CN108714910B - 采用空间连杆机构的末端夹持器 - Google Patents

Abstract

采用空间连杆机构的末端夹持器，它涉及三分支机器人末端机构，它包括舵机、舵机机架、转动转换直线运动空间连杆机构、曲柄和铰链机构，舵机安装在舵机机架的上部；铰链机构包括主动连杆、从动连杆和卡爪；机架杆与舵机机架连接，每个机架杆上对应布置两组铰链机构，主动连杆和从动连杆的一端分别与机架杆铰接，主动连杆和从动连杆的另一端分别与卡爪铰接，主动连杆、机架杆、从动连杆和卡爪四者构成平行四杆机构；转动转换直线运动机构的转动部分安装在舵机的输出端，主动连杆与曲柄铰接，曲柄与转动转换直线运动机构的直线运动部分连接。本发明可靠性好，具有满足夹持力和夹持速度要求的且位姿容差比较大的优点。

Description

采用空间连杆机构的末端夹持器

技术领域

本发明涉及三分支机器人末端机构，具体涉及一种采用空间连杆机构的末端夹持器，属于机械电子工程领域。

背景技术

夹持器是一种安装在机器人末端，具有夹持功能的部件。随着传感技术、信息处理、电子工程、计算机工程及控制技术等多行业的不断发展，移动机器人技术不断完善，其应用范围大为扩展，在工业、农业、医疗、服务等行业得到很好的应用。例如，在工业中具有提高生产效率、改进产品质量、改善劳动条件等优势，在航天领域可以协助完成在轨装配、污染清洁、观测与检查、轨道清理与轨道转移及模块更换等工作。目前，机器人技术已经得到了国内外的普遍关注。而夹持器作为机器人执行机构的重要部分，其结构形式直接决定了机器人所能夹持物体的尺寸及形状，对机器人的功能有极为重要的作用。

末端夹持器的结构选型针对三分支机器人对末端夹持器提出的运动学、动力学及结构尺寸等要求，提出了采用涡轮蜗杆减速器的末端夹持器、采用直齿轮减速器的末端夹持器、及具有结构自适应功能的夹持器结构设计。

采用涡轮蜗杆减速器的末端夹持器结构设计为满足三分支机器人末端夹持器较大的夹持力，其工作原理为：夹持器的电机转动，与电机轴通过联轴器相连接的涡轮做主动件，蜗杆做从动件，经涡轮蜗杆减速器实现交错轴的传动。齿轮传动包括两个模数、齿数均相同的两个直齿圆柱齿轮，其中一齿轮安装在涡轮轴上，另一齿轮安装在与之平行的齿轮轴上，因为两齿轮模数齿数均相等，因此齿轮传动可实现转速相同、转向不同的平行轴间传动。齿轮轴作为平行四杆机构的主动件，与四杆机构的主动曲柄连接在一起，与主动曲柄平行的杆件末端连接在一个弹性构件上，即采用连杆与弹簧配合的欠驱动方式，实现夹持不同尺寸物体时实现不同的夹持效果在夹持直径较大的物体时可平行夹持，在夹持直径较小的物体时可包络夹持。

采用直齿轮减速器的末端夹持器结构设计为满足快速夹持的要求，采用直齿轮减速器的末端夹持器方案由舵机、舵机机架、直齿轮减速器、平行四杆机构组成，舵机安装在夹持器的一侧，由于量不同卡爪上的直齿轮模数齿数均相同，因此经过这一次传动可以实现改变齿轮转向而不改变齿轮转速的效果。与两直齿轮固定在一起的两个卡爪可以实现同样的夹持速度的夹持，且由于采用平行四杆机构，末端夹持器的卡爪的作用面始终平行。

综上所述，末端夹持器的结构采用涡轮蜗杆减速机构的的末端夹持器中，由于在曲柄上连接有一个弹性元件，夹持器可通过欠驱动实现对不同尺寸物体的不同包络效果。可满足夹持力要求。但夹持器夹持过程中夹持速度过慢，三分支机器人步态无法流畅实现。采用直齿轮减速器的末端夹持器在夹持器工作过程中，直接连接在舵机输出轴的齿轮通过齿轮传动带动四杆机构的主动曲柄转动，从而实现夹持效果。该夹持器结构简单，夹持速度快，但受结构尺寸的限制及电机布置位置的限制，电机体积和质量较小，电机的扭矩无法满足夹持力的要求。自适应末端夹持器方案的结构形式采用四杆机构的位置不确定点，可实现对不同形状物体不同的夹持效果，可满足机器人移动时夹持于桁架杆件及执行在轨操作任务时夹持复杂形状物体的功能。但夹持器夹持前需要先控制舵机精确转动到一定角度，同时由于四杆机构的转动副存在的间隙等误差都会对精度造成影响。在夹持过程中的稳定性难以保证。同时由于卡爪的夹持移动轨迹为圆弧，可夹持物体的尺寸范围较小，同时不满足较大容差的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同时满足夹持力和夹持速度要求的且位姿容差比较大的采用空间连杆机构的末端夹持器。

本发明的技术方案是：

采用空间连杆机构的末端夹持器，它包括舵机、舵机机架、转动转换直线运动空间连杆机构、曲柄、铰链机构，舵机安装在舵机机架的上部；

铰链机构包括主动连杆、从动连杆和卡爪；

舵机机架相对两侧各连接有一个机架杆，机架杆与舵机机架连接，每个机架杆上对应布置两组铰链机构，主动连杆和从动连杆的一端分别与机架杆铰接，主动连杆和从动连杆的另一端分别与卡爪铰接，主动连杆、机架杆、从动连杆和卡爪四者构成平行四杆机构；

转动转换直线运动空间连杆机构的转动部分安装在舵机的输出端，主动连杆与曲柄铰接，曲柄与转动转换直线运动空间连杆机构的直线运动部分连接。

进一步地，转动转换直线运动空间连杆机构包括舵盘、滑块和两个空间连杆；舵机的输出端连接托盘，舵盘和滑块之间布置有与二者铰接的两个空间连杆，滑块的侧面与曲柄的一端铰接，曲柄的另一端与主动连杆铰接。

进一步地，滑块为开口朝下的[形滑块，两个空间连杆与滑块的上端铰接，曲柄的一端与滑块的侧面铰接。

进一步地，空间连杆为拱形杆。

本发明相比现有技术的有益效果是：

采用空间连杆机构的末端夹持器可满足夹持器对于夹持速度、夹持力、夹持范围、位姿容差及尺寸范围的要求。经过对比，本发明的采用空间连杆机构的末端夹持器相比采用涡轮蜗杆减速器的夹持器夹持速度大大提高，相比直齿轮减速器的夹持器夹持力大大提高，相比具有结构自适应功能的夹持器位姿容差大大提供。

三分支机器人的本发明末端夹持器结构，第一部分是将舵机的转动转化为轴向的直线运动的空间连杆机构，包括轴向移动的从动平台、四个可在滑块(从动平台)上或舵盘转动的虎克铰、舵盘及两个空间连杆组成，同时包括有1个转动副(5级副)、1个移动副(5级副)和2个虎克铰(4级副)；其工作原理是采用在舵机的舵盘转动时空间连杆在舵盘转动方向的轴向的投影长度变化实现传动；第二部分是曲柄滑块机构，其中在空间连杆机构中的轴向从动平台在曲柄滑块机构中做主动件，实现固定于机架杆上的主动连杆转动；第三部分是平行四杆机构，其原动杆为曲柄滑块机构中的固定在舵机机架及机架杆上的主动连杆，卡爪安装在主动连杆上。

附图说明

图1为本发明采用空间连杆机构的末端夹持器的整体立体图；

图2为本发明采用空间连杆机构的末端夹持器的主视图；

图3为本发明采用空间连杆机构的末端夹持器的的侧视图；

图4为本发明转动转换直线运动空间连杆机构的结构示意图；

图5为本发明曲柄和滑块组成的曲柄滑块机构示意图；

图6为本发明平行四连杆机构结构示意图。

图中所示标号：1、舵机，2、舵机机架，3、转动转换直线运动空间连杆机构，4、曲柄，3-1、舵盘，3-2、空间连杆，3-3、滑块，4、曲柄，5-1、主动连杆，5-2、机架杆，5-3、从动连杆，5-4、卡爪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。

参见图1-图3说明，采用空间连杆机构的末端夹持器，它包括舵机1、舵机机架2、转动转换直线运动空间连杆机构3、曲柄4和铰链机构；舵机1安装在舵机机架2的上部；

铰链机构包括主动连杆5-1、从动连杆5-3和卡爪5-4；

舵机机架2相对两侧各连接有一个机架杆5-2，机架杆5-2与舵机机架2连接，每个机架杆3-2上对应布置两组铰链机构，主动连杆5-1和从动连杆5-3的一端分别与机架杆5-2铰接，主动连杆5-1和从动连杆5-3的另一端分别与卡爪5-4铰接，主动连杆5-1、机架杆5-2、从动连杆3-3和卡爪3-4四者构成平行四杆机构；

转动转换直线运动空间连杆机构的转动部分安装在舵机1的输出端，主动连杆5-1与曲柄4铰接，曲柄4与转动转换直线运动空间连杆机构的直线运动部分连接。

参见图3所示，为了保证运行稳定可靠，转动转换直线运动空间连杆机构3包括舵盘3-1、滑块3-3和两个空间连杆3-2；

舵机1的输出端连接托盘3-1，舵盘3-1和滑块3-3之间布置有与二者铰接的两个空间连杆3-2，滑块3-3的侧面与曲柄4的一端铰接，曲柄4的另一端与主动连杆3-3铰接。

每个机架杆5-2与铰链机构形成两组平行四杆机构，曲柄4数量为4个。四组平行四杆机构形成的相对的两组卡爪实现夹持目标物体。

本夹持器中的转动转换直线运动空间连杆机构由舵盘、空间连杆和滑块(从动平台)组成，是继螺纹传动、滚珠丝杠、圆柱凸轮传动等常见的将转动转化为沿转动轴的直线运动的传动方式之后的一种新型传动方式。同时包括有1个转动副(5级副)、1个移动副(5级副)和2个虎克铰(4级副)相对于传统的运动机构，本运动机构中舵盘只需转动较小的行程就可以实现从动平台较大的直线运动行程，配合曲柄滑块机构和平行四杆机构能很好的完成目标的抓取。空间连杆3-2为拱形杆。如此设置，可实现旋转时角度变化导致在某一个方向投影长度的变化才导致滑块3-3上下移动。

参见图2说明，为了保证连接便捷可靠，使用稳定。滑块3-3为开口朝下的[形滑块，两个空间连杆3-2与滑块3-3的上端铰接，曲柄4的一端与滑块3-3的侧面铰接。如此设置，结构紧凑。采用空间连杆机构的夹持器，夹持力可达到400N，夹持时间为1秒，位姿容差为35mm。

工作原理

三分支机器人的本发明末端夹持器结构，第一部分是将舵机的转动转化为轴向的直线运动的空间连杆机构，包括轴向移动的滑块(从动平台)3-3、四个可在滑块(从动平台)3-3上或舵盘3-1上转动的虎克铰、舵盘及两个空间连杆3-2组成，同时包括有1个转动副(5级副)、1个移动副(5级副)和2个虎克铰(4级副)；其工作原理是采用在舵机的舵盘转动时空间连杆在舵盘转动方向的轴向的投影长度变化实现传动，如图4所示；第二部分是曲柄滑块机构，其中在空间连杆机构中的轴向滑块(从动平台)3-3在曲柄滑块机构中做主动件，实现固定于机架杆上的主动连杆转动，如图5所示；第三部分是平行四杆机构，其原动杆为曲柄滑块机构中的固定在舵机机架及机架杆5-2上的主动连杆5-1，卡爪5-3安装在主动连杆5-1上，如图6所示。

由于空间连杆机构的滑块3-3(从动平台)是平面曲柄滑块和平行四杆机构的主动件，且该两部分机构的自由度数都为1，因此末端夹持器的总自由度数为1。

例如：为实现三分支机器人的步态规划，根据对末端夹持器的要求，夹持器两卡爪间的最大距离应大于48.7mm，最小距离应小于40mm。同时为保证加持过程中足够大的余量，取末端夹持器夹持时两卡爪间的最小距离为35mm，最大距离为70mm，最小距离为35mm。按照三分支机器人步态实现要求，在夹持过程中卡爪需进给20mm，保证足够的余量，按照25mm进行设计。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (3)

1.采用空间连杆机构的末端夹持器，其特征在于：它包括舵机(1)、舵机机架(2)、转动转换直线运动空间连杆机构(3)、曲柄(4)和铰链机构；舵机(1)安装在舵机机架(2)的上部；

铰链机构包括主动连杆(5-1)、从动连杆(5-3)和卡爪(5-4)；

舵机机架(2)相对两侧各连接有一个机架杆(5-2)，机架杆(5-2)与舵机机架(2)连接，每个机架杆(5 -2)上对应布置两组铰链机构，主动连杆(5-1)和从动连杆(5-3)的一端分别与机架杆(5-2)铰接，主动连杆(5-1)和从动连杆(5-3)的另一端分别与卡爪(5-4)铰接，主动连杆(5-1)、机架杆(5-2)、从动连杆(5-3)和卡爪(5-4)四者构成平行四杆机构；

转动转换直线运动空间连杆机构(3)的转动部分安装在舵机(1)的输出端，主动连杆(5-1)与曲柄(4)铰接，曲柄(4)与转动转换直线运动空间连杆机构(3)的直线运动部分连接；

转动转换直线运动空间连杆机构(3)包括舵盘(3-1)、滑块(3-3)和两个空间连杆(3-2)；

舵机(1)的输出端连接舵 盘(3-1)，舵盘(3-1)和滑块(3-3)之间布置有与二者铰接的两个空间连杆(3-2)，空间连杆(3-2)为拱形杆，滑块(3-3)的侧面与曲柄(4)的一端铰接，曲柄(4)的另一端与主动连杆(5-1)铰接。

2.根据权利要求1所述采用空间连杆机构的末端夹持器，其特征在于：滑块(3-3)为开口朝下的[形滑块，两个空间连杆(3-2)与滑块(3-3)的上端铰接，曲柄(4)的一端与滑块(3-3)的侧面铰接。

3.根据权利要求1或2所述采用空间连杆机构的末端夹持器，其特征在于：舵机机架(2)和机架杆(5-2)一体制成。

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