CN201471437U - 自控机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提供一种自动机械手，解决了现有卷筒式印刷过程中，人工手动装卸纸筒劳动强度大、工作效率低的问题。本实用新型采用的技术方案是，一种自控机械手，包括底座、肩关节、肘关节、腕关节及手掌五个部分，所述的底座部分包括底轴，底轴与步进电机A连接，底轴向上与肩关节部分的支撑架连接，支撑架与内侧板连接，内侧板外侧同轴连接有可转动的外侧板，外侧板通过传动装置与步进电机B连接，外侧板与肘关节中的可转动的连接板同轴连接，连接板通过传动装置与步进电机D连接，连接板通过腕部蜗轮轴与腕关节的外手板连接，腕部蜗轮轴通过传动装置与步进电机C连接，外手板中设置有手掌部分的丝杠和CMOS，CMOS与单片机连接，丝杠与直流电机连接，丝杠上套装有导板和手掌板，各部位的电机均与单片机连接。

Description

自控机械手

技术领域

本实用新型属于印刷机械设备技术领域，涉及印刷造纸设备中的纸筒装卸装置，具体涉及一种自控机械手。

背景技术

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动结构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

对于卷筒式印刷机来说，纸筒的装卸不可避免，目前的卷筒式印刷机一般采用人工进行纸筒的装卸，这种方法劳动强度大，效率低。目前，一些先进的大机型以及国外卷筒式印刷机采用了固定位姿机械手进行装卸，这在很大程度上降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，但是这些装置结构复杂，成本高，影响了广泛的使用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种自动机械手，解决了现有卷筒式印刷过程中，人工手动装卸纸筒劳动强度大、工作效率低的问题。

本实用新型采用的技术方案是，一种自控机械手，包括底座、肩关节、肘关节、腕关节及手掌五个部分，所述的底座部分包括底轴，底轴与步进电机A连接，底轴向上与肩关节部分的支撑架连接，支撑架与内侧板连接，内侧板外侧同轴连接有可转动的外侧板，外侧板通过传动装置与步进电机B连接，外侧板与肘关节中的可转动的连接板同轴连接，连接板通过传动装置与步进电机D连接，连接板通过腕部蜗轮轴与腕关节的外手板连接，腕部蜗轮轴通过传动装置与步进电机C连接，外手板中设置有手掌部分的丝杠和CMOS，CMOS与单片机连接，丝杠与直流电机连接，丝杠上套装有导板和手掌板，各部位的电机均与单片机连接。

本实用新型的机械手，其特征还在于，

所述的底座部分的结构是，包括下底板和上底板，下底板和上底板之间连接有支柱，在下底板上固定有步进电机A，步进电机A的电机轴通过连轴套与蜗杆A相连，蜗杆A通过蜗轮A与底轴同步连接。

所述的肩关节部分的结构是，包括支撑架，在支撑架上固定有两个直立的内侧板，在内侧板下端设置有步进电机B；在内侧板上端外侧面同轴连接有可转动的外侧板，穿过每边的内侧板和外侧板各设置有一连接套，连接套与外侧板固定连接，连接套与内侧板光滑接触，外侧板与内侧板之间产生光滑转动，连接套之间固定连接有蜗轮轴，蜗轮轴与蜗轮B固定连接，蜗轮B与蜗杆B连接，蜗杆B的一端与步进电机B的电机轴固定连接。

所述的手掌部分的结构是，包括两个平行设置的外手板，该两个外手板之间连接有丝杠、CMOS支架、腕部蜗轮轴和光杠，其中的丝杠为双头丝杠，丝杠的两端攻丝方向相反，一边为左旋，另一边为右旋，丝杠通过滚动轴承、滑动轴承分别穿过两侧的外手板，在丝杠的滑动轴承一端刚性固连有直流电机；在丝杠上套装有两个导板和两个手掌板，每个导板的两端面分别安装有一个内限位开关和外限位开关，导板与手掌板还同时光滑套装在光杠上，导板通过丝母与丝杠连接，手掌板通过滑套与丝杠连接；每侧的手掌板与各自一侧的导板之间滑动连接有一螺栓A，螺栓上套装有压簧，在CMOS支架上安装有CMOS。

本实用新型的自动机械手，与卷筒式印刷机印后设备配套使用，利用卷筒式印刷机发出的换卷命令进行快速的装卸换筒，实现了装卸纸筒的自动化、高速化作业；并且结构简单，容易操作，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。

附图说明

图1是本实用新型的自控机械手的剖视示意图；

图2是本实用新型的自控机械手的侧视装配图；

图3是本实用新型的自控机械手抓取纸筒的工作状态图；

图4是本实用新型的自控机械手卸放纸筒的工作状态图；

图5是本实用新型自控机械手中的底座部分结构图；

图6是本实用新型自控机械手中的肩部结构图；

图7是本实用新型自控机械手中的手部结构主视图(手掌松开状态)；

图8是本实用新型自控机械手的手部结构俯视图；

图9是本实用新型自控机械手的手掌抓紧状态示意图。

图中，1.下底板，2.底轴承座，3.步进电机A，4.推力轴承，5.下轴套，6.蜗杆A，7.连轴套。8.蜗轮A，9.支柱，10.上轴套，11.上底板，12.轴承座A，13.向心轴承A，14.轴承盖A，15.底轴，16.支撑架，17.内侧板，18.步进电机B，19.电机支架A，20.蜗杆B，21.蜗轮B，22.蜗轮轴，23.外侧板，24.连接套，25.向心轴承B，26.轴承座B，27.轴承座支架，28.直流电机，29.电机支架B，30.外手板，31.导板，32.压簧，33.手掌板，34.手掌夹片，35.丝杠，36.螺母，37.内限位开关，38.外限位开关，39.螺栓A，40.轴承座C，41.滚动轴承，42.轴承盖B，43.CMOS支架，44.CMOS，45.手掌轴套，46.腕部蜗轮轴，47.光杠滑套，48.螺栓B，49.光杠，50.丝母，51.滑套，53.滑动轴承，54.纸筒，55.纸筒轴，56.连接板，57.步进电机C，58.步进电机D。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1、图2，本实用新型的自控机械手包括底座(腰部)、肩关节、肘关节、腕关节及手掌五个部分组成，底座部分的下底板1可以安装到需要的工作平台上，底座部分的底轴15与步进电机A3连接，可以在水平面360度转动，底轴15向上与肩关节部分的支撑架16连接，支撑架16与内侧板17连接，内侧板17外侧同轴连接有可转动的外侧板23，外侧板23通过传动装置与步进电机B18连接，外侧板23可实现竖直平面的转动，外侧板23与肘关节中的可转动的连接板56同轴连接，连接板56通过肘关节传动装置与步进电机D58连接，连接板56通过腕部蜗轮轴46与腕关节的外手板30连接，腕部蜗轮轴46通过腕部传动装置与步进电机C57连接，外手板30中设置有手掌部分的丝杠35和CMOS44，CMOS44与单片机连接，丝杠35与直流电机28连接，丝杠35上套装有导板31和手掌板33，各部位的动力均由自控程序驱动各自的电机提供，其中底座、肩、肘、腕关节分别通过各自的步进电机驱动，手掌的开合通过直流电机驱动，所有电机均由单片机发出指令统一协调控制，实现对纸筒的抓取与卸放。

如图5，本实用新型机械手的底座部分的结构是，包括下底板1和上底板11，下底板1设有安装孔，可以固定在任何工作平面，便于本实用新型的自控机械手工作。下底板1和上底板11之间通过若干支柱9支撑连接，在下底板1上固定有步进电机A3，步进电机A3的电机轴通过连轴套7与蜗杆A6相连，蜗杆A6和蜗轮A8与底轴15同步连接，实现一级减速，从而实现动力由步进电机A3向底轴15的传递；底轴15从下到上依次套装有推力球轴承4、下轴套5、蜗轮A8、上轴套10和向心轴承A13，推力球轴承4设置在底轴承座2中，向心轴承A13设置在轴承座A12中，向心轴承A13的外表面设置有轴承盖A14，实现轴向及周向的定位，使得底轴15转动平稳。蜗杆A6的两端有支架支撑，支架内嵌滑套，利于减少摩擦增加传动稳定性。根据指令，步进电机A3进行正反转实现底轴15的正反向转动，进而实现安装在底轴15上的肩关节部分的360度自由正反向转动。

参照图6，本实用新型机械手的肩关节部分的结构是，包括支撑架16，支撑架16与底座部分的底轴15固定连接，在支撑架16上固定有两个直立的内侧板17，在两个内侧板17下端之间连接有电机支架A19，电机支架A19上安装有步进电机B18；在内侧板17上端外侧面还光滑贴合设置有外侧板23，穿过每边的内侧板17和外侧板23各设置有一连接套24，连接套24与外侧板23固定连接，连接套24与内侧板17光滑接触，外侧板23可以与内侧板17之间产生光滑转动，连接套24之间连接有肩部的蜗轮轴22，蜗轮轴22两端与连接套24通过顶丝锁紧，蜗轮轴22与蜗轮B21固定在一起，蜗轮B21与蜗杆B20连接，蜗杆B20的一端与步进电机B18的电机轴固定连接；在内侧板17上端内侧面之间连接有轴承座支架27，轴承座支架27上安装有轴承座B26，轴承座B26中设置有向心轴承B25，蜗杆B20的另一端通过向心轴承B25与轴承座B26连接。

肩关节部分工作时，由单片机控制步进电机B18转动，依次带动蜗杆B20、蜗轮B21、连接套24、外侧板23转动，安装在外侧板23上的肘关节部件就能实现沿内侧板17垂直平面的旋转。

本实用新型机械手的肘关节部分、腕关节部分与肩关节部分的结构基本相同，依次通过控制各个关节步进电机的转动，可以使得手臂关节在垂直平面内任意弯曲，蜗轮蜗杆组合具有自锁功能，运用蜗轮蜗杆传动机构实现机械手在三维空间内的运动，同时运用蜗轮蜗杆的自锁性能保证机械手臂运动的稳定性和精确性。手臂运用双头丝杠及限位开关实现恒力抓取机构。确保手掌实现所需高度的工作位姿。

参照图7、图8、图9，本实用新型机械手的手掌部分的结构是，包括两个平行设置的外手板30，该两个外手板30之间连接有丝杠35、CMOS支架43、腕部蜗轮轴46和光杠49，两侧的外手板30、光杠49和腕部蜗轮轴46固定连接，两侧的外手板30通过螺栓B48与光杠49固定连接，外手板30通过手掌轴套45与腕部蜗轮轴46固定连接，腕部蜗轮轴46受腕关节的步进电机C57控制实现外手板30的转动，其中的丝杠35为双头丝杠，丝杠35的两端攻丝方向相反，一边为左旋，另一边为右旋，丝杠35通过滚动轴承41、滑动轴承53分别穿过两侧的外手板30，滚动轴承41设置在外手板30的轴承座C40中，滚动轴承41的外侧设置有轴承盖B42，在丝杠35的滑动轴承53一端(传动端)刚性固连有直流电机28，直流电机28通过电机支架B29固定在传动端外手板30外侧表面，单片机通过控制直流电机28的正反转来带动丝杠35的正反转，用于实现手掌的开闭；在丝杠35上套装有两个导板31(左右各一个)和两个手掌板33(左右各一个)，每个导板31的两端面分别安装有一个内限位开关37和外限位开关38，导板31与手掌板33还同时光滑套装在光杠49上，光杠49只起导向作用，导板31通过内嵌的丝母50可以在丝杠35上移动，导板31通过内嵌的光杠滑套47可以在光杠49上移动，手掌板33通过内嵌的滑套51可以在丝杠35上光滑移动，滑套51的摩擦力较少，丝杠35与丝母50起传动和定位作用，当丝杠35顺时针方向旋转时，两个导板31相互靠拢，反之，相互分离；每侧的手掌板33与各自一侧的导板31之间滑动连接有一螺栓A39，螺栓A39上套装有压簧32，螺栓A39穿过左右手掌板33设置有螺母36，螺母36与手掌板33不固连，螺母36将手掌板33限制在螺栓A39上而不脱离，在CMOS支架43上安装有CMOS44仪器，运用CMOS44进行图像采集，运用拟合算法寻找纸筒的中心，并反馈信息给各关节步进电机，通过进行插补计算获得各关节步进电机所需转动角度，实现机械手的各个位姿精确定位和运动。

手掌部分的工作过程是，如图8为手掌抓取物品时的工作状态示意图，当丝杠35顺时针旋转，两侧导板31同时向中心靠拢，通过压簧32推动各自一侧的手掌板33向中心靠拢，手掌板33内侧的手掌夹片34夹紧纸筒，此时导板31继续向中心靠拢，继续压缩压簧32，当压缩到一定距离，导板31上的限位开关37碰触到手掌板33而闭合，发送信号使得直流电机28停止转动，因为压簧32压缩的距离是通过内限位开关37与手掌板33之间的距离决定的，这样就使得不管被抓取的纸筒的直径如何变化都能实现手掌的抓紧力一样，实现恒力抓取纸筒，这样既保证抓取物品的夹紧力，又避免将物品夹坏。如图7，为手掌卸放物品时的工作状态示意图，直流电机28逆时针旋转时，导板31向两侧分离，压簧32得到释放，导板31通过螺栓A39拉动手掌板33使之分离，实现纸筒放开，完全放松后，导板31继续向两侧移动，此时导板31外侧的外限位开关38碰到外手板30的内侧面，发送信号，直流电机28停止转动，卸放物品的过程结束。

参照图3、图4，本实用新型自控机械手的工作过程可以采用两种形式：

第一种、进行手动控制：通过电脑界面控制，点击腰部旋转按钮，臂身整体转动，选择恰当的工作平面；点击肩关节和肘关节的旋转按钮，使手掌上升到纸筒所在高度；点击手腕旋转按钮，使手掌平行于纸筒轴，CMOS位于两手掌的中心，可以拍摄到纸筒位置图像，通过纸筒轴心的十字叉线，将信息反馈到单片机上，计算出各个电机所需转角，自动调节，使掌片中心与十字叉线重合；再点击进取按钮，手掌平行向前移动，到达合适位置时停止；点击夹紧按钮，手掌部分的直流电机28顺时针旋转，导板靠拢，通过螺栓上的弹簧，推动手掌板靠拢，直到手掌板碰到导板内侧的内限位开关停止，指示灯亮，发出语音“夹紧”；点击抽出按钮，手掌平行退出，完全退出时，点击腰部旋转按钮，使臂身转到收纸台所在平面，点击大臂小臂旋转按钮，使手掌下降到收纸台；点击松开按钮，直流电机28逆时针旋转，导板松开，一段距离后，通过螺栓拉动手掌板松开，放下纸筒。同理，可以取得新纸筒，并将其安放到纸筒轴上。

第二种、进行自动控制：预先将所有的工位动作数据进行编程并输入单片机，由单片机按照程序发出指令，完成全部操作动作，实现纸筒的取放。

本实用新型的自动机械手，通过底座部分、肩关节部分、肘关节部分、腕关节部分及手掌部分的有机连接，所有动力均由自控程序驱动电机提供，所有电机均由单片机发出指令统一协调控制，与卷筒式印刷机印后设备配套使用，利用卷筒式印刷机发出的换卷命令进行快速的装卸换筒，实现了装卸纸筒的自动化、高速化作业；并且结构简单，容易操作，大大减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。

Claims (4)

1.一种自控机械手，其特征在于，包括底座、肩关节、肘关节、腕关节及手掌五个部分，所述的底座部分包括底轴(15)，底轴(15)与步进电机A(3)连接，底轴(15)向上与肩关节部分的支撑架(16)连接，支撑架(16)与内侧板(17)连接，内侧板(17)外侧同轴连接有可转动的外侧板(23)，外侧板(23)通过传动装置与步进电机B(18)连接，外侧板(23)与肘关节部分的可转动的连接板(56)同轴连接，连接板(56)通过传动装置与步进电机D(58)连接，连接板(56)通过腕部蜗轮轴(46)与腕关节部分的外手板(30)连接，腕部蜗轮轴(46)通过传动装置与步进电机C(57)连接，外手板(30)中设置有手掌部分的丝杠(35)和CMOS(44)，CMOS(44)与单片机连接，丝杠(35)与直流电机(28)连接，丝杠(35)上套装有导板(31)和手掌板(33)，各部位的电机均与单片机连接。

2.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述的底座部分的结构是，包括下底板(1)和上底板(11)，下底板(1)和上底板(11)之间连接有支柱(9)，在下底板(1)上固定有步进电机A(3)，步进电机A(3)的电机轴通过连轴套(7)与蜗杆A(6)相连，蜗杆A(6)通过蜗轮A(8)与底轴(15)同步连接。

3.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述的肩关节部分的结构是，包括支撑架(16)，在支撑架(16)上固定有两个直立的内侧板(17)，在内侧板(17)下端设置有步进电机B(18)；在内侧板(17)上端外侧面同轴连接有可转动的外侧板(23)，穿过每边的内侧板(17)和外侧板(23)各设置有一连接套(24)，连接套(24)与外侧板(23)固定连接，连接套(24)与内侧板(17)光滑接触，外侧板(23)与内侧板(17)之间产生光滑转动，连接套(24)之间固定连接有蜗轮轴(22)，蜗轮轴(22)与蜗轮B(21)固定连接，蜗轮B(21)与蜗杆B(20)连接，蜗杆B(20)的一端与步进电机B(18)的电机轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的机械手，其特征在于，所述的手掌部分的结构是，包括两个平行设置的外手板(30)，该两个外手板(30)之间连接有丝杠(35)、CMOS支架(43)、腕部蜗轮轴(46)和光杠(49)，其中的丝杠(35)为双头丝杠，丝杠(35)的两端攻丝方向相反，一边为左旋，另一边为右旋，丝杠(35)通过滚动轴承(41)、滑动轴承(53)分别穿过两侧的外手板(30)，在丝杠(35)的滑动轴承(53)一端刚性固连有直流电机(28)；在丝杠(35)上套装有两个导板(31)和两个手掌板(33)，每个导板(31)的两端面分别安装有一个内限位开关(37)和外限位开关(38)，导板(31)与手掌板(33)还同时光滑套装在光杠(49)上，导板(31)通过丝母(50)与丝杠(35)连接，手掌板(33)通过滑套(51)与丝杠(35)连接；每侧的手掌板(33)与各自一侧的导板(31)之间滑动连接有一螺栓A(39)，螺栓上套装有压簧(32)，在CMOS支架(43)上安装有CMOS(44)。

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