CN111805563B - 一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手，包括壳体组件、控制器和抓取机构组件，壳体组件包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板，从六个面将抓取机构组合包围起来，控制器为电机发送指令并控制其转动，控制器盖板位于控制器上方，抓取机构组件主要包括线性导向机构组件、交叉式连杆差动机构组件、及跷跷板差动机构组件。本发明通过一种新型的连杆差动机构实现四个手指的协调运动，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，可用于异状零件抓取。机械手具有结构简单、紧凑、及硬件成本低等优点。此外，机械手易于抓取因表面粗糙度较高而无法使用吸盘进行吸附抓取的板状零件，这是现有机械手很难实现的。

Description

一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手

技术领域

本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手。

背景技术

随着“工业4.0”和“中国制造2025”的实施，个性化和定制化成为当今社会的特点，它们极大地变革现有的生产模式和生活方式。为满足个性化的要求，多品种、少批量的定制生产模式和非一致性场景成为生产常态，其中成功的关键在于机械手抓取的通用性和适应性，需要具备更大的柔性和适应性来处理不同形状、大小和材质的零件。自适应机械手为一种特殊的机器人末端执行器，它利用自适应技术来完成不规则零件的抓取，能自动消除零件的位置误差，并能自动适应零件的形状和大小，以及材料的刚柔特性变化。在机器人复杂多变的任务中，机械手抓取的自适应性和灵巧性对机器人应用的成败有着重大影响，目前是制约机器人产业高质量发展的主要问题。

尽管自适应机械手的研究目前已取得很大的进展，但在结构紧凑性、性价比、以及应对复杂环境和多任务场景下的任务需求等方面，它们还不能满足工业要求。现有自适应机械手通常采用多个电机协调驱动多手指运动，容易导致机械手的成本非常昂贵，并且需要考虑多电机的协调控制问题；少数自适应机械手采用单电机驱动，它们通常利用齿轮差动机构或滑轮差动机构协调多指运动。然而，前者容易导致机械手结构笨重庞大，后者结合绳索驱动的方式只能实现较小的抓取力。此外，现有自适应机械手更多注重于手指机构的设计，而对单输入多输出差动机构的研究较少，这是导致目前单驱自适应机械手发展缓慢的主要原因。

在工业应用中，板状零件是一种常见的零件，通常用于各种设备或产品的壳体，经常

需要对其表面进行抛光打磨处理。由于表面待处理的板状零件的表面粗糙度较高，无法使用吸盘进行吸附抓取。现有的自适应机械手又很难抓取这类板状零件的四周，这主要是因为板状零件的厚度较长度和宽度相差很大，不利于机械手的抓取。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括壳体组件、控制器和抓取机构组件，所述壳体组件包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板，从六个面将抓取机构组合包围起来，控制器为第一电机发送指令并控制其转动，控制器盖板位于控制器上方，所述抓取机构组件主要包括线性导向机构组件、交叉式连杆差动机构组件、及跷跷板差动机构组件。

进一步，所述线性导向机构组件包括第二电机、基座、齿轮、支撑横梁、直线导轨、滑块、第一齿条、第二齿条和齿轮，第二电机通过基座固定在支撑横梁上，导轨与支撑横梁固连，滑块可在导轨上沿直线方向滑动，第一齿条和第二齿条分别与两侧的滑块连接，齿轮与第二电机转轴连接，通过齿轮与齿条的啮合作用，带动齿条沿导轨滑动，第一横梁与第一齿条通过转动副连接，第二横梁与第二齿条通过转动副连接。

进一步，交叉式连杆差动机构组件包括第一横梁、第一交叉梁、第二交叉梁、第二横梁、第三交叉梁、第四交叉梁、第一连杆、第二连杆、第一中心杆、第三连杆、第四连杆、及第二中心杆，第一交叉梁和第二交叉梁通过转轴与第一横梁连接，第三交叉梁和第四交叉梁通过转轴与第二横梁连接，第一交叉梁和第四交叉梁通过转轴连接，第二交叉梁和第三交叉梁通过转轴连接。第一交叉梁、第四交叉梁、第一连杆和第二连杆组成平行四边形，第一中心杆连接两处的转轴并允许转轴在第一中心杆的滑槽内滑动，第二交叉梁、第三交叉梁、第三连杆和第四连杆组成平行四边形，第二中心杆连接转轴并允许I点所处的转轴在第二中心杆的滑槽内滑动，此外，所有转轴的两端都装有轴用挡圈。

进一步，所述跷跷板差动机构组件包括手指、纵梁及指尖，手指与纵梁可绕转轴转动，但两者之间无相对运动，每侧手指两端均装有两个指尖，纵梁上设有两个支耳，两纵梁上同侧的支耳之间用弹簧连接，主要用于保持两手指的张紧状态，并为手指从抓取到释放零件的过程提供辅助力。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手，与现有技术相比，本发明的目的主要是为了克服现有自适应机械手结构复杂、笨重庞大及抓取力较小等问题，本发明提出的自适应机械手采用单驱动，通过一种新型的连杆差动机构实现四个手指的协调运动，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，可用于异状零件抓取。相比现有自适应机械手，该机械手具有结构简单、紧凑、及硬件成本低等优点。此外，机械手易于抓取因表面粗糙度较高而无法使用吸盘进行吸附抓取的板状零件，这是现有机械手很难实现的。

附图说明

图1是本发明的自适应机械手装配体图；

图2是本发明的自适应机械手装配体***视图；

图3是本发明的抓取机构组件结构示意图；

图4是本发明的线性导向机构组件结构示意图；

图5是本发明的差动机构结构示意图；

图6是本发明的交叉式连杆差动机构工作原理示意图；

图7是本发明的双交叉式连杆差动机构工作原理示意图；

图8是本发明的机械手抓取板状零件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所设计的自适应机械手主要由三部分组成：壳体组件1、控制器2、抓取机构组件3。

如图2所示，安装壳体组件包括上盖板101、下盖板106、前盖板105、后盖板103、左盖板104、右盖板102，从六个面将抓取机构包围起来，起固定和防护的作用。控制器为第一电机108发送指令并控制其转动，控制器盖板107位于控制器上方，起防护作用。

如图3所示，抓取机构组件主要包括线性导向机构组件31、交叉式连杆差动机构组件32、及跷跷板差动机构组件33。

如图4所示，线性导向机构组件包括第二电机3101、基座3102、支撑横梁3104、直线导轨3105、滑块3106、第一齿条3107、第二齿条3108和齿轮3103。第二电机通过基座固定在支撑横梁上，导轨与支撑横梁固连，滑块可在导轨上沿直线方向滑动。第一齿条和第二齿条分别与两侧的滑块连接，齿轮与第二电机转轴连接，通过齿轮与齿条的啮合作用，带动齿条沿导轨滑动。第一横梁与第一齿条通过O点所处的转动副连接，第二横梁与第二齿条通过O₁点所处的转动副连接。

如图5所示，交叉式连杆差动机构组件包括第一横梁3201、第一交叉梁3202、第二交叉梁3203、第二横梁3204、第三交叉梁3205、第四交叉梁3206、第一连杆3207、第二连杆3208、第一中心杆3209、第三连杆3210、第四连杆3211、及第二中心杆3212。第一交叉梁和第二交叉梁通过A点和B点处的转轴与第一横梁连接，第三交叉梁和第四交叉梁通过A₁点和B₁点处的转轴与第二横梁连接，第一交叉梁和第四交叉梁通过C处的转轴连接，第二交叉梁和第三交叉梁通过D处的转轴连接。第一交叉梁、第四交叉梁、第一连杆和第二连杆组成平行四边形CEFG，第一中心杆连接C点和G点两处的转轴并允许F点所处的转轴在第一中心杆的滑槽内滑动。类似地，第二交叉梁、第三交叉梁、第三连杆和第四连杆组成平行四边形DHIJ，第二中心杆连接D点和I点两处的转轴并允许I点所处的转轴在第二中心杆的滑槽内滑动。此外，所有转轴的两端都装有轴用挡圈。

跷跷板差动机构组件包括手指3301、纵梁3302及指尖3303。手指与纵梁可绕D点处的转轴转动，但两者之间无相对运动，每侧手指两端均装有两个指尖。纵梁上设有两个支耳3304，两纵梁上同侧的支耳之间用弹簧连接，主要用于保持两手指的张紧状态，并为手指从抓取到释放零件的过程提供辅助力。

交叉式连杆差动机构工作原理示意图如图6所示，O点处的运动d为输入运动，C点和D点两处的运动为输出运动，因此该差动机构为单输入两输出差动机构。当C点和D点两处的输出运动为自由滑动，即没有阻碍时，两点运动相同均为d₀，而第一横梁始终保持水平状态；若其中一侧，如C点在运动过程中受阻，在输入运动的作用下，点D的运动继续增加，此时第一横梁将产生绕O点的被动转动α，以适应两输出运动的差异，该自由度为冗余自由度。

本发明所设计的机械手采用如图7所示的双交叉式连杆差动机构，采用两个对称布置的交叉式连杆差动机构，通过齿轮的转动θ带动两侧的齿条运动，从而为点O和点O₁提供方向相反的线性运动，这种方式将交叉式连杆差动机构的线性输入运动改为易于实现的转动输入。

如图8所示，利用本发明所设计的机械手抓取板状零件4，机械手可以自动适应一定范围的零件形状和位置变化，可用于异状零件抓取。如果限制跷跷板差动机构中手指的转动，机械手可变为三指或两指机械手。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。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效物界定。

Claims (3)

1.一种基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手，其特征在于：包括壳体组件、控制器和抓取机构组件，所述壳体组件包括上盖板、下盖板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板，从六个面将抓取机构组合包围起来，控制器为第一电机发送指令并控制其转动，控制器盖板位于控制器上方，所述抓取机构组件包括线性导向机构组件、交叉式连杆差动机构组件及跷跷板差动机构组件；交叉式连杆差动机构组件包括第一横梁、第一交叉梁、第二交叉梁、第二横梁、第三交叉梁、第四交叉梁、第一连杆、第二连杆、第一中心杆、第三连杆、第四连杆及第二中心杆，第一交叉梁和第二交叉梁通过转轴与第一横梁连接，第三交叉梁和第四交叉梁通过转轴与第二横梁连接，第一交叉梁和第四交叉梁通过转轴连接，第二交叉梁和第三交叉梁通过转轴连接，第一交叉梁、第四交叉梁、第一连杆和第二连杆组成平行四边形，第一中心杆连接第一连杆和第二连杆之间以及第一交叉梁和第四交叉梁之间两处的转轴并允许两处转轴在第一中心杆的滑槽内滑动，第二交叉梁、第三交叉梁、第三连杆和第四连杆组成平行四边形，第二中心杆连接第二交叉梁和第三交叉梁之间以及第三连杆和第四连杆之间的两处转轴，并允许第三连杆和第四连杆之间的转轴在第二中心杆的滑槽内滑动，此外，所有转轴的两端都装有轴用挡圈。

2.根据权利要求1所述的基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手，其特征在于：所述线性导向机构组件包括第二电机、基座、支撑横梁、直线导轨、滑块、第一齿条、第二齿条和齿轮，第二电机通过基座固定在支撑横梁上，直线导轨与支撑横梁固连，滑块在直线导轨上沿直线方向滑动，第一齿条和第二齿条分别与两侧的滑块连接，齿轮与第二电机转轴连接，通过齿轮与齿条的啮合作用，带动齿条沿直线导轨滑动，第一横梁与第一齿条通过转动副连接，第二横梁与第二齿条通过转动副连接。

3.根据权利要求1所述的基于连杆差动机构的单驱电动自适应机械手，其特征在于：跷跷板差动机构组件包括手指、纵梁及指尖，手指与纵梁绕转轴转动，且手指与纵梁之间无相对位移，手指一侧两端均装有两个指尖，纵梁上设有两个支耳，两纵梁上同侧的支耳之间用弹簧连接，用于保持两手指的张紧状态，并为手指从抓取到释放零件的过程提供辅助力。

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