专利名称：大型多传感集成电动手爪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械技术领域的装置，具体的说，是一种大型多传感集 成手爪。
背景技术：
手爪是机器人尤其是工业机械臂技术领域非常重要的终端工具。机械臂通过 使用各种类型的手爪应对不同的需求，抓取不同的物体，完成相应的作业。开合 方式的电动手爪可以连续控制、运动精度高，具有广泛的应用。为应对不确定环 境下的复杂作业，手爪又被要求携带或配备相应的传感系统以感知外部环境信 息。因此，负载能力、机构以及传感系统的集成度等指标，对判断手爪性能优劣、 决定手爪应用空间非常重要。经对现有技术的文献检索发现，梅涛等的授权公告号为CN1170659C的中国 发明专利"一种多传感器机器人手爪"中提出一种采用双向螺杆与带螺母的一 对手指进行旋转配合的手爪。该手爪使用M8特制螺距的螺母螺杆将直流伺服电 机的转动转变为一对手指的相对直线开合动作，其机构设计参数为最大加紧力 854N,手指开合速度为21mm/s。该发明中叙述多传感器被一体化设计并且集成 到手爪之中。该发明的不足之处在于(1)使用螺母螺杆配合的机构虽然提供了 机械自锁能力，但是摩擦大效率低；(2)手指结构短，只能抓取类似工字钢等特 殊对象，通用性差；如果设计较长结构手指，则整体刚度迅速降低；(3)只叙述 说明配备有多传感器，没有指出具体安装空间和安装状态、编号等信息，无法解 释如何进行一体化设计与集成。(4)仅依靠增量式码盘原理的位移传感器，无法 获得手指的绝对位置信息，无法测量工件在夹持方向的尺寸。发明内容本发明针对现有技术的不足，提出一种大型多传感集成电动手爪。本发明具 有结构紧凑、效率高、机构及传感系统集成度高、负载能力大、手指末端开合速度高、开合范围大、抓取适用性强等优点，可以广泛的应用到各种工业领域，尤 其适合在特殊危险环境下对例如爆炸物、化学物品等人类难以接近的物品进行抓 取操作。本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括减速电机、电机支架、 下平板、上平板、接头件、小伞齿轮、大伞齿轮、小齿轮、大齿轮、第一对转齿 轮、第二对转齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、右手指组件、左手 指组件、外盖、多传感系统。下平板、上平板、电机支架、接头件、多传感系统 的摄像头支架固定在一起，电机支架、接头件和摄像头支架夹在下平板和上平板 中间，接头件处于手爪的几何中轴线上，是手爪与外部设备进行连接的元件。第 一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴均采用销钉方式连接在下平板和上平板之间， 可自由转动。减速电机固定在电机支架上。小伞齿轮安装在减速电机的输出轴上， 大伞齿轮和小齿轮同轴固定在第一齿轮轴上，大齿轮和第一对转齿轮同轴固定在第二齿轮轴上，第二对转齿轮固定在第三齿轮轴上。右手指组件和左手指组件采 用销钉方式连接在下平板和上平板之间。外盖罩在手爪四周外侧，用来防尘防异 物进入。多传感系统利用手爪机构的内部空间，集成在手爪机构中。所述的右手指组件和左手指组件采用相同但左右对称的结构，包括非完整 齿轮、手指框架、销钉轴、指尖。手指框架采用销钉方式连接销钉轴，可相对自 由转动。由于手爪开合为范围有限的往复旋转运动方式，因此非完整齿轮取完整 的齿轮的一部分扇形加工获得，非完整齿轮固定在手指框架上，其轴线与销钉轴 同轴。指尖采用销钉方式连接到手指框架上，可根据被抓物体的形状被动性自适 应调整角度。大伞齿轮齿数大于小伞齿轮齿数，彼此保持外啮合，大齿轮齿数大于小齿轮 齿数，彼此保持外啮合，第一对转齿轮和第二对转齿轮完全相同，彼此保持外啮 合，第一对转齿轮与右手指组件的非完整齿轮保持外啮合，第二对转齿轮与左手 指组件的非完整齿轮保持外啮合。手爪开合的动作过程为减速电机转动带动小 伞齿轮与大伞齿轮啮合转动，小齿轮与大伞齿轮同步转动带动大齿轮转动，第一 对转齿轮与大齿轮同歩转动带动第二对转齿轮转动，第二对转齿轮的转动角速度 与第一对转齿轮相同但是方向相反，第一对转齿轮与第二对转齿轮分别带动右手 指组件和左手指组件转动，从而实现左右对称的开合动作。所述的多传感系统包括距离传感器、闭位置限位开关、开位置限位开关、 编码器、电流传感器、六个接近传感器、摄像头支架、摄像头、电子听音器。距 离传感器采用激光方式，居中安装在右手指组件和左手指组件之间的余留空间内 的下平板上，可以检测手爪正前方物体距离手爪的距离，量程为1米。闭位置限 位开关和开位置限位开关都使用霍尔元件，分别安装在下平板上，通过非接触方 式检测右手指组件或者左手指组件开合动作的极限角度位置，由于手爪开合为对 称动作，因此闭位置限位开关和开位置限位开关用来检测右手指组件的动作或者 用来检测左手指组件的动作效果是相同的。编码器同轴安装在减速电机上，使用 相对值编码方式配合闭位置限位开关或者开位置限位开关测量手指开合的距离。 编码器当然也可以使用绝对值方式直接测量手指开合的距离。电流传感器为外配 元件，通过测量减速电机的电流值计算手指上的抓取加紧力，为进行力控制提供 可能。六个接近传感器分布在手爪的上下左右、右手指组件、左手指组件处，分 别检测是否有物体从手爪的上下左右各方向靠近，或者从右手指组件和左手指组 件的外侧靠近。摄像头、电子听音器为外配元件，都固定在摄像头支架上，用来 收集手爪周围的图像和声音信息。所述的减速电机采用交流伺服电机或者直流伺服电机。本发明使用开式齿轮设计，机械结构紧凑，传动效率高，机构系统集成度高、负载能力大、手指末端开合速度高。如果使用额定转矩为69Nm，额定转速为25 转/每分钟的减速电机，经过开式齿轮进一步减速，传递到右手指组件和左手指 组件处，可以在指尖处提供1685N的正压力，74ram/s的两指尖相对开合速度。 右手指组件和左手指组件使用长结构设计，可以实现300mm的开合范围。因此具 有很强的适用性。本发明的另外一个特点是将执行特殊危险操作时需要使用的多 传感系统集成到机械系统中，给出具体的设计方案和安装位置，结构紧凑，布局 合理，外观整洁，设计完整。
图l为本发明内部结构示意2为本发明结构框架3为本发明外观4为右手指组件和左手指组件结构示意5为本发明多传感系统分布示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。如图1、图2和图3所示，本实施例包括减速电机l、电机支架2、下平板3、上平板4、接头件5、小伞齿轮6、大伞齿轮7、小齿轮9、大齿轮IO、第 一对转齿轮ll、第二对转齿轮14、第一齿轮轴8、第二齿轮轴12、第三齿轮轴 13、右手指组件15、左手指组件16、外盖17、多传感系统18。各部件相互连接关系为下平板3、上平板4、电机支架2、接头件5、多传 感系统18的摄像头支架38固定在一起，电机支架2、接头件5和摄像头支架38 夹在下平板3和上平板4中间，接头件5处于手爪的几何中轴线上，是手爪与其 他机器人或者机械臂进行连接的元件。第一齿轮轴8、第二齿轮轴12、第三齿轮 轴13均采用销钉方式连接在下平板3和上平板4之间，可自由转动。减速电机 1固定在电机支架2上。小伞齿轮6安装在减速电机1的输出轴上，大伞齿轮7 和小齿轮9同轴固定在第一齿轮轴8上，大齿轮10和第一对转齿轮11同轴固定 在第二齿轮轴12上，第二对转齿轮14固定在第三齿轮轴13上。右手指组件15 和左手指组件16采用销钉方式连接在下平板3和上平板4之间。外盖17罩在手 爪四周外侧，用来防尘防异物进入。多传感系统18利用手爪机构的内部空间， 集成在手爪机构中。所述的减速电机1采用交流伺服电机或者直流伺服电机。如图4所示，所述的右手指组件15和左手指组件16采用相同但左右对称的 结构，包括非完整齿轮19，手指框架20，销钉轴21，指尖22。手指框架20 采用销钉方式连接销钉轴21，可相对自由转动，由于手爪开合为范围有限的往 复旋转运动方式，因此非完整齿轮19取完整的齿轮的一部分扇形加工获得，本 实施例中非完整齿轮19为完整齿轮的六分之一扇形，即60度，非完整齿轮固定 在手指框架20上，其轴线与销钉轴21同轴。指尖22采用销钉方式连接到手指 框架20上，可根据被抓物体的形状被动性自适应调整角度。所述的右手指组件15和左手指组件16，其开合范围为300mm。大伞齿轮7齿数大于小伞齿轮6齿数，彼此保持外啮合，大齿轮10齿数大 于小齿轮9齿数，彼此保持外啮合，第一对转齿轮11和第二对转齿轮14完全相 同，彼此保持外啮合，第一对转齿轮11与右手指组件15的非完整齿轮19保持 外啮合，第二对转齿轮14与左手指组件16的非完整齿轮19保持外啮合。如图3和图5所示，所述的多传感系统18包括距离传感器31，闭位置限 位开关32，开位置限位开关33，编码器34，电流传感器35，六个接近传感器 36，摄像头37，摄像头支架38，电子听音器39。距离传感器31采用激光方式， 居中安装在右手指组件15和左手指组件16之间的余留空间内的下平板3上，可 以检测手爪正前方物体距离手爪的距离，量程为1米。闭位置限位开关32和开 位置限位开关33都使用霍尔元件，分别安装在下平板3上，通过非接触方式检 测右手指组件15或者左手指组件16开合动作的极限角度位置，由于手爪开合为 对称动作，因此闭位置限位开关32和开位置限位开关33用来检测右手指组件 15的动作或者用来检测左手指组件16的动作效果是相同的，本实施例不具体界 定。编码器34同轴安装在减速电机1上，使用相对值编码方式配合闭位置限位 开关32或者开位置限位开关33测量手指开合的距离。编码器当然也可以使用绝 对值方式直接测量手指开合的距离。电流传感器35为外配元件，通过测量减速 电机1的电流值计算手指上的抓取加紧力，为进行力控制提供可能。六个接近传 感器36分布在手爪的上下左右、右手指组件15、左手指组件16处，分别检测 是否有物体从手爪的上下左右各方向靠近，或者从右手指组件15和左手指组件 16的外侧靠近。摄像头37、电子听音器39为外配元件，都固定在摄像头支架 38上，用来收集手爪周围的图像和声音信息。手爪的使用和工作过程为多传感系统18收集手爪环境的各种信息，指导 操控人员或者控制系统通过手动或者自动方式采取相应动作。发现操作对象物体 后，通过其他设备使操作对象物体进入手爪抓取范围。控制减速电机l转动，带 动小伞齿轮6与大伞齿轮7啮合转动，小齿轮9与大伞齿轮7同步转动带动大齿 轮10转动，第一对转齿轮11与大齿轮10同步转动带动第二对转齿轮14转动， 第二对转齿轮14的转动角速度与第一对转齿轮11相同但是方向相反，第一对转 齿轮11与第二对转齿轮14分别带动右手指组件15和左手指组件16转动，从而 实现左右对称的开合，完成对操作对象物体的抓取动作。抓取力的大小可以通过多传感系统18的电流传感器35间接测量，保证可靠的抓取动作。本发明采用伺服方式的减速电机和开式齿轮机构实现传动，如果使用额定转 矩为69Nm，额定转速为25转/每分钟的减速电机，经过开式齿轮进一步减速， 传递到右手指组件和左手指组件处，可以在指尖处提供1685N的正压力，74mra/s 的两指尖相对开合速度；右手指组件和左手指组件结构相同左右对称，采用长结 构设计，可以实现300mm的开合范围；将执行特殊危险操作时需要使用的包括距 离传感器、接近传感器、电流传感器、摄像头、电子听音器等多传感系统集成到 机械系统中。本发明具有结构紧凑、设计完整、布局合理、效率高、机构及传感 系统集成度高、负载能力大、手指末端开合速度高、开合范围大、抓取适用性强 等优点，可以广泛的应用到各种工业领域，尤其适合在特殊危险环境下对例如爆 炸物、化学物品等人类难以接近的物品进行抓取操作。
权利要求
1. 一种大型多传感集成电动手爪，包括减速电机、电机支架、下平板、上平板、接头件、小伞齿轮、大伞齿轮、小齿轮、大齿轮、第一对转齿轮、第二对转齿轮、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、右手指组件、左手指组件、外盖、多传感系统，其特征在于，下平板、上平板、电机支架、接头件、多传感系统的摄像头支架固定在一起，电机支架、接头件和摄像头支架夹在下平板和上平板中间，接头件处于手爪的几何中轴线上，是手爪与外部设备进行连接的元件，第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴均采用销钉方式连接在下平板和上平板之间，可自由转动，减速电机固定在电机支架上，小伞齿轮安装在减速电机的输出轴上，大伞齿轮和小齿轮同轴固定在第一齿轮轴上，大齿轮和第一对转齿轮同轴固定在第二齿轮轴上，第二对转齿轮固定在第三齿轮轴上，右手指组件和左手指组件采用销钉方式连接在下平板和上平板之间，外盖罩在手爪四周外侧，多传感系统利用手爪机构的内部空间，集成在手爪机构中。
2、 根据权利要求1所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的减 速电机采用交流伺服电机或者直流伺服电机。
3、 根据权利要求1所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述大伞齿轮齿数大于小伞齿轮齿数，彼此保持外啮合，大齿轮齿数大于小齿轮齿数，彼 此保持外啮合，第一对转齿轮和第二对转齿轮完全相同，彼此保持外啮合，第一 对转齿轮与右手指组件的非完整齿轮保持外啮合，第二对转齿轮与左手指组件的 非完整齿轮保持外啮合。
4、 根据权利要求1所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的右 手指组件和左手指组件采用相同但左右对称的结构，包括非完整齿轮，手指框 架，销钉轴，指尖，手指框架采用销钉方式连接销钉轴，可相对自由转动，非完 整齿轮固定在手指框架上，其轴线与销钉轴同轴，指尖采用销钉方式连接到手指 框架上，指尖根据被抓物体的形状被动性自适应调整角度。
5、 根据权利要求4所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的非完整齿轮为完整的齿轮的一部分，根据手爪开合范围的大小确定非完整齿轮的扇形角度大小。
6、 根据权利要求1所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的右 手指组件和左手指组件，其开合范围为300mm。
7、 根据权利要求1所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的多传感系统包括距离传感器、闭位置限位开关、开位置限位开关、编码器、电流传感器、六个接近传感器、摄像头支架、摄像头、电子听音器，距离传感器居中安装在右手指组件和左手指组件之间的余留空间内的下平板上，闭位置限位开关和开位置限位开关都使用霍尔元件，分别安装在下平板上，通过非接触方式检测右手指组件或者左手指组件开合动作的极限角度位置，编码器同轴安装在减速电机上测量手指的开合距离，电流传感器为外配元件，为进行手爪力控制提供可能，六个接近传感器分布在手爪的上下左右、右手指组件、左手指组件处，分别检测 是否有物体从手爪的上下左右各方向靠近，或者从右手指组件和左手指组件的外侧靠近，摄像头、电子听音器为外配元件，都固定在摄像头支架上，用来收集手 爪周围的图像和声音信息。
8、 根据权利要求7所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的距 离传感器为激光方式，检测手爪正前方物体距离手爪的距离，量程为1米。
9、 根据权利要求7所述的大型多传感集成电动手爪，其特征是，所述的编 码器使用相对值编码方式配合闭位置限位开关或者开位置限位开关测量手指开 合的距离，或者使用绝对值方式直接测量手指开合的距离。
全文摘要
一种大型多传感集成电动手爪，属于机械技术领域。本发明中电机支架、接头件和摄像头支架夹在下平板和上平板中间，接头件处于手爪的几何中轴线上，第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴均连接在下平板和上平板之间，减速电机固定在电机支架上，小伞齿轮安装在减速电机上，大伞齿轮和小齿轮同轴固定在第一齿轮轴上，大齿轮和第一对转齿轮同轴固定在第二齿轮轴上，第二对转齿轮固定在第三齿轮轴上，右手指组件和左手指组件连接在下平板和上平板间，外盖罩在手爪四周外侧，多传感系统集成在手爪机构中。本发明可在指尖处提供1685N的正压力，74mm/s的两指尖相对开合速度，可以实现300mm的开合范围，可广泛应用到各种工业领域。
文档编号B25J15/08GK101284380SQ20081003783
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者张伟军, 琰 徐, 斌 胡, 林 薛, 袁建军 申请人:上海交通大学