CN104260103A - 一种二自由度两指夹持器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二自由度两指夹持器，其能够自动控制并不改变目标初始位置，该夹持器包括法兰、连接件、外壳部件、舵机、齿轮、螺纹轴、两指、应变片、光电开关、限位传感器和电路模块；外壳部件用于固定舵机、齿轮和螺纹轴，检测模块用于检测手指到目标的距离、检测夹紧物体夹紧力的大小和限定夹持的最大和最小位置，检测器件都与电路模块相连接，电路模块固定在连接件内部，电路模块中下载有主程序实现自动控制。本发明可实现不改变被夹持物体和夹持器末端的初始位置通过控制两指的移动进行夹持并且可以设定夹紧力的大小，控制程序封装在夹持器内部控制电路板中，夹持器本体只需外接电源线和数据线即可实现自动控制。

Description

一种二自由度两指夹持器

技术领域

本发明涉及可自动控制的夹持装置的技术领域，尤其是一种二自由度两指夹持器，其为能避免改变目标初始位置的夹持器。

背景技术

目前，公知的夹持器构造是由动力源、传动机构、手指组成。动力源通过传动机构为夹持机构提供动力，传统的夹持器是由单个电机驱动，手指同步平行运动夹持物体。若采用传统方式，被夹持物体若不在夹持器中间位置，夹持的过程中会改变被夹持物体的初始位置，无法保证位置的精确性。

发明内容

为了克服上述缺陷,本发明提供一种二自由度两指夹持器，该夹持器能实现不改变被夹持物体的原始位置并且不改变夹持器的位置通过分别控制两指的运动实现夹持功能，自动控制抓取过程只需外接电源线和数据线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二自由度两指夹持器，包括法兰、连接件、外壳部件、舵机、大齿轮、空套齿轮、小齿轮、螺纹轴、第一限位传感器、第二限位传感器、光电开关、两指、应变片、单片机、舵机供电模块、单片机供电模块、RS232通信模块、限位传感器检测模块、应变片检测模块和光电开关检测模块，法兰作为该两指夹持器与机械臂的连接部分，法兰一端能够连接机械臂，法兰一端能够连接连接件，连接件是一半封闭长方体中空框架并且里面固定电路板，连接件连接外壳部件，外壳部件用于承载舵机、大齿轮、空套齿轮、小齿轮、螺纹轴、第一限位传感器、第二限位传感器、光电开关、两指以及应变片，内侧手柄端面固定有限位传感器用于限定夹持器张开的最大距离，外侧手柄处固定有应变片，舵机固定在外壳部件的内侧底部，舵机的舵盘与大齿轮同轴心固连并通过空套齿轮与小齿轮组成一个定轴轮系，小齿轮与螺纹轴同轴心固连，舵机转动时，动力通过齿轮大齿轮、空套齿轮、小齿轮传递到螺纹轴，螺纹轴转动带动手指沿着螺纹轴轴向运动，从而夹紧或松开物体，其中两指底部有一个螺纹孔一个通孔，螺纹孔用于与螺纹轴配合，另一个螺纹轴可以从通孔穿过，从而舵机不同的转向控制两指不同的运动方向，两指内侧凹槽内固定有光电开关，光电开关与光电开关检测模块连接，光电开关检测模块与单片机连接，光电开关通过检测两指与被抓物体的距离是否达到预设的距离，如果达到设定的距离光电开关检测模块产生开关量并发送到单片机，应变片与应变片检测模块连接，应变片检测模块与单片机连接并且将检测到的数字量发送到单片机，第一限位传感器、第二限位传感器与限位传感器检测模块连接，限位传感器检测模块与单片机连接并且将检测到的开关量发送到单片机，舵机与舵机供电模块连接，舵机供电模块与单片机连接，单片机发送信号控制舵机运动，RS232通信模块与单片机连接。

进一步的，舵机和齿轮与外壳部件固定，舵机通过齿轮传动控制螺纹轴，螺纹轴与手指通过螺纹配合，组成单个舵机控制一个手指的***，同理另一侧舵机通过齿轮传动和螺纹传动控制另一个手指的移动，这样组成一个两个舵机分别控制两个手指的夹持***，通过两个舵机分别控制手指移动而不改变夹持器本体的初始位置实现夹持物体。

进一步的，连接件是一半封闭式长方体框架，电路模块固定在框架内部，其中有光电开关检测模块、限位传感器检测模块、应变片检测模块和单片机，所述的二自由度两指夹持器可根据单片机中主程序和各检测单元反馈的信号实现自动控制，外部只需接电源线和数据线即可实现夹持器的智能控制。

进一步的，光电开关固定在手指内侧凹槽内并与电路模块中的光电开关检测模块连接，光电开关检测到手指距离被检测物体一定距离时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。

进一步的，应变片固定在手指外侧手柄处并与电路模块中的应变片检测模块连接，应变片检测到相应变形时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。

进一步的，限位传感器固定在手指内侧手柄处和外壳部件内侧表面并与电路模块中的限位传感器检测模块连接，限位传感器检测到碰触时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。

本发明的原理在于：

一种二自由度的夹持器，主要包括底座、连接件、外壳部件、舵机、齿轮、螺纹轴、手指、应变片、光电开关、限位传感器和电路模块。舵机通过齿轮传动控制螺纹轴沿轴心旋转，螺纹轴与手指通过螺纹配合将圆周运动转化为直线运动从而控制手指移动，另一个舵机同理通过齿轮传动控制螺纹轴沿轴心旋转从而控制手指移动，两个手指相向运动从而达到夹持的目的，相背运动即两手指张开。光电开关位于手指内侧凹面槽内，传感器的表面与手指的内侧表面平齐用于检测手指内侧表面与被夹持物体外侧表面之间的距离。应变片位于手指的手柄处的外侧，靠近手指与螺纹轴的连接部分用于检测夹紧力的大小。限位传感器分布在手指内侧手柄处的表面和外壳部件的内侧用来限制最小夹持距离和最大张开距离从而保证夹持器的安全性。夹持装置由手指、传动部分、动力源和外壳部件等组成，手指与螺纹轴通过螺纹连接，其中手指手柄处有两个平行的孔，一个螺纹孔和一个通孔，螺纹孔用于与螺纹轴的配合，其中通孔使螺纹轴横穿手指的手柄而又不与之接触。螺纹轴一端与齿轮固定，另一端内嵌于轴承，轴承与外壳部件链接一起，螺纹轴通过齿轮的传动与舵机形成运动系。外壳部件呈半封闭状长方体外壳，其中与手指侧面平行的外壳部件的两个面都固定有轴承、齿轮和舵机，保证舵盘、齿轮和螺纹轴同轴心。外壳部件的底面有一圆形通孔用于走线，其中包括舵机与电路板的连接线、光电开关与电路板的连接线、限位传感器与电路板的连接线和应变片与电路板的连接线。电路板固定于法兰与外壳部件之间的长方体连接件内部，电路板上主要有单片机模块、舵机供电模块、单片机供电模块、RS232通信模块、限位传感器检测模块、应变片检测模块、光电开关检测模块。单片机已下载编译好的程序，***上电，夹持器自动复位为两手指处于张开的最大位置并触发限位传感器产生信号发送到电路板***，电机停止转动，此时夹持器处于最大张开距离。夹持器夹紧时，一个手指移动，另一个手指处于原位，当夹持器中间有物体时，移动的手指运动到距离物体设定的距离处通过光电开关检测并发送信号到单片机，单片机根据主程序控制该舵机停止运动，同时***控制另一个手指运动,当运动到距离物体设定的距离处，两个手指同时相向运动进而夹紧物体。夹紧力可以通过应变片采集，可以设定夹紧力的大小，当两手指夹紧物体应变片采集到夹紧力达到设定值时发送信号到单片机，单片机控制两舵机停止运动即手指不再继续运动，这样既能保证夹紧力为预设的值同时保证被夹紧物体处于原位。当夹持器中间没有物体时，手指内侧表面装有限位传感器，两个手指接触的时候触发限位传感器并产生信号发送到单片机，单片机控制两个舵机停止运动，此时为空夹状态。

本发明的有益效果是，可以不改变被夹持物体的初始位置并且不改变夹持器本体的初始位置通过分别控制两指的运动进行夹持，可以设定夹紧力的大小，采用温度补偿的应变片检测电路可实现减小温度变化对夹紧力检测的误差，串口通信并且编写上位机操作程序可以实现自动控制便于用户操作，只需外接电源线和数据线即可实现智能夹持。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的内部构造示意图。

图2是本发明所述手指外侧示意图。

图3是本发明所述手指内侧示意图。

图4是本发明电路模块分布示意图。

图5是本发明整体示意图。

图中：1.法兰，2.连接件，3.外壳部件，4.舵机，5.大齿轮，6.空套齿轮，7.小齿轮，8.螺纹轴，9.第一限位传感器，10.第二限位传感器，11.光电开关，12.两指，13.应变片，14.单片机，15.舵机供电模块，16.单片机供电模块，17.RS232通信模块，18.限位传感器检测模块，19.应变片检测模块，20.光电开关检测模块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明的一种二自由度夹持器，图1描述了该夹持器的内部结构图，包括法兰1、连接件2、外壳部件3、舵机4、若干齿轮、螺纹轴8、两指12，若干齿轮为大齿轮5、空套齿轮6、小齿轮7，法兰1作为夹持装置与机械臂的连接部分，连接件2是一半封闭长方体框架并且里面固定电路板，外壳部件3用于承载各种零部件，第一限位传感器固定于外壳部件的内侧用于限定夹持器张开的最大距离，内侧固定有第二限位传感器10用于限定夹持器张开的最小距离，舵机4固定在外壳部件的内侧底部，舵机4的舵盘与大齿轮5同轴心固连并通过空套齿轮6与小齿轮7组成一个定轴轮系，小齿轮7与螺纹轴8同轴心固连，舵机转动时，动力通过大齿轮5、空套齿轮6、小齿轮7传递到螺纹轴，螺纹轴转动带动手指沿着螺纹轴轴向运动，从而夹紧或松开物体。其中手指12底部有一个螺纹孔一个通孔，螺纹孔用于与螺纹轴8配合，另一个螺纹轴可以从通孔穿过，从而舵机不同的转向控制两指12不同的运动方向。如图3所示，手指内侧凹槽内固定有光电开关11，光电开关11内嵌于手指凹槽内并且光电开关11工作面与手指内侧表面处于同一平面，内侧手柄端面固定有第二限位传感器10，手柄处有通孔用于走线。如图2所示，外侧手柄处固定有应变片13，应变片采用带有温度补偿的电路方式，其中一个应变片位于手柄受力的表面，另一个应变片位于不受外力表面，并且这两个应变片位于手指的同一侧。

图4中描述了各电路模块的在电路板主体上的分布，电路板固定于连接件2的内部，外壳部件内侧固定的第一限位传感器9和两指12上固定的第二限位传感器10与电路板上的限位传感器检测模块18连接，光电开关11于电路板上的光电开关检测模块20连接，应变片13与电路板上的应变片检测模块19连接，单片机通过IO口与光电开关、限位传感器和应变片三种不同的模块相连接，通过读取这些模块传来的信号，获得夹持器手爪的运动状态，进而完成对它们的控制。

实施例：***上电，夹持器复位为初始位置即最大张开位置，夹紧过程中，两个手指相向运动，***可提供两种工作模式：调试模式和一般工作模式，一般工作模式工作原理如下，两个手指相向运动，其中一手指的光电开关检测到距离被夹持物体设定的距离处，光电开关检测模块20发送信号到单片机14通过主程序控制该手指停止运动，另一手指继续运动，当该手指运动到距离物体设定的距离处，光电开关模块20发送信号到单片机14，通过主程序控制两手指同时相向运动夹紧物体，对于夹紧力的大小可通过应变片检测模块检测，可设定夹紧力的值，当两手爪夹持住物体时，随着手爪间距离的微量减小夹紧力不断增大，当夹紧力达到设定的值时，应变片检测模块19发送信号到单片机14，通过设定的程序控制手指不再移动，这时夹紧力处于设定的大小；如果手爪中间没有物体时，两个手指运动到相距设定的距离处继续运动，当距离接近于0时，手指的手柄平面会触发对面手爪的限位传感器9，限位传感器检测模块18检测到信号并发送到单片机14，根据设定的程序，单片机控制舵机停止运动，从而保证夹持器的安全性，这时夹持器处于空夹状态。夹持器张开过程中，舵机控制舵盘运动通过定轴轮系传动到螺纹轴，螺纹轴的不同转向控制手指的轴向运动。两手指相背运动，运动到最大张开距离时手指会触发外壳部件3内侧的限位传感器10，限位传感器采集模块收集信号并发送到单片机14，单片机14控制舵机4停止运动，此时为最大张开距离。

程序主函数介绍，下位机程序的核心思路是：等待上位机下达指令，一旦接收到指令便进行相关的操作。另外，单片机是通过查询方式完成对限位传感器和微型光电开关的输入量的检测的。下位机在ICCAVR编译环境中编写，使用AVR STUDIO和JTAG下载器进行程序的下载和在线调试。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种二自由度两指夹持器，其特征是：包括法兰(1)、连接件(2)、外壳部件(3)、舵机(4)、大齿轮(5)、空套齿轮(6)、小齿轮(7)、螺纹轴(8)、第一限位传感器(9)、第二限位传感器(10)、光电开关(11)、两指(12)、应变片(13)、单片机(14)、舵机供电模块(15)、单片机供电模块(16)、RS232通信模块(17)、限位传感器检测模块(18)、应变片检测模块(19)和光电开关检测模块(20)，法兰(1)作为该两指夹持器与机械臂的连接部分，法兰(1)一端能够连接机械臂，法兰(1)一端能够连接连接件(2)，连接件(2)是一半封闭长方体中空框架并且里面固定电路板，连接件(2)连接外壳部件(3)，外壳部件(3)用于承载舵机(4)、大齿轮(5)、空套齿轮(6)、小齿轮(7)、螺纹轴(8)、第一限位传感器(9)、第二限位传感器(10)、光电开关(11)、两指(12)以及应变片(13)，内侧手柄端面固定有限位传感器(10)用于限定夹持器张开的最大距离，外侧手柄处固定有应变片(13)，舵机(4)固定在外壳部件的内侧底部，舵机(4)的舵盘与大齿轮(5)同轴心固连并通过空套齿轮(6)与小齿轮(7)组成一个定轴轮系，小齿轮(7)与螺纹轴(8)同轴心固连，舵机转动时，动力通过齿轮大齿轮(5)、空套齿轮(6)、小齿轮(7)传递到螺纹轴，螺纹轴转动带动手指沿着螺纹轴轴向运动，从而夹紧或松开物体，其中两指(12)底部有一个螺纹孔一个通孔，螺纹孔用于与螺纹轴(8)配合，另一个螺纹轴可以从通孔穿过，从而舵机不同的转向控制两指(12)不同的运动方向，两指(12)内侧凹槽内固定有光电开关(11)，光电开关(11)与光电开关检测模块(20)连接，光电开关检测模块(20)与单片机(14)连接，应变片(13)与应变片检测模块(19)连接，应变片检测模块(19)与单片机(14)连接，第一限位传感器(9)、第二限位传感器(10)与限位传感器检测模块(18)连接，限位传感器检测模块(18)与单片机(14)连接，舵机(4)与舵机供电模块(15)连接，舵机供电模块(15)与单片机(14)连接，RS232通信模块(17)与单片机(14)连接。

2.根据权利要求1所述的二自由度两指夹持器，其特征是：舵机和齿轮与外壳部件固定，舵机通过齿轮传动控制螺纹轴，螺纹轴与手指通过螺纹配合，组成单个舵机控制一个手指的***，同理另一侧舵机通过齿轮传动和螺纹传动控制另一个手指的移动，这样组成一个两个舵机分别控制两个手指的夹持***，通过两个舵机分别控制手指移动而不改变夹持器本体的初始位置实现夹持物体。

3.根据权利要求1所述的二自由度两指夹持器，其特征是：连接件是一半封闭式长方体框架，电路模块固定在框架内部，其中有光电开关检测模块、限位传感器检测模块、应变片检测模块和单片机，所述的二自由度两指夹持器可根据单片机中主程序和各检测单元反馈的信号实现自动控制，外部只需接电源线和数据线即可实现夹持器的智能控制。

4.根据权利要求3所述的二自由度两指夹持器，其特征是：光电开关固定在手指内侧凹槽内并与电路模块中的光电开关检测模块连接，光电开关检测到手指距离被检测物体一定距离时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。

5.根据权利要求3所述的二自由度两指夹持器，其特征是：应变片固定在手指外侧手柄处并与电路模块中的应变片检测模块连接，应变片检测到相应变形时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。

6.根据权利要求3所述的二自由度两指夹持器，其特征是：限位传感器固定在手指内侧手柄处和外壳部件内侧表面并与电路模块中的限位传感器检测模块连接，限位传感器检测到碰触时会触发并发送信号到单片机，单片机根据主程序的设定执行下一步的操作。