本申请涉及农产品加工机械技术领域，尤其涉及一种基于可变位置凸轮的机械手。
背景技术：
秸秆物料作为一种可再生能源应用非常广泛，受限于秸秆的外形和材质，秸秆在利用过程中存在不便于运输和储藏的问题。因此，在秸秆物料的加工、利用前，一般需要对秸秆物料进行压块处理，以将蓬松的、形状不规则的秸秆物料压缩成致密的，规则形状的物料块。
根据用途的不同，秸秆料块的压块方式和压块形状也存在着不同。例如，用于燃料或饲料的秸秆料块，一般为体积较小的圆柱体，而用于建筑或培养基的秸秆料块则一般为体积较大的长方体。相应的压块方式也存在着巨大差异，一般体积较小的料块是通过压辊配合模具上的孔型结构挤出制成，而体积较大的料块则是通过液压装置和模具用较长的时间压制而成。
现有技术中，通过液压装置和模具进行秸秆压块的设备一般包括进料装置、模具、液压装置和出料装置，压块过程中，粉碎后的秸秆物料通过进料装置进入到模具内，待进料量累计到合适的量以后，液压装置启动使活动端向着模具的方向移动逐渐将模具内的秸秆物料进行压缩，保持压力一定时间后，使物料压缩成块状。最后通过出料装置将压缩成型后的料块取出，以进行下一次料块的压缩。出料装置可以包含多种类型，例如直接通过开放式的压缩空间，在液压装置完成料块压缩后，手动将料块取出，这种方式需要人工参与，降低了压块工艺整体的作业效率，不利于实现自动化，同时压缩设备本身带有一定的危险性，作业人员容易在取出料块时受到伤害。
因此，为了提高压块效率以及降低设备整体的危险性，现有技术中还可以通过机械手代替人手将压缩后的料块取出。然而，现有的一个机械手往往采用众多的伺服机构，而当使用过多的伺服机构时，会导致机械手的动作驱动原理复杂，使得机械手在应用中，容易出现故障，可靠性大大降低。
技术实现要素：
本申请提供了一种基于可变位置凸轮的机械手，以解决传统秸秆压块设备中机械手动作驱动复杂，可靠性低的问题。
本申请提供一种基于可变位置凸轮的机械手，包括：夹持装置、凸轮机构、驱动装置以及机架；
其中，所述夹持装置包括具有对称钳形结构的夹持钳以及铰接所述夹持钳中部的连接架，所述连接架的两侧分别设有夹持导轨，两条所述夹持导轨相互平行的固定在所述机架上，所述连接架可在所述夹持导轨中滑动；所述夹持钳远离抓取部位的两个末端均铰接在弹力套管的一端，所述弹力套管的另一端铰接在所述连接架上；
所述凸轮机构包括两个形状相同的凸轮以及凸轮滑轨，所述凸轮可在所述凸轮滑轨中滑动，所述凸轮滑轨固定在所述连接架上，所述凸轮的圆周面接触所述夹持钳远离抓取部位的末端，使所述凸轮在所述凸轮滑轨上滑动时，能够挤压所述夹持钳，实现所述夹持钳的开合；
所述驱动装置包括动力部和活动部，所述活动部的一端连接所述动力部，另一端连接所述连接架；所述动力部驱动所述活动部进行直线运动；所述活动部的最大行程大于所述凸轮在所述凸轮滑轨中的最大行程，所述动力部固定在所述机架上。
可选的，所述夹持钳靠近抓取部位的两个端部铰接有调整件；
所述调整件为t字形结构，所述调整件与所述夹持钳之间的铰接松紧程度可调。
可选的，所述凸轮滑轨包括设置在所述连接架上的凸轮连接部，以及设置在所述凸轮连接部中的凸轮滑块；
所述凸轮滑块可以固定在所述凸轮连接部中的不同位置，所述凸轮滑块上还设有转轴滑槽，所述凸轮的转轴设置在所述转轴滑槽中，可以在所述转轴滑槽中往复运动。
可选的，所述连接架的截面具有u形结构，所述连接架进一步包括位于u形结构底部的第一连接部和位于u形结构两侧的第二连接部；
所述第一连接部连接所述活动部，以及在连接位置的两侧对称铰接所述夹持钳的中部。
可选的，所述第二连接部上对称设置多个连接滑块；所述连接滑块滑动连接在夹持导轨上，所述夹持导轨为相互平行固定在机架上的两条直杆。
可选的，所述第一连接部靠近抓取部位的侧面上设有辅助挡板，所述辅助挡板的一侧连接所述活动部，所述辅助挡板的另一侧用于接触待夹持的物料块。
可选的，所述驱动装置的动力部为液压缸，所述驱动装置的活动部为连接所述液压缸的推杆。
可选的，所述弹力套管包括嵌套在一起外管和内管，所述外管和所述内管之间可相互滑动，以改变所述弹力套管的整体长度；所述外管或所述内管中设有弹簧。
可选的，所述机架包括后盖板和连接所述后盖板的侧板，所述后盖板的中部固定所述驱动装置的动力部，所述侧板上固定所述夹持导轨。
可选的，所述驱动装置的动力部远离活动部的一端，铰接在所述后盖板的底面上。
由以上技术方案可知，本申请提供一种基于可变位置凸轮的机械手，包括夹持装置、凸轮机构、驱动装置以及机架。实际应用中，驱动装置的动力部驱动活动部进行运动，以带动夹持装置向靠近待抓取物料的方向进行移动，当到达预定位置后继续带动夹持装置中的夹持钳移动，夹持钳被设置在两侧的凸轮机构挤压张开，并在夹持钳的末端越过凸轮后靠弹力套管的作用完成张开和闭合，完成抓取物料作业。再通过活动部带动夹持装置向远离待抓取物料的方向进行移动，到达预定位置后，再次带动夹持钳通过凸轮位置，使夹持钳再次张开，完成放下物料作业。
本申请提供的机械手，运用夹持导轨和凸轮滑轨之间的配合完成位置定位和抓取动作传递，通过一个驱动装置作为伺服机构，即可完成抓取物料和放下物料的全部作业过程，在保证抓取动作的前提下，简化整体结构，避免使用过多的伺服机构，解决了传统机械手动作驱动复杂，可靠性低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于可变位置凸轮的机械手结构示意图；
图2为本申请实施例中所述机械手的俯视结构剖面图；
图3为本申请实施例中所述机械手的后视结构示意图；
图4为本申请实施例中所述机械手的侧视结构剖面图；
图5为本申请实施例中所述机械手的初始状态示意图；
图6为本申请实施例中所述机械手的向前移动状态示意图；
图7为本申请实施例中所述机械手的张开夹持钳状态示意图；
图8为本申请实施例中所述机械手的抓取物料块状态示意图；
图9为本申请实施例中所述机械手的放下物料块状态示意图；
图10为本申请实施例中所述机械手的凸轮滑轨结构示意图；
图11为本申请实施例中所述机械手的弹力套管结构示意图；
图12为本申请实施例中所述机械手的机架结构示意图；
图示说明：
其中，1-夹持装置；11-夹持钳；12-连接架；121-第一连接部；122-第二连接部；123-连接滑块；124-辅助挡板；13-夹持导轨；14-弹力套管；141-外管；142-内管；143-弹簧；15-调整件；2-凸轮机构；21-凸轮；22-凸轮滑轨；221-凸轮连接部；222-凸轮滑块；223-转轴滑槽；3-驱动装置；31-动力部；32-活动部；4-机架；41-后盖板；42-侧板；5-料块。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为一种基于可变位置凸轮的机械手结构示意图。由图1可知，本申请提供的机械手，包括：夹持装置1、凸轮机构2、驱动装置3以及机架4。其中，夹持装置1用于实施抓取动作，以将加工后的物料块运送到特定位置后放下。凸轮机构2用于控制夹持装置1的开合，为了完成抓取动作，凸轮机构2设置在夹持装置1的两侧，以便通过挤压动作控制夹持装置1的开合程度。驱动装置3作为整个机械手唯一的伺服机构，可以为夹持装置1输送传输力，以改变夹持装置1的位置和开合程度。机架4用于安装、承载各部件，以及将整个机械手安装在相应的设备上。
如图2所示，夹持装置1包括夹持钳11、连接架12、夹持导轨13以及弹力套管14。夹持钳11具有对称钳形结构，夹持钳11包括左右两个部分，两个部分的形状相互对称，左右两个部分都进一步包括夹持物料块的一端，即前端，和控制夹持物料一端开合的另一端，即后端。夹持钳11的左右两个部分的中部都铰接在连接架12上。本申请中，夹持钳11的开合是指夹持钳11靠近抓取部位的两个端部的开合，即当左右两部分的端部距离逐渐增大时，为夹持钳11张开，而当左右两部分的端部距离逐渐减小时，为夹持钳11闭合。相应的，本申请中通过对夹持钳11远离抓取部位的两个末端之间距离的控制可以实现上述张开和闭合动作。
连接架12的两侧分别设有夹持导轨13，两条夹持导轨13相互平行的固定在机架4上，连接架12可在夹持导轨13中滑动，从而带动夹持钳11在靠近物料块或远离物料块的方向上移动。即在实际应用中，当需要抓取物料块时，连接架12向着靠近料块的方向运动，而当需要将抓取到的料块放在预定位置时，应使连接架12向着远离料块的方向运动。
夹持钳11远离抓取部位的两个末端均铰接在弹力套管14的一端，弹力套管14的另一端铰接在连接架12上。弹力套管14在长度方向上具有弹力作用，以便维持夹持钳11的开合状态。另外，弹力套管14还可以通过弹力作用在夹持钳11抓取到物料以后，维持足够的夹紧力。
进一步地，如图2所示，夹持钳11靠近抓取部位的两个端部铰接有调整件15，调整件15为t字形结构，调整件15与夹持钳11之间的铰接松紧程度可调。夹持钳11靠近抓取部位的两个端部在实际应用中直接与待抓取的物料块接触，为了获得更加稳定的抓取效果，本实施例中在两个端部位置上铰接调整件15，调整件15可以通过t字形结构，增加夹持钳11与物料块的接触面积，进而增加夹持钳11与物料块外壁之间的摩擦力，防止物料快在机械手搬运过程中掉落。
调整件15与夹持钳11之间的铰接松紧程度的调节，可以通过在铰接位置处设置紧固螺钉，即当需要夹紧铰接松紧度时，旋紧紧固螺钉，增大铰接位置接触面之间的摩擦力，使调整件15能够与夹持钳11之间维持特定的角度。本实施例中，可以通过设置不同的角度，使整个夹持钳11能适应不同形状和不同大小的物料块，从而在不改变夹持钳11整体结构的前提下，增加整个机械手的应用范围。显然，在实际应用中，为了获得更好的抓取效果，还可以将调整件15与塑料块接触的那个平面设置成更加有助于增大接触面积的形状，例如，物料块为长方体时，调整件15与料块接触的一侧为平面，而当物料块为圆柱体时，调整件15与料块接触的一侧为弧面。另外，对于部分表面较光滑的料块，还可以在接触面上设置防滑橡胶垫、防滑纹等结构，增加接触稳定性。
如图3所示，凸轮机构2主要包括两个形状相同的凸轮21以及凸轮滑轨22，凸轮21可在凸轮滑轨22中滑动而改变凸轮21所处的位置，即本申请中，凸轮机构2中包含可变位置的凸轮21，凸轮滑轨22固定在连接架12上，凸轮21的圆周面接触夹持钳11远离抓取部位的末端，使凸轮21在凸轮滑轨22上滑动时，能够挤压夹持钳11，实现夹持钳11的开合。需要说明的是，本申请提供的技术方案中，凸轮21仅仅作为能够完成挤压动作的部件名称，并不对其具体形状进行限定，在实际应用时，根据夹持钳11的不同开合程度的需求，凸轮21的形状可以是多种不同的形状，例如，圆形、椭圆等。但是，为了获得更好的挤压效果和往复运动效果，凸轮21应至少保证与夹持钳11末端接触的位置上具有一定程度的圆弧形过渡，以便平缓的挤压夹持钳11，使夹持作用力均匀稳定。
需要说明的是，本申请中所指的可变位置凸轮21可以为各种形式，包括凸轮21的数量，布置方式，运动方式，运动路径均不是固定不变的。但其共同特点是，在选取大地为参考系时，凸轮21除了转动外，还有平动。且平动有运动止点，在运动止点处凸轮21对其他机构进行约束，已达到执行指定动作的目的。
驱动装置3包括动力部31和活动部32，活动部32的一端连接动力部31，另一端连接所述连接架12；动力部31驱动活动部32进行直线运动。为了使夹持钳11两侧的凸轮21能够挤压夹持钳11，活动部32的最大行程大于凸轮21在凸轮滑轨22中的最大行程，动力部31固定在机架4上。驱动装置3需要实现活动部32在远离或靠近物料块的方向上进行移动，在本实施例中，驱动装置3的动作原理不进行限制，可以是液压缸带动内部的活塞实现运动，也可以是螺纹传动的伸缩杆机构，甚至可以为蜗轮蜗杆机构或者曲柄滑块机构。
进一步地，如图4所示，驱动装置3的动力部31为液压缸，相应地，驱动装置3的活动部32为连接液压缸的推杆。在实际应用中，液压缸内可以设有前后滑动的活塞，以便通过液压油驱动活塞运动，而实现活动部32的往复运动。液压传动能够减轻回程误差，并且通过简单的液压循环通道即可实现内部活塞的往复运动，液压缸内的活塞连接推杆，从而当液压油驱动活塞运动时，带动推杆实现运动，完成活动部32的工作。显然，可以将推杆设置为长度可调的伸缩杆，以便根据实际需要改变推杆的长度，进而调整夹持钳11的开合时机。
由以上技术方案可知，在本实施例中，所述机械手在实际应用中，主要通过以下步骤完成抓取物料和放下物料的动作：
首先，如图5所示，在初始位置，液压缸推动夹持装置1的连接架12向前运动，由于凸轮21安装在直线结构的凸轮滑轨22上，并且在初始位置时与夹持钳11的末端相接触，由于弹力套管14的作用，夹持钳11的末端保持张开状态，因此凸轮21会被夹持钳11推动，随着夹持钳11共同前行。
其次，如图6所示，在液压缸持续推动夹持钳11以及连接架12向前运动时，夹持钳11也推动凸轮21向前运动，直到凸轮21运动到凸轮滑轨22的一端，此时凸轮21受到凸轮滑轨22端部的阻挡，无法再继续前行。而受到液压缸上推杆的继续作用，夹持钳11的末端在凸轮的挤压下向内侧收缩，同时前部张开，此时弹力套管14被压缩。
再次，如图7和图8所示，液压缸推动连接架12继续前行，夹持钳11的末端将越过凸轮21所在的前端极限位置，而后夹持钳11在弹力套管14的作用下，会使抓取部位重新回到夹紧位置，此时整个夹持装置1刚好运动到加工好的物料块5两侧，即完成对物料块的夹持。
最后，如图9和图5所示，完成夹持动作后，液压缸开始做反向运动，与前述过程相同，凸轮21与夹持钳11的末端相接触，夹持钳11在向后运动过程中，会推动凸轮21也向后运动，直到凸轮21运动到凸轮滑轨22的另一个端部位置，凸轮21再次受到边缘阻挡，而无法继续向后运动。由于推杆的继续牵引，夹持钳11的末端会再次受到凸轮21的挤压，而向内侧收缩，此时前部再次张开，从而将物料块放置在预定的位置上，如，掉落到其他输送机构上。
进一步地，如图10所示，凸轮滑轨22可以进一步包括设置在连接架12上的凸轮连接部221，以及设置在凸轮连接部221上的凸轮滑块222，凸轮滑块222可以固定在凸轮连接部221上的不同位置。凸轮滑块222通过固定在凸轮连接部221的不同位置上，可以改变夹持装置1与凸轮机构2之间的距离，改变凸轮21挤压夹持钳11的时机，从而调整夹持钳11实施抓取和放下料块的位置。凸轮滑块222上还设有转轴滑槽223，凸轮21的转轴设置在转轴滑槽223中，可以在转轴滑槽223中往复运动，从而使凸轮21能够进行平动和转动。通过转轴滑槽223可以改变凸轮21的位置，从而在实施抓取动作和放下动作时，使凸轮21能够越过夹持钳11的末端位置，完成两次挤压，实现在抓取时和放下时两次张开夹持钳11。
在本申请的部分实施例中，如图3所示，为了获取更好的料块夹持效果，连接架12的截面具有u形结构，连接架12可以是钣金件，即由设定厚度的板材弯折成u形结构。连接架12进一步包括位于u形结构底部的第一连接部121和位于u形结构两侧的第二连接部122，第一连接部121连接活动部32，以及在连接位置的两侧对称铰接夹持钳11的中部。将活动部32连接在第一连接部121上，一方面可以使整个机械手维持一个对称布置的状态，从而平衡机械手上的驱动力和摩擦力，另一方面，可以使液压缸和推杆保持与凸轮机构2在不同的高度上，从而不影响到凸轮21与夹持钳11的末端相接触，即可以设置一个整体体积更大或者开度更广的夹持钳11，以适应更多形状的料块。
进一步地，第二连接部122上对称设置多个连接滑块123；连接滑块123滑动连接在夹持导轨13上，夹持导轨13为相互平行固定在机架4上的两条直杆。如图4所示，本实施例中，夹持导轨13可以为固定在机架4上的两条方形杆或圆形杆，相应的连接滑块123为接触夹持导轨13表面上的多个滑块，多个滑块共同将支撑起整个连接架12，并且在夹持导轨13上进行滑动。通过使用连接滑块123，可以减小连接架12在移动过程中与夹持导轨13之间的接触面面积，从而减小滑动过程中的摩擦力，保证连接架12能够在推杆的作用下顺畅运行。
进一步地，在第一连接部121靠近抓取部位的侧面上，还设有辅助挡板124，辅助挡板124的一侧连接活动部32，辅助挡板124的另一侧用于接触待夹持的物料块。辅助挡板124一方面能够传递推杆输送的驱动力，使连接架12在驱动力的作用下按照驱动力方向进行运动，另一方面可以在整个夹持钳11抓取到料块以后，使辅助挡板124的侧面接触到料块的一个侧面，从而在抓取到料块以后，料块能够更多地接触到机械手，提高抓取过程的稳定性。
在本申请的部分实施例中，如图11所示，弹力套管14包括嵌套在一起外管141和内管142，外管141和内管142之间可相互滑动，以改变弹力套管14的整体长度；外管141或内管142中设有弹簧143。第一种情况下，弹力套管14中的弹簧143可以设置在外管141之中，并且弹簧143的一端连接内管142的端面，另一端连接在外管141的一个端面，即通过弹簧作用，使内管142和外管141的总长度可以进行调整。第二种情况下，弹簧143设置在内管142中，并且一端连接外管141的端面，另一端连接内管142内部的端面上。
在这两种情况下，整个弹力套管14所能够实现的功能是相同的，只在第一种情况下可以使用相对较粗一点的弹簧143，以获得更大的弹力。本实施例中，通过外管141、内管142以及弹簧143三者组成的弹力套管14，可以避免夹持钳11在受到凸轮21挤压时，产生使弹力套管14弯曲的力，从而保证弹力的作用方向，使夹持钳11的开合过程受力均匀一致，也避免了故障率增加整体可靠性。
在本申请的部分实施例中，如图12所示，机架4包括后盖板41和连接后盖板41的两个侧板42，后盖板41的中部固定驱动装置3的动力部31，侧板42上固定夹持导轨13。本实施例中，由于在抓取过程中，整体需要保持一定的稳定性，因此，后盖板41和侧板42可以选用强度较高的不锈钢板材制成。后盖板41将两个侧板42连接在一起的同时，还用于固定驱动装置3，驱动装置3可以通过焊接或其他连接方式(如螺栓)固定在后盖板41上。也可以在驱动装置3动力部31上，远离活动部32的端部设置铰链，以使驱动装置3铰接在后盖板41上，以铰接的方式固定驱动装置3可以为驱动装置3增加一部分调节余量，避免安装过程中的过约束对安装精度和长期使用产生累积误差影响。两个侧板42上还可以设有部分镂空结构，从而在保证稳定性的前提下，减少整体重量，以减轻对机架4承载能力需求。
需要说明的是，本申请技术方案中提供的所述机械手，不仅仅应用于秸秆料块的加工和搬运过程中。基于本申请公开的结构，本领域技术人员容易想到将上述机械手应用在其他任何领域，如工业机器人、自动化工业生产线、分选设备等。在实际应用中，本领域技术人员根据上述公开的结构，在不付出创造性劳动的前提下所能够实施的简单变形、附加设计出的机械手都包含在本申请的保护范围内。
由以上技术方案可知，本申请提供一种基于可变位置凸轮的机械手，包括夹持装置1、凸轮机构2、驱动装置3以及机架4。实际应用中，驱动装置3的动力部31驱动活动部32带动夹持装置1向靠近待抓取物料的方向进行移动，当到达预定位置后，继续带动夹持装置1中的夹持钳11移动，使夹持钳11被设置在两侧的凸轮机构2挤压张开，在夹持钳11的末端越过凸轮21后靠弹力套管14的作用再次闭合，实现抓取物料。完成抓取后通过活动部32带动夹持装置1，向远离待抓取物料的方向进行移动，到达预定位置后，再次带动夹持钳11通过凸轮21位置，使夹持钳再次张开，完成放下物料操作作用。
本申请提供的机械手，运用夹持导轨13和凸轮滑轨22之间的配合完成位置定位和抓取动作传递，从而可以仅通过一个驱动装置3作为伺服机构，完成抓取和放下物料作业，在保证抓取动作的前提下，简化整体结构，避免过多的伺服机构，解决传统机械手动作驱动复杂，可靠性低的问题。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。