CN109397324B - 一种无需驱动源的抓取机构及抓取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无需驱动源的抓取机构及抓取方法，依靠自身重力和摩擦力的自锁来锁紧工件，避免能源消耗。包括勾爪抓取块组件和勾爪座组件；勾爪抓取块组件包括勾爪抓取块和纵向设置的安装板，勾爪抓取块固定在安装板的一侧；勾爪抓取块的侧面包括用于被抓取的圆弧锥面C，圆弧锥面C的轴线沿纵向设置，且锥底向下；勾爪座组件包括勾爪座和两个勾爪定位块；勾爪座上表面开设有与勾爪抓取块配合的勾爪槽，勾爪槽具有与圆弧锥面C配合的圆弧锥面D；勾爪槽的一侧面开口，以使勾爪槽向上移动时，勾爪抓取块能够进入勾爪槽中；两个勾爪定位块安装在勾爪座的两侧，抓取时，勾爪定位块与安装板接触定位。

Description

一种无需驱动源的抓取机构及抓取方法

技术领域

本发明属于机械手技术领域，具体为一种无需驱动源的抓取机构及抓取方法。

背景技术

现有的自动化手爪种类众多，有专用的，有通用的，大部分都是定位加锁紧的基本形式，锁紧的动力源有压缩气体驱动和电驱动两种，气动锁紧方式实现起来结构紧凑，只要有压缩空气源就可以实现，电驱动方式体积较大、成本高，但具有精度高、锁紧力可调节、可进行精细化控制的优点。如无特殊说明，文中的压缩气体均是指压力在0.6MPa左右的工业用压缩空气。

其中定位加锁紧的两种类型是气动握爪和机器人末端工具快换，握爪是一种能快速定位和锁紧的卡盘拉钉装置；机器人末端工具快换在机器人多个手爪需要交叉工作时用来进行快速更换机器人手爪的卡盘拉钉装置，一般都集成有电路和气路快速接插口。握爪应用上，对机械手校点的精度要求高，否则容易出现快速磨损甚至卡滞。机器人末端工具快换，本质上与握爪的原理是一样的，都是卡盘拉钉的结构，只不过应用场合不同，机器人末端工具快换是针对机器人更换手爪设计，带有丰富的电路和气路的快速接口。

无论是握爪还是机器人末端工具快换，工作原理和过程都是一样的，抓取时，先要将卡盘中间的定位孔与拉钉轴向对齐，同时将一侧的定位销和卡盘上的定位孔轴向对齐，然后卡盘通入压缩空气，卡盘内钢珠松开，卡盘沿轴向直线动作，直至拉钉和定位销都准确的进入卡盘对应的定位孔中，拉钉定位面和卡盘接触；切断压缩空气，释放卡盘内的压缩空气压力，在弹簧力作用下，钢珠推出，夹紧拉钉，完成定位和锁紧，即可对工件进行搬运。

可见，目前的抓取机构都需要驱动源，造成能源消耗。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无需驱动源的抓取机构及抓取方法，依靠自身重力和摩擦力的自锁来锁紧工件，避免能源消耗。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无需驱动源的抓取机构，包括：用于连接待抓取件的勾爪抓取块组件和用于连接机械手的勾爪座组件；

勾爪抓取块组件包括勾爪抓取块和纵向设置的安装板，勾爪抓取块固定在安装板的一侧；勾爪抓取块的侧面包括用于被抓取的圆弧锥面C，圆弧锥面C的轴线沿纵向设置，且锥底向下；

勾爪座组件包括勾爪座和两个勾爪定位块；勾爪座上表面开设有与勾爪抓取块配合的勾爪槽，勾爪槽具有与圆弧锥面C配合的圆弧锥面D；勾爪槽的一侧面开口，以使勾爪槽向上移动时，勾爪抓取块能够进入勾爪槽中；两个勾爪定位块安装在勾爪座的两侧，抓取时，勾爪定位块与安装板接触定位，以限制勾爪抓取块和勾爪座之间绕圆弧锥面C的轴线相对转动。

优选的，勾爪抓取块的侧面由第一安装面、第二安装面、第一抓取面和第二抓取面围成，第一安装面与安装板接触，第二安装面与第一安装面相对，螺钉穿过第二安装面和第一安装面将勾爪抓取块安装在安装板上；第一抓取面和第二抓取面相对且为同轴的圆弧锥面，第一抓取面和第二抓取面组成圆弧锥面C。

优选的，记圆弧锥面C的圆锥角α₁，圆弧锥面C的投影角为α₂，则α₁为α₂中最大值；α₂计算公式为：

其中，L₂、L₁是机构制决定于机械结构的定值尺寸，f是滑动摩擦系数。

优选的，安装板上安装勾爪抓取块的侧面与安装板的底面之间通过圆弧面B连接；一勾爪定位块具有斜面A1，另一勾爪定位块具有斜面A2，抓取时，斜面A1和斜面A2均与安装板上的圆弧面B线接触。

进一步的，斜面A1和斜面A2的倾角与圆弧锥面C的圆锥角角度相同。

优选的，勾爪座组件还包括光电传感器，光电传感器固定安装在勾爪座上，用于对治具装夹位进行检测。

优选的，安装板上设有定位槽，勾爪抓取块通过定位槽定位安装在安装板上。

优选的，勾爪定位块通过螺钉和防松螺母安装在勾爪座上。

优选的，安装板上设有第一定位销，用于安装板与待抓取件之间的定位连接；勾爪座上设有第二定位销，用于勾爪座和机械手之间的定位连接。

一种所述的无需驱动源的抓取机构的抓取方法，将安装板的另一侧与待抓取件连接，将勾爪座与机械手连接，机械手控制勾爪座组件从平面内X方向或Y方向运动到勾爪抓取块下方，向上抬起勾爪座组件使勾爪抓取块进入勾爪座的勾爪槽内，完成抓取动作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明工作时，勾爪座组件可以从平面内X方向或Y方向运动到勾爪抓取块下方，向上抬起勾爪座组件使勾爪抓取块进入勾爪座的勾爪槽内，即可完成抓取动作。在抓取原理上与现有技术有本质区别，不需要外接任何动力源，以圆弧锥面C、圆弧锥面D和勾爪定位块与安装板接触面作为定位面进行定位，圆弧锥面C和圆弧锥面D接触进行水平面X和Y方向的定位，勾爪定位块与安装板接以防止勾爪抓取块和勾爪座之间绕Z轴旋转。定位面完成定位后，依靠被抓取件自身重力和圆弧锥面C与圆弧锥面D之间的摩擦力的自锁来锁紧被抓取件；由于没有动力源，没有活动部件，不用考虑内部活动部件的空间，手爪机构的结构设计上相当简单，可以根据需要做的非常紧凑和小巧。并且，勾爪抓取块和勾爪座的圆弧面都为圆锥面，有一定的导向作用，同时增大了勾爪抓取块进入勾爪座时的位置间隙余量，降低了抓取机构对机械手校点精度的要求。可以在平面内X、Y两个方向进行抓取，可以节省上料机构的动作轴数量；机构本身对负载重量没有限制，负载的重量只受限于机构自身的强度和刚度。本发明可以实现工件或快换托盘的交换和搬运。

进一步的，圆弧锥面C的圆锥角大小设计，不但能够很好的满足摩擦力的自锁，同时，也能够保证较好的导向作用，并能给勾爪座组件动作留有合适的定位误差。

进一步的，为防止负载工件以定位块为支点，发生旋转，故将定位块的支撑斜面设置为10度的斜面，可以产生一个垂直于斜面的正压力，卡住工件防止机构倾覆。

进一步的，设置光电传感器，可对治具进行检测，避免重复上料，造成误撞。

本发明的抓取方法，依靠自身重力和摩擦力的自锁来锁紧工件，不需要消耗额外的能源，避免能源消耗。

附图说明

图1为本发明抓取机构的结构示意图。

图2为本发明抓取机构的定位面示意图。

图3为本发明抓取机构的抓取方向示意图。

图4为本发明抓取机构的自锁原理示意图。

图中：1-快换托盘，2-安装板，3-勾爪座，4-第二螺钉，5-第二定位销，6-第三螺钉，7-光电传感器，8-第一螺钉，9-勾爪抓取块，10-防松螺母，11-勾爪定位块，12-第一定位销。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和2所示，本发明所述的抓取机构，主要分为两部分：一部分是安装在待抓取件上的勾爪抓取块组件，另一部分是安装在机械手上的勾爪座组件。待抓取件为负载。本发明所述的托盘抓取装置，包括：安装板2、勾爪座3、螺钉4、定位销5、螺钉6、光电传感器7、第一螺钉8、勾爪抓取块9、防松螺母10和勾爪定位块11。待抓取件可以为工件或快换托盘1，本发明以快换托盘1为例进行说明。

勾爪抓取块9通过第一螺钉8固定在安装板2的一侧，组成勾爪抓取块组件，安装板2的另一侧通过螺钉与快换托盘1连接。安装板2上有深2mm左右的定位槽，勾爪抓取块9通过定位槽定位并安装在安装板2上，定位槽保证勾爪抓取块9和安装板2之间的安装位置准确。安装板2上有销孔，安装板2通过第一定位销12定位安装在快换托盘1上，保证安装板2在快换托盘1上的安装位置。

勾爪抓取块9的侧面由第一安装面、第二安装面、第一抓取面和第二抓取面围成，第一安装面与安装板2接触，第二安装面与第一安装面相对，第一螺钉8穿过第二安装面和第一安装面将勾爪抓取块9安装在安装板2上。第一抓取面和第二抓取面相对，第一抓取面和第二抓取面相对且为同轴的圆弧锥面，第一抓取面和第二抓取面组成圆弧锥面C。安装板2上安装勾爪抓取块9的侧面与安装板2的底面之间通过圆弧面B连接。

两个勾爪定位块11通过螺钉和防松螺母10安装到勾爪座3的左右两侧，光电传感器7通过螺母固定到勾爪座3上，勾爪座3通过第二螺钉4、第三螺钉6连接到机械手上，组成勾爪座组件。

勾爪座3上表面开设有与勾爪抓取块9配合的勾爪槽，勾爪槽具有圆弧锥面D。勾爪槽的一侧面开口，以使勾爪槽向上移动时，能够使勾爪抓取块9进入勾爪槽中。抓取时，圆弧锥面D与第一抓取面和第二抓取面接触配合。

一勾爪定位块11具有斜面A1，另一勾爪定位块11具有斜面A2，抓取时，斜面A1和斜面A2均与安装板2上的圆弧面B线接触。两个勾爪定位块11位置可调节，通过调节合适的位置来保证勾爪定位块11工作时能够和安装板2进行线接触，勾爪定位块11背面有一个限位螺钉，勾爪定位块11调整好位置后，拧紧防松螺母10，从而将勾爪定位块11安装在勾爪座3上。勾爪座3上设有第二定位销5，勾爪座3和机械手之间的安装位置，通过定位销5来保证。勾爪座3侧面中心处安装光电传感器7，用于对治具进行检测，避免重复上料，位置可以前后调整。

本发明抓取机构基本原理是利用摩擦力在斜面上的自锁原理。如图2所示，抓取机构定位依靠A1、A2、B、C、D几个面的配合来完成，其锁紧依靠重力和这几个面上产生的摩擦力自锁来实现，手爪工作时，勾爪座组件沿箭头H方向运动，勾爪抓取块9进入勾爪座3的勾爪槽内，勾爪抓取块9的圆弧锥面C与勾爪座3的圆弧锥面D配合，实现工件快换托盘1水平面内X,Y方向的定位，与此同时，两个勾爪定位块11的斜面A1和斜面A2与安装板2上圆弧面B接触，导向并定位工件Z轴旋转，至此完成工件的定位。勾爪抓取块9和勾爪座3的圆弧面都为圆锥面，有一定的导向作用，同时增大了勾爪抓取块9进入勾爪座3时的位置间隙余量，降低了抓取机构对机械手校点精度的要求。

勾爪座组件继续沿箭头H方向运动，勾爪座3的圆弧锥面D和勾爪抓取块9的圆弧锥面C贴合，圆弧锥面C的圆锥角经过计算，取一个较小的值，这个圆锥角能满足斜面上摩擦力自锁的条件，即工件自身重力和来自勾爪座3的单边支撑力产生的倾覆力矩小于摩擦力产生的反向平衡力矩。此时工件所受的摩擦力反向平衡力矩与负载重力成线性正相关，也即是在这个工况下，无论负载变大变小，在结构可承受的情况下，摩擦力产生的反向力矩总是大于重力产生的倾覆力矩，结构可以实现抓取功能。不过要满足摩擦力的自锁，对圆弧锥面D的圆锥角要求越小越好，圆锥角越小摩擦力越大，但同时圆锥角越小勾爪抓取块9嵌入的间隙余量越小，导向越差，留给勾爪座组件动作的定位误差越小，所以锥角需要综合考虑嵌入间隙和摩擦力两方面因素，取一个最优化的值。

另外，勾爪定位块11上斜面倾角也是同样的道理，需要综合考虑导向距离和摩擦力取一个最优化的值。

自锁原理具体分析如下。

如图4所示，机构稳定接触式时，所受外力有重力G，以及接触面上的正压力和摩擦力；记圆弧锥面C的圆锥角α₁，圆弧锥面C的投影角(圆弧锥面C纵向切面的角度)为α₂，则α₁为α₂中最大值；

根据实验和分析，机构要从稳定态到失稳态，首先受力面的投影线Ln所在的受力面T上出现相对滑动。加上机构弹性变形，机构会绕P1点微转动，微动后圆锥面接触情况恶化，圆锥面摩擦力不足，引起P1点滑动，直至结构完全倾覆；所以机构稳定态的简化为受力条件就是：沿圆锥面上的摩擦力对P1点的扭矩能时刻大于重力对P1点扭矩。

1)圆锥面上的摩擦力对于P1点的扭矩

M₁＝F_mL₁ (1)

F_m＝f×F₁ (2)

2)重力对于P1点的扭矩

M₂＝G×L₂ (4)

G＝m·g (5)

机构稳定条件：

M₁＞M₂

将上式(1)，(2)，(3)，(4)，(5)带入得：

其中，F₁为圆弧锥面C的均布力，此使用等效系数简化；α₂为圆弧锥面的投影角；L₂、L₁是机构制决定于机械结构的定值尺寸，f是滑动摩擦系数；

所以机构稳定的条件是圆弧锥面的投影角α₂小于一个定值，实际情况中还需α₂大于等于零，这是由于抓取零件，圆锥面都要靠机器人嵌入到圆锥槽内，锥角太小，对机器人的精度要求过高，且容易产生弹性变形，勾爪会卡住。

经过计算，本发明的勾爪机构最终圆锥角的取值最优解是：α₂＝10°，圆弧锥面C的圆锥角α₁为10°。

本发明的工作过程为：勾爪座组件可以从平面内X方向或Y方向运动到勾爪抓取块9下方，向上抬起勾爪座组件使勾爪抓取块9进入勾爪座3的勾爪槽内，即可完成抓取动作。

本发明可以实现双向抓取功能：如图3所示，勾爪可以从平面内X方向和Y方向两个方向进行工件的抓取。

本发明勾爪座组件可以实现检测功能：勾爪座3上安装的光电传感器7可以对治具装夹位进行检测，防止重复上料发生碰撞。

本发明的抓取机构是一种依靠摩擦力来抓取托盘或工件的装置，结构简单，易于实现，无需驱动源，并且可以实现两个方向的双向抓取，在某些场合可以简化上料器，省去上料器一个动作轴。

Claims (8)

1.一种无需驱动源的抓取机构，其特征在于，包括：用于连接待抓取件的勾爪抓取块组件和用于连接机械手的勾爪座组件；

勾爪抓取块组件包括勾爪抓取块(9)和纵向设置的安装板(2)，勾爪抓取块(9)固定在安装板(2)的一侧；勾爪抓取块(9)的侧面包括用于被抓取的圆弧锥面C，圆弧锥面C的轴线沿纵向设置，且锥底向下；

勾爪座组件包括勾爪座(3)和两个勾爪定位块(11)；勾爪座(3)上表面开设有与勾爪抓取块(9)配合的勾爪槽，勾爪槽具有与圆弧锥面C配合的圆弧锥面D；勾爪槽的一侧面开口，以使勾爪槽向上移动时，勾爪抓取块(9)能够进入勾爪槽中；两个勾爪定位块(11)安装在勾爪座(3)的两侧，抓取时，勾爪定位块(11)与安装板(2)接触定位，以限制勾爪抓取块(9)和勾爪座(3)之间绕圆弧锥面C的轴线相对转动。

2.根据权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，勾爪抓取块(9)的侧面由第一安装面、第二安装面、第一抓取面和第二抓取面围成，第一安装面与安装板(2)接触，第二安装面与第一安装面相对，螺钉穿过第二安装面和第一安装面将勾爪抓取块(9)安装在安装板(2)上；第一抓取面和第二抓取面相对且为同轴的圆弧锥面，第一抓取面和第二抓取面组成圆弧锥面C。

3.根据权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，安装板(2)上安装勾爪抓取块(9)的侧面与安装板(2)的底面之间通过圆弧面B连接；一勾爪定位块(11)具有斜面A1，另一勾爪定位块(11)具有斜面A2，抓取时，斜面A1和斜面A2均与安装板(2)上的圆弧面B线接触。

4.根据权利要求3所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，斜面A1和斜面A2的倾角与圆弧锥面C的圆锥角角度相同。

5.根据权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，安装板(2)上设有定位槽，勾爪抓取块(9)通过定位槽定位安装在安装板(2)上。

6.根据权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，勾爪定位块(11)通过螺钉和防松螺母(10)安装在勾爪座(3)上。

7.根据权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构，其特征在于，安装板(2)上设有第一定位销(12)，用于安装板(2)与待抓取件之间的定位连接；勾爪座(3)上设有第二定位销(5)，用于勾爪座(3)和机械手之间的定位连接。

8.一种权利要求1所述的无需驱动源的抓取机构的抓取方法，其特征在于，将安装板(2)的另一侧与待抓取件连接，将勾爪座(3)与机械手连接，机械手控制勾爪座组件从平面内X方向或Y方向运动到勾爪抓取块(9)下方，向上抬起勾爪座组件使勾爪抓取块(9)进入勾爪座(3)的勾爪槽内，完成抓取动作。

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