CN115319777A - 一种基于欠驱动差速器的工业夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明属于夹持器相关技术领域，其公开了一种基于欠驱动差速器的工业夹持器，包括欠驱动差速器模块；欠驱动差速器模块包括夹持模块电机、锥齿轮轴、差速器锥齿轮、第一差速器、第二涡轮、第三差速器、第二差速器及第一涡轮，锥齿轮轴连接于夹持模块电机，锥齿轮轴与差速器锥齿轮相啮合；差速器锥齿轮设置在第一差速器上；第一差速器两侧分别形成有第一蜗杆轴及第二蜗杆轴，第一蜗杆轴及第二蜗杆轴分别与第一涡轮及第二涡轮相啮合；第一涡轮及第二涡轮分别设置在第二差速器及第三差速器上；第二差速器及第三差速器分别连接于不变行程抓握模块及可变行程抓握模块。本发明结构紧凑，响应速度快，包络夹持工作执行稳定。

Description

一种基于欠驱动差速器的工业夹持器

技术领域

本发明属于夹持器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于欠驱动差速器的工业夹持器。

背景技术

机器人技术是目前科学发展的重要趋势之一，而令机器人末端夹持器仿人手开展各项工作是机器人研究中重要的一环。

近年来，对工业机器人夹持器的研究更多趋向于灵活、多自由度的设计，最终目标则是像人体的手指那样可以灵巧操作。考虑到机器人末端空间有限，以及降低控制的复杂度，采用欠驱动的控制方式是未来的发展趋势。所谓欠驱动结构则是独立驱动器的数量小于自由度数的一种新型驱动结构，能够在提高自由度的同时精简控制模式。

现在大多的欠驱动工业夹持器都采用两爪的夹持方式，这种夹持方式夹持稳定，能实现一定程度的适应性夹持，例如在中国发明专利CN108189070A中公开了一种夹爪装置，可适用于进行环抱夹持,平行夹持和内扩夹持物体；在中国发明专利CN110539318A中公开了一种夹爪装置，其能够通过不完全齿轮机构与弹性元件的配合来使夹爪两侧做不同的夹持运动，实现一定程度上的自适应夹持，比如规则物体、小型球体、小石头等。但总体来说，两个夹爪的夹持器在面对长条状物体或者轮廓形状多样的中大型不规则物体时，其夹持的功能就会显地难以应对，由于定位点不足，两个夹爪的夹持器实现不了针对上述物体精确可靠的自适应包络夹持，容易使得物体滑落导致夹持失效。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于欠驱动差速器的工业夹持器，所述夹持器的欠驱动差速器的两端分别连接有两对夹爪，能够对目标物体进行包络夹持，形成了一个具有13自由度的四指夹持器，且所述工业夹持器的结构紧凑，响应速度快，包络夹持工作执行稳定。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于欠驱动差速器的工业夹持器，所述夹持器包括欠驱动差速器模块、不变行程抓握模块及可变行程抓握模块，所述可变行程抓握模块及所述不变行程抓握模块分别连接于所述欠驱动差速器模块相背的两端；

所述欠驱动差速器模块包括夹持模块电机、锥齿轮轴、差速器锥齿轮、第一差速器、第二涡轮、第三差速器、第二差速器及第一涡轮，所述锥齿轮轴连接于所述夹持模块电机，所述锥齿轮轴与所述差速器锥齿轮相啮合；所述差速器锥齿轮设置在所述第一差速器上；所述第一差速器相背的两侧分别形成有第一蜗杆轴及第二蜗杆轴，所述第一蜗杆轴及所述第二蜗杆轴分别与所述第一涡轮及所述第二涡轮相啮合；所述第一涡轮及所述第二涡轮分别设置在所述第二差速器及所述第三差速器上；所述第二差速器及所述第三差速器分别连接于所述不变行程抓握模块及所述可变行程抓握模块，以带动所述可变行程抓握模块的第三夹爪与第四夹爪、以及所述不变行程抓握模块的第一夹爪及第二夹爪对目标物体进行夹持。

进一步地，所述欠驱动差速器模块还包括联轴器，所述联轴器连接所述夹持模块电机的输出轴及所述锥齿轮轴。

进一步地，所述夹持器还包括夹持器固定安装座，所述夹持器固定安装座为框架结构，所述第一蜗杆轴及所述第二蜗杆轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述夹持模块电机固定在所述夹持器固定安装座上；所述第一夹爪及所述第二夹爪位于所述夹持器固定安装座的一侧，所述第三夹爪及所述第四夹爪位于所述夹持器固定安装座的另一侧。

进一步地，所述第三差速器相背的两端分别形成有第一方形长轴及第二方形长轴，所述第一方形长轴及所述第二方形长轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述第一方形长轴及所述第二方形长轴连接于所述可变行程抓握模块的第三夹爪及第四夹爪。

进一步地，所述第一方形长轴的中心轴与所述第二方形长轴的中心轴重合，通过将所述第三夹爪及所述第四夹爪分别沿着所述第一方形长轴及所述第二方形长轴反向移动，以调整所述第三夹爪与所述第四夹爪之间的间距，以适应不同长度的目标物体。

进一步地，所述第二差速器相背的两端分别形成有第一方形短轴及第二方形短轴，所述第一方形短轴及所述第二方形短轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述第一方形短轴及所述第二方形短轴分别连接于所述第一夹爪及第二夹爪。

进一步地，所述第一方形短轴的长度与所述第二方形短轴的长度相等，且均小于所述第一方形长轴的长度，所述第一方形长轴的长度与所述第二方形长轴的长度相等；所述第一方形短轴的中心轴与所述第二方形短轴的中心轴重合，所述第一方形长轴的中心轴与所述第二方形长轴的中心轴重合。

进一步地，所述第一蜗杆轴的中心轴与所述第二蜗杆轴的中心轴重合，且与所述第一方形长轴的中心轴垂直；所述锥齿轮轴的中心轴与所述第一蜗杆轴的中心轴垂直。

进一步地，所述欠驱动差速器模块能使得所述第一夹爪、所述第二夹爪、所述第三夹爪及所述第四夹爪在触碰到目标物体时，适应性地使得四个夹爪依据接触目标物体的时间顺序顺应地完成夹持工作；所述第一夹爪及所述第二夹爪中所受阻尼最小的一个夹爪进行自适应包络夹持，为所受阻尼大的一个夹爪先进行接触定位，后进行协助夹紧。

进一步地，多个所述工业夹持器能组成一个夹持系统，多个该工业夹持器协同工作以完成目标物体的夹持。

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，本发明提供的基于欠驱动差速器的工业夹持器主要具有以下有益效果：

1.所述夹持器采用一个夹持模块电机实现了4个夹爪的12个夹持自由度(另一个平移模块电机单独控制垂直于夹持方向平面的导轨移动)，控制同样多自由度的夹爪所用的驱动器数量更少，降低了能耗，为本就不大的机器人末端腔室节省空间。

2.所述工业夹持器通过不变行程夹持模块与可变行程夹持模块相互配合，能够对更大范围尺寸与形状的物体实现更高稳定性、更高精度的夹持与操作。

3.夹持器通过精妙的连杆机构能够实现平行夹持和包络夹持，且在夹紧后能够提供更大的夹持力(受到外载冲击时具有一定的柔顺性，可以在一定程度上保护夹持器不受损)。

4.所述夹持器能够使自适应夹持具有单向性，即在夹持过程中，得益于蜗轮蜗杆的自锁性质，在其工作范围内，夹爪能够且仅能朝着被夹持物体方向进行自适应夹持，而不会反向运动，即受外力也不会使其反向松动，从而达到单向且稳定的自适应夹持功能。

附图说明

图1是本发明提供的基于欠驱动差速器的工业夹持器的示意图；

图2是图1中的基于欠驱动差速器的工业夹持器的欠驱动差速器模块的示意图；

图3是图1中的基于欠驱动差速器的工业夹持器的局部示意图；

图4是图1中的基于欠驱动差速器的工业夹持器的另一个局部示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-夹持器固定安装座，2-欠驱动差速器模块，3-不变行程抓握模块，4-可变行程抓握模块，5-夹持模块电机，6-联轴器，7-锥齿轮轴，8-差速器锥齿轮，9-第一差速器，10-第一蜗杆轴，11-第一涡轮，12-第二差速器，13-第一方形短轴，14-第一夹爪驱动杆，15-第一夹爪，16-第一夹爪底座，17-第二方形短轴，18-第二夹爪驱动杆，19-第二夹爪，20-第二夹爪底座，21-第二蜗杆轴，22-第二涡轮，23-第三差速器，24-第一方形长轴，25-第三夹爪驱动杆，26-第三夹爪，27-第三夹爪底座，28-第三夹爪拨叉，29-第三夹爪滑块，30-第二方向长轴，31-第四夹爪驱动杆，32-第四夹爪，33-第四夹爪底座，34-第四夹爪拨叉，35-第四夹爪滑块，36-平移模块电机，37-输入同步带轮，38-同步带，39-输出同步带轮，40-正反牙双向丝杆，41-直线导轨。

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。

请参阅图1，本发明提供了一种基于欠驱动差速器的工业夹持器，所述夹持器包括夹持器固定安装座1、欠驱动差速器模块2、不变行程抓握模块3及可变行程抓握模块4，所述欠驱动差速器模块2固定于所述夹持器固定安装座1上，所述不变行程抓握模块3及所述可变行程抓握模块4分别连接于所述欠驱动差速器模块2相背的两端。

所述夹持器为四指夹持器，所述不变行程抓握模块3及所述可变行程抓握模块4均有差速适应机构，使得所述夹持器能够进行不同长度的目标无磁夹持的工作，并能够对目标物体进行包络夹持，工业夹持器整体由两个电机驱动，形成了具有13自由度的四指执行器。当在不同的工作情况下进行切换时，工业夹持器可以根据目标物体的大小进行自适应调整，包络式夹持。且所述夹持器的结构紧凑，响应速度快，包络夹持工作执行稳定。

所述夹持器固定安装座1为框架结构，其主要用于承载所述欠驱动差速器模块2、所述不变行程抓握模块3及所述可变行程抓握模块4。

请参阅图2，所述欠驱动差速器模块2包括夹持模块电机5、联轴器6、锥齿轮轴7、差速器锥齿轮8、第一差速器9、第二蜗杆轴21、第二涡轮22、第三差速器23、第一方形长轴24、第二方形短轴17、第二差速器12、第一涡轮11、第一蜗杆轴10、第一方形短轴13及第二方形长轴30。

所述夹持模块电机5通过螺钉固定在所述夹持器固定安装座1上，其输出轴通过所述联轴器6连接于所述锥齿轮轴7。所述锥齿轮轴7上的锥齿轮与所述差速器锥齿轮8相啮合。所述差速器锥齿轮8通过螺钉连接于所述第一差速器9上。所述第一差速器9相背的两端分别形成有第一蜗杆轴10及第二蜗杆轴21，所述第一蜗杆轴10及所述第二蜗杆轴21分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座1上，且所述第一蜗杆轴10及所述第二蜗杆轴21分别通过所述第二涡轮22及所述第一涡轮11相啮合，且带有自锁特性。

所述第一涡轮11通过螺钉连接于所述第二差速器12上，所述第二涡轮22通过螺钉连接于所述第三差速器23上。所述第二差速器12相背的两端分别形成有第一方形短轴13及第二方形短轴17，所述第一方形短轴13及所述第二方向短轴17分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座1上。所述第三差速器23相背的两端分别形成有第一方形长轴24及所述第二方形长轴30，所述第一方形长轴24及所述第二方形长轴30分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座1上。

本实施方式中，所述第一方形短轴13的长度与所述第二方形短轴17的长度相等，且均小于所述第一方形长轴24的长度，所述第一方形长轴24的长度与所述第二方形长轴30的长度相等；所述第一方形短轴13的中心轴与所述第二方形短轴17的中心轴重合；所述第一方形长轴24的中心轴与所述第二方形长轴30的中心轴重合；所述第一方形长轴24的中心轴与所述第一方形短轴13的中心轴平行；所述第一蜗杆轴10的中心轴与所述第二蜗杆轴21的中心轴重合，且与所述第一方形长轴24的中心轴垂直；所述锥齿轮轴7的中心轴与所述第一蜗杆轴10的中心轴垂直。所述欠驱动差速器模块2通过所述第一方形长轴24及所述第二方形长轴30连接于所述可变行程抓握模块4，通过所述第一方形短轴13及所述第二方形短轴17连接于所述不变行程抓握模块3；所述欠驱动差速器模块2工作时，可以使得四个夹爪在触碰到形状各异的物体时，适应性地根据夹爪接触物体的时间顺序顺应性的完成夹持工作。

请参阅图3，所述不变行程抓握模块3包括第一夹爪15、第一夹爪底座16、第一夹爪驱动杆4、第二夹爪驱动杆8、第二夹爪底座20及第二夹爪19，所述第一夹爪驱动杆4的一端与所述第一方形短轴13之间形成过盈配合；所述第二夹爪驱动杆8与所述第二方形短轴17之间形成过盈配合，如此，能够实现定位并夹持目标物体时的所述第一夹爪15及所述第二夹爪19自适应接触，并能在移动过程中，所述第一夹爪15及所述第二夹爪19上的指节在无外力作用时始终与地面保持垂直，直到最下面的指节达到极限位置或者受到阻力后最上面的指节才会开始弯曲进行包络夹持。所述第一夹爪15及所述第二夹爪19中所受阻尼最小的一个夹爪进行自适应包络夹持，为所受阻尼大的一个夹爪先进行接触定位，后进行协助夹紧。

其中，所述第一夹爪15转动地连接于所述第一夹爪底座16及所述第一夹爪驱动杆4的另一端，所述第二夹爪19转动地连接于所述第二夹爪底座20及所述第二夹爪驱动杆18，所述第一夹爪15与所述第一夹爪底座16之间设置有扭簧；所述第二夹爪19与所述第二夹爪底座20之间设置有扭簧。本实施方式中，所述不变行程抓握模块3为对称结构。

请参阅图4，所述可变行程抓握模块3包括第三夹爪26、第三夹爪底座27、第三夹爪滑块29、输出同步带轮39、正反牙双向丝杆40、同步带38、输入同步带轮37、平移模块电机36、第三夹爪拨叉28、第三夹爪驱动杆25、第四夹爪驱动杆31、第四夹爪拨叉34、直线导轨41、第四夹爪底座33、第四夹爪滑块35及第四夹爪32。

所述第四夹爪驱动杆31的一端套设在所述第二方形长轴30上，另一端转动地连接于所述第四夹爪32。所述第三夹爪驱动杆25的一端套设在所述第一方形长轴24上，另一端转动地连接于所述第三夹爪26。所述第四夹爪32及所述第三夹爪26分别转动地连接于所述第四夹爪底座33及所述第三夹爪底座27上。所述第四夹爪拨叉34的一端固定连接于所述第四夹爪底座33，另一端连接于所述第四夹爪驱动杆31连接于所述第二方形长轴30的一端。具体地，所述第四夹爪驱动杆31的一端外周开设有环形槽，所述第四夹爪拨叉34卡接在所述环形槽内。所述第三夹爪拨叉28与所述第三夹爪驱动杆25之间的连接也是如此。

所述第三夹爪拨叉28的一端固定连接于所述第三夹爪底座27上，另一端连接于所述第三夹爪驱动杆2连接于所述第一方形长轴24的一端上。所述第四夹爪底座33及所述第三夹爪底座27分别滑动地设置在直线导轨41上。所述第四夹爪底座33及所述第三夹爪底座27分别连接有所述第四夹爪滑块35及所述第三夹爪滑块29。所述第四夹爪滑块35及所述第三夹爪滑块29分别套设在所述正反牙双向丝杆40上，所述正反牙双向丝杆40的两端分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座1。所述第四夹爪滑块35及所述第三夹爪滑块29均与所述正反牙双向丝杆40之间形成啮合连接。

所述正反牙双向丝杆40的一端连接于输出同步带轮39，所述同步带38套设在所述输出同步带轮39及所述输入同步带轮37上，所述输入同步带轮37连接于所述平移模块电机36的输出轴。

所述平移模块电机36通过所述输入同步带轮37带动所述同步带38转动，所述同步带38带动所述输出同步带轮39转动，所述输出同步带轮39带动所述正反牙双向丝杆40转动，所述正反牙双向丝杆40带动所述第四夹爪滑块35及所述第三夹爪滑块29做反向同步运动，所述第三夹爪滑块29带动与其相连接的第三夹爪底座27及第三夹爪拨叉28同步运动，所述第三夹爪拨叉28推动所述第三夹爪驱动杆25使其随所述第三夹爪滑块29同步运动，所述第三夹爪26也同步运动。所述第四夹爪滑块35带动与其相连接的第四夹爪底座33及第四夹爪拨叉34同步运动，所述第四夹爪拨叉34推动所述第四夹爪驱动杆31使其与所述第四夹爪滑块35同步运动，最终使得所述第三夹爪26和所述第四夹爪32做反向同步运动，即所述可变行程抓握模块4在不变行程抓握模块3的基础上增加了可变行程导轨机构，使得所述第三夹爪26及所述第四夹爪32可在垂直于夹持平面的方向上做反向同步运动。

所述夹持模块电机5能够欠驱动地实现4个夹爪的12个夹持自由度运动，而所述平移模块电机36则是单独控制垂直于夹持平面的导轨移动，在具体夹持过程中，四个夹爪在触碰到形状各异的物体时，可以适应性地根据夹爪接触物体的时间顺序顺应性的完成夹持工作，先接触物体的一侧夹爪进行接触定位，后接触物体的一侧夹爪进行类人手的自适应包络夹持，然后进行接触定位的那一侧夹爪再进行自适应包络夹持来协助夹紧。同时对于小物件可以利用导轨缩短两指间距，使四指对心便于覆盖夹持或进行平行夹持；对大物件可以利用导轨增加两指间距，使四指不对心从而拥有更大的夹持范围以适应较长、较大物件。

当所处工位需要根据目标物体的长度调整夹持器的有效行程时，所述四指工业夹持器能够根据目标物体的长度，自动调整四指夹持器的可变行程夹持模块，在无须更换末端执行器的情况下也能够进行不同长度目标物体的夹持工作，此时所述四指工业夹持器的有效行程可以轻松改变。

在具体应用时，欠驱动四指工业夹持器可多个一组，形成一个长条物体的夹持系统，在夹持器的滑轨轴向方向，多个夹持器可以进行协同工作，共同夹持形态非常长的目标物体，对其进行精确稳定地自适应夹持，类似于小型而精密的工厂天车。

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 (10)

1.一种基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：

所述夹持器包括欠驱动差速器模块、不变行程抓握模块及可变行程抓握模块，所述可变行程抓握模块及所述不变行程抓握模块分别连接于所述欠驱动差速器模块相背的两端；

所述欠驱动差速器模块包括夹持模块电机、锥齿轮轴、差速器锥齿轮、第一差速器、第二涡轮、第三差速器、第二差速器及第一涡轮，所述锥齿轮轴连接于所述夹持模块电机，所述锥齿轮轴与所述差速器锥齿轮相啮合；所述差速器锥齿轮设置在所述第一差速器上；所述第一差速器相背的两侧分别形成有第一蜗杆轴及第二蜗杆轴，所述第一蜗杆轴及所述第二蜗杆轴分别与所述第一涡轮及所述第二涡轮相啮合；所述第一涡轮及所述第二涡轮分别设置在所述第二差速器及所述第三差速器上；所述第二差速器及所述第三差速器分别连接于所述不变行程抓握模块及所述可变行程抓握模块，以带动所述可变行程抓握模块的第三夹爪与第四夹爪、以及所述不变行程抓握模块的第一夹爪及第二夹爪对目标物体进行夹持。

2.如权利要求1所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述欠驱动差速器模块还包括联轴器，所述联轴器连接所述夹持模块电机的输出轴及所述锥齿轮轴。

3.如权利要求1所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述夹持器还包括夹持器固定安装座，所述夹持器固定安装座为框架结构，所述第一蜗杆轴及所述第二蜗杆轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述夹持模块电机固定在所述夹持器固定安装座上；所述第一夹爪及所述第二夹爪位于所述夹持器固定安装座的一侧，所述第三夹爪及所述第四夹爪位于所述夹持器固定安装座的另一侧。

4.如权利要求3所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述第三差速器相背的两端分别形成有第一方形长轴及第二方形长轴，所述第一方形长轴及所述第二方形长轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述第一方形长轴及所述第二方形长轴连接于所述可变行程抓握模块的第三夹爪及第四夹爪。

5.如权利要求4所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述第一方形长轴的中心轴与所述第二方形长轴的中心轴重合，通过将所述第三夹爪及所述第四夹爪分别沿着所述第一方形长轴及所述第二方形长轴反向移动，以调整所述第三夹爪与所述第四夹爪之间的间距，以适应不同长度的目标物体。

6.如权利要求4所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述第二差速器相背的两端分别形成有第一方形短轴及第二方形短轴，所述第一方形短轴及所述第二方形短轴分别通过轴承连接于所述夹持器固定安装座；所述第一方形短轴及所述第二方形短轴分别连接于所述第一夹爪及第二夹爪。

7.如权利要求6所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述第一方形短轴的长度与所述第二方形短轴的长度相等，且均小于所述第一方形长轴的长度，所述第一方形长轴的长度与所述第二方形长轴的长度相等；所述第一方形短轴的中心轴与所述第二方形短轴的中心轴重合，所述第一方形长轴的中心轴与所述第二方形长轴的中心轴重合。

8.如权利要求7所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述第一蜗杆轴的中心轴与所述第二蜗杆轴的中心轴重合，且与所述第一方形长轴的中心轴垂直；所述锥齿轮轴的中心轴与所述第一蜗杆轴的中心轴垂直。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：所述欠驱动差速器模块能使得所述第一夹爪、所述第二夹爪、所述第三夹爪及所述第四夹爪在触碰到目标物体时，适应性地使得四个夹爪依据接触目标物体的时间顺序顺应地完成夹持工作；所述第一夹爪及所述第二夹爪中所受阻尼最小的一个夹爪进行自适应包络夹持，为所受阻尼大的一个夹爪先进行接触定位，后进行协助夹紧。

10.如权利要求1-8任一项所述的基于欠驱动差速器的工业夹持器，其特征在于：多个所述工业夹持器能组成一个夹持系统，多个该工业夹持器协同工作以完成目标物体的夹持。

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