CN112621798B - 一种机器人手爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人手爪，包括：夹爪组件，固定在机械臂上，并通过回转驱动电机驱动回转；扭矩传感器，用于采集夹爪组件回转力矩；张合组件，安装在夹爪组件上，并通过张合电机驱动张合。本发明通过将张合电机及回转电机后置，动作并联，降低末端动作执行惯量减小了整机功率消耗，并通过增加微小按钮按压机构并为按压机构提供末端动力，在执行按钮按压过程中无需进行整个夹爪的空间运动，按压动作执行惯量较小且功率消耗较小，执行精度较高。

Description

一种机器人手爪

技术领域

本发明涉及机器人设备领域，尤其涉及一种机器人手爪。

背景技术

随着科技的发展，在工业自动化及特种巡检操作领域，机器人的应用已经相当广泛。为完成单圈\多圈旋钮、微小按钮等目标物的可靠操作，一款具备力矩感知及微视角监控的多功能多自由度机器人手爪必不可少。

实用新型专利(CN207841370U)公开了一种机器人夹爪装置及机器人，所述夹爪动作单一且夹持动作位移量小操作环境的局限性较大。发明专利(CN108214534A)公布了一种自适应欠驱动机器人夹爪，结构复杂，结构尺寸较大，装配难度较高，且无法对微小按钮旋钮等进行操作。

现阶段已公布机器人的操作夹爪大多仅具备简单的夹持功能动作单一，无法实现微小器件的夹持及操作，且操作缺乏视觉闭环，无法从根本上保证对物体的可靠操作。夹爪不具备多圈回转与力矩检测功能，无法对要求多圈回转的目标操作物以及回转力矩不可控的物体实现可靠操作。同时张合及回转动作串联，整体结构较大，导致末端执行机构较笨重。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种具备力矩感知及微视角监控的机器人手爪。

技术方案：

一种机器人手爪，包括：

夹爪组件，固定在机械臂上，并通过回转驱动电机驱动回转；

张合组件，安装在夹爪组件上，并通过张合电机驱动张合；在所述张合组件上设有随所述张合组件的张合而进退的按压杆。

所述张合组件包括张合支架及安装在张合支架上的夹指回转铰链；

所述夹指回转铰链包括两个对称设置在所述张合支架两侧的张合夹指，所述张合夹指前端与张合辅助杆转动连接，所述张合辅助杆转动连接于张合支架侧面后端；在张合支架内侧中部设置有蜗轮蜗杆，其中蜗杆通过所述张合电机控制转动并使其保持与所述夹爪组件同样的回转转速，涡轮通过张合驱动杆与所述张合夹指中部转动连接。

在所述张合夹指的末端设置有向外侧延伸的导向块。

所述张合辅助杆与所述张合驱动杆长度相同，所述张合支架的宽度从后端至前端逐渐缩小。

所述张合辅助杆的长度大于所述张合驱动杆的长度。

在所述张合支架上还滑动安装有按压驱动条，所述按压驱动条一侧设有齿，在与按压驱动条的齿相对应侧的涡轮上固定有与所述按压驱动条的齿啮合的按压齿轮；所述按压杆固定安装在所述按压驱动条末端。

在所述张合支架上还滑动安装有按压驱动条，所述按压驱动条一侧设有齿，在与按压驱动条的齿相对应侧的张合夹持中部转动连接有按压驱动杆，所述按压驱动杆末端设置有与所述按压驱动条的齿啮合的按压齿轮；所述按压杆固定安装在所述按压驱动条末端。

所述按压杆为中空杆，其内设置有按压弹簧，所述按压弹簧另一端与所述按压驱动条固连。

在所述按压杆末端固连有用于保护按钮表面的按压胶。

与所述夹爪组件连接有用于采集所述夹爪组件回转力矩的扭矩传感器。

在所述夹爪组件侧固定安装有用于对被夹持对象进行微视角实时监控以确定所述按压杆对被夹持对象上相应按钮机构是否按压到位的第一监控相机。

所述夹爪组件通过安装支架固定在机械臂上，所述回转驱动电机和所述张合电机均固定安装在所述安装支架上。

在所述安装支架上通过转轴安装有回转齿轮，所述回转驱动电机安装在所述回转齿轮侧，其电机轴上固定安装有与所述回转齿轮啮合的回转驱动齿轮。

在所述回转齿轮外设置有用于保护所述回转齿轮的回转齿轮壳。

所述张合电机固定安装在所述安装支架上，所述张合电机的电机轴上固定安装有张合驱动带轮；所述安装支架上通过转轴还转动安装有张合带轮，所述张合驱动带轮与所述张合带轮之间通过皮带连接；所述张合组件通过张合驱动杆与所述张合带轮固定连接，并通过所述张合带轮驱动张合。

在所述张合驱动杆前端固定安装有用于对被夹持对象进行微视角实时监控以获取所述张合组件是否夹持到位的第二监控相机。

所述回转齿轮设计为中空结构，同样设计为中空的所述张合驱动杆穿过所述回转齿轮；所述张合驱动杆内穿设有相机安装杆，相机安装杆穿过所述张合驱动杆后固定在安装支架上上，在所述相机安装杆末端固定安装所述第二监控相机；所述第二监控相机通过其与被夹持对象相对转动的角度得到被夹持对象的转动角度。

在所述安装支架上固定安装有用于识别被夹持对象的位置信息进行空间定位的视觉相机。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过将张合电机及回转电机后置，动作并联，在实现张合运动的同时实现多圈回转，降低末端动作执行惯量减小了整机功率消耗。

2、本发明通过增加微小按钮按压机构并为按压机构提供末端动力，在执行按钮按压过程中无需进行整个夹爪的空间运动，按压动作执行惯量较小且功率消耗较小，执行精度较高。

3、本发明通过增加视觉定位相机，实现夹爪操作目标的空间定位；增加微视角监控相机，实现对夹爪张合大小及回转角度的末端闭环，同时实现目标状态指示的监控以提高夹爪操作的安全性与稳定性。

附图说明

图1是本发明的机器人手爪总装图。

图2是本发明的夹爪组件示意图。

图3是本发明的夹爪组件另一角度示意图。

图4是本发明的夹爪张合组件示意图；其中，(a)为张合组件的结构示意图，(b)为张合组件的内部结构图。

图中，1.安装支架，2.视觉相机，3.夹爪组件，4.第一监控相机，5.张合组件，6.扭矩传感器，7.回转驱动电机，8.张合电机，9.滑环，10.安装法兰，11.第二监控相机，12.张合驱动带轮，13.回转驱动齿轮，14.回转齿轮，15.传感器支架，16.固定支架，17.皮带，18.张合带轮19.张合支架，20.夹指回转铰链，21.张合驱动杆，22.张合辅助杆，23.张合夹指，24.张合驱动杆，25.按压驱动条，26.按压杆，27.按压胶垫，28.按压驱动杆，29.张合驱动蜗杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

图1是本发明的机器人手爪总装图。如图1所示，本发明具备力矩感知及微视角监控的机器人手爪包括安装支架1及安装在安装支架1上的夹爪组件3，在安装支架1上固定安装有视觉相机2，视觉相机2获取被夹持对象的位置信息，为本发明的机器人夹爪的动作提供空间定位。安装支架1上设置有与机械臂的对接特征，用于与机械臂固定对接，在安装支架1上方通过安装法兰10固定安装夹爪组件3，在安装支架1位于夹爪组件3后方位置设置有传感器支架15，在夹爪组件3上方设置有第一监控相机4，第一监控相机4后端固定安装在传感器支架15上，第一监控相机4用于微视角实时监控。

如图1、2所示，夹爪组件3包括张合组件5、扭矩传感器6、回转驱动电机7、张合电机8、滑环9、安装法兰10以及回转齿轮14，在安装支架1上端通过螺栓固定安装有安装法兰10，在安装法兰10上固定安装有基座，其上通过转轴安装有回转齿轮14，在回转齿轮14外设置有回转齿轮壳，用于保护回转齿轮14；在安装法兰10上位于回转齿轮14侧还固定安装有回转驱动电机7，回转驱动电机7的电机轴上固定安装有回转驱动齿轮13，回转驱动齿轮13与回转齿轮14啮合，通过回转驱动电机7带动回转驱动齿轮13转动，进而带动回转齿轮14转动。扭矩传感器6与回转齿轮14通过螺栓固定连接，并随着回转齿轮14转动；在扭矩传感器6末端固定安装有张合组件5，本发明通过扭矩传感器6实现张合组件回转扭矩的监控，保证回转操作的安全性。

滑环9与回转齿轮14连接，并与回转齿轮14同步转动，扭矩传感器6的通信及供电线路设置在滑环9内，通过滑环9传递，通过如此设计实现张合组件5的多圈回转，提高了机械手爪的适应性。

张合组件5包括张合支架19、夹指回转铰链20以及张合驱动杆21，在安装法兰10上位于夹爪组件3侧还固定安装有张合电机8，张合电机8的电机轴上固定安装有张合驱动带轮12；在安装法兰10上通过转轴还转动安装有张合带轮18，张合驱动带轮12和张合带轮18之间通过皮带17连接，通过张合电机8驱动张合驱动带轮12转动，进而通过皮带17带动张合带轮18转动；张合驱动杆21后端与张合带轮18固定连接，并可随着张合带轮18转动。

在张合支架19内部中间位置设置有竖直的驱动槽，在驱动槽内转动设置有张合驱动蜗杆29，张合驱动蜗杆29与张合驱动杆21前端固定连接，并随着张合驱动杆21转动。夹指回转铰链20包括两个对称倾斜设置在张合支架19两侧的张合夹指23，张合夹指23的前端与张合辅助杆22铰接，张合辅助杆22铰接在张合支架19侧面后部位置；张合夹指23的末端设置有向外侧延伸的导向块。在张合夹指23中部铰接有张合驱动杆24，张合驱动杆24的末端连接有涡轮，该涡轮与张合驱动蜗杆29啮合配合。

在本发明中，张合辅助杆22与张合驱动杆24长度相同，张合支架19的宽度从后端至前端逐渐缩小，所以张合辅助杆22与张合支架19的铰接点位于张合驱动杆24末端涡轮外侧位置，从而使得张合夹指23末端向内倾斜。在本发明另一实施例中，张合辅助杆22的长度大于张合驱动杆24的长度。

在张合支架19中部还滑动安装有按压驱动条25，在按压驱动条25一侧设有齿条，在与按压驱动条25的齿条相对应侧的张合夹指23中部还铰接有按压驱动杆28，按压驱动杆28可以与张合驱动杆24一起与张合夹指23铰接；在按压驱动杆28末端设置有与按压驱动条25的齿条啮合的按压齿轮；按压驱动杆28随着张合夹指23运动，从而带动其末端的按压齿轮上下运动,从而带动与其啮合的按压驱动条25上下滑动。在按压驱动条25末端固定安装有按压杆26，在按压杆26末端固连有用于对微小按钮的表面保护的按压胶27；其中按压杆26为中空杆，其内设置有按压弹簧，按压弹簧另一端与按压驱动条25固连，按压驱动条25通过按压弹簧为按压杆26提供预压保持力，该保持力需大于按钮的按压力值，弹簧的工作行程实现对目标按钮机构的保护。

在本发明中，第一监控相机4面向被夹持对象的屏幕或指示灯，用于对其进行微视角实时监控，以获取得到按压杆26对被夹持对象上相应按钮机构进行按压之后的反馈信息，确定是否按压到位。

在本发明中，可以在张合驱动杆24末端的涡轮侧固定连接有按压齿轮，与按压驱动条25的齿条啮合。

本发明中，回转齿轮14设计为中空结构，张合驱动杆21穿过回转齿轮14；在本发明中，张合驱动杆21也设计为中空结构，其内穿设有相机安装杆，相机安装杆穿过张合驱动杆21后固定在安装支架1上的固定支架15上，在相机安装杆末端固定安装有第二监控相机11，即第二监控相机11位于张合驱动杆21末端处；第二监控相机11由于是通过相机安装杆固定在固定支架15上，所以在张合组件5做回转运动时，第二监控相机11与张合组件5是相对转动的，那么第二监控相机11与被夹持对象也是相对转动的，所以第二监控相机11可以对张合组件5的夹持对象进行微视角实时监控，不仅可以监控张合组件5夹持被夹持对象是否夹持到位，而且还可以通过第二监控相机11与被夹持对象相对转动的角度得到被夹持对象的转动角度。虽然本发明可以通过回转电机电机轴的转动角度得到张合组件5的转动角度，从而推算得到被夹持对象的转动角度，但是因为张合组件5有可能存在的夹持不到位或者夹持角度不对问题，通过回转电机电机轴的转动角度推算得到被夹持对象的转动角度是存在误差的，而通过第二监控相机11与被夹持对象相对转动的角度得到被夹持对象的转动角度是非常精确的。

张合组件5通过扭矩传感器6与回转齿轮14固连并可整体相对于安装法兰10(即安装支架1)做回转运动以实现夹爪的回转动作，同时通过扭矩传感器6实现夹爪回转的扭矩检测以及回转力矩闭环；扭矩传感器6的通信及供电线路通过滑环9传递。夹指回转铰链20与张合驱动蜗杆29配合实现蜗轮蜗杆传动将张合电机8的动力传递到张合组件5，并实现双侧张合夹指23的对称平移，完成张合夹指23的张合动作。本发明采用蜗轮蜗杆传动及对称四联杆机构并与按钮按压机构联动，减少了动力组件，降低了结构尺寸及整体重量。

因回转驱动电机7以及张合电机8均固定于安装法兰10上，张合组件5的张合运动与回转运动实现并联传动。为保证张合组件5回转过程中张合夹指23夹持尺寸不发生改变，张合驱动蜗杆29需保持与张合支架19拥有同样的回转转速。

本发明通过设置视觉相机2、第一监控相机4及第二监控相机11以实现操作过程中的微视角监控及视觉闭环。张合组件5执行张合及回转命令时，第二监控相机11是固定的，其视角相对安装法兰10无运动，实现张合组件5的中心定位、回转角度监控以及张合大小监控。因部分操作需需要通过目标操作物体附近的状态指示灯实现闭环，上述相机的安装位置及视场角存在干涉无法做到有效的视觉闭环，本发明在安装法兰10上还设置有至少三个相机安装位置，使用过程中可根据实际需要将第一监控相机4安装于其中一个或多个相机安装位置中，以实现目标操作物附近区域的全视角监控实现保证操作的安全有效进行。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种机器人手爪，其特征在于：包括：

夹爪组件，固定在机械臂上，并通过回转驱动电机驱动回转；

张合组件，安装在夹爪组件上，并通过张合电机驱动张合；在所述张合组件上设有随所述张合组件的张、合而相应的进、退的按压杆；

所述张合组件包括张合支架及安装在张合支架上的夹指回转铰链；

所述夹指回转铰链包括两个对称设置在所述张合支架两侧的张合夹指，所述张合夹指后端与张合辅助杆转动连接，所述张合辅助杆转动连接于张合支架侧面后端；在张合支架内侧中部设置有蜗轮蜗杆，其中蜗杆通过所述张合电机控制转动并使其保持与所述夹爪组件同样的回转转速，蜗轮通过张合驱动杆与所述张合夹指中部转动连接；

在所述夹爪组件侧固定安装有用于对被夹持对象进行微视角实时监控以确定所述按压杆对被夹持对象上相应按钮机构是否按压到位的第一监控相机；

所述夹爪组件通过安装支架固定在机械臂上，所述回转驱动电机和所述张合电机均固定安装在所述安装支架上；

所述张合电机的电机轴上固定安装有张合驱动带轮；所述安装支架上通过转轴还转动安装有张合带轮，所述张合驱动带轮与所述张合带轮之间通过皮带连接；所述张合组件通过张合驱动杆与所述张合带轮固定连接，并通过所述张合带轮驱动张合；

在所述张合驱动杆前端安装有用于对被夹持对象进行微视角实时监控以获取所述张合组件是否夹持到位的第二监控相机；

在所述安装支架上通过转轴安装有回转齿轮，所述回转齿轮设计为中空结构，同样设计为中空的所述张合驱动杆穿过所述回转齿轮；所述张合驱动杆内穿设有相机安装杆，相机安装杆穿过所述张合驱动杆后固定在安装支架上，在所述相机安装杆末端固定安装所述第二监控相机；所述第二监控相机通过其与被夹持对象相对转动的角度得到被夹持对象的转动角度。

2.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：在所述张合夹指的前端设置有向外侧延伸的导向块。

3.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：所述张合辅助杆与所述张合驱动杆长度相同，所述张合支架的宽度从后端至前端逐渐缩小。

4.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：所述张合辅助杆的长度大于所述张合驱动杆的长度。

5.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：在所述张合支架上还滑动安装有按压驱动条，所述按压驱动条一侧设有齿，在与按压驱动条的齿相对应侧的蜗轮上固定有与所述按压驱动条的齿啮合的按压齿轮；所述按压杆固定安装在所述按压驱动条末端。

6.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：在所述张合支架上还滑动安装有按压驱动条，所述按压驱动条一侧设有齿，在与按压驱动条的齿相对应侧的张合夹持中部转动连接有按压驱动杆，所述按压驱动杆末端设置有与所述按压驱动条的齿啮合的按压齿轮；所述按压杆固定安装在所述按压驱动条末端。

7.根据权利要求5或6所述的机器人手爪，其特征在于：所述按压杆为中空杆，其内设置有按压弹簧，所述按压弹簧另一端与所述按压驱动条固连。

8.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：在所述按压杆末端固连有用于保护按钮表面的按压胶。

9.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：与所述夹爪组件连接有用于采集所述夹爪组件回转力矩的扭矩传感器。

10.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：所述回转驱动电机安装在所述回转齿轮侧，其电机轴上固定安装有与所述回转齿轮啮合的回转驱动齿轮。

11.根据权利要求10所述的机器人手爪，其特征在于：在所述回转齿轮外设置有用于保护所述回转齿轮的回转齿轮壳。

12.根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于：在所述安装支架上固定安装有用于识别被夹持对象的位置信息进行空间定位的视觉相机。

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