一种夹取力可调的电磁式机械手爪及其应用方法与流程

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种夹取力可调的电磁式机械手爪及其应用方法。

背景技术：

目前，随着工业自动化的不断发展，工业机器人行业正在飞速前进。机械手的本体日趋完善，但用于不同用途的机械手末端执行器需要进一步开发。现有的机械手爪大多存在以下问题：动力多为气动，噪声大，且需要携带气泵，结构繁琐；手爪夹取物体的力不好控制，抓取不同重力和不同表面摩擦系数的物体所需要的夹取力是不一样的，用力过小容易使物体滑落，用力过大易导致物体形变，造成伤害物体本体和资源浪费。

申请号为201510092211.7的专利申请公开了一种电磁关节机械手，包括机械手掌、机械手指、机械手臂和电磁柔性关节。所述手臂的一端与机架固定，手臂的另一端通过电磁柔性关节与手掌连接，手掌通过电磁柔性关节与手指连接，手指的每个关节都为电磁柔性关节。所述电磁柔性关节包括下板、伸缩柱和上板，下板通过三跟伸缩柱与上板连接，三根伸缩柱的轴线均与上板、下板周向的0°、120°、240°位置固定。所述伸缩柱包括电磁铁、永磁铁、限位环、柔性筒和顶杆。所述柔性筒底部与下板固定，柔性筒内腔自下到上依次设有电磁铁、永磁铁和顶杆。所述电磁铁固定在柔性筒底部。所述永磁铁以柔性筒内腔为导轨，永磁铁顶部与顶杆底部固定，顶杆顶部与上板连接。上述电磁关节机械手通过电磁柔性关节对物体进行抓取，可根据被抓物的大小进行微调，但是其抓取物体时的抓取力不易控制，容易用力过大。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

技术实现要素：

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种夹取力可自动调节的电磁式机械手爪及其应用方法，以解决现有的气动手爪需要携带气泵，抓取力不好控制，效率低，成本高的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种夹取力可调的电磁式机械手爪，包括左手爪、右手爪、左侧永磁铁、右侧永磁铁、电磁铁、单片机及用于为电磁铁供电的电磁铁供电线路，所述左手爪和右手爪彼此相连、结构相同且左右对称，左侧永磁铁设置在左手爪的下方，右侧永磁铁设置在右手爪的下方，电磁铁设置在左、右侧永磁铁的中间，单片机与电磁铁供电线路相连，电磁铁供电线路上的电流大小可调。

所述电磁铁供电线路上设置有可编程电阻器，可编程电阻器与单片机相连，单片机通过控制可编程电阻器的触点位置改变供电线路上的电流大小。

所述电磁式机械手爪还包括夹取力测试机构，夹取力测试机构有两套，其中一套设置在左手爪上，另一套设置在右手爪上，各套夹取力测试机构均包括压力传感器、滚轮、发光二极管和光敏二极管，同一套夹取力测试机构的发光二极管和光敏二极管分别设置在滚轮上下两侧，各滚轮上分别开设有通孔，光敏二极管通过所述通孔接收到的来自发光二极管的光线量随滚轮的滚动而发生变化，各发光二极管、光敏二极管和压力传感器均与所述单片机相连。

所述单片机内设置有用于记录可编程电阻器的阻值的存储模块。

所述电磁式机械手爪还包括底座，左、右手爪分别安装在底座上，电磁铁设置在底座内，底座的左右两侧分别开设有滑槽，位于底座左侧的滑槽供左侧永磁铁滑动，位于右侧的滑槽供右侧永磁铁滑动，左、右侧永磁铁的下部分别设置有滚珠，各滑槽的底部沿左、右侧永磁铁的移动方向分别开设有与滚珠相适配的导向槽。

所述左、右侧永磁铁为顺向放置，即左、右侧永磁铁的左端均为正极、右端均为负极；所述底座的左侧设置有用于限制左侧永磁铁移动的左挡板，底座的右侧设置有用于限制右侧永磁铁移动的右挡板；所述底座上还设置有接线口。

所述电磁式机械手爪还包括导向杆和两根复位弹簧，导向杆横穿电磁铁且导向杆的两端分别与左、右侧永磁铁相连，其中一根复位弹簧的一端与左侧永磁铁相连、另一端与电磁铁相连，另外一根复位弹簧的一端与右侧永磁铁相连、另一端与电磁铁相连。

所述电磁式机械手爪还包括手爪行程调整机构，手爪行程调整机构包括设置在左、右手爪中间的调整块，调整块面向左手爪的一侧和面向右手爪的一侧分别设置有调整螺栓。

所述左、右手爪的相向内侧分别设置有防滑胶皮。

本发明还公开了一种上述夹取力可调的电磁式机械手爪的应用方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，建立阻值数据库，在将所述电磁式机械手爪投入使用之前，实现对电磁式机械手爪进行试抓取试验，以在单片机的存储模块内建立针对多种不同常用夹取物的可编程电阻器的阻值数据库，以便在实际应用过程中抓取到相同物体时，单片机直接控制可编程电阻器的触点位置到达需要的电阻值；

步骤2，实际应用中的动态调整，将所述电磁式机械手投入实际应用，若待夹取物是步骤1内已存储的常用夹取物，则单片机直接控制可编程电阻器的触点位置到达需要的电阻值；若待夹取物不是步骤1内已存储的常用夹取物，则按如下过程调整接入电磁铁线圈的电流大小：电磁铁供电线路为电磁铁供电，单片机控制可编程电阻器的阻值由大至小变化，电磁铁通电，左、右手爪相互靠拢以夹取待夹取物，当左、右手爪上的压力传感器感受到待夹取物的接触时，单片机接受光敏二极管的反馈信号并根据该反馈信号对可编程电阻器进行控制，随着左、右手爪逐渐夹紧待夹取物并沿待夹取物滑动，左、右手爪上的滚轮也逐渐滚动，滚轮一侧的发光二极管发射出的光随着滚轮上通孔的转动，被滚轮另一侧的光敏二极管接收的光线量也不断变化，光敏二极管接收到的光照转换成电流，光照强度变化，电流强度也随之变化，由此判定滚轮处于滚动状态，待夹取物未被夹紧，当光敏二极管反馈的电流不再变化时，证明滚轮不再滚动，待夹取物被夹紧，单片机不再调整可编程电阻器，且单片机的存储模块记录此时可编程电阻器的阻值，即为夹取此种待夹取物所需接入的可编程电阻器的阻值大小。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明中的电磁式机械手爪采用电磁系统，省却了笨重的气泵和液压装置，大大减少了占用体积，且电磁系统反应更加快速，提高了作业效率。

2、本发明通过改变可编程电阻器的阻值来控制接入电磁铁线圈的电流大小，能够有效地控制手爪抓取夹力的大小，防止因力太小而导致待夹取物滑落，或夹取力过大导致挤压破坏物体变形。而且，在机械手爪投入之前，利用本发明中的试抓取试验，可有效存储常用夹取物所需的抓取力对应的可编程电阻器的阻值大小，方便后续实际应用过程中遇到相同的物体，单片机直接控制可编程电阻器调整到相应的阻值，直接对物体进行夹取，高效快捷。

3、利用本发明中手爪行程调整机构可有效控制抓取行程，实现更加高效快捷的抓取物体。

附图说明

图1为本发明的整体装配图。

图2为本发明的半剖结构示意图。

图3示出了本发明中滚轮、发光二极管、光敏二极管、通孔的相对位置关系示意图。

图4示出了本发明中电磁铁供电线路原理图。

图5为本发明的控制流程图。

其中，

1、左手爪 2、右手爪 101.201、抓取板 102.202、定位板 3、调整块 4、调整螺栓 5、接线口 601、左挡板 602、右挡板 7、滚轮 71、通孔 8、发光二极管 9、光敏二极管 10.1、左侧永磁铁 10.2、右侧永磁铁 11、复位弹簧 12、导向杆 13、滚珠 14、防滑胶皮 15、电磁铁 16、永磁铁定位板 17、底座 18、滑槽 19、电阻 20、控制开关 21、压力传感器

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图4所示，一种夹取力可调的电磁式机械手爪，包括左手爪1、右手爪2、左侧永磁铁10.1、右侧永磁铁10.2、电磁铁15、单片机及用于为电磁铁15供电的电磁铁供电线路。单片机与电磁铁供电线路相连，电磁铁供电线路上的电流大小可调。

所述电磁式机械手爪还包括底座17，左、右手爪分别安装在底座17上，电磁铁15设置在底座17内。所述底座17为密封结构，可有效起到防尘防水的作用。所述左手爪1和右手爪2彼此相连、结构相同且左右对称。所述左手爪1、右手爪2及底座均为铝合金材质，轻便且不影响电磁铁15和左、右永磁铁的工作。所述左手爪1包括彼此相连的抓取板101和定位板102，右手爪2包括彼此相连的抓取板201和定位板202，定位板102、202分别与底座17相连。左侧永磁铁10.1设置在左手爪1的下方，右侧永磁铁10.2设置在右手爪2的下方，电磁铁15设置在左、右侧永磁铁的中间，且电磁铁15固定在底座17上。左手爪1的抓取板101的下方设置有与其固连的用于安装左侧永磁铁10.1的永磁铁定位板16，右手爪2的抓取板201的下方设置有与其固连的用于安装右侧永磁铁10.2的永磁铁定位板16。底座17的左右两侧分别开设有滑槽18，位于底座17左侧的滑槽18供左侧永磁铁10.1滑动，位于右侧的滑槽18供右侧永磁铁10.2滑动。各所述滑槽18的形状与左、右侧永磁铁及永磁铁定位板16的形状相适配。所述左、右侧永磁铁的下部分别设置有滚珠13，减少了滑动过程中的摩擦力，各滑槽18的底部沿左、右侧永磁铁的移动方向分别开设有与滚珠13相适配的导向槽。

所述左、右侧永磁铁为顺向放置，即左、右侧永磁铁的左端均为正极、右端均为负极；所述底座17的左侧设置有用于限制左侧永磁铁10.1移动的左挡板601，底座17的右侧设置有用于限制右侧永磁铁10.2移动的右挡板602。左、右挡板与底座17之间均为可拆卸式连接方式，方便左、右手爪及左、右侧永磁铁的放置和取出。所述左、右手爪的相向内侧分别设置有防滑胶皮14，起到抓取物品时的防止滑动的作用。

所述电磁式机械手爪还包括导向杆12和两根复位弹簧11，导向杆12横穿电磁铁15且导向杆12的两端分别与左、右侧永磁铁相连，其中一根复位弹簧11的一端与左侧永磁铁10.1相连、另一端与电磁铁15相连，另外一根复位弹簧11的一端与右侧永磁铁10.2相连、另一端与电磁铁15相连。

当电磁铁15上电时，电磁铁15带磁性，吸引左、右侧永磁铁，使左、右侧永磁铁向中间靠拢，带动左、右手爪同时向中间靠拢，形成夹取状态。当电磁铁15断电，复位弹簧11把左、右侧永磁铁向两边撑开，左、右手爪随着移动，形成张开状态。

所述电磁式机械手爪还包括手爪行程调整机构，手爪行程调整机构包括设置在左、右手爪中间的调整块3。所述调整块3安装在底座17的顶端面上。调整块3面向左手爪1的一侧和面向右手爪2的一侧分别设置有调整螺栓4。各调整螺栓4相对于调整块3往内拧，可使左、右手爪行程变长，用于夹取较小的物品；各调整螺栓4相对于调整块3往外拧，可使左、右手爪行程变短，用于夹取较大的物品。

所述电磁式机械手爪还包括夹取力测试机构，夹取力测试机构有两套，其中一套设置在左手爪1上，另一套设置在右手爪2上，各套夹取力测试机构均包括压力传感器21、滚轮7、发光二极管8和光敏二极管9，同一套夹取力测试机构的发光二极管8和光敏二极管9分别设置在滚轮7上下两侧，压力传感器21设置在滚轮7的下方且靠近滚轮7设置，滚轮7由橡胶材料制成。各滚轮7上分别开设有通孔71，光敏二极管9通过所述通孔71接收到的来自发光二极管8的光线量随滚轮7的滚动而发生变化，各发光二极管8、光敏二极管9和压力传感器21均与所述单片机相连。所述光敏二极管9是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器，光敏二极管9的管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

所述底座17上还设置有接线口5。电磁铁15的磁力大小通常由两个因素决定，接入的线圈数和通过线圈的电流大小。为起到自动调节夹取力的功能，本发明采用调节接入电磁铁15线圈电流大小的方式来控制电磁铁15磁力的大小。

如图4所示，所述电磁铁供电线路上设置有可编程电阻器，可编程电阻器与单片机相连。单片机通过控制可编程电阻器的触点位置改变供电线路上的电流大小，从而改变接入电磁铁15线圈内的电流大小。所述单片机内设置有用于记录可编程电阻器的阻值的存储模块。所述可编程电阻器的基本原理可等效为若干个电阻19的串联，每个电阻19与一个控制开关20并联，通过单片机操控控制开关20的闭合断开进行步进切换电流大小。接入的电阻19数目越多，可调节的档位也越多，可选择的电流大小也越多，改变也越平滑。需要说明的是，虽然图5中仅示出了七个电阻19，但串联电阻19的个数并不局限于七个，电阻19的个数为满足夹取要求的若干个。

如图5所示，当利用本发明所述的电磁式机械手抓取物体时，随着可编程电阻器的电阻19减小，即与各电阻19并联的控制开关20逐步闭合，通过电磁铁15的电流也在逐渐增大，电磁铁15吸引力随之逐渐增大，左、右手爪缓慢向中间移动。当左、右手爪上的压力传感器21感受到物体接触时，单片机接收来自光敏二极管9反馈的信息开始工作。例如，当使用本发明所述的电磁式机械手抓取水瓶时，左、右手爪从水瓶底部向上缓慢移动，若水瓶未被夹紧，则左、右手爪上的滚轮7也会随之转动。随着左、右手爪缓慢夹紧物体并沿物体向上滑动，滚轮7也缓慢滚动，滚轮7一侧的发光二极管8发射出的光随着滚轮7上通孔71的转动，被滚轮7另一侧的光敏二极管9接收的光线量也不断变化，光敏二极管9接收到的光照转换成电流，光照强度变化，电流强度也随之变化，由此判定滚轮7处于滚动状态，待夹取物未被夹紧，当光敏二极管9反馈的电流不再变化时，证明滚轮7不再滚动，待夹取物被夹紧，单片机不再调整可编程电阻器，且单片机的存储模块记录此时可编程电阻器的阻值，即为夹取此种待夹取物所需接入的可编程电阻器的阻值大小。根据该接入的可编程电阻器的阻值大小可得出需要接入电磁铁供电线路的电流大小，从而得出电磁铁15磁力的大小，进而得出夹取该待夹取物所需要的力的大小。试抓结束后，单片机上的存储模块记录下此时可编程电阻器的阻值，下次抓取同类物品时可直接控制可编程电阻器变化到相应的电阻进行抓取。

如图5所示，本发明还公开了一种上述夹取力可调的电磁式机械手爪的应用方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，建立阻值数据库，在将所述电磁式机械手爪投入使用之前，实现对电磁式机械手爪进行试抓取试验，以在单片机的存储模块内建立针对多种不同常用夹取物的可编程电阻器的阻值数据库，以便在实际应用过程中抓取到相同物体时，单片机直接控制可编程电阻器的触点位置到达需要的电阻值；

步骤2，实际应用中的动态调整，将所述电磁式机械手投入实际应用，若待夹取物是步骤1内已存储的常用夹取物，则单片机直接控制可编程电阻器的触点位置到达需要的电阻值；若待夹取物不是步骤1内已存储的常用夹取物，则按如下过程调整接入电磁铁15线圈的电流大小：电磁铁供电线路为电磁铁15供电，单片机控制可编程电阻器的阻值由大至小变化，电磁铁15通电，左、右手爪相互靠拢以夹取待夹取物，当左、右手爪上的压力传感器21感受到待夹取物的接触时，单片机接受光敏二极管9的反馈信号并根据该反馈信号对可编程电阻器进行控制，随着左、右手爪逐渐夹紧待夹取物并沿待夹取物滑动，左、右手爪上的滚轮7也逐渐滚动，滚轮7一侧的发光二极管9发射出的光随着滚轮7上通孔71的转动，被滚轮7另一侧的光敏二极管9接收的光线量也不断变化，光敏二极管9接收到的光照转换成电流，光照强度变化，电流强度也随之变化，由此判定滚轮7处于滚动状态，待夹取物未被夹紧，当光敏二极管9反馈的电流不再变化时，证明滚轮7不再滚动，待夹取物被夹紧，单片机不再调整可编程电阻器，且单片机的存储模块记录此时可编程电阻器的阻值，即为夹取此种待夹取物所需接入的可编程电阻器的阻值大小。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。