具有两级柔顺动力传递的机械手及其抓取方法与流程

本发明涉及机械手，特别涉及一种具有两级柔顺动力传递的机械手及其抓取方法。

背景技术：

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，在工业、农业、医疗等领域具有广阔的应用空间。

现有技术对机械装备外界负载的变化，主要是通过电机驱动参数的调整改变传动系统输出扭矩实现系统的平衡，这种方法需要调整的过程，且驱动参数的改变易导致系统速度等参数的波动，增加了系统稳定性控制的难度，影响系统的稳定性运动，甚至失稳；另一方面，现有方法在传动轴输出力矩调整的过程中，难以实现传动机构的缓冲。因此，单纯通过电机驱动参数的调整改变输出扭矩以实现机械手的柔顺作业存在明显不足。另一方面，以果实抓取为例，为了避免碰伤果实，现有技术通常采用被动柔顺控制方法，在手指内侧部位都采用橡胶和尼龙材料包裹，这种方法无法实现夹持力的主动调节。

文章《果实采摘机器人末端执行器的柔顺控制研究》设计一种力矩控制器进行物体的柔顺抓取，其基本思想是在抓取过程采用压力传感器获取抓取力的实时数据，当实际抓取力矩大于设定的系统输入参考力矩时，控制系统会发出指令停止末端执行器的抓取动作，这种方法必须要有力信号的加入，增加了系统的复杂性和控制难度，且力矩控制器性能的优劣直接影响果实采摘柔顺控制能否实现，控制系统存在较大偏差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种具有两级柔顺动力传递的机械手及其抓取方法，不依赖于设计控制器和外加力信号，能够在不改变电机驱动参数的前提下，确定最佳的夹持力，实现抓取作业的两级定位和夹持力调节功能的集成，在实现柔顺抓取作业的同时，简化系统结构，提高力矩调整效率。

基于上述目的本发明提供的一种具有两级柔顺动力传递的机械手，包括

壳体；

主电机，所述主电机固定于壳体的内部；

调整机构，所述调整机构固定于壳体内部，包括力矩调整电机；

传动轴，所述传动轴与调整机构动力连接，传动轴的一端通过联轴器与主电机的输出轴连接；

传动丝杆，所述传动丝杆的一端贯穿壳体，并与传动轴的另一端通过联轴器连接；

手爪，所述手爪后端部的中部设有驱动件，所述驱动件与传动丝杆螺纹连接，所述手爪的中部设有固定件，固定件与传动丝杆的另一端转动连接，所述固定件端面的两侧分别与手爪的夹取部连接，所述驱动件为夹取部提供夹取的动力；

视觉传感器，所述视觉传感器固定于固定件，用于获取待夹取物体的外形轮廓尺寸；

控制模块，所述控制模块包括

运动控制模块，用于控制主电机和力矩调整电机；

工艺参数库模块，包括参数输入模块和参数输出模块，所述参数输入模块用于输入待夹取物的属性和外形轮廓尺寸参数，所述参数输出模块用于输出夹取物体的最佳夹持力；

优选的，所述调整机构还包括

底板，所述底板固定于壳体内部，所述力矩调整电机固定于底板；

力矩调整小齿轮，所述力矩调整小齿轮与力矩调整电机的输出轴键连接；

力矩调整大齿轮，所述力矩调整大齿轮的端部与底板转动连接，力矩调整大齿轮与力矩调整小齿轮啮合，力矩调整大齿轮的端面设有滑槽，所述传动轴穿过力矩调整大齿轮的中心位置，并与力矩调整大齿轮转动连接；

力矩调整连杆，所述力矩调整连杆包括

连接块，所述连接块端面至少一侧设有安装孔；

动力杆，所述动力杆贯穿连接块的一侧，动力杆的一端在滑槽内，且该端与滑槽滑动连接；

力矩调整输出块，所述力矩调整输出块的中部设有联接孔，力矩调整输出块靠近边缘位置设有通孔，所述动力杆的另一端与联接孔相配合，所述传动轴的轴体与通孔固定连接；

力矩调整支撑单元，所述力矩调整支撑单元位于力矩调整输出块的下方，且力矩调整支撑单元包括

支撑块，所述支撑块的中间位置与传动轴固定连接；

至少一个支撑杆，所述支撑杆两端分别固定于支撑块两端的延伸部；

滑块，所述滑块与对应的支撑杆滑动连接，滑块位于连接块的上方，且滑块的下端面设有连接柱，所述连接柱与对应的安装孔转动连接；

至少一个调刚弹簧，所述调刚弹簧套接于支撑杆，调刚弹簧的一端固定于滑块，调刚弹簧的另一端与支撑块的延伸部固定连接。

优选的，所述支撑块的两端分别向两侧对称延伸，形成“工”字形，所述支撑杆对称设置于支撑块的两侧，所述力矩调整连杆设有两个，且其与支撑杆一一对应。

优选的，所述力矩调整输出块为u形，所述通孔位于u形的两个支腿处。

优选的，所述滑槽设有两个，其与动力杆一一对应。

优选的，所述滑槽为螺线滑槽。

优选的，在上述所述的一种具有两级柔顺动力传递的机械手，其抓取方法包括

运动控制模块将调整机构复位；

参数输入模块通过视觉传感器获取待夹取物的外形轮廓尺寸；

在参数输入模块中输入待夹取物的属性；

参数输出模块根据参数输入模块的数据输出待夹取物的最佳夹持力f；

运动控制模块根据最佳夹持力f确定力矩调整电机微定位转角θ1；

运动控制模块根据物体的外形轮廓尺寸，确定输出轴的转角位移θ，进而确定主电机的初定位转角θ0＝θ-θ1；

运动控制模块发出指令控制主电机转动，同时带动输出轴同轴转动；当输出轴转动到初定位转角θ0时，主电机停止转动，力矩调整电机启动并以转速n1反向转动，同时带动力矩调整小齿轮反向转动，经过齿轮啮合带动力矩调整大齿轮沿着原有转向继续转动，此时，动力杆在螺线滑槽中相对力矩调整大齿轮反向滑动，滑块压缩调刚弹簧，在此过程中，力矩调整输出块和力矩调整支撑单元同时向输出轴输出扭矩，当力矩调整电机转动到微定位转角θ1时，手爪获得最佳夹持力f并完成抓取定位，力矩调整电机停止转动。

优选的，所述调整机构复位的过程如下：

运动控制模块控制主电机和力矩调整电机分别转动，使动力杆的端部与滑槽的端部接触，使滑块位于支撑杆的中间位置。

优选的，所述微定位转角θ1的确定步骤如下：

获取夹持力f与输出轴的输出扭矩t的函数关系f＝f(t)，根据夹持力f确定输出轴所需输出扭矩t，且t＝t1+t2，其中，t1为力矩调整输出块的输出扭矩，t2为力矩调整支撑单元的输出扭矩；

确定力矩调整输出块的输出扭矩其中，p1为力矩调整电机的功率，n1为力矩调整电机的转速，i为力矩调整小齿轮与力矩调整大齿轮间的传动比，η为力矩调整电机到力矩调整大齿轮间的传动效率；

确定力矩调整支撑单元的输出扭矩t2＝t-t1；

根据t2＝k×δx×l，其中，k为调刚弹簧的刚度，l为支撑杆间的距离，δx为调刚弹簧的压缩量，r为连接块的长度，θ2为力矩调整大齿轮的转角，由此可求得力矩调整大齿轮的转角θ2；

力矩调整电机的转角θ1＝i×θ2。

本发明的有益效果：采用本发明的一种具有两级柔顺动力传递的机械手及其抓取方法，具有以下有益效果：

将抓取定位与力矩调整相结合，能够实现手爪的初定位和微定位，初定位实现手爪的大范围运动，在实现微定位的同时能够提供所需的最佳夹持力，能够实现与物体的软接触和柔顺抓取作业，可实现初定位和微定位的合理分配，两级定位与力调节的一体化集成。

本发明的抓取作业机械手及抓取方法，不依赖于设计控制器和外加力信号，能够在不改变电机驱动参数的前提下，根据夹持力与力矩调整电机的微定位转角之间的关系直接进行夹持力的调控，大大简化系统结构。

本发明的力矩调整输出块和力矩调整支撑单元与传动轴同轴固定，力矩调整电机工作时，力矩调整输出块和力矩调整支撑单元同时向传动轴输出力矩，与单一力矩输出相比，提高了力矩调整的效率。

本发明结合工艺参数库模块，能够实现不同属性或同一属性而结构尺寸不同的物体对最佳抓取力的要求，可明显拓宽柔顺作业范围。

本发明中通过视觉传感器，可精确获取待夹取物体的外形轮廓尺寸，使参数输出模块输出的夹持力更加精确。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明的手爪安装图；

图3为本发明的传动模块主视图；

图4为本发明的传动模块轴测图；

图5为本发明的主电机安装结构图；

图6为本发明的传动轴上零件安装结构图；

图7为本发明的传动轴上零件安装剖视图；

图8为本发明的力矩调整大齿轮的结构图；

图9为本发明的动力杆的结构图；

图10为本发明的力矩调整输出块的结构图；

图11为本发明的力矩调整支撑单元的结构图；

图12为本发明的动力杆的安装结构图；

图13为本发明的力矩调整模块俯视图；

图14为本发明的控制模块结构图；

图15为本发明的抓取运动控制流程图；

图16为本发明的动力杆的起始位置示意图；

图17为本发明的力矩调整支撑单元的滑块的起始位置示意图；

图18为本发明的动力杆的转动位置示意图；

图19为本发明的力矩调整支撑单元的滑块的压缩位置示意图。

其中，10-物体、60-手爪、70-壳体、1-控制模块、90-视觉传感器、101-主电机、102-力矩调整电机、210-底板、300-传动轴、420-力矩调整小齿轮、421-力矩调整大齿轮、430-力矩调整连杆、431-力矩调整输出块、440-力矩调整支撑单元、501-传动丝杆、4301-动力杆、4302-连接块、4303-安装孔、4311-联接孔、4312-通孔、4401-支撑块、4402-支撑杆、4403-滑块、4404-调刚弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

基于上述目的，本发明的第一个方面，提出了一种具有两级柔顺动力传递的机械手及其抓取方法的一个实施方式，如图1至图15所示，包括

壳体70；

主电机101，所述主电机101固定于壳体70的内部；

调整机构，所述调整机构固定于壳体70内部，包括力矩调整电机102；

传动轴300，所述传动轴300与调整机构动力连接，传动轴300的一端通过联轴器与主电机101的输出轴连接；

传动丝杆501，所述传动丝杆501的一端贯穿壳体70，并与传动轴300的另一端通过联轴器连接；

手爪60，所述手爪60后端部的中部设有驱动件，所述驱动件与传动丝杆501螺纹连接，所述手爪60的中部设有固定件，固定件与传动丝杆501的另一端转动连接，所述固定件端面的两侧分别与手爪60的夹取部连接，所述驱动件为夹取部提供夹取的动力；

视觉传感器90，所述视觉传感器90固定于固定件，用于获取待夹取物体10的外形轮廓尺寸；

控制模块1，所述控制模块1包括

运动控制模块11，用于控制主电机101和力矩调整电机102；

工艺参数库模块12，包括参数输入模块121和参数输出模块122，所述参数输入模块121用于输入待夹取物的属性和外形轮廓尺寸参数，所述参数输出模块122用于输出夹取物体10的最佳夹持力。

视觉传感器90在获取到待夹取物的外形轮廓尺寸时，将该外形轮廓尺寸的参数输入到参数输入模块121中，再在参数输入模块121中输入待夹取物的属性，参数输出模块122根据参数输入模块121中的各参数输出夹取物体10的最佳夹持力，主电机101根据最佳夹持力转动带动传动轴300转动，从而使传动丝杆501转动，传动丝杆501转动时，通过驱动件使手爪60动作，在此过程中，调整机构不断调整输出轴300的转角位移，实现练级柔顺驱动，本发明将抓取定位与力矩调整相结合，能够实现手爪的初定位和微定位，初定位实现手爪的大范围运动，在实现微定位的同时能够提供所需的最佳夹持力，能够实现与物体10的软接触和柔顺抓取作业，可实现初定位和微定位的合理分配，两级定位与力调节的一体化集成，通过视觉传感器90，可精确获取待夹取物体10的外形轮廓尺寸，使参数输出模块输出的夹持力更加精确。

在本实施例中，所述调整机构还包括

底板210，所述底板210固定于壳体70内部，所述力矩调整电机102固定于底板210；

力矩调整小齿轮420，所述力矩调整小齿轮420与力矩调整电机102的输出轴键连接；

力矩调整大齿轮421，所述力矩调整大齿轮421的端部与底板210转动连接，力矩调整大齿轮421与力矩调整小齿轮420啮合，力矩调整大齿轮421的端面设有滑槽，所述传动轴300穿过力矩调整大齿轮421的中心位置，并与力矩调整大齿轮421转动连接；

力矩调整连杆430，所述力矩调整连杆430包括

连接块4302，所述连接块4302端面至少一侧设有安装孔4303；

动力杆4301，所述动力杆4301贯穿连接块4302的一侧，动力杆4301的一端在滑槽内，且该端与滑槽滑动连接；

力矩调整输出块431，所述力矩调整输出块431的中部设有联接孔4311，力矩调整输出块431靠近边缘位置设有通孔4312，所述动力杆4301的另一端与联接孔4311相配合，所述传动轴300的轴体与通孔4312固定连接；

力矩调整支撑单元440，所述力矩调整支撑单元440位于力矩调整输出块431的下方，且力矩调整支撑单元440包括

支撑块4401，所述支撑块4403的中间位置与传动轴300固定连接；

至少一个支撑杆4402，所述支撑杆4402两端分别固定于支撑块4401两端的延伸部；

滑块4403，所述滑块4403与对应的支撑杆4402滑动连接，滑块4403位于连接块4302的上方，且滑块4403的下端面设有连接柱，所述连接柱与对应的安装孔4303转动连接；

至少一个调刚弹簧4404，所述调刚弹簧4404套接于支撑杆4402，调刚弹簧4404的一端固定于滑块4403，调刚弹簧4404的另一端与支撑块4401的延伸部固定连接。

优选的，所述支撑块4401的两端分别向两侧对称延伸，形成“工”字形，所述支撑杆4402对称设置于支撑块4401的两侧，所述力矩调整连杆430设有两个，且其与支撑杆4402一一对应。

优选的，所述力矩调整输出块431为u形，所述通孔4312位于u形的两个支腿处。

优选的，所述滑槽设有两个，其与动力杆4301一一对应。

优选的，所述滑槽为螺线滑槽。

作为本发明的另一个实施例，如图16至图19所示，在上述所述的一种具有两级柔顺动力传递的机械手，其抓取方法包括

运动控制模块11将调整机构复位；

参数输入模块121通过视觉传感器90获取待夹取物的外形轮廓尺寸；

在参数输入模块121中输入待夹取物的属性；

参数输出模块122根据参数输入模块121的数据输出待夹取物的最佳夹持力f；

运动控制模块11根据最佳夹持力f确定力矩调整电机102微定位转角θ1；

运动控制模块11根据物体10的外形轮廓尺寸，确定输出轴300的转角位移θ，进而确定主电机101的初定位转角θ0＝θ-θ1；

运动控制模块11发出指令控制主电机101转动，同时带动输出轴300同轴转动；当输出轴300转动到初定位转角θ0时，主电机101停止转动，力矩调整电机102启动并以转速n1反向转动，同时带动力矩调整小齿轮420反向转动，经过齿轮啮合带动力矩调整大齿轮421沿着原有转向继续转动，此时，动力杆4301在螺线滑槽中相对力矩调整大齿轮421反向滑动，滑块4403压缩调刚弹簧4404，在此过程中，力矩调整输出块431和力矩调整支撑单元440同时向输出轴300输出扭矩，当力矩调整电机102转动到微定位转角θ1时，手爪60获得最佳夹持力f并完成抓取定位，力矩调整电机102停止转动。

优选的，所述调整机构复位的过程如下：

运动控制模块11控制主电机101和力矩调整电机102分别转动，使动力杆4301的端部与滑槽的端部接触，使滑块4403位于支撑杆4402的中间位置。

优选的，所述微定位转角θ1的确定步骤如下：

获取夹持力f与输出轴300的输出扭矩t的函数关系f＝f(t)，根据夹持力f确定输出轴300所需输出扭矩t，且t＝t1+t2，其中，t1为力矩调整输出块431的输出扭矩，t2为力矩调整支撑单元440的输出扭矩；

确定力矩调整输出块431的输出扭矩其中，p1为力矩调整电机102的功率，n1为力矩调整电机102的转速，i为力矩调整小齿轮420与力矩调整大齿轮421间的传动比，η为力矩调整电机102到力矩调整大齿轮421间的传动效率；

确定力矩调整支撑单元440的输出扭矩t2＝t-t1；

根据t2＝k×δx×l，其中，k为调刚弹簧4404的刚度，l为支撑杆4402间的距离，δx为调刚弹簧4404的压缩量，r为连接块4302的长度，θ2为力矩调整大齿轮421的转角，由此可求得力矩调整大齿轮421的转角θ2；

力矩调整电机102的转角θ1＝i×θ2。

在本实施例中，不依赖于设计控制器和外加力信号，能够在不改变电机驱动参数的前提下，根据夹持力与力矩调整电机的微定位转角之间的关系直接进行夹持力的调控，大大简化系统结构。

本发明的力矩调整输出块431和力矩调整支撑单元430与传动轴300同轴固定，力矩调整电机102工作时，力矩调整输出块431和力矩调整支撑单元430同时向传动轴300输出力矩，与单一力矩输出相比，提高了力矩调整的效率。

本发明结合工艺参数库模块，能够实现不同属性或同一属性而结构尺寸不同的物体对最佳抓取力的要求，可明显拓宽柔顺作业范围。

本发明的关键部件均为模块化部件，易于装配和更换，机械手端部设置法兰结构，可直接与运动载体联接，实现抓取作业的拓展应用。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。