CN117359664A - 一种机械随动式夹持装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械随动式夹持装置及其使用方法，涉及机械控制技术领域。本发明的一具体实施方式包括：夹持机构包括转向及转速控制电机、控制器、控制夹持器张合的螺杆机构、螺母A、螺母B，对被安装件施加压力的夹持器、安装于夹持器内，根据被安装件外形发生接触面形状变化的安装珠；本发明通过安装珠的旋转运动，实现接触面随被安装件表面形状从动变化，保证充足接触面积的同时，可防止对被安装件的磕碰。

Description

一种机械随动式夹持装置及其使用方法

技术领域

本发明属于机械控制技术领域，尤其涉及一种机械随动式夹持装置及其使用方法。

背景技术

在被安装件表面不规则、外形尺寸变化较大的航空用品时，不具备随动结构的夹持器容易划伤被安装件表面，若采用夹持手指机构，则需要对手指进行运动规划和轨迹规划，控制异常复杂。如何在提高夹持器外形适应性的同时降低运动规划造成的控制复杂性，是夹持机构设计过程遇到的一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可随被安装件表面情况变化的夹持机构及方法，以解决复杂表面航空用品通过机械手进行自动安装过程中，表面易磕碰、运动和轨迹规划过于复杂的问题。

有鉴于此，根据本发明实施例的一个方面，提供了一种机械随动式夹持装置，包括：两个夹持器10和螺杆机构，其中螺杆机构还包括螺母A1、螺杆2和螺母B3，两个夹持器10顶端分别与螺母A1和螺母B3连接，螺母A1和螺母B3套接于螺杆2，套接部分分别为左右旋螺纹；夹持器10还包括半球球壳13、大号安装珠11、球头限位钉22和第一半球限位盖14；半球球壳13的球形内凹面为多半球形或半球形，大安装珠11嵌套于半球球壳13的球形内凹面内，大安装珠11的半径小于半球球壳13的球形内凹面的半径，且大安装珠11与半球球壳13的球形内凹面同心，使得大安装珠11可在半球球壳13球形内凹面内转动；球头限位钉22沿大安装珠11的径向方向设置，其外端与半球球壳13的滑动抵接；第一半球限位盖14为球环形状，扣接于半球球壳13的球形内凹面的外沿，其内径等于大安装珠11的半径。

可选地，大安装珠11还嵌套设置有多层安装珠，嵌套方式与大安装珠11一致。

可选地，螺杆机构还包括扭矩仪4、电机5和控制器12；电机5输出轴与螺杆2通过扭矩仪4连接，控制器12通过伺服驱动器控制电机旋转。

可选地，还包括外形探测器6，外形探测器6采集被安装件的状态，发送至控制器12，控制器12计算得出其外轮廓数据，根据夹持器实时状态，计算电机5旋转角度，控制使夹持器10的张开角度，使其大于被安装件外形。

可选地，外形探测器6采集被安装件特征点和置物台特征点，控制器12根据特征点计算得出被安装件7对置物台的相对位置，使用位置坐标的方式表示，从而确定夹持器10初始位置。

可选地，球头限位钉22采用耐磨材料加工，硬度不小于45HRC。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种机械随动式夹持装置的使用方法，包括使用所述的任一装置，包括：

步骤S1：使用外形探测器6探测被安装件7和置物台状态，输送至控制器12；

控制器12采集夹持器10初始位置和初始张开状态信息，经计算得出被安装件7外廓尺寸、被安装件与置物台相对位置，向电机5输入用于控制夹持器初始张合度的转向、旋转角度指令，向机械臂输入初始位置移动指令；

步骤S2：控制螺杆2旋转方向以控制夹持器10的张开或闭合；

步骤S3：螺杆2随电机5旋转过程中，扭矩仪4采集扭矩信息输送给控制器12，控制器12将实施扭矩值与预设值做比较，当扭矩值到达预设值时控制电机5停止；

步骤S4：夹持器闭合过程中多个安装珠接触被安装件7，被安装件表面的不平整引起安装珠受力不平衡，使安装珠做旋转运动，直至全部零件受力平衡；

可选地，还包括：步骤S5：当扭矩传感器4检测到电机5输出扭矩达到预设值时，控制器12向电机5发送停机指令；

步骤S6：控制器12向机械臂发送准备完成信号，等待机械臂进行抬升动作。

本发明的适用于复杂被夹持表面的机械式随动式夹持机构，采用各种规格不同的安装珠以及与夹持器之间通过球面(或圆柱面)接触的方式，在受力不平衡时可360度方向旋转，当各等级安装珠均到达受力平衡时停止旋转，实现了夹持器可在不进行任何运动轨迹规划控制的情况下，夹持复杂表面的被安装件。通过扭矩仪和外形探测器对系统的实施监测，控制器可通过计算实现对最终夹持力、夹持器初始位置和初始张开程度的控制。既简化了机器人系统控制，同时提高了控制精度，安装珠的外平面设计考虑的防滑的弹性设计方案，可有效避免对被安装件的损伤。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种机械随动式夹持装置的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种机械随动式夹持装置的安装珠嵌套结构示意图；

图3为根据本发明实施例的一种机械随动式夹持装置使用方法的控制原理图；

其中，1-螺母A，2-螺杆，3-螺母B，4-扭矩仪，5-电机，6-外形探测器，7-被安装件(位置)，8-小安装珠，9-中安装珠，10-夹持器，11-大安装珠，12-控制器，13-半球球壳，14-第一半球限位盖，15、17、21、23-紧固螺钉，16-中半球限位盖，18、19、22-球头限位钉，20-小半球限位盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种机械随动式夹持装置，包括：两个夹持器10和螺杆机构，其中螺杆机构还包括螺母A1、螺杆2和螺母B3，两个夹持器10顶端分别与螺母A1和螺母B3连接，螺母A1和螺母B3套接于螺杆2，套接部分分别为左右旋螺纹；夹持器10还包括半球球壳13、大号安装珠11、球头限位钉22和第一半球限位盖14；半球球壳13的球形内凹面为多半球形或半球形，大安装珠11嵌套于半球球壳13的球形内凹面内，大安装珠11的半径小于半球球壳13的球形内凹面的半径，且大安装珠11与半球球壳13的球形内凹面同心，使得大安装珠11可在半球球壳13球形内凹面内转动；球头限位钉22沿大安装珠11的径向方向设置，其外端与半球球壳13的滑动抵接；第一半球限位盖14为球环形状，扣接于半球球壳13的球形内凹面的外沿，其内径等于大安装珠11的半径。嵌套结构使得大安装珠11与半球球壳13之间具有间隙，大安装珠11可在半球球壳13的凹面内旋转，球头限位钉22与半球球壳13内凹面抵接，当其滑动至第一半球限位盖14时，被第一半球限位盖14挡住，从而将大安装珠11限制在半球球壳13的凹面内，防止其脱出。

进一步地，大安装珠11还嵌套设置有多层安装珠，嵌套方式与大安装珠11一致。

进一步地，螺杆机构还包括扭矩仪4、电机5和控制器12；电机5输出轴与螺杆2通过扭矩仪4连接，控制器12通过伺服驱动器控制电机旋转。

进一步地，还包括外形探测器6，外形探测器6采集被安装件的状态，发送至控制器12，控制器12计算得出其外轮廓数据，根据夹持器实时状态，计算电机5旋转角度，控制使夹持器10的张开角度，使其大于被安装件外形。

进一步地，外形探测器6采集被安装件特征点和置物台特征点，控制器12根据特征点计算得出被安装件7对置物台的相对位置，使用位置坐标的方式表示，从而确定夹持器10初始位置。

进一步地，球头限位钉22采用耐磨材料加工，硬度不小于45HRC。

一种机械随动式夹持装置的使用方法，包括使用所述的任一装置，包括：

步骤S1：使用外形探测器6探测被安装件7和置物台状态，输送至控制器12；

控制器12采集夹持器10初始位置和初始张开状态信息，经计算得出被安装件7外廓尺寸、被安装件与置物台相对位置，向电机5输入用于控制夹持器初始张合度的转向、旋转角度指令，向机械臂输入初始位置移动指令；

步骤S2：控制螺杆2旋转方向以控制夹持器10的张开或闭合；

步骤S3：螺杆2随电机5旋转过程中，扭矩仪4采集扭矩信息输送给控制器12，控制器12将实施扭矩值与预设值做比较，当扭矩值到达预设值时控制电机5停止；

步骤S4：夹持器闭合过程中多个安装珠接触被安装件7，被安装件表面的不平整引起安装珠受力不平衡，使安装珠做旋转运动，直至全部零件受力平衡；

进一步地，还包括：步骤S5：当扭矩传感器4检测到电机5输出扭矩达到预设值时，控制器12向电机5发送停机指令；

步骤S6：控制器12向机械臂发送准备完成信号，等待机械臂进行抬升动作。

其中，电机为伺服电机，本专利不限于伺服电机，保护伺服电机、步进电机等任意可精确控制旋转角度的电机。

扭矩传感器4，设置在伺服电机5与螺杆2连接处，在夹持器闭合过程中，通过扭矩计算得出实时加紧力，扭矩传感器向控制器12输送实时扭矩信号；

外形探测器6，设置在夹持器10底端，可探测被安装件7和安装台实时状态，并传送给伺服控制器12；

控制器12具备高速计算能力，如电脑、单片机等，可由外形探测器输入的安装件的图片经计算得出其外形尺寸，根据夹持器当前的张开距离，进一步计算得出保证夹持器可顺利深入被安装件两侧电机所需旋转角度和旋转方向，控制器将此两信息输入给控制电机；

当夹持器达到合适张开距离后，控制器根据外形探测器所拍摄的被安装件和置物台图片，计算得出被安装件相对于置物台的相对位置和相对角度信息，用坐标值表示；

为便于控制器计算，置物台上设置两个预设位置识别特征点，被安装件上设置两个预设位置识别特征点，通过四个特征点进行相对位置和相对角度的计算；置物台相对试验台的相对位置每次都保持不变；

控制器根据相对位置和夹持器当前位置，计算得出夹持器所需移动距离和角度，并将此信息输送给机械臂；

实施例1

如图1和2所示，该实施例具有三层嵌套结构，即小安装珠8嵌套在中安装珠9内，使用小半球限位盖20限位，中安装珠9嵌套在大安装珠11内，使用中半球限位盖16限位，大安装珠11嵌套在半球球壳13内，使用第一半球限位盖13限位，同时每个安装珠沿径向方向均设置球头限位钉18、19、22，限位盖使用紧固螺钉15、17、21、23固定，从而构成了多层嵌套的加持器10。

大安装珠11球形内凹面用于安装中安装珠9，中安装珠9内凹球面用于安装小安装珠8，各层结构及运动原理与上述结构相同；电机5输出轴与螺杆2通过扭矩仪连接，控制器12通过伺服驱动器控制电机旋转包含旋转角度和旋转方向等，从而控制夹持器开度；扭矩仪将扭矩信号实施输入给控制器，控制器根据采集的输入信号与预设扭矩限值做比较，做出停止选择决策，防止夹持力过大损失被安装件7；外形探测器6安装于夹持器下端，用于控制夹持器初始位置和初始张开角度，保在初始位置证夹持器10可置于被安装件7外侧；外形探测器6拍摄被安装件给控制器12，控制器计算得出其外轮廓数据选取两夹持器张开方向的数据，根据夹持器实时状态张开状态，计算电机旋转角度输入给伺服电机5，控制使夹持器10初始张开角度，使其大于被安装件外形。外形探测器6拍摄被安装件特征点定位销孔和置物台特征点，控制器12根据特征点计算得出被安装件7对置物台的相对位置，使用位置坐标的方式表示，从而确定夹持器初始位置。

实施例2

如图2所示，加持装置的使用方法包括：

步骤一、外形探测器6探测被安装件7、置物台图片，信号输送给控制器12；

控制器12采集夹持器10初始位置和初始张开状态信息，经计算得出被安装件7外廓尺寸、被安装件与置物台相对位置，向所述控制电机5输入用于控制夹持器初始张合度的转向、旋转角度指令，向机械臂输入初始位置移动指令；

步骤二、螺杆左右两端分别为左旋和右旋螺纹，所述螺母A1、螺母B3将根据螺杆旋转方向控制所述夹持器10的张开或闭合；

步骤三、螺杆系统2随电机5旋转过程中，扭矩仪4采集扭矩信息输送给控制器12，控制器将实施扭矩值与预设值做比较，当扭矩值到达预设值时控制电机停止，防止因加紧力过大损伤被安装件7；

步骤四、夹持器闭合过程中安装珠8接触被安装件7，被安装件表面的不平整引起安装珠8受力不平衡，从而相对安装珠9做旋转运动、继而装珠9、11随之旋转，直至全部零件受力平衡；

相对旋转过程中，限位球头钉18、19、22接触内凹球面，做360度转动，当其运动接触到限位盖20、16、14时，由于限位盖内球面直径比半球9、11、13内凹球面直径小1mm，因此运动方向受到限制，不可继续沿运动；

步骤五、当扭矩传感器4检测到电机5输出扭矩达到预设值时，控制器12向所述伺服电机5发送转速置零指令；

步骤六、控制器12向机械臂发送准备完成信号，等待机械臂进行抬升动作。

实施例3

螺杆系统通过扭矩仪与控制电机输出轴连接，将电机旋转角度和选装方向转化为螺母的直线运动，控制夹持器张开程度；

扭矩仪实施监测电机输出扭矩，控制器内预设防止被安装件被损失的极限压力值对应的极限扭矩值，控制器将实测扭矩与预设扭矩值进行比较判断，扭矩达到夹持要求时，所述伺服电机转速置零，机械臂进行抬升动作；

外形探测器可拍摄被安装件和置物台图片，被安装件和置物台上预设由两个标识特征；

控制器根据被安装件图片可计算图器外形尺寸，与夹持器当前状态比较的计算出达到夹持器初始张开程度的电机旋转方向和角度信息；

控制器根据被安装件和置物台图片上的特征点信息，计算得出被安装件相对于置物台的位置信息，用于控制夹持器初始位置；

与被安装件接触的安装珠表面设计橡胶、聚四氟乙烯或其他弹性材料，用于防止硬度过大损失被安装件，和运送过程中振动引起被件损伤；

与被安装件接触的安装珠表面粗糙度应较高，或设计沟槽形或弹性防滑结构，防止机械臂运动过程中，被试件滑落；

螺杆结构中，采用小螺距螺杆，以保证较高的控制精度。

实施例4

步骤一、外形探测器6将被安装件和置物台信息传送给控制器12；

步骤二、控制器根据夹持器位置和被试件外形信息，确定电机旋转方向及角度指令；

步骤三、伺服电机5根据输入指令带动螺杆2旋转，直至螺母带动夹持器张开到所需程度；

步骤四、控制器根据被试件和置物台特征点信息，配合夹持器当前位置，计算确定夹持器移动位置和旋转角度指令；

步骤五、夹持器到达被试件上方位置后，制器向伺服电机发送指令，使其逆向旋转，以实现夹持器收紧的运动；

步骤六、当安装珠与被安装件表面接触时，根据受力情况进行旋转；

步骤七、安装珠将压力传递至更大号安装珠，各等级安装珠随之旋转，直至全部受力平衡，安装珠外表面与被安装件外表面紧密贴合；

步骤八、伺服电机继续旋转，安装珠对被安装件施加压力，伺服控制器根据扭矩传感器采集信息与预设扭矩进行比较计算，控制伺服电机停转；

步骤九、控制器向机械臂输送准备完成信号。

本发明的适用于复杂被夹持表面的机械随动式的夹持机构，能够在不进行轨迹规划的情况下，对复杂表面被安装件输入稳定加持力，夹持机构接触面随被安装件外表面形状变化，同时设计有防护和减震装置，有效避免了对被安装件的磕碰。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种机械随动式夹持装置，其特征在于，包括：

两个夹持器(10)和螺杆机构，其中螺杆机构还包括螺母A(1)、螺杆(2)和螺母B(3)，

两个夹持器(10)顶端分别与螺母A(1)和螺母B(3)连接，螺母A(1)和螺母B(3)套接于螺杆(2)，套接部分分别为左右旋螺纹；夹持器(10)还包括半球球壳(13)、大号安装珠(11)、球头限位钉(22)和第一半球限位盖(14)；

半球球壳(13)的球形内凹面为多半球形或半球形，大安装珠(11)嵌套于半球球壳(13)的球形内凹面内，大安装珠(11)的半径小于半球球壳(13)的球形内凹面的半径，且大安装珠(11)与半球球壳(13)的球形内凹面同心，使得大安装珠(11)可在半球球壳(13)球形内凹面内转动；球头限位钉(22)沿大安装珠(11)的径向方向设置，其外端与半球球壳(13)的滑动抵接；第一半球限位盖(14)为球环形状，扣接于半球球壳(13)的球形内凹面的外沿，其内径等于大安装珠(11)的半径。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，大安装珠(11)还嵌套设置有多层安装珠，嵌套方式与大安装珠(11)一致。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，螺杆机构还包括扭矩仪(4)、电机(5)和控制器(12)；

电机(5)输出轴与螺杆(2)通过扭矩仪(4)连接，控制器(12)通过伺服驱动器控制电机旋转。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括外形探测器(6)，外形探测器(6)采集被安装件的状态，发送至控制器(12)，控制器(12)计算得出其外轮廓数据，根据夹持器实时状态，计算电机(5)旋转角度，控制使夹持器(10)的张开角度，使其大于被安装件外形。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，外形探测器(6)采集被安装件特征点和置物台特征点，控制器(12)根据特征点计算得出被安装件(7)对置物台的相对位置，使用位置坐标的方式表示，从而确定夹持器(10)初始位置。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，球头限位钉(22)采用耐磨材料加工，硬度不小于45HRC。

7.一种机械随动式夹持装置的使用方法，其特征在于，使用如权利要求1-6所述的任一装置，包括：

步骤S1：使用外形探测器(6)探测被安装件(7)和置物台状态，输送至控制器(12)；

控制器(12)采集夹持器(10)初始位置和初始张开状态信息，经计算得出被安装件(7)外廓尺寸、被安装件与置物台相对位置，向电机(5)输入用于控制夹持器初始张合度的转向、旋转角度指令，向机械臂输入初始位置移动指令；

步骤S2：控制螺杆(2)旋转方向以控制夹持器(10)的张开或闭合；

步骤S3：螺杆(2)随电机(5)旋转过程中，扭矩仪(4)采集扭矩信息输送给控制器(12)，控制器(12)将实施扭矩值与预设值做比较，当扭矩值到达预设值时控制电机(5)停止；

步骤S4：夹持器闭合过程中多个安装珠接触被安装件(7)，被安装件表面的不平整引起安装珠受力不平衡，使安装珠做旋转运动，直至全部零件受力平衡。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤S5：当扭矩传感器(4)检测到电机(5)输出扭矩达到预设值时，控制器(12)向电机(5)发送停机指令；

步骤S6：控制器(12)向机械臂发送准备完成信号，等待机械臂进行抬升动作。