非伺服电机驱动多自由度机械手的制作方法

本发明涉及机械手领域，是一种不用伺服电机驱动而实现多自由度的机械手，能在超高温或高真空狭小环境中使用。

技术背景

机械手在各个领域中有着广泛的应用，比如汽车制造、半导体制造等等。常规机械手的各个可变动作，如抓取放下、左右移动、上下移动、旋转、倾斜等，通常是采用伺服电机在相应的机械动作节点驱动来实现(一种独立可变动作即为一个自由度)。这种采用伺服电机实现机械手各自由度的方式，具有配置灵活、功能实现快速的特点，是现在机械手驱动的主流。但是，在一些特殊的使用环境中，伺服电机驱动的机械手无法满足使用环境的要求，例如，在超高温环境下，伺服电机由于电磁线圈耐高温和散热问题限制而无法使用，在超低真空、狭小空间、高洁净的使用环境下，伺服电机的体积、线圈的挥发性以及真空环境中的供电连接等问题都造成常规伺服电机驱动的机械手不能轻易满足使用要求，因此，需要有一种新的机械手来满足这类特殊使用环境的需求。

机械手的基本动作包括抓取放下、前后移动、左右移动、上下移动、旋转和倾斜等六种，即六个自由度。各个自由度的实现，除了常规采用伺服电机在动作变换节点驱动实现外，采用机械动作变换也可以实现上述自由度的动作，就如同早期的多功能机械钟表通过机械动作变换实现各种功能。

技术实现要素：

针对常规伺服电机驱动的机械手在超高温或真空狭小空间环境下，由于电机线圈耐温、挥发污染、电气连接等因素限制而造成不能满足使用需求的问题，本发明采用机械动作变换的方法实现一种具有多个自由度的机械手，即可以进行抓取放下、前后移动、上下移动、左右移动和旋转动作。

本发明采用的技术方案是：利用机械杠杆原理驱动机械手的手指产生抓取放下动作；利用齿轮驱动直线齿条产生直线运动的方法使机械手产生上下(或左右)移动；利用机械手手臂产生旋转和前后移动动作而使整个机械手产生旋转和前后移动动作；利用一个通过机械手手臂中心的驱动轴来操控连接机械手手指的杠杆和同直线齿条啮合的齿轮实现机械手的抓取放下和上下(或左右)移动动作；联合操控机械手手臂和驱动轴实现机械手各个自由度上的动作。

所述的利用机械杠杆原理驱动机械手的手指产生抓取放下动作，是将能抓取目标物的机械手手指通过一个转动装置安装在一个固定架上(以下称手指固定架)，机械手手指以旋转装置为分界点形成机械手手指的前端和后端，机械手手指的前端和后端围绕转动装置形成一个杠杆，推拉机械手指手指的后端，机械手手指的前端围绕转动装置张开或闭合，进而产生机械手的抓取放下动作。

所述的机械手手指通过一个转动装置安装在一个固定架上的转动装置，是指采用轴承、圆柱销、以及具有相似功能，可以作为支撑中心产生旋转动作的连接装置，机械手手指的前后端围绕转动装置形成一个杠杆，推拉机械手手指的后端，机械手手指的前端围绕转动装置张开或闭合；推拉动作可以采用连杆推拉、连杆拉加回位弹簧、连杆拉加回位磁吸、线拉加回位弹簧、线拉加回位磁吸等方式产生，撬动机械手手指杠杆机构实现机械手手指张开或闭合。

所述的利用齿轮驱动直线齿条产生直线运动的方法使机械手产生上下(或左右)移动，是将手指固定架安装在一个具有导向功能的支架上(以下称导向架)，引导手指固定架在导向架上按规定方向移动，同时手指固定架上安一条与导向架上引导方向一致的直线齿条，由外力驱动一个相对导向架固定转动点的齿轮与直线齿条啮合，从而驱动直线齿条相对导向架产生直线运动，带动固定在直线齿条上的手指固定架沿引导方向运动，相对导向架产生上下(或左右)运动。

所述的由外力驱动一个相对导向架固定转动点的齿轮与直线齿条啮合，从而驱动直线齿条相对导向架产生直线运动，是优选直齿轮与直齿条配合，该结构也可以由蜗轮齿轮、伞齿轮、链齿轮、皮带齿轮等结构来实现旋转运动变换为直线运动。

所述的导向架，是安装有导轨、导槽、导柱或其它可以引导方向机构的框架体，可以是整体加工也可以是分部件组装，安装在导向机构上的其它设备能沿导向机构限定的方向双向或单向移动。

所述的利用机械手手臂产生旋转和前后移动动作而使整个机械手产生旋转和前后移动动作，是在导向架上安装了手指固定架的相对一侧，固定安装一个带有空心的长轴作为机械手的手臂，机械手手臂安装在一个安装架内(机械手安装架)，在机械手手臂不带机械手的一端安装一动力装置，驱动机械手手臂相对机械手安装架做旋转或前后移动；在密闭使用条件下(机械手安装架是密封管状结构)驱动装置优先采用磁耦合的方式，即机械手手臂末端安装一块永久磁铁，安装架外安装另一块磁铁构成磁铁耦合装置，安装架外的磁铁可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，转动或直线移动安装架外的磁铁，耦合机械手安装架内机械手手臂末端的磁铁，带动机械手手臂产生相应旋转或直线运动，从而带动机械手做旋转或前后移动动作，对安装架外的磁铁可以自动或手动驱动；在非密闭使用机械手的情况下可以用伺服电机或手动直接驱动机械手的手臂末端来进行旋转和前后移动。

所述的利用一个通过机械手手臂中心的驱动轴来操控连接机械手手指的杠杆和同直线齿条啮合的齿轮实现机械手的抓取放下和上下(或左右)移动动作，是一根长轴(驱动轴)通过机械手手臂中心，相对机械手手臂可以做直线和旋转运动；驱动轴前端带有阻挡位和齿轮，分别同机械手手指杠杆机构连接和机械手手指安装架上的直线齿条啮合；驱动轴后端带有驱动装置，相对机械手手臂直线运动时，推拉机械手手指杠杆使机械手产生抓取和放下动作，相对机械手手臂旋转运动时，齿轮带动械手手指安装架上的直线齿条相对导向架产生直线运动，从而带动机械手相对导向架产生上下(或左右)运动；在密闭使用条件下(机械手安装架是密封管状结构)驱动装置优先采用磁耦合的方式，即驱动轴末端安装一块永久磁铁， 安装架外安装另一块磁铁构成磁耦合装置，安装架外的磁铁可以是永久磁铁，也可以是电磁铁，直线移动或转动安装架外的磁铁，耦合驱动轴末端的磁铁，带动驱动轴产生相对机械手臂直线或旋转运动，从而推拉连接机械手手指的杠杆，带动机械手手指产生抓取或放下动作，或啮合械手手指安装架上的直线齿条相对导向架产生直线运动，从而带动机械手相对导向架产生上下(或左右)运动；在非密闭使用机械手的情况下可以用伺服电机或手动直接驱动驱动轴的末端来进行前后移动或旋转。

所述的联合操控机械手手臂和驱动轴实现机械手各个自由度上的动作，是根据机械手所做动作的不同，协调配合在机械手安装架上驱动机械手手臂和驱动轴的驱动装置以实现相应动作；机械手做抓取或放下动作时，机械手安装架外驱动机械手手臂的驱动装置静止不动，驱动驱动轴的驱动装置做前后小范围移动，来驱动机械手手指张开或闭合(确保机械手缺省张开或闭合，在机械手手臂和驱动轴间可加回位机构，如回位弹簧)；机械手做上下(或左右)移动时，机械手安装架外驱动机械手手臂的驱动装置静止不动，驱动驱动轴的驱动装置做旋转动作从而驱动齿轮，带动机械手手指安装架上的直线齿条使机械手在导向架上做上下(或左右)移动；机械手做整体前后移动或旋转，机械手安装架外驱动机械手手臂的驱动装置和驱动驱动轴的驱动装置同时同步相对机械手安装架前后移动或旋转。

附图说明

图1是机械手三维图。

图2是移除导向架上盖后机械手三维图。

附图标记包括：

1-机械手手指 2-机械手手指固定架上盖 3-连接销 4-连杆片 5-固定机械手手指在手指固定架上的连接销 6-导向架上盖 7-导向杆兼导向架连接销 8-驱动轴末端阻挡位 9-带齿轮驱动轴 10-导向杆兼导向架连接销 11-导向架后固定盖 12-机械手手臂 13-机械手安装架14-机械手手臂上永久磁铁 15-机械手安装架外对应机械手手臂上磁铁的驱动磁铁 16-驱动轴末端与机械手手臂间的机械手手指回位弹簧17-驱动轴上永久磁铁 18-机械手安装架外对应驱动轴上磁铁的驱动磁铁 19-直线齿条 20-导向架下盖 21-导向杆兼导向架连接销 22-带凹槽的工字形连杆 23-手指固定架中间夹板 24-连接销 25-导向杆兼导向架连接销 26-固定机械手手在手指固定架上的连接销 27-连杆片 28-连接销 29-机械手手指固定架下盖 30-机械手手指 31-连接销 32-机械手手指止位器 33-机械手手指止位器

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

机械手手指1、30，机械手手指固定架上盖2、下盖29，通过连接销5、26连接，构成机械手抓取物体的工作部分。机械手两手指的前端和后端分别围绕连接销5、26构成一个杠杆结构。连接片4、27， 连接销31、24和带凹槽的工字形连杆22，构成一个推拉连杆，通过连接销3、28分别与机械手手指1、30的短端连接，构成驱动机械手手指张开闭合的机构。推拉带凹槽的工字形连杆22，机械手就可以做抓取放下动作。直线齿条19、手指固定架中间夹板23、机械手手指固定架上盖2、下盖29构成机械手手指固定架，通过连接销5、26将机械手手指1、30和机械手手指张开闭合的机构安装在机械手手指固定架上。

导向架上盖6、导向架下盖20、导向架后盖11以及导向杆兼导向架连接销7、10、21、25构成了导向架。机械手手指安装架通过与导向杆兼导向架连接销7、10、21、25相对的四个孔安装在导向架上，在本例中沿导向杆上下运动，如果将导向架与图中方向垂直，机械手手指安装架沿导向杆就成为左右运动。

导向架后盖11和机械手手臂12固定连接，没有相对运动。本例中机械手手臂12是一个空心轴，安装在机械手安装架13内，相对机械手安装架13可以做旋转和前后直线运动。机械手手臂上的永久磁铁14安装在机械手手臂12在安装架内的一端，与安装在密闭机械手安装架13外的对应驱动磁铁15构成磁耦合。沿机械手安装架13相对转动或移动磁铁15则耦合械手安装架13内机械手臂12上的磁铁14做相应的动作，进而带动机械手手臂12及其连接的导向架和导向架上的机械手工作主体相对机械手安装架13做相应的旋转和移动。

带齿轮驱动轴9，穿过空心机械手手臂12，在带有齿轮端安装阻挡位8，另一端通过空心机械手手臂12安装有回位弹簧16和永久磁铁17，以及安装在密闭机械手臂安装架外相应的磁铁18，构成了机械手的抓取放下和上下(或左右)移动操控机构。阻挡位8同推拉机械手手指1、30连杆上的带凹槽的工字形连杆22通过凹槽连接，带凹槽的工字形连杆22可以沿阻挡位8上的凹槽上下移动，阻挡位8在导向架上盖6和下盖20上的滑槽内前后移动，同带齿轮的驱动轴9可以相对旋转。驱动轴9上的齿轮同机械手手指安装架上的直线齿条19啮合。沿机械手安装架13前后移动磁铁18时，耦合机械手安装架13内驱动轴9上的磁铁17带动驱动轴前后移动，进而推动阻挡位8及连接其上的22前后移动，通过围绕连接销5、26机械手手指1、30的杠杆使机械手手指产生抓取或放下动作；放开磁铁18，在回位弹簧16的作用下将机械手手指1、30拉回到止位器32、33位置，保证机械手缺省状态不变，常开或常闭。沿机械手安装支架13旋转磁铁18时，耦合驱动轴9上的磁铁17进行旋转，带动驱动轴9上齿轮使机械手安装架上的直线齿条19做直线运动，进而带动机械手安装架通过与沿导向杆7、10、21、25相对应的四个安装孔，以及带凹槽的工字形连杆22相对阻挡位8做上下运动。

机械手做相应各自由度上动作时，需要协调操控机械手安装架13上的磁铁15和18。当进行机械手抓取放下动作时，固定磁铁15不动，即相对机械手安装架13固定机械手手臂12，沿机械手安装架13前后小范围移动磁铁18耦合磁铁17，带动驱动轴9通过阻挡位8推拉带凹槽的工字形连杆22和连接片4、27，进而驱动机械手手指1、30张开闭合；当上下移动机械手时，固定磁铁15不动，即相对机械手安装架13固定机械手手臂12，沿机械手安装架13旋转磁铁18耦合驱动轴上磁铁17，带动驱动轴9上的齿轮啮合直线齿条19，使机械手手指安装架通过沿导向杆7、10、21、25相对应的四个安装孔以及带凹槽的工 字形连杆22相对阻挡位8做上下(或左右)运动。当旋转机械手时，磁铁15和磁铁18相对静止同步沿机械手安装架13旋转，带动机械手手臂12相对机械手安装架13旋转，即带动机械手旋转；当前后移动机械手时，磁铁15和磁铁18相对静止同步沿机械手安装架13做直线运动，带动机械手手臂12相对机械手安装架13前后移动，即带动机械手进行前后移动。

通过以上实施例可以看到，不使用伺服电机驱动仅通过机械变换可以实现多自由度机械手，克服由伺服电机在高温、超真空、狭小空间造成难以使用的问题。根据使用的环境，可以采用合适的材料满足使用要求，例如高温下可以采用全金属或陶瓷结构，超真空、狭小空间中可以采用工程塑料结合不锈钢结构等。

在该实施例中仅以采用连杆驱动机械手手指具有四个自由度的机械手，且以使用在真空狭小密闭空间环境为例，解释说明本发明的方案路线。采用其它杠杆方法驱动机械手手指、增加更多机械手自由度以及使用在非密闭空间，仅仅是改变驱动机械手手指杠杆的连接方式，增加相应导向架和相应驱动轴及其改变驱动方式，如同机械表的时、分、秒针驱动结构可以用机械弹簧驱动也可以用电机驱动，但实现方案路线相同。对于本技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明方案路线的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。