的夹角；

已知§，则可获得夹爪的把持力F₈，根据所需夹取物品的属性和软硬性质可判断该物品可承受力的大小及能否用该机械爪夹取，以保证物品不会被夹坏。

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