CN101497196B - 平动匀速夹紧机械手爪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平动匀速夹紧机械手爪。现有技术外形尺寸大、控制复杂度高。本发明包括步进电机、固定套筒、十字连杆和四个手指。十字连杆设置在固定套筒内，四个端部伸出导向槽设置，步进电机通过丝杆螺母运动副与十字连杆连接。四个手指分别与十字连杆的四个端部连接。手指包括指尖、限位连杆、移动连杆、斜撑架。移动连杆中的第二移动杆具有延伸部分，延伸部分为弧形，开有弧形滑槽，斜撑架上的固定销与弧形滑槽位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定销移动。本发明采用单电机驱动，手爪的四个手指沿中心轴对称，当驱动电机匀速转动时，手爪指尖的夹紧或张开速度是均匀平动，有利于指尖与目标物体的接触与手爪对目标物体的整体抓握。

Description

平动匀速夹紧机械手爪

技术领域

本发明属于机械设计与制造领域，涉及机器人手爪结构设计，具体涉及机械手爪传动机构的设计，主要应用于机器人末端操作。

背景技术

机器人手爪作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，对机器人完成作业任务、提高作业水平有非常重要影响，有时甚至起到关键作用。抓取操作目标对象的灵活性、精确性和适应性是衡量机械手爪设计水平的一个重要标志。通用工业机器人的末端执行机构多为形状简单的夹钳式、托持式、吸附式等型式，其动力驱动的方式有气压驱动、电机驱动、电磁驱动、液压驱动等。传统机械手爪结构和抓握目标物的工作原理决定了其抓握功能有限。随着机器人应用范围的日益扩大，机器人正向着智能化、拟人化方向发展，各种特种用途的机械手应运而生，其中，尤以手部具有多指多关节结构的拟人化结构手爪引人注目。相对于夹钳式结构，多指多关节的机械手能更加适应不同形状物体的抓取，其抓握也更加稳定，但也由于手爪自由度数增加，引发控制复杂度大大增加、手爪外形尺寸庞大等问题。

多指多关节机械手爪的研究正越来越受到国内外相关专家、学者的重视，世界上已经研制出的多指多关节机械手爪不胜枚举。Utah/MIT手是较有代表性的一种，它是一种四指结构的机械手，具有16个自由度，驱动系统是由32个独立的聚合绳索和气压驱动器组成的腱、滑轮传动系统。Kenneth J.Salisbury博士研制的Stanford/JPL手具有3个手指，每个手指具有3个自由度和4根控制线，整个手由12个直流伺服电机组成的驱动块驱动。近年来，国内北京航空航天大学(BH-3)、哈尔滨工业大学(HIT/DLR)及华南理工大学的五指形仿人机械手也在多指多关节机械手的研究方面取得了进展。这些多指多关节机械手往往以空间操作应用为背景，每个手指的各个关节都有独立的驱动单元，并配有传感和控制系统。虽然操作灵活，但存在着结构复杂，控制繁琐，制造价格十分昂贵以及体积和重量均较大等弊端。在一些工业应用中，随着末端执行器体积和重量的增大，将直接限制机器人的工作能力。所以，根据特殊的应用场合，设计出控制方式简单、结构巧妙、经济适用的机械手爪非常必要。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种简单实用、功能价格比高的一种单电机驱动的四指十二关节指尖平动夹紧的机械手爪结构，该机械手爪在电机匀速转动时能够实现指尖平动匀速夹紧。

本发明包括步进电机、固定套筒、十字连杆和四个手指。

固定套筒的侧壁在同一圆周上开有四个导向槽，四个导向槽在固定套筒侧壁圆周上均匀分布，十字连杆设置在固定套筒内，十字连杆的四个端部伸出导向槽设置，十字连杆能够沿导向槽上下移动，升降螺母穿过十字连杆的中心设置并与十字连杆固定连接。套筒端盖固定在固定套筒的底部，包括封盖部分和手指支架部分，其中封盖部分与固定套筒的底面形状相同，四个手指支架部分位于封盖部分侧面的四个方向上，并且分别与十字连杆的四个端部位置对应。

步进电机的动力输出轴通过联轴节与谐波减速器的输入端连接，谐波减速器的输出轴与丝杆连接，丝杆与升降螺母配合活动连接，构成丝杆螺母运动副。

四个手指分别与十字连杆的四个端部连接。手指包括指尖、限位连杆、移动连杆、斜撑架。限位连杆包括第一限位杆和第二限位杆，第一限位杆的一端与套筒端盖的手指支架部分通过铰链活动连接，第一限位杆的另一端与第二限位杆的一端通过限位杆铰链活动连接，第二限位杆的另一端与指尖的端部通过铰链活动连接。移动连杆包括第一移动杆和第二移动杆，第一移动杆为L形，拐点处与套筒端盖的手指支架部分通过铰链活动连接，第一移动杆的一端与牵引杆的一端通过铰链活动连接，牵引杆的另一端与调节杆的一端通过铰链活动连接，调节杆的另一端穿过十字连杆的端部设置，调节杆上设置有调节螺母。第二移动杆包括移动部分和延伸部分，移动部分的端部与指尖的端部通过铰链活动连接，移动部分与延伸部分的过渡处与第一移动杆的另一端通过移动杆铰链活动连接，移动杆铰链的销轴和限位杆铰链的销轴设置在过渡杆件上。第二移动杆的延伸部分为弧形，弧形延伸部分内开有弧形滑槽，斜撑架上的固定销与弧形滑槽位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定销移动。

弧形滑槽的曲线满足下面的极座标方程：

ρ极径，θ极角；

式中，l₁是第一移动杆拐点至第二移动杆连接铰链间的长度；

l₂是第二移动杆移动部分的长度；

是第一移动杆转角；

a是斜撑架上固定销与第一移动杆L形拐点处铰链的水平距离；

b是斜撑架上固定销与第一移动杆L形拐点处铰链的垂直距离；

w是指尖偏离手爪初始位置(中位)的距离。

本发明的机械手爪当步进电机正、反转动时，带动丝杆旋转，由丝杆螺母传动副将运动传递至升降螺母，带动十字连杆沿固定套筒的四个导向槽上、下移动，十字连杆通过调节杆带动四根牵引杆跟随十字连杆上、下运动，四根牵引杆各牵引四个手指。牵引杆带动第一移动杆绕其设置在手指支架上的活动铰链回转，第一移动杆另一端推动第二移动杆弧形延伸部分沿斜撑架上的固定销滑移，致使第二移动杆作同方向的运动，由此带动与第二移动杆相连的指尖完成夹紧和张开的动作。

第一移动杆和第一限位杆之间，分别与设置在手指支架上的活动铰链、过渡杆件上的移动杆铰链销轴和限位杆铰链销轴构成平行四边形连杆机构；第二移动杆和第二限位杆之间，分别与设置在指尖上的活动铰链、过渡杆件上的移动杆铰链销轴和限位杆铰链销轴构成平行四边形连杆机构，起到传递至指尖的运动是平动的作用。斜撑架上固定销支点在第二移动杆弧形滑槽中的位置随手爪张合运动而变化，工作时第二移动杆受力点与支点间的力臂是变化的，所以，弧形滑槽曲线的参数确定了力臂的这种变化，选择适当的曲线参数能实现步进电机匀速转动时，指尖的张合也是匀速的。

本发明采用单电机驱动，手爪的四个手指沿中心轴对称，当驱动电机匀速转动时，手爪指尖的夹紧或张开速度是均匀的，所做运动是平动，有利于指尖与目标物体的接触与手爪对目标物体的整体抓握。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2(a)为手爪处于张开极限位置时的手指杆件连接关系简图；

图2(b)为手爪处于中位位置时的手指杆件连接关系简图；

图2(c)为手爪处于闭合极限位置时的手指杆件连接关系简图；

图3(a)为手爪处于中位位置时杆件的运动分析示意图；

图3(b)为手爪处于闭合极限位置时杆件的运动分析示意图。

具体实施方式

如图1所示，平动匀速夹紧机械手爪包括步进电机1、固定套筒8、十字连杆6和四个手指。

固定套筒8的侧壁在同一圆周上开有四个导向槽7，四个导向槽7在固定套筒8侧壁圆周上均匀分布，十字连杆6设置在固定套筒内，十字连杆6的四个端部伸出导向槽7设置，十字连杆6能够沿导向槽7上下移动，升降螺母5穿过十字连杆6的中心设置，并与十字连杆6固定连接。套筒端盖固定在固定套筒8的底部，包括封盖部分9和手指支架部分10，其中封盖部分9与固定套筒8的底面形状相同，四个手指支架部分10位于封盖部分9侧面的四个方向上，并且分别与十字连杆6的四个端部位置对应。

步进电机1的动力输出轴通过联轴节2与谐波减速器3的输入端连接，谐波减速器3的输出轴与丝杆4连接，丝杆4与升降螺母5配合活动连接，构成丝杆螺母运动副。

四个手指分别与十字连杆6的四个端部连接。手指包括指尖15、限位连杆、移动连杆、斜撑架21。限位连杆包括第一限位杆11和第二限位杆14，第一限位杆11的一端与套筒端盖的手指支架部分10通过铰链活动连接，第一限位杆11的另一端与第二限位杆14的一端通过限位杆铰链活动连接，第二限位杆14的另一端与指尖15的端部通过铰链活动连接。移动连杆包括第一移动杆22和第二移动杆，第一移动杆22为L形，拐点处与套筒端盖的手指支架部分10通过铰链活动连接，第一移动杆22的一端与牵引杆23的一端通过铰链活动连接，牵引杆23的另一端与调节杆24的一端通过铰链活动连接，调节杆24的另一端穿过十字连杆6的端部设置，调节杆24上设置有调节螺母25。第二移动杆包括移动部分16和延伸部分19，移动部分16的端部与指尖15的端部通过铰链活动连接，移动部分16与延伸部分19的过渡处与第一移动杆22的另一端通过移动杆铰链活动连接，移动杆铰链的销轴12和限位杆铰链的销轴13设置在过渡杆件17上。第二移动杆的延伸部分19为弧形，弧形延伸部分内开有弧形滑槽18，斜撑架21上的固定销20与弧形滑槽18位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽18沿固定销20移动。

该机械手爪运动学分析如下：

图2为机械手爪的三个运动位置，其中图2(a)为手爪处于张开极限位置时的手指杆件连接关系简图，图2(b)为手爪处于中位位置时的手指杆件连接关系简图，图2(c)为手爪处于闭合极限位置时的手指杆件连接关系简图。

图3(a)为手爪处于中位位置时杆件的运动分析示意图，图3(b)为手爪处于闭合极限位置时杆件的运动分析示意图。

为了分析从步进电机到指尖的运动传递关系，设步进电机转速为n rpm，谐波减速器的速比为i，丝杆螺距δmm，则，十字连杆的移动速度为

$v_1=\frac{n}{6\×i}\·\mathrm{\δ}---\left(1\right)$

式中，v₁单位是mm/s。

如图3所示，十字连杆带动牵引杆运动，使第一移动杆的A点绕手指支架上的活动铰链B转动。如果初始状态A、B在同一水平上，即第一移动杆的水平初始夹角

由于牵引杆的摆动幅度很小，忽略牵引杆摆动的影响，那么，A点运动的垂直向距离与十字连杆的移动距离相等。

t时刻A点上升的高度h为

h＝v₁t    (2)

第一移动杆的角速度ω₁为

${\mathrm{\ω}}_1\≈\arcsin \left(\frac{v_{1}t}{l_0}\right)/t---\left(3\right)$

式中，l₀是第一移动杆上A、B间的长度，单位mm，ω₁的单位是rad/s。

t时刻第一移动杆AB的水平夹角

第一移动杆上B、C间的长度是l₁，且CB与BA固接并垂直。第二移动杆的移动部分CD的长度是l₂，延伸段弧形滑槽部分CE，弧形滑槽上的固定销支点O相对于B点的坐标是(a，b)。x′Cy′是固定在第二移动杆上的座标，那么，弧形滑槽上的固定销支点O离x′Cy′座标原点C的极径ρ是

如果被控机械手爪指尖的水平方向夹紧速度是v₂mm/s，t时刻在水平方向移动了w＝v₂t距离，则，第一移动杆和第二移动杆的相对转角θ′为

如图3(b)所示，CO与Cx′的夹角θ是CE曲线上O点的极角，是CO的水平夹角与第一移动杆转过的角度

和第二移动杆相对第一移动杆的转角θ′之差，即

式(5)、式(7)构成了弧形滑槽曲线的极座标方程。

为保证多指多关节的平动匀速夹紧机械手爪精度，在制作过程中，对制造和装配工艺有严格的要求。首先，各手指的移动杆、限位杆长度，连杆之间的轴销孔距有严格的精度要求，否则手爪将被卡死，为此，对各手指孔系加工时需要设计专用夹具，以满足上述要求；其次，第二移动杆延伸部分的弧形滑槽(封闭凸轮)及槽宽一定要与斜撑架上的固定销配作，以保证弧形滑槽与固定销之间有良好的配合与运动精度，在加工弧形滑槽时可以由第二移动杆上两个活动铰链关节的销轴孔作为定位基准孔，通过数控加工保证弧形滑槽的一致性及精度，否则四指合拢时难以保证均匀对称的动作；最后，在装配时，需要调整4个斜撑架、十字连杆的轴对称性和调节杆的伸出长度等，调整好调节杆的伸出长度后应将调节杆两侧的螺母并紧，调整上述各影响因素可以保证机械手爪四个手指均匀对称。另外，为减轻机械手爪自身重量，在确保设计指标的强度和刚度前提下，对杆件的选材、热处理和结构设计都要进行优化。

以平行四边形机构构成的移动杆和限位杆结构，在步进电机匀速转动的情况下，机械手爪指尖夹紧或张开的速度是随手爪开度变化的，在平行四边形机构成90°时速度最大，大于或小于90°时速度减小，这在实际使用时增加了控制难度，尤其在一些对手爪夹紧、张开速度有严格要求的场合。按本发明平动匀速夹紧机械手爪的结构，其最大的优点是，通过第二移动杆延伸部分弧形滑槽的曲线参数变化，能补偿机械手爪指尖夹紧速度的非线性，所以，弧形滑槽曲线的设计非常关键。

下面以设计实例加以说明。

设手爪的杆件尺寸l₀＝11mm，l₁＝40mm，l₂＝35mm，与弧形滑槽配合的斜撑架上固定销支点O相对于B点的坐标是，a＝19mm，b＝21mm，机械手爪抓取物体的范围确定为38-150mm。由于机械手爪是四指对称结构，所以对于单根手指来说，离中心轴最小为19mm，最大为75mm，运动行程为56mm。设定初始状态为机械手爪的指尖中位位置，即A、B在同一水平上，且确定指尖运动的56(34+22)mm行程中，34mm在夹紧一侧，22mm在张开一侧，那么指尖运动行程w在[-22，34]内变化。考察机械手爪夹紧时单边的运动状况，不妨设定A点的高度h在0～3.4mm变化，即

在0～arcsin(3.4/11)≈18°之间变化，当w在0～34mm变化时，将h、w等分并按算式(5)、(7)得表1所示机械手爪运动各点与对应的弧形滑槽曲线极座标参数。进一步细分参数间隔，并延伸至张开区间，便可得细分的ρ-θ参数表。机械手爪张开时的参数求法与之类似。

表1机械手爪运动各点与相应弧形滑槽曲线极座标参数

根据ρ-θ参数表，结合槽宽要求，可在加工中心完成弧形滑槽的加工。机械手爪运动范围要求以外的弧形滑槽参数，可以根据结构要求进行过渡性设计，以使外形更加美观，具有流线型。

当步进电机工作转速n＝1000rpm，谐波齿轮减速器减速比i＝80∶1，丝杆螺母副的螺距δ＝1.25mm时，由式(1)知，A点的上升速度v₁＝0.260mm/s，由表1知，h、w的等分及比例关系就是A点上升速度与D点夹紧速度间的关系，表中数据是v₁∶v₂＝1∶10，所以，指尖的夹紧速度是v₂＝2.6mm/s。要提高夹紧或张开的速度，可以通过改变步进电机转速、谐波齿轮减速器速比及丝杆螺母副的螺距等参数实现。

Claims (1)

1.平动匀速夹紧机械手爪，包括步进电机、固定套筒、十字连杆和四个手指，其特征在于：

固定套筒的侧壁在同一圆周上开有四个导向槽，四个导向槽在固定套筒侧壁圆周上均匀分布，十字连杆设置在固定套筒内，十字连杆的四个端部伸出导向槽设置，十字连杆能够沿导向槽上下移动，升降螺母穿过十字连杆的中心设置并与十字连杆固定连接；套筒端盖固定在固定套筒的底部，包括封盖部分和手指支架部分，其中封盖部分与固定套筒的底面形状相同，四个手指支架部分位于封盖部分侧面的四个方向上，并且分别与十字连杆的四个端部位置对应；

步进电机的动力输出轴通过联轴节与谐波减速器的输入端连接，谐波减速器的输出轴与丝杆连接，丝杆与升降螺母配合活动连接，构成丝杆螺母运动副；

四个手指分别与十字连杆的四个端部连接，所述的手指包括指尖、限位连杆、移动连杆、斜撑架；限位连杆包括第一限位杆和第二限位杆，第一限位杆的一端与套筒端盖的手指支架部分通过铰链活动连接，第一限位杆的另一端与第二限位杆的一端通过限位杆铰链活动连接，第二限位杆的另一端与指尖的端部通过铰链活动连接；移动连杆包括第一移动杆和第二移动杆，第一移动杆为L形，拐点处与套筒端盖的手指支架部分通过铰链活动连接，第一移动杆的一端与牵引杆的一端通过铰链活动连接，牵引杆的另一端与调节杆的一端通过铰链活动连接，调节杆的另一端穿过十字连杆的端部设置，调节杆上设置有调节螺母；第二移动杆包括移动部分和延伸部分，移动部分的端部与指尖的端部通过铰链活动连接，移动部分与延伸部分的过渡处与第一移动杆的另一端通过移动杆铰链活动连接，移动杆铰链的销轴和限位杆铰链的销轴设置在过渡杆件上；第二移动杆的延伸部分为弧形，弧形延伸部分内开有弧形滑槽，斜撑架上的固定销与弧形滑槽位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定销移动；

弧形滑槽的曲线满足下面的极座标方程：

ρ极径，θ极角；

式中，l₁是第一移动杆拐点至第二移动杆连接铰链间的长度；

l₂是第二移动杆移动部分的长度；

是第一移动杆转角；

a是斜撑架上固定销与第一移动杆L形拐点处铰链的水平距离；

b是斜撑架上固定销与第一移动杆L形拐点处铰链的垂直距离；

w是指尖偏离手爪初始位置的距离。

Images