CN217195404U - 一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，该可调节机械爪包括机械底座(1)、机械手爪；所述机械底座(1)为位于机械手爪后端的导气管(7)、曲柄滑块机构(8)的外壳；所述的机械手爪共有三只机械手指，所述三只机械手指包括一只气动式手指和一对双齿轮手爪；所述气动手指用于将图书从书架抽出并倾斜一定角度，所述双齿轮手爪用于夹紧图书。本实用新型结构简单，巧妙而经济，能够方便地取书。

Description

一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪

技术领域

本实用新型涉及一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，所属技术领域为机械设计领域。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对于知识的追求也在不断增加，借阅图书也日益增多，其中图书馆机器人是减轻图书借阅工作量的辅助工具之一。作为图书馆机器人的执行子系统之一，用于图书抓取的机械手系统具有定位、借书、还书等功能，机械爪的结构及对其控制方法的改善，能很大程度地提高服务效率和借还图书的可靠系数。

在现有的图书抓取的机械爪设计中多采用传统的夹持型机械爪。这种机械爪具有较高的灵活性，但由于夹持型机械爪受其机械结构的影响，对于密集的图书摆放中取书不是很方便，其手爪很难准确将图书取出。如需使用这种机械爪，还要设计一种书于书之间存在隔板的特殊书架，大大增加了设计成本。

现有图书馆机器人手爪还存在以下缺点：

(1)现在图书馆机器人手爪的设计大都是传统的两指夹持型机械爪，这种机械爪不适合于取密集存放的书籍，如要使用这种设计还需设计一种专用的书架，大大增加设计成本。因此需要设计一种可以在密集书籍中抓取指定图书的可调节机械手爪；

(2)传统的两指夹持型机械爪大多采用伺服电机控制，而与步进电机相比，具有较低的定位精度和力矩输出；

(3)传统机械爪执行和控制方式大多采用开环控制方式，夹取图书稳定性较差。

实用新型内容

本实用新型主要是针对现有技术存在的不足，设计了一种针对密集图书抓取的可调节机械爪。巧妙解决了目前图书抓取机械爪需设计特定智能书架，抓取力度无法调节，图书抓取不牢靠等问题。其结构简单，巧妙而经济，能够方便地取书。

为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案如下：

一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，该可调节机械爪包括机械底座、机械手爪；

所述机械底座为位于机械手爪后端的导气管、曲柄滑块机构的外壳；

所述的机械手爪共有三只机械手指，所述三只机械手指包括一只气动式手指和一对双齿轮手爪；所述气动手指用于将图书从书架抽出并倾斜一定角度，所述双齿轮手爪用于夹紧图书；

所述气动式手指采用气动装置控制其变形，所述气动式手指包括中指节和前指节，所述气动装置包括转动气缸、旋转底盘、动力气缸、控制气缸；所述转动气缸主要由所述导气管和曲柄滑块机构构成，通过气缸活塞的往复运动转化成曲柄滑块的旋转运动从而带动所述旋转底盘转动；所述旋转底盘设置在所述机械底座上，所述旋转底盘连接有两个动力气缸、一个控制气缸和中指节；三种气缸的往复运动使气动式手指变形，以适用不同环境的书架，提高了该手爪灵活性；

所述双齿轮手爪包括齿轮爪底座、机械爪掌、机械爪掌联动齿轮、机械爪抓杆和机械爪掌抓手支撑架；所述齿轮爪底座设置于所述旋转底盘一侧且与机械底座固定连接；所述机械爪掌与齿轮爪底座通过螺栓相连接，机械爪掌表面与机械爪掌联动齿轮的齿轮端连接，机械爪掌联动齿轮的末端与机械爪抓杆一端连接；所述双齿轮手爪采用步进电机控制，所述步进电机带动机械爪掌联动齿轮转动，使与机械爪掌联动齿轮末端相连的机械爪抓杆绕连接点转动，步进电机控制机械爪掌联动齿轮转向实现双齿轮手爪的张开与闭合，进而实现夹取图书。

进一步的，所述导气管焊接通入至曲柄滑块机构内，所述曲柄滑块机构内设有所述气缸活塞，该气缸活塞由导气管通入气体使之做往复运动，气缸活塞的往复运动使得滑块沿滑块导轨做往复运动，与滑块连接的连杆通过铰链带动圆形曲柄转动，圆形曲柄的转轴输出端使旋转底盘旋转。

进一步的，所述动力气缸是用来控制所述中指节转动的丝杠气缸；

所述控制气缸是用来控制所述前指节转动的丝杠气缸。

进一步的，所述旋转底盘通过轴和所述曲柄滑块机构的输出端连接，所述旋转底盘上设有三个连接端，分别为第一连接端、第二连接端和第三连接端；

所述中指节的一端与旋转底盘的第一连接端通过铰链连接，前指节通过自由铰链约束连接在中指节的侧面连接处，中指节可绕旋转底盘的第一连接端转动，前指节可绕所述侧面连接处转动。

进一步的，所述前指节和中指节可绕所述侧面连接处旋转，是由动力气缸和控制气缸活塞的往复运动控制，所述两个动力气缸的一端与所述第二连接端相连，另一端与中指节的两个横向凸出连接端相连接，中指节可绕第一连接端和中指节的链接点处自由转动；所述控制气缸的一端通过铰链与所述第三连接端连接，故其可绕第三连接端连接处的轴旋转，所述控制气缸的另一端与前指节的突出连接处通过光滑铰链约束相连接，控制气缸的活塞前后移动可控制前指节绕所述突出连接处旋转。

进一步的，所述机械爪掌抓手支撑架一端与机械爪掌的顶边连接，另一端与机械爪抓杆的中端用螺栓连接。

进一步的，所述机械爪抓杆的抓取表面设有波浪性防滑花纹。所述波浪性防滑花纹与绝大部分图书的封面之间存在较大的摩擦系数，在抓取同样重量的图书时，能在较小的压力下夹紧该图书。

进一步的，所述的双齿轮手爪采用单个压力传感器检测压力大小，所述压力传感器通过测量书对双齿轮手爪的反作用力来检测压力。

本实用新型带来的有益效果：

1.本实用新型手爪采用两种类型的手指。抽取图书环节采用气动式手指，用气缸代替步进电机，反应速度大大加快，并且重量轻，节能不污染。夹取固定图书环节采用双齿轮手爪，步进电机控制齿轮的转向可实现夹取手爪的张开和闭合，且步进电机可产生恒转矩输出，可靠性强；

2.本实用新型实现在密集图书中抓取指定书籍的功能，气动式手指带动图书偏离书架一定角度，双齿轮手爪夹住图书并抽出，实现图书抽取。适合于图书馆智能借取机器人的手爪设计，同时运行可靠，成本较低；

3.本实用新型实现了图书抽取的闭环控制，采用步进电机给定夹取力初值，且利用压力传感器测量实际压力反复比较给定值之前的关系，从而达到提高图书抓取过程稳定性和可靠性的目的；

4.本实用新型双齿轮机械爪抓取面设有压力传感器，当达到设定压力时停止齿轮运动，不易损坏图书。并且抓取图书接触面处增设波浪性防滑花纹，加大了摩擦系数，故可以用较小的压力加紧图书。不但能够在闭合时起到紧闭作用，而且还能起到缓冲作用，减小两边指爪的振动以及防止因直接接触造成的磨损，同时还能防止因拉力过大对图书造成变形或损坏。

附图说明

图1是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的轴测图。

图2是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的仰视图。

图3是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的气动式手指的轴测图。

图4是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的双齿轮手爪的轴测图。

图5是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的气动式手指转动气缸的轴测图，示意其装配关系。

图6是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的气动式手指转动气缸的仰视图。

图7是一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪的曲柄滑块机构的内部结构示意图。

图中：1机械底座；2旋转底盘；3动力气缸；4控制气缸；5中指节；6前指节；7导气管；8曲柄滑块机构；9第一连接端；10第二连接端；11第三连接端；12双齿轮爪底座；13机械爪掌；14机械爪掌联动齿轮；15机械爪抓杆；16机械爪掌抓手支撑架；17步进电机；18压力传感器：19滑块；20滑块导轨；21连杆；22圆形曲柄；23转轴输出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，

由图1-图7所示，本实用新型所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，包括机械底座1、机械手爪等；

所述机械底座1为机械爪后端的导气管7、曲柄滑块机构8的外壳；

所述的机械手爪共有三只机械手指。所述机械手指包括一只气动式手指和一对双齿轮手爪；

所述气动式手指采用气动装置控制其变形，所述气动装置包括转动气缸、旋转底盘2、动力气缸3、控制气缸4；

所述转动气缸主要由导气管7和曲柄滑块机构8构成，由气缸活塞的往复运动转化成曲柄滑块的旋转运动从而带动旋转底盘2转动；

所述导气管7焊接通入至曲柄滑块机构8内，所述曲柄滑块机构8内设有活塞，活塞由导气管7通入气体使之做往复运动，气缸活塞的往复运动使得滑块19沿滑块导轨20做往复运动，与滑块19连接的连杆21通过铰链带动圆形曲柄22转动，圆形曲柄22的转轴输出端23使旋转底盘2旋转；

所述旋转底盘2连接有两个动力气缸3、一个控制气缸4和中指节5，其旋转使气动式手指变形，以适用不同环境的书架，提高了该手爪灵活性；

所述动力气缸3是用来控制气动式手指中指节5转动的丝杠气缸；

所述控制气缸4是用来控制气动式手指前指节6转动的丝杠气缸；

所述旋转底盘2通过轴和曲柄滑块机构8的输出端连接，旋转底盘2上设有三个连接端；

所述中指节5的一端与旋转底盘2的第一连接端9通过铰链连接，前指节6通过自由铰链约束连接在中指节5的侧面连接处。中指节5可绕旋转底盘2的第一连接端9转动，前指节6可绕与中指节5的侧面连接处转动；

所述前指节6和中指节5可绕其连接处旋转，是由动力气缸3和控制气缸4活塞的往复运动控制，且两个动力气缸3和控制气缸4分别与旋转底盘2的第二连接端10和第三连接端11相连。两个动力气缸3的一端与旋转底盘2的第二连接端10相连，另一端与中指节5的两个横向凸出连接端相连接，可绕链接点处自由转动；控制气缸4的一端通过铰链与旋转底盘2的第三连接端11连接，故其可绕第三连接端11连接处的轴旋转，控制气缸4的另一端与前指节6的突出连接处通过光滑铰链约束相连接，控制气缸4的活塞前后移动可控制前指节6绕连接处旋转；

所述双齿轮手爪包括齿轮爪底座12、机械爪掌13、机械爪掌联动齿轮14、机械爪抓杆15和机械爪掌抓手支撑架16；

所述齿轮爪底座12与机械底座1固定连接；

所述机械爪掌13与齿轮爪底座12通过螺栓相连接，机械爪掌13表面与机械爪掌联动齿轮14的齿轮端连接，机械爪掌联动齿轮14的末端与机械爪抓杆15一端连接；

所述机械爪掌抓手支撑架16一端与机械爪掌13的顶边连接，另一端与机械爪抓杆15的中端用螺栓连接；

所述双齿轮手爪采用步进电机17控制，所述步进电机17带动机械爪掌联动齿轮14转动，使与机械爪掌联动齿轮14末端相连的机械爪抓杆15绕连接点转动，步进电机17控制机械爪掌联动齿轮14转向实现双齿轮手爪的张开与闭合，实现夹取图书；

所述机械爪抓杆15抓取表面设有波浪性防滑花纹，所述波浪性防滑花纹与绝大部分图书的封面有之间有较大的摩擦系数，在抓取同样重量的图书时，能在较小的压力下夹紧该图书；

所述的双齿轮手爪采用单个压力传感器18检测压力大小。为了检测手爪的夹紧力，所述压力传感器18只能通过测量书对手爪的反作用力来准确检测压力。

下面结合附图详述该可调节机械爪的工作过程。

步骤一：在准确定位的前提下，当接收到夹取图书指令后，气动式手指的控制气缸4保持不动，气动指爪的动力气缸3带动前指节和中指节同时向目标书籍的书顶运动，同时旋转气缸带动旋转底盘2调整气动手指到合适的位置，当图书没有完全竖直摆放时，气动式手指的旋转底座旋转一定角度，以适应图书摆放并不完全水平的情况；

步骤二：当前指节传感器接触到书顶时，手爪接收到该反馈信号后，动力气缸3停止输出，启动控制气缸4使前指节6绕连接处旋转，带动图书以书脊底部为支撑点旋转，使图书绕该点旋转一合适角度。旋转角度应控制好，若角度过小，会使图书不能够处于双齿轮手爪的中间位置，若角度过大，图书会脱离书架。图书旋转结束后，控制气缸4随之锁死，即图书停止旋转；

步骤三：当控制气缸4锁死之后，双齿轮手爪的步进电机17启动，带动两个机械爪掌联动齿轮14相向转动，两齿轮末端靠近并带动与齿轮末端相连的机械爪抓杆15绕连接点转动，使夹取接触面不断接近，实现夹紧图书。在双齿轮手爪夹紧图书的过程中，采用预设恒定压力值抓取的办法，利用压力传感器18等时间间隔地测量图书与双齿轮手爪之间的相互作用力，并判断双齿轮手爪的抓取力是否达到预设的压力值。当压力传感器测得抓取力达到预设值时，双齿轮手爪停止运动。其中夹紧力的预设值为能够牢固夹取书架中最重的图书的压力值。同时步进电机17可以改变齿轮的转向以改变双齿轮手爪的张合。且双齿轮手爪表面设有波浪性防滑花纹，该接触面与绝大部分图书的封面之间存在较大的摩擦系数，能够在提供小压力的情况下牢固夹紧图书。不但能够在闭合时起到紧闭作用，而且还能起到缓冲作用，减小两边指爪的振动以及防止因直接接触造成的磨损，同时还能防止因拉力过大对物件造成变形或损坏。

根据上述技术方案可知，本实用新型提供了一种三指机械爪，在抓取图书的过程中，气动手指将图书从书架抽出，使之倾斜一定角度，再用双齿轮手爪夹紧图书，巧妙解决了抽取密集放置的书籍的问题；其中，本实用新型采用两种类型的机械手指。当取书命令下达后，使用气动式手指抽出图书，其反应速度较快，灵活性较高，能快速移动到指定书籍的顶部并抽出指定图书。夹取图书使用双齿轮手爪，其结构简单且运动可靠；本实用新型的气动式手指采用旋转底盘，可通过该旋转底盘的运动，应对于书籍不同的摆放方式；本实用新型的双齿轮手爪采用步进电机控制的预设恒压力抓取方式，能够有效避免由于夹紧压力值小于实际需要的压力值而造成的图书从机械爪掉落的情况；本实用新型的双齿轮手爪图书接触面的波浪性防滑花纹设计增加了摩擦系数使所需夹紧压力减小。

本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，该可调节机械爪包括机械底座(1)、机械手爪；

所述机械底座(1)为位于机械手爪后端的导气管(7)、曲柄滑块机构(8)的外壳；

所述的机械手爪共有三只机械手指，所述三只机械手指包括一只气动式手指和一对双齿轮手爪；所述气动式手指用于将图书从书架抽出并倾斜一定角度，所述双齿轮手爪用于夹紧图书；

所述气动式手指采用气动装置控制其变形，所述气动式手指包括中指节(5)和前指节(6)，所述气动装置包括转动气缸、旋转底盘(2)、动力气缸(3)、控制气缸(4)；所述转动气缸主要由所述导气管(7)和曲柄滑块机构(8)构成，通过该转动气缸中的气缸活塞的往复运动转化成曲柄滑块机构的旋转运动从而带动所述旋转底盘(2)转动；所述旋转底盘(2)设置在所述机械底座(1)上，旋转底盘(2)连接有两个动力气缸(3)、一个控制气缸(4)和中指节(5)；上述转动气缸、动力气缸(3)、控制气缸(4)的往复运动使气动式手指变形；

所述双齿轮手爪包括齿轮爪底座(12)、机械爪掌(13)、机械爪掌联动齿轮(14)、机械爪抓杆(15)和机械爪掌抓手支撑架(16)；所述齿轮爪底座(12)设置于所述旋转底盘(2)一侧且与机械底座(1)固定连接；所述机械爪掌(13)与齿轮爪底座(12)通过螺栓相连接，机械爪掌(13)表面与机械爪掌联动齿轮(14)的齿轮端连接，机械爪掌联动齿轮(14)的末端与机械爪抓杆(15)一端连接；所述双齿轮手爪采用步进电机(17)控制，所述步进电机(17)带动机械爪掌联动齿轮(14)转动，使与机械爪掌联动齿轮(14)末端相连的机械爪抓杆(15)绕连接点转动，步进电机(17)控制机械爪掌联动齿轮(14)转向实现双齿轮手爪的张开与闭合，进而实现夹取图书。

2.根据权利要求1所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述导气管(7)焊接通入至曲柄滑块机构(8)内，所述曲柄滑块机构(8)内设有所述气缸活塞，气缸活塞由导气管(7)通入气体使之做往复运动，所述气缸活塞的往复运动使得滑块(19)沿滑块导轨(20)做往复运动，与滑块(19)连接的连杆(21)通过铰链带动圆形曲柄(22)转动，圆形曲柄(22)的转轴输出端(23)使旋转底盘(2)旋转。

3.根据权利要求2所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述动力气缸(3)是用来控制所述中指节(5)转动的丝杠气缸；

所述控制气缸(4)是用来控制所述前指节(6)转动的丝杠气缸。

4.根据权利要求3所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述旋转底盘(2)通过轴和所述曲柄滑块机构(8)的输出端连接，所述旋转底盘(2)上设有三个连接端，分别为第一连接端、第二连接端和第三连接端；

所述中指节(5)的一端与旋转底盘(2)的第一连接端(9)通过铰链连接，前指节(6)通过自由铰链约束连接在中指节(5)的侧面连接处，中指节(5)可绕旋转底盘(2)的第一连接端(9)转动，前指节(6)可绕所述侧面连接处转动。

5.根据权利要求4所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述前指节(6)和中指节(5)可绕所述侧面连接处旋转，是由动力气缸(3)和控制气缸(4)活塞的往复运动控制；所述两个动力气缸(3)的一端与所述第二连接端(10)相连，另一端与中指节(5)的两个横向凸出连接端相连接，中指节(5)可绕第一连接端(9)和中指节(5)的链接点处自由转动；所述控制气缸(4)的一端通过铰链与所述第三连接端(11)连接，故其可绕第三连接端(11)连接处的轴旋转，所述控制气缸(4)的另一端与前指节(6)的突出连接处通过光滑铰链约束相连接，控制气缸(4)的活塞前后移动可控制前指节(6)绕所述突出连接处旋转。

6.根据权利要求1所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述机械爪掌抓手支撑架(16)一端与机械爪掌(13)的顶边连接，另一端与机械爪抓杆(15)的中端用螺栓连接。

7.根据权利要求6所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述机械爪抓杆(15)的抓取表面设有波浪性防滑花纹。

8.根据权利要求7所述的一种带有抽取和夹紧固定功能的可调节机械爪，其特征在于，

所述的双齿轮手爪采用单个压力传感器(18)检测压力大小，所述压力传感器(18)通过测量书对双齿轮手爪的反作用力来检测压力。

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