CN113427501B - 一种多模式自适应机械爪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模式自适应机械爪，包括手指、手指驱动模块、中央驱动模块，手指和手指驱动模块安装在中央驱动模块的外壳上。手指驱动模块通过滑槽结构和驱动模块相连接。手指和手指驱动模块组成一个连杆机构，手指通过两个铰链连接在手指驱动模块上。实现了自适应物体表面柔性抓取的效果，利用手指的可拆卸性和齿轮连杆机构的配合，达到了根据实际需求灵活改变手指数目和手指相对位置的目的，从而灵活切换抓取模式，实现了自适应抓取的效果，改变了现有大多数手爪“单爪单用”的现状。手指的可拆卸性是通过滑槽机构来实现的，齿轮连杆机构经过参数计算，可以精确地使手指旋转固定角度，从而精确切换抓取模式。

Description

一种多模式自适应机械爪
技术领域
本发明涉及装配生产线领域，具体涉及一种多模式自适应机械手爪。
背景技术
随着社会生产力的发展，客户的个性化需求越来越高，以化妆品行业为例，近几年化妆品行业的销量在逐年稳定增长。据不完全统计，目前市场上的化妆品分为六大类上百小类，不同种类的化妆品外形、重量各异。因此，混线生产、柔性制造等多种新型制造模式也应运而生。
目前大多数产线，一条生产线只能生产、组装一种产品，不同的生产线所用到的装配、搬运手爪也有差异。大多数现存的机械爪，一种手爪只能抓取外形、体积相似的物体，没有广适性。以化妆品生产线为例，在空瓶搬运产线上，使用的是龙门机械手；在罐装产线上，使用的是四爪机械手；在封装产线上，使用的是气动吸盘；不同的产线使用不同的手爪，无疑会增加生产成本，而且会带来管理、运维上的不便。
同时，现存手爪大多未使用欠驱动结构，使得手爪刚度过大，在夹取物体时容易对物体表面造成损伤，造成产品报废率提高，进而使得生产成本提高。现有的柔性手爪多采用气动，刚性过低，主要依靠摩擦力抓取，当物体表面过于光滑或重量较大时，抓取效果不好。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种多模式自适应机械手爪，该装置应用于化妆品装配生产线上，达到了一爪广适的目的，降低了生产、管理成本，提高了化妆品生产线的生产和运维效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多模式自适应机械手爪，包括手指、手指驱动模块、中央驱动模块，手指和手指驱动模块安装在中央驱动模块的外壳上，手指驱动模块通过滑槽结构和驱动模块相连接，手指和手指驱动模块组成一个连杆机构，手指通过两个铰链连接在手指驱动模块上，手指由软体指节、手指拉杆、手指连杆弹簧撑杆、末端指节组成，软体指节和手指拉杆、软体指节和手指连杆、手指连杆和摇杆、弹簧撑杆和手指拉杆、弹簧撑杆和摇杆之间采用铰接，手指的自由度为2，这是一种欠驱动的柔性手指，可以根据适应所抓取化妆品的外形，实现柔性抓取。中央驱动模块由摇杆滑槽、上下端固定盖、电机、曲柄摇杆装置、齿轮箱组成，手指驱动模块安装在摇杆滑槽上，摇杆滑槽上配备有锁止机构，当手指驱动模块安装到合适位置，锁止机构自动锁死手指驱动模块，当需要拆卸时，打开锁止装置开关，就可以完成拆卸，齿轮箱和曲柄摇杆装置的配合使用，会起到改变各个手指相对位置的作用，从而改变抓取方式，适应不同形状的待抓取物。
齿轮箱由主动轮、四个从动轮、两个过桥轮、箱体、箱盖、花键轴、推力球轴承组成。从动轮通过上下两个推力球轴承安装在花键轴上。通过电机带动主动轮，从而驱动四个从动轮，将转矩传递给花键轴，进而带动曲柄摇杆装置工作。
曲柄摇杆装置由曲柄、连杆、摇杆滑槽组成，曲柄通过花键和花键轴固联，利用卡簧进行位置限定，花键轴将扭矩传递给曲柄，曲柄通过连杆将运动传递给摇杆滑槽，使其围绕固定转轴c旋转，从而实现抓取角度的改变。
手指驱动部分由摇杆、丝杠螺母连接件、外壳筒、手指固定零件、外壳筒固定零件、直流无刷电机、丝杠螺母，滚珠丝杠组成，有旋转关系的零件均采用铰接，外壳筒固定零件通过四根螺栓和手指固定零件固联。
直流无刷电机驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠驱动丝杠螺母相对外壳筒做直线运动丝杠螺母推动丝杠螺母连接件，使得摇杆绕铰链a旋转。此时，手指也绕铰链a旋转。软体指节、手指连杆触碰到待抓取物前，铰链b不旋转，当碰到待抓取物时，弹簧撑杆压缩，软体指节相对手指连杆绕铰链b逆时针旋转，对待抓取物形成包络，配合其他手指，实现包络抓取，提高抓取的可靠性。
本发明利用手指的欠驱动设计，实现了自适应物体表面柔性抓取的效果，改进了现有大多数手爪刚性过大，从而损伤物体表面的现状；利用手指的可拆卸性和齿轮连杆机构的配合，达到了根据实际需求灵活改变手指数目和手指相对位置的目的，从而灵活切换抓取模式，实现了自适应抓取的效果，改变了现有大多数手爪“单爪单用”的现状。手指的可拆卸性是通过滑槽机构来实现的，齿轮连杆机构经过参数计算，可以精确地使手指旋转固定角度，从而精确切换抓取模式。
附图说明
图1手爪组成结构图
图2欠驱动手指组成结构图
图3手指驱动模块结构图
图4中央驱动模块结构图
图5齿轮机构俯视图
图6齿轮机构侧视图
图7曲柄摇杆装置
图8齿轮连杆机构的联动示意图
具体实施方式
如图1所示，一种多模式自适应机械手爪，包括手指31、手指驱动模块33、中央驱动模块32，手指31和手指驱动模块33安装在中央驱动模块32的外壳上。手指驱动模块33通过滑槽结构和驱动模块相连接。手指31和手指驱动模块33组成一个连杆机构，手指31通过两个铰链连接在手指驱动模块上。
手指31由软体指节1、手指拉杆2、手指连杆3弹簧撑杆4、末端指节5组成。软体指节1和手指拉杆2、软体指节1和手指连杆3、手指连杆3和摇杆6、弹簧撑杆4和手指拉杆2、弹簧撑杆4和摇杆6之间采用铰接。手指的自由度为2，这是一种欠驱动的柔性手指，可以根据适应所抓取化妆品的外形，实现柔性抓取。
如图2、图3所述，手指驱动部分由摇杆6、丝杠螺母连接件7、外壳筒8、手指固定零件9、外壳筒固定零件10、直流无刷电机11、丝杠螺母12，滚珠丝杠13组成。有旋转关系的零件均采用铰接。外壳筒外壳筒固定零件10通过四根螺栓和手指固定零件9固联。
如图2所述，直流无刷电机11驱动滚珠丝杠13，滚珠丝杠13驱动丝杠螺母12相对外壳筒8做直线运动丝杠螺母13推动丝杠螺母连接件7，使得摇杆6绕铰链a旋转。此时，手指也绕铰链a旋转。软体指节1、手指连杆3触碰到待抓取物前，铰链b不旋转，当碰到待抓取物时，弹簧撑杆压缩，软体指节1相对手指连杆3绕铰链b逆时针旋转，对待抓取物形成包络，配合其他手指，实现包络抓取，提高抓取的可靠性。
如图4所述，中央驱动模块32由摇杆滑槽14、上下端固定盖15、电机16、曲柄摇杆装置、齿轮箱29组成。手指驱动模块33安装在摇杆滑槽14上，摇杆滑槽14上配备有锁止机构，当手指驱动模块33安装到合适位置，锁止机构自动锁死手指驱动模块33，当需要拆卸时，打开锁止装置开关，就可以完成拆卸。齿轮箱29和曲柄摇杆装置的配合使用，会起到改变各个手指相对位置的作用，从而改变抓取方式，适应不同形状的待抓取物。
如图5、图6所述，齿轮箱由主动轮20、四个从动轮21、两个过桥轮22、箱体23、箱盖24、花键轴25、推力球轴承26组成。从动轮21通过上下两个推力球轴承26安装在花键轴25上。通过电机16带动主动轮20，从而驱动四个从动轮21，将转矩传递给花键轴25，进而带动曲柄摇杆装置工作。
如图7所述，曲柄摇杆装置由曲柄27、连杆28、摇杆滑槽14组成。曲柄27通过花键和花键轴25固联，利用卡簧30进行位置限定。花键轴25将扭矩传递给曲柄27，曲柄27通过连杆28将运动传递给摇杆滑槽14，使其围绕固定转轴c旋转，从而实现抓取角度的改变。
如图8所述，当电机带动主动轮20旋转逆时针，主动轮首先将动力传递给左下角的从动轮21.1，从动轮21.1顺时针方向旋转，转速为电机转速的一半，从动轮21.1一方面带动左上角的从动轮21.2逆时针方向旋转，另一方面通过两个过桥轮22将动力传递给右下角的从动轮21.3，两个过桥轮的作用是使从动轮21.1和21.3旋转方向相反，此时从动轮21.3的旋转方向是逆时针，最后从动轮21.3与从动轮21.4啮合，带动从动轮21.4顺时针旋转，这就是齿轮***的动力传输路径。从动轮21.1、21.4是顺时针旋转，从动轮21.2、21.3是逆时针旋转，带动相应的曲柄做同方向旋转。在图示位置，左下角和右上角的摇杆滑槽14分别绕定轴d、g逆时针转动，左上角和右下角的摇杆滑槽分别绕定轴e、f顺时针转动，当摇杆滑槽绕相应转轴以既定方向转动60°时，上下方的摇杆滑槽将相互对称，使上下方手指相互对称，从而改变抓取模式。曲柄摇杆装置经过设计，使摇杆滑槽14转动角度限定在60°以内，保证模式切换的准确性和可靠性。
使用本发明时，将手爪安装在生产线的机械臂上，根据所生产化妆品的外形、重量等特性选择抓取模式。本发明保证了手指的可更换和可拆卸性，同时可改变手指的相对位置，基于此，衍生出三种抓取模式：三指定心抓取模式，四指平行抓取模式和六指包覆抓取模式。不同模式可以适应不同的物品，三指定心抓取模式可应用于定位精确的场合，四指平行抓取模式可应用于抓取棱柱状物品，六指包覆抓取模式可以提供较大的抓取力，适合于抓取重量较大的物品。变化抓取模式时，使中央驱动模块的电机旋转，通过电机带动齿轮箱，进而驱动曲柄摇杆装置使手指使手指绕手爪中心线旋转一定角度，完成模式切换。手指采用丝杠螺母进行驱动，具有自锁定的特点，可以保证抓取物品的稳定性。手爪需要抓取时，驱动手指的电机，使其带动滚珠丝杠旋转，丝杠推动手指完成夹取。当触碰到物体表面时，手指会随着物体的外形做相应变形，实现包覆式抓取，保护物体表面。

Claims (3)

1.一种多模式自适应机械手爪，包括手指(31)、手指驱动模块(33)、中央驱动模块(32)，手指(31)和手指驱动模块(33)安装在中央驱动模块(32)的外壳上，手指驱动模块(33)通过滑槽结构和中央驱动模块相连接，手指(31)和手指驱动模块(33)组成一个连杆机构，手指(31)通过两个铰链连接在手指驱动模块上，手指(31)由软体指节(1)、手指拉杆(2)、手指连杆(3)、弹簧撑杆(4)、末端指节(5)组成，软体指节(1)和手指拉杆(2)、软体指节(1)和手指连杆(3)、手指连杆(3)和摇杆(6)、弹簧撑杆(4)和手指拉杆(2)、弹簧撑杆(4)和摇杆(6)之间采用铰接，手指自由度为2，这是一种欠驱动的柔性手指，可以根据适应所抓取化妆品的外形，实现柔性抓取，中央驱动模块(32)由摇杆滑槽(14)、上下端固定盖(15)、电机(16)、曲柄摇杆装置、齿轮箱(29)组成，手指驱动模块(33)安装在摇杆滑槽(14)上，摇杆滑槽(14)上配备有锁止机构，当手指驱动模块(33)安装到合适位置，锁止机构自动锁死手指驱动模块(33)，当需要拆卸时，打开锁止装置开关，就可以完成拆卸，齿轮箱(29)和曲柄摇杆装置的配合使用，会起到改变各个手指相对位置的作用，从而改变抓取方式，适应不同形状的待抓取物，齿轮箱由主动轮(20)、四个从动轮(21)、两个过桥轮(22)、箱体(23)、箱盖、花键轴(25)、推力球轴承(26)组成，从动轮(21)通过上下两个推力球轴承(26)安装在花键轴(25)上，通过电机(16)带动主动轮(20)，从而驱动四个从动轮(21)，将转矩传递给花键轴(25)，进而带动曲柄摇杆装置工作，曲柄摇杆装置由曲柄(27)、连杆(28)、摇杆滑槽(14)组成，曲柄(27)通过花键和花键轴(25)固联，利用卡簧(30)进行位置限定，花键轴(25)将扭矩传递给曲柄(27)，曲柄(27)通过连杆(28)将运动传递给摇杆滑槽(14)，使其围绕固定转轴c旋转，从而实现抓取角度的改变。
2.根据权利要求1所述的一种多模式自适应机械手爪，其特征在于，手指驱动模块由摇杆(6)、丝杠螺母连接件(7)、外壳筒(8)、手指固定零件(9)、外壳筒固定零件(10)、直流无刷电机(11)、丝杠螺母(12)、滚珠丝杠(13)组成，有旋转关系的零件均采用铰接，外壳筒固定零件(10)通过四根螺栓和手指固定零件(9)固联。
3.根据权利要求2所述的一种多模式自适应机械手爪，其特征在于，直流无刷电机(11)驱动滚珠丝杠(13)，滚珠丝杠(13)驱动丝杠螺母(12)相对外壳筒(8)做直线运动，丝杠螺母(12)推动丝杠螺母连接件(7)，使得摇杆(6)绕与手指固定零件(9)连接的铰链a旋转，此时，手指也绕铰链a旋转，软体指节(1)、手指连杆(3)触碰到待抓取物前，软体指节(1)与手指连杆(3)之间的铰链b不旋转，当碰到待抓取物时，弹簧撑杆压缩，软体指节(1)相对手指连杆(3)绕铰链b逆时针旋转，对待抓取物形成包络，配合其他手指，实现包络抓取，提高抓取的可靠性。
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