一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪的制作方法

1.本实用新型涉及机械臂夹具技术领域，特别是涉及一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪。


背景技术：

2.传统机械臂末段夹具采用气动形式、磁吸形式、简单机械结构形式，虽然成本低廉、控制简单但适合精度要求不高的场合，并且在复杂工况的条件下需要反复更换末段夹具。目前基于智能制造领域，我们对机械臂末段夹具有了更新的要求，使其能够适应各种应用场景。传统机械臂末段夹具适用范围窄，灵活性差。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪，以解决上述现有技术存在的问题，使其能够自适应包络抓取更多形状工件，适用范围宽，灵活性好。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
5.本实用新型提供一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪，包括基座部和指关节部；所述基座部上活动安装有三个指关节部，所述指关节部包括通过扭簧铰接的指关节顶段和指关节中段，所述指关节中段底部通过扭簧铰接有指关节末段，所述指关节末段底部铰接于指关节基座上，所述指关节基座与所述基座部活动连接；所述指关节基座上设置有指关节蜗轮，所述指关节蜗轮啮合连接有指关节蜗杆，所述指关节蜗杆连接有指关节电机；所述指关节末段下方一侧设置有驱动指关节部，另一侧设置有随动指关节部，所述驱动指关节部和随动指关节部分别与所述指关节顶段、指关节中段和指关节末段连接，且所述驱动指关节部和随动指关节部与所述指关节蜗轮传动连接。
6.可选的，所述驱动指关节部包括设置于所述指关节末段下方一侧的驱动连杆关节，所述随动指关节部包括设置于所述指关节末段下方另一侧的随动连杆关节；所述驱动连杆关节、随动连杆关节和指关节蜗轮通过第一长连杆轴传动连接；所述驱动连杆关节末端通过短连杆轴连接有第一连杆，所述第一连杆末端通过短连杆轴连接有第一三角连杆，所述第一三角连杆上部通过短连杆轴连接有第二连杆，所述第二连杆末端通过短连杆轴连接有水平连杆关节；所述随动连杆关节末端通过短连杆轴连接有第三连杆，所述第三连杆末端通过短连杆轴连接有第二三角连杆，所述第二三角连杆上部通过短连杆轴连接有第四连杆，所述第四连杆通过短连杆轴与指关节顶段底部远离指关节中段的一侧连接；所述第一三角连杆远离第一连杆末端的一端穿设有第二长连杆轴，所述第二长连杆轴穿过所述指关节中段和指关节末段连接处的扭簧后与所述第二三角连杆远离第三连杆的一端连接；所述水平连杆关节末端穿设有第三长连杆轴，所述第三长连杆轴穿过所述指关节中段和指关节顶段连接处的扭簧。所述驱动连杆关节、指关节末段、第一连杆和第一三角连杆组成一个平行四边形连杆机构，所述第一三角连杆、第二连杆、水平连杆关节和指关节中段组成另一个平行四边形连杆机构；所述随动连杆关节、第三连杆、第二三角连杆和指关节末段组成一
个斜四边形连杆机构，所述第二三角连杆、第四连杆、指关节顶段和指关节中段组成另一个斜四边形连杆机构。
7.可选的，所述指关节顶段、指关节中段和指关节末段的内端面上均分别固定设置有垫板。
8.可选的，所述指关节蜗杆传动连接有行星减速机，所述行星减速机与所述指关节电机传动连接，所述指关节电机上安装有编码器。
9.可选的，所述第一长连杆轴、第二长连杆轴、第三长连杆轴两端分别固定连接有轴卡，所述指关节蜗杆通过轴承设置于所述指关节基座内。
10.可选的，所述基座部包括底座，所述底座一侧设置有第一支撑座，另一侧设置有第二支撑座，所述第二支撑座上开设有两个对称设置的安装孔，所述第一支撑座和第二支撑座之间设置有两个所述指关节基座，且两个所述指关节基座的指关节电机分别穿设于两个安装孔内；所述第二支撑座远离所述第一支撑座的一侧设置有第三支撑座，所述第三支撑座远离所述第二支撑座的一侧设置有第四支撑座，所述第三支撑座和第四支撑座之间设置有一个所述指关节基座。
11.可选的，位于所述第一支撑座和第二支撑座之间的一个所述指关节基座上固定安装有左旋蜗轮，位于所述第一支撑座和第二支撑座之间的另一个所述指关节基座上固定安装有右旋蜗轮；所述左旋蜗轮传动连接有左旋蜗杆，所述右旋蜗轮传动连接有右旋蜗杆，所述右旋蜗杆和左旋蜗杆分别通过蜗杆支撑座固定设置于所述底座上；所述底座上设置有减速电机支撑座，所述减速电机支撑座上设置有减速电机，减速电机为双轴输出电机，减速电机通过内六角螺栓与减速电机支撑座固定连接，且减速电机一端的传动轴穿过减速电机支撑座的轴孔后通过轴卡传动连接有带凸台同步带轮，所述右旋蜗杆通过轴承和联轴器与减速电机的一端输出轴传动连接，所述减速电机另一端通过轴卡传动连接有带凸台同步带轮，所述带凸台同步带轮通过同步带传动连接有同步带轮，所述同步带轮与所述左旋蜗杆传动连接。
12.可选的，所述第一支撑座、第二支撑座、第三支撑座和第四支撑座顶部连接有顶盖，所述顶盖上端铺设有顶盖垫板。
13.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
14.本实用新型夹爪能够保证精度，自适应包络抓取更多形状工件，并且通过电机力矩的控制能够实现抓取力大小控制。能够自适应包络抓取工件。由于侧指能够实现正反向转动，通过多种抓取形势来满足工作需求。
附图说明
15.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
16.图1为本实用新型指关节部主视图；
17.图2为本实用新型指关节部a
‑
a侧示意图；
18.图3为本实用新型指关节部b
‑
b侧示意图；
19.图4为本实用新型三指关节欠驱动自适应电驱机械爪俯视图；
20.图5为本实用新型三指关节欠驱动自适应电驱机械爪主视图；
21.图6为本实用新型三指关节欠驱动自适应电驱机械爪a
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a处剖视图；
22.图7为本实用新型指关节部爆炸图；
23.图8为本实用新型基座部爆炸图；
24.图9为本实用新型指关节部简图；
25.图10为本实用新型指关节部a
‑
a面简图；
26.图11为本实用新型指关节部b
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b面简图；
27.图12为本实用新型三指关节欠驱动自适应电驱机械爪抓取过程示意图；
28.其中，1为基座部、2为指关节部、3为扭簧、4为指关节顶段、5为指关节中段、6为指关节末段、7为指关节基座、8为指关节蜗轮、9为指关节蜗杆、10为指关节电机、11为驱动指关节部、12为随动指关节部、13为驱动连杆关节、14为随动连杆关节、15为第一长连杆轴、16为短连杆轴、17为第一连杆、18为第一三角连杆、19为第二连杆、20为水平连杆关节、21为第三连杆、22为第二三角连杆、23为第四连杆、24为第二长连杆轴、25为第三长连杆轴、26为垫板、27为行星减速机、28为编码器、29为轴卡、30为轴承、31为底座、32为第一支撑座、33为第二支撑座、34为安装孔、35为第三支撑座、36为第四支撑座、37为左旋蜗轮、38为右旋蜗轮、39为左旋蜗杆、40为右旋蜗杆、41为蜗杆支撑座、42为减速电机支撑座、43为减速电机、44为内六角螺栓、45为带凸台同步带轮、46为同步带、47为同步带轮、48为顶盖、49为顶盖垫板、50为平行四边形连杆机构、51为斜四边形连杆机构。
具体实施方式
29.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
30.本实用新型的目的是提供一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪，以解决上述现有技术存在的问题，使其能够自适应包络抓取更多形状工件，适用范围宽，灵活性好。
31.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
32.本实用新型提供一种三指关节欠驱动自适应电驱机械爪，如图1
‑
图12所示，包括基座部1和指关节部2；基座部1上活动安装有三个指关节部2，指关节部2包括通过扭簧3铰接的指关节顶段4和指关节中段5，指关节中段5底部通过扭簧3铰接有指关节末段6，指关节末段6底部铰接于指关节基座7上，指关节基座7与基座部1活动连接；指关节基座7上设置有指关节蜗轮8，指关节蜗轮8啮合连接有指关节蜗杆9，指关节蜗杆9连接有指关节电机10；指关节末段6下方一侧设置有驱动指关节部11，另一侧设置有随动指关节部12，驱动指关节部11和随动指关节部12分别与指关节顶段4、指关节中段5和指关节末段6连接，且驱动指关节部11和随动指关节部12与指关节蜗轮8传动连接。
33.进一步优选的，驱动指关节部11包括设置于指关节末段6下方一侧的驱动连杆关节13，随动指关节部12包括设置于指关节末段6下方另一侧的随动连杆关节14；驱动连杆关
节13、随动连杆关节14和指关节蜗轮8通过第一长连杆轴15传动连接；驱动连杆关节13末端通过短连杆轴16连接有第一连杆17，第一连杆17末端通过短连杆轴16连接有第一三角连杆18，第一三角连杆18上部通过短连杆轴16连接有第二连杆19，第二连杆19末端通过短连杆轴16连接有水平连杆关节20；随动连杆关节14末端通过短连杆轴16连接有第三连杆21，第三连杆21末端通过短连杆轴16连接有第二三角连杆22，第二三角连杆22上部通过短连杆轴16连接有第四连杆23，第四连杆23通过短连杆轴16与指关节顶段4底部远离指关节中段5的一侧连接；第一三角连杆18远离第一连杆17末端的一端穿设有第二长连杆轴24，第二长连杆轴24穿过指关节中段5和指关节末段6连接处的扭簧3后与第二三角连杆22远离第三连杆21的一端连接；水平连杆关节20末端穿设有第三长连杆轴25，第三长连杆轴25穿过指关节中段5和指关节顶段4连接处的扭簧3。驱动连杆关节13、指关节末段6、第一连杆17和第一三角连杆18组成一个平行四边形连杆机构50，第一三角连杆18、第二连杆19、水平连杆关节20和指关节中段5组成另一个平行四边形连杆机构50；随动连杆关节14、第三连杆21、第二三角连杆22和指关节末段6组成一个斜四边形连杆机构51，第二三角连杆22、第四连杆23、指关节顶段4和指关节中段5组成另一个斜四边形连杆机构51。
34.指关节顶段4、指关节中段5和指关节末段6的内端面上均分别固定设置有垫板26。指关节蜗杆9传动连接有行星减速机27，行星减速机27与指关节电机10传动连接，指关节电机10上安装有编码器28。第一长连杆轴15、第二长连杆轴24、第三长连杆轴25两端分别固定连接有轴卡29，指关节蜗杆9通过轴承30设置于指关节基座7内。
35.基座部1包括底座31，底座31一侧设置有第一支撑座32，另一侧设置有第二支撑座33，第二支撑座33上开设有两个对称设置的安装孔34，第一支撑座32和第二支撑座33之间设置有两个指关节基座7，且两个指关节基座7的指关节电机10分别穿设于两个安装孔34内；第二支撑座33远离第一支撑座32的一侧设置有第三支撑座35，第三支撑座35远离第二支撑座33的一侧设置有第四支撑座36，第三支撑座35和第四支撑座36之间设置有一个指关节基座7。位于第一支撑座32和第二支撑座33之间的一个指关节基座7上固定安装有左旋蜗轮37，位于第一支撑座32和第二支撑座33之间的另一个指关节基座7上固定安装有右旋蜗轮38；左旋蜗轮37传动连接有左旋蜗杆39，右旋蜗轮38传动连接有右旋蜗杆40，右旋蜗杆40和左旋蜗杆39分别通过蜗杆支撑座41固定设置于底座31上；底座31上设置有减速电机支撑座42，减速电机支撑座42上设置有减速电机43，减速电机43为双轴输出电机，减速电机43通过内六角螺栓44与减速电机支撑座42固定连接，且减速电机43一端的传动轴穿过减速电机支撑座42的轴孔后通过轴卡传动连接有带凸台同步带轮45，右旋蜗杆40通过轴承和联轴器与减速电机43的一端输出轴传动连接，减速电机43另一端通过轴卡传动连接有带凸台同步带轮45，带凸台同步带轮45通过同步带46传动连接有同步带轮47，同步带轮47与左旋蜗杆39传动连接。第一支撑座32、第二支撑座33、第三支撑座35和第四支撑座36顶部连接有顶盖48，顶盖48上端铺设有顶盖垫板49。
36.在运行过程当中，指关节电机10驱动指关节蜗杆9和指关节蜗轮8转动，指关节蜗轮8带动驱动连杆关节13转动，指关节顶段4与指关节中段5处的扭簧3使指关节顶段4与指关节中段5保持张开的趋势，指关节中段5与指关节末段6处的扭簧3使指关节中段5与指关节末段6保持平行的趋势。通过两个扭簧3的作用，使得随动连杆关节在初始运动过程中保持不动，因而两个平行四边形连杆机构50能够保证指关节顶段端面始终与水平垂直。
37.两个斜四边形连杆机构51的作用是当遇到物体时，能够自适应机构形状，指关节末端碰到物体后不动了，中段继续移动，碰到物体后不在移动，顶段继续移动，实现抓取动作，实现包络抓取运动。在未碰触到工件时，两套平行四边形连杆机构50和两套斜四边形连杆机构51组合运动时，能够保证指关节末段始终保持垂直，因为能实现两指夹取的工况；在碰到工件后，两套平行四边形连杆机构50失效，两套斜四边形连杆机构51保证实现包络抓取运动。
38.本实用新型选择指关节蜗轮和指关节蜗杆作为动力传动结构，并选择合适的减速比，该结构的好处是能够实现机械自锁，当指关节电机旋转到堵转后停止，蜗轮蜗杆能够持续提供力矩，减轻了指关节部的负载。通过减速电机和左旋蜗杆、右旋蜗轮能够实现左旋蜗轮、右旋蜗轮反向的转动，进而带动同一侧的两个指关节基座跟随相向转动，使得同一侧内两个指关节的相向旋转，来实现同侧两指夹取的动作。
39.减速电机正反转能够实现机械爪侧指关节的运动，结合同步带轮结构，使得位于同一侧的两个指关节部的指关节基座同向转动，实现了同侧指关节的夹取与松开动作。在指关节三指夹取过程中，若没有工件，在指关节末段未碰触到限位的情况下，能够保持指关节顶段始终与水平垂直，因此能够实现机械爪三指平行夹取运送。
40.本实用新型指关节电机采用永磁同步电机，采用驱控一体方式控制，主芯片为stm32f407zgt6，算法内包含电机参数自测，矢量控制foc算法、弱磁控制、以及电流环、位置环和速度环，因此能够保证伺服电机的精度，并通过电机加减速算法能够保证机械爪运行流畅，无阻塞。
41.总额定输出转矩＝电机额定转矩
×
减速机效率
×
减速机减速比
×
蜗轮蜗杆减速比
42.总堵转输出转矩＝电机堵转转矩
×
减速机效率
×
减速机减速比
×
蜗轮蜗杆减速比
43.指端额定输出力＝总堵转输出转矩/机械指总长
44.指端加持力＝总堵转输出转矩/机械指总长
45.总额定输出转速＝电机额定转速/(减速机减速比
×
蜗轮蜗杆减速比)
46.每个减速电机由1块电机驱动器驱动，电机驱动器内置foc矢量控制算法、包含电流环、速度环、位置环，因此能够实现电机的精确定位控制与力矩控制。采用can通讯做为4块电机驱动器之间的通讯协议，对驱动器进行id分配，通过扩展帧数据帧格式对电机驱动器进行指令控制。微动开关位于指关节基座内靠近连杆关节
‑
驱动一侧，其作用是完成该减速电机的初始位置找零。通过改变电机电流环的目标电流来控制机械爪的抓取力，使其能够抓取不同领域的各种工件。
47.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。