CN110561396B

CN110561396B - 高精度快速反应机械手

Info

Publication number: CN110561396B
Application number: CN201911078746.3A
Authority: CN
Inventors: 徐一兰
Original assignee: Hunan Biological and Electromechanical Polytechnic
Current assignee: Dragon Totem Technology Hefei Co ltd
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2019-11-07
Publication date: 2020-02-28
Anticipated expiration: 2039-11-07
Also published as: CN110561396A

Abstract

本发明公开了一种高精度快速反应机械手，包括第一龙门架和机械手本体，所述机械手本体包括机械臂和与所述机械臂相连接的手掌，所述机械臂带动所述手掌作旋转运动和摆动运动；所述手掌包括连杆机构、直线驱动机构、连接座和多个夹持手指；所述连接座与所述机械臂相连接；多个夹持手指分别通过连杆机构与所述直线驱动机构相连接；所述直线驱动机构连接于所述连接座上；所述直线驱动机构驱动连杆机构运动而带动各夹持手指张开或收拢。本发明操作简单方便，灵活度高，一般工人就能操作，降低使用成本，提高作业效率。

Description

高精度快速反应机械手

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，尤其是涉及一种高精度快速反应机械手。

背景技术

机器人是自动控制机器的俗称，自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械（如机器狗，机器猫等）。生产线中需要用机械臂抓取工件，机械爪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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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，因而广泛应用于工业、农业、冶金、电子、轻工能等行业，例如农作物栽种、采摘或搬运时，通过机械手替代传统的人工作业，能减轻人们的劳动强度，节省人工成本，提高作业效率。但现有机械手作业时，专业人员需首先对机械手进行编程，专业性高，同时抓取不同物体时，需修改相应程序并进行调试等一系列工作，以保证机械手能有效抓取相应物体，此工作量大，费时费力，成本高，而且只能由专业人员完成，使用灵活度低。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种操作简单方便，灵活度高，一般工人就能操作，降低使用成本，提高作业效率的高精度快速反应机械手。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高精度快速反应机械手，包括第一龙门架和机械手本体，所述机械手本体包括机械臂和与所述机械臂相连接的手掌，所述机械臂带动所述手掌作旋转运动和摆动运动；所述手掌包括连杆机构、直线驱动机构、连接座和多个夹持手指；所述连接座与所述机械臂相连接；多个夹持手指分别通过连杆机构与所述直线驱动机构相连接；所述直线驱动机构连接于所述连接座上；所述直线驱动机构驱动连杆机构运动而带动各夹持手指张开或收拢。

进一步地，所述直线驱动机构包括第一直线伸缩机构和连接板；所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；所述夹持手指的数量为五个；各所述夹持手指分别与所述第一连杆的一端和第二连杆的一端相铰接；所述第一连杆的另一端和第二连杆的另一端分别与所述第三连杆的一端相铰接，且所述夹持手指、第一连杆、第二连杆和第三连杆之间形成平行四边形连杆机构；所述第三连杆与所述连接座相固连；第一个夹持手指和第二个夹持手指分别通过第四连杆与第一个连接板相铰接，第三个夹持手指和第四个夹持手指分别通过第四连杆与第二个连接板相铰接，第五个夹持手指通过第四连杆与第三个连接板相铰接；三个连接板分别通过第一直线伸缩机构与所述连接座相连接；所述第一直线伸缩机构带动连接板作直线运动时，通过连杆机构带动各夹持手指张开或收拢。

进一步地，每一夹持手指的两侧均设有第一连杆和第二连杆，从而形成双平行四连形连杆机构。

进一步地，所述第一直线伸缩机构包括连接于所述连接座上的驱动电机和与所述驱动电机相连接的滚珠丝杆，所述连接板上设有与所述滚珠丝杆相配合的内螺纹孔，所述连接板与所述滚珠丝杆之间形成螺旋直线传动。

进一步地，所述机械臂包括活动座、大臂、手腕、旋转机构和直线伸缩机构；所述旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构，所述直线伸缩机构包括第二直线伸缩机构和第三直线伸缩机构；所述活动座通过所述第一旋转机构与所述第一龙门架相连接；所述活动座与所述大臂的一端相铰接，所述大臂的另一端与所述手腕的一端相铰接；所述活动座通过所述第二直线伸缩机构与所述大臂中间相铰接；所述第三直线伸缩机构两端分别与所述大臂的一端和手腕的一端相铰接；所述手腕的另一端通过所述第二旋转机构与所述连接座相连接。

进一步地，还包括机械手示教机构，所述机械手示教机构包括第二龙门架、穿戴机械手和控制***；所述穿戴机械手包括旋转台、手臂架、手背固定架、多个手指套和传感器；所述传感器包括角度传感器和直线位移传感器，所述角度传感器包括第一角度传感器和第二角度传感器，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器、第二直线位移传感器和第三直线位移传感器；所述第二龙门架安装于所述控制***上；所述旋转台与所述第二龙门架转动连接；所述手臂架的一端与所述旋转台转动连接，所述手臂架的另一端连接有环形圈，所述环形圈与所述手背固定架的一端转动连接；所述手背固定架的另一端与多个手指套转动连接；所述旋转台上连接有用于测量旋转台相对于第二龙门架转动角度的第一角度传感器，所述第一直线位移传感器的两端分别与旋转台和手臂架转动连接，用于测量手臂架相对于旋转台的摆动角度；所述环形圈连接有用于检测手背固定架相对于手臂架转动角度的第二角度传感器；所述第二直线位移传感器的两端分别与手背固定架和手指套转动连接，用于测量手指套相对于手背固定架的摆动角度；所述手背固定架上连接有用于测量手背固定架相对于手臂架摆动角度的所述第三直线位移传感器，所述第一角度传感器、第二角度传感器、第一直线位移传感器、第二直线位移传感器和第三直线位移传感器均与所述控制***相连接；所述控制***与所述机械臂和直线驱动机构相连接。

本发明的有益效果：

1、本发明机械手本体实现物体的抓取和搬运，能适用于工业、农业、冶金、电子、轻工能等行业，替换传统人工作业，减轻人们的劳动强度，节省人工成本，提高作业效率。例如适用于农作物抓取和搬运时，能提高农作物栽种效率、采收效率或搬运效率，减轻农民的劳动强度，特别地可以将第一龙门架安装于农作物栽种车、采收车等设备上，作业方便，使用灵活。

2、本发明机械手本体抓取不同物体时，通过机械手示教机构完成机械手本体的示教过程，以使得机械手本体能快速适应不同物体的抓取，抓取货物灵活，无需编程，操作相当简单，一般工人就能操作，降低使用成本，提高作业效率，摆脱现有机械手只有专业人员才能操作，带来的工作量大，成本高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的立体图。

图2为本发明机械臂的立体图。

图3为本发明手掌的立体图。

图4为本发明穿戴机械手的立体图。

图5为图4的局部立体图。

上述附图标记：1第一龙门架，2机械手本体，20机械臂，21手掌，3机械手示教机构，30第二龙门架，31穿戴机械手，32控制***，201第一旋转机构，202活动座，203第二直线伸缩机构，204大臂，205第三直线伸缩机构，206手腕，207第二旋转机构，210连接座，211直线驱动机构，2110驱动电机，2111滚珠丝杆，2112连接板，212连杆机构，2120第一连杆，2121第二连杆，2122第三连杆，2123第四连杆，213夹持手指，310旋转台，311第一角度传感器，312手臂架，313第一直线位移传感器，314环形圈，315转动架，316第二角度传感器，317手背固定架，318第三直线位移传感器，319手指套，320第二直线位移传感器，321传感器支架。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1-5所示，本实施方式提供的一种高精度快速反应机械手，包括第一龙门架1和机械手本体2，所述机械手本体2包括机械臂20和与所述机械臂20相连接的手掌21，所述机械臂20带动所述手掌21作旋转运动和摆动运动；所述手掌21包括连杆机构212、直线驱动机构211、连接座210和多个夹持手指213；所述连接座210与所述机械臂20相连接；多个夹持手指213分别通过连杆机构212与所述直线驱动机构211相连接；所述直线驱动机构211连接于所述连接座210上；所述直线驱动机构211驱动连杆机构212运动而带动各夹持手指213张开或收拢。

本实施方式中，如图3所示，所述直线驱动机构211包括第一直线伸缩机构和连接板2112；所述连杆机构212包括第一连杆2120、第二连杆2121、第三连杆2122和第四连杆2123；所述夹持手指213的数量为五个；各所述夹持手指213分别与所述第一连杆2120的一端和第二连杆2121的一端相铰接；所述第一连杆2120的另一端和第二连杆2121的另一端分别与所述第三连杆2122的一端相铰接，且所述夹持手指213、第一连杆2120、第二连杆2121和第三连杆2122之间形成平行四边形连杆机构；所述第三连杆2122与所述连接座210相固连；第一个夹持手指213和第二个夹持手指213分别通过第四连杆2123与第一个连接板2112相铰接，第三个夹持手指213和第四个夹持手指213分别通过第四连杆2123与第二个连接板2112相铰接，第五个夹持手指213通过第四连杆2123与第三个连接板2112相铰接；三个连接板2112分别通过第一直线伸缩机构与所述连接座210相连接；所述第一直线伸缩机构带动连接板2112作直线运动时，通过连杆机构212带动各夹持手指213张开或收拢。

本实施方式中，每一夹持手指213的两侧均设有第一连杆2120和第二连杆2121，从而形成双平行四连形连杆机构，在双平行四连形连杆机构下，保证夹持手指213夹持力度，提高物体抓取重量。

本实施方式中，如图2所示，所述机械臂20包括活动座202、大臂204、手腕206、旋转机构和直线伸缩机构；所述旋转机构包括第一旋转机构201和第二旋转机构207，所述直线伸缩机构包括第二直线伸缩机构203和第三直线伸缩机构205；所述活动座202通过所述第一旋转机构201与所述第一龙门架1相连接；所述活动座202与所述大臂204的一端相铰接，所述大臂204的另一端与所述手腕206的一端相铰接；所述活动座202通过所述第二直线伸缩机构203与所述大臂204中间相铰接；所述第三直线伸缩机构205两端分别与所述大臂204的一端和手腕206的一端相铰接；所述手腕206的另一端通过所述第二旋转机构207与所述连接座210相连接。

本实施方式中，第一旋转机构201和第二旋转机构207可以是旋转液压缸，也可以是电机加蜗轮蜗杆机构等。本实施方式中，优选地，第一旋转机构201和第二旋转机构207采用旋转液压缸。

本实施方式中，所述第一直线伸缩机构包括连接于所述连接座210上的驱动电机2110和与所述驱动电机2110相连接的滚珠丝杆2111，所述连接板2112上设有与所述滚珠丝杆2111相配合的内螺纹孔，所述连接板2112与所述滚珠丝杆2111之间形成螺旋直线传动。

本实施方式中，第二直线伸缩机构203和第三直线伸缩机构205可以是电动推杆，也可以是直线液压缸等。

本实施方式工作原理如下：活动座202通过第一旋转机构201相对于第一龙门架1旋转，以实现机械手本体2及手掌21的左右摆动运动；在第二直线伸缩机构203伸缩作用下，带动大臂204相对于活动座202上下摆动，实现机械手本体2及手掌21的上下摆动运动；在第三直线伸缩机构205伸缩作用下，带动手腕206相对于大臂204的上下摆动，实现手掌21的上下摆动运动；通过第二旋转机构207实现手掌21相对于手腕206的旋转运动；通过驱动电机2110带动滚珠丝杆2111运动，从而带动连接板2112在滚珠丝杆2111上作直线运动，连接板2112通过连杆机构212带动各夹持手指213张开和收拢。其中夹持手指213上设有防滑纹，以提高与物体的抓持力。

本实施方式中，机械手本体2实现物体的抓取和搬运，能适用于工业、农业、冶金、电子、轻工能等行业，替换传统人工作业，减轻人们的劳动强度，节省人工成本，提高作业效率。例如适用于农作物抓取和搬运时，能提高农作物栽种效率、采收效率或搬运效率，减轻农民的劳动强度，特别地可以将第一龙门架1安装于农作物栽种车、采收车等设备上，作业方便，使用灵活。

本实施方式中，第一旋转机构201、第二旋转机构207、第一直线伸缩机构、第二直线伸缩机构203和第三直线伸缩机构205均采用的是现有常规且易操控的成熟产品，简化结构，降低制造成本。

实施例二

如图1-5所示，实施例二在实施例一的基础上，所述高精度快速反应机械手还包括机械手示教机构3，所述机械手示教机构3包括第二龙门架30、穿戴机械手31和控制***32；所述穿戴机械手31包括旋转台310、手臂架312、手背固定架317、多个手指套319和传感器；所述传感器包括角度传感器和直线位移传感器，所述角度传感器包括第一角度传感器311和第二角度传感器316，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器313、第二直线位移传感器320和第三直线位移传感器318；所述第二龙门架30安装于所述控制***32上；所述旋转台310与所述第二龙门架30转动连接；所述手臂架312的一端与所述旋转台310转动连接，所述手臂架312的另一端连接有环形圈314，所述环形圈314与所述手背固定架317的一端转动连接；所述手背固定架317的另一端与多个手指套319转动连接；所述旋转台310上连接有用于测量旋转台310相对于第二龙门架30转动角度的第一角度传感器311，所述第一直线位移传感器313的两端分别与旋转台310和手臂架312转动连接，用于测量手臂架312相对于旋转台310的摆动角度；所述环形圈314连接有用于检测手背固定架317相对于手臂架312转动角度的第二角度传感器316；所述第二直线位移传感器319的两端分别与手背固定架317和手指套319转动连接，用于测量手指套319相对于手背固定架317的摆动角度；所述手背固定架317上连接有用于测量手背固定架317相对于手臂架312摆动角度的所述第三直线位移传感器318，所述第一角度传感器311、第二角度传感器316、第一直线位移传感器313、第二直线位移传感器320和第三直线位移传感器318均与所述控制***32相连接；所述控制***32与所述机械臂20和直线驱动机构211相连接。具体地，控制***32与驱动电机2110、第二直线伸缩机构203、第三直线伸缩机构205、第一旋转机构201和第二旋转机构207相连接，以控制驱动电机2110、第二直线伸缩机构203、第三直线伸缩机构205、第一旋转机构201和第二旋转机构207动作。其中第二直线位移传感器320通过传感器支架321安装于手背固定架317上。

本实施方式中，手指套319的数量为五个。本实施方式中，手背固定架317一端连接有转动架315，转动架315通过轴承与环形圈314转动连接。本实施方式中其余两两零件之间的转动连接可以是采用现有转轴方式实现的转动连接。

本实施方式使用时，工人手臂穿过环形圈314后，五个手指分别戴在手指套319上，工人手指上下摆动，会带动第二直线位移传感器320输出位移信号给控制***32，控制***32根据第二直线位移传感器320输出位移信号控制驱动电机2110动作；工人手腕上下摆动，以使得手背固定架317相对于手臂架312上下摆动，从而第三直线位移传感器318输出位移信号给控制***32，控制***32根据第三直线位移传感器318输出位移信号控制第三直线伸缩机构205动作；工人手臂上下摆动，以使得手臂架312相对于旋转台310上下摆动，从而第一直线位移传感器313输出位移信号给控制***32，控制***32根据第一直线位移传感器313输出位移信号控制第二直线伸缩机构203动作；工人手臂旋转，以使得手臂架312相对于旋转台310旋转，从而第一角度传感器311输出角度信号给控制***32，控制***32根据第一角度传感器311输出位移信号控制第一旋转机构201动作；工人手腕旋转，以使得手背固定架317相对于手臂架312另一端的环形圈314旋转，从而第二角度传感器316输出角度信号给控制***32，控制***32根据第二角度传感器316输出位移信号控制第二旋转机构207动作；如此机械手本体2抓取不同物体时，通过机械手示教机构3完成机械手本体2的示教过程，以使得机械手本体2能快速适应不同物体的抓取，抓取货物灵活，无需编程，操作相当简单，一般工人就能操作，降低使用成本，提高作业效率，摆脱现有机械手只有专业人员才能操作，带来的工作量大，成本高的问题。

本实施方式制作时，机械手示教机构3和机械手本体2成一定比例关系，控制***32根据各传感器测量的信号，同步机械手本体2调整至相应有效动作位置，完成示教过程，以快速匹配不同物体的抓取。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种高精度快速反应机械手，其特征在于，包括第一龙门架和机械手本体，所述机械手本体包括机械臂和与所述机械臂相连接的手掌，所述机械臂带动所述手掌作旋转运动和摆动运动；所述手掌包括连杆机构、直线驱动机构、连接座和多个夹持手指；所述连接座与所述机械臂相连接；多个夹持手指分别通过连杆机构与所述直线驱动机构相连接；所述直线驱动机构连接于所述连接座上；所述直线驱动机构驱动连杆机构运动而带动各夹持手指张开或收拢；所述高精度快速反应机械手还包括机械手示教机构，所述机械手示教机构包括第二龙门架、穿戴机械手和控制***；所述穿戴机械手包括旋转台、手臂架、手背固定架、多个手指套和传感器；所述传感器包括角度传感器和直线位移传感器，所述角度传感器包括第一角度传感器和第二角度传感器，所述直线位移传感器包括第一直线位移传感器、第二直线位移传感器和第三直线位移传感器；所述第二龙门架安装于所述控制***上；所述旋转台与所述第二龙门架转动连接；所述手臂架的一端与所述旋转台转动连接，所述手臂架的另一端连接有环形圈，所述环形圈与所述手背固定架的一端转动连接；所述手背固定架的另一端与多个手指套转动连接；所述旋转台上连接有用于测量旋转台相对于第二龙门架转动角度的第一角度传感器，所述第一直线位移传感器的两端分别与旋转台和手臂架转动连接，用于测量手臂架相对于旋转台的摆动角度；所述环形圈连接有用于检测手背固定架相对于手臂架转动角度的第二角度传感器；所述第二直线位移传感器的两端分别与手背固定架和手指套转动连接，用于测量手指套相对于手背固定架的摆动角度；所述手背固定架上连接有用于测量手背固定架相对于手臂架摆动角度的所述第三直线位移传感器，所述第一角度传感器、第二角度传感器、第一直线位移传感器、第二直线位移传感器和第三直线位移传感器均与所述控制***相连接；所述控制***与所述机械臂和直线驱动机构相连接，所述直线驱动机构包括第一直线伸缩机构和连接板；所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆；所述夹持手指的数量为五个；各所述夹持手指分别与所述第一连杆的一端和第二连杆的一端相铰接；所述第一连杆的另一端和第二连杆的另一端分别与所述第三连杆的一端相铰接，且所述夹持手指、第一连杆、第二连杆和第三连杆之间形成平行四边形连杆机构；所述第三连杆与所述连接座相固连；第一个夹持手指和第二个夹持手指分别通过第四连杆与第一个连接板相铰接，第三个夹持手指和第四个夹持手指分别通过第四连杆与第二个连接板相铰接，第五个夹持手指通过第四连杆与第三个连接板相铰接；三个连接板分别通过第一直线伸缩机构与所述连接座相连接；所述第一直线伸缩机构带动连接板作直线运动时，通过连杆机构带动各夹持手指张开或收拢。

2.根据权利要求1所述的一种高精度快速反应机械手，其特征在于，每一夹持手指的两侧均设有第一连杆和第二连杆，从而形成双平行四连形连杆机构。

3.根据权利要求1所述的一种高精度快速反应机械手，其特征在于，所述第一直线伸缩机构包括连接于所述连接座上的驱动电机和与所述驱动电机相连接的滚珠丝杆，所述连接板上设有与所述滚珠丝杆相配合的内螺纹孔，所述连接板与所述滚珠丝杆之间形成螺旋直线传动。

4.根据权利要求1所述的一种高精度快速反应机械手，其特征在于，所述机械臂包括活动座、大臂、手腕、旋转机构和直线伸缩机构；所述旋转机构包括第一旋转机构和第二旋转机构，所述直线伸缩机构包括第二直线伸缩机构和第三直线伸缩机构；所述活动座通过所述第一旋转机构与所述第一龙门架相连接；所述活动座与所述大臂的一端相铰接，所述大臂的另一端与所述手腕的一端相铰接；所述活动座通过所述第二直线伸缩机构与所述大臂中间相铰接；所述第三直线伸缩机构两端分别与所述大臂的一端和手腕的一端相铰接；所述手腕的另一端通过所述第二旋转机构与所述连接座相连接。