一种连续转动多功能三指机械手爪的制作方法

本发明专利设计一种连续转动多功能三指机械手爪，属于机器人学、机构学、机械设计等领域

背景技术：

机械手爪是用来夹持工件或工具的机器人部件，是重要的机器人执行机构之一。机器人的末端执行器主要分为两类，一类是专用夹持器，另一类是类人多指灵巧手。机械手爪可以归类为专用夹持器。机械手爪通常具有一、两个自由度，一般由一、两个电机驱动，制造相对简单，成本相对较低，控制简单可靠。而类人多指灵巧手由于手指关节多，自由度数目多，运动控制复杂，制造相对困难，成本相对昂贵。而在工业机器人制造中，在满足所需功能的前提下，成本是最主要的考虑因素，加上控制简单可靠，使得机械手爪在工业制造中具有更大的优势。

当前在工业机器人机械手爪中，典型代表是加拿大robotiq公司生产的2指机械手爪和3指机械手爪。robotiq机械手爪主要用于夹持金属零部件，所以其机器手爪夹取范围和夹取质量适用于夹取金属零部件，当夹持质量大密度小体积大的非金属零部件或物体时，其夹取范围和夹取质量往往不能满足现有需求，并且robotiq机械手爪存在着价格昂贵、不能实现连续转动的缺点。目前市面上大部分传统机械手爪不能实现连续转动功能，通常只是单纯的实现开合功能。而实际工业生产中有些场景是需要机械手爪能够进行连续360度旋转的，并且对于机械手爪连续360度旋转的需求是十分强烈的。

目前工业中的做法通常是传统机械手爪配合6自由度串联工业机械臂的手腕关节来实现旋转功能，而六自由度机械臂通常价格十分昂贵。对于机械手爪安装在并联机械臂来说，如果机械臂本体换成目前工业中大规模使用三自由度的delta机构，其机械臂本身就不能实现连续旋转，那么传统机械手爪也无法实现转动功能。此时如果机械手爪自带一个旋转自由度，那么就可以很好地解决这个问题。并且上述将机械手爪安装在机械臂的方法来获得旋转自由度的方法，通常是用导电滑环的方式来实现，即通过电连接的形式来实现，避免手爪电机线在旋转过程中被绞断。而本发明是通过机械结构上来实现手爪的连续整周转动。

对于当下流行的协作机器人来说，如果机械手爪本身自带一个旋转自由度，那么协作机器人机械臂手腕部分可以减少一个旋转自由度，本发明机械手爪自身携带转动自由度增加的成本要远远低于机械臂一个手腕关节模块的成本，这对于整个项目来说，其成本可以下降不少，对企业生产更加有利。

并且目前大部分传统机械手爪不能实现拧内六角螺钉的功能。但是在实际工业自动化生产中，这种拧内六角螺钉的生产装配需求确实存在。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出连续转动多功能三指机械手爪，兼具抓取、操作和连续转动的功能。同时在传统三指机械手爪的基础上，通过指端头部的机械结构设计可以实现类似于内六角扳手拧内六角螺钉的功能。

本发明连续转动多功能三指机械手爪，包括三指机械手爪腕部与腕部前端周向三根机械手指，以及三指开合驱动机构与腕部旋转驱动机构。三指开合驱动机构与腕部旋转驱动机构两者安装于三指机械手爪腕部内部定子轴上，分别用来实现三根机械手指的开合动作以及三指机械手爪腕部的旋转。

上述三根机械手指的指端前端面设计有突起，突起的前端面为竖直平面，纵截面为菱形；当三根机械手指完全收拢在一起时，三根机械手指指端上的突起间相邻侧面贴合，构成正六边型纵截面的内六角螺钉配合端。由此通过指端头部的机械结构设计可以实现类似于内六角扳手拧内六角螺钉的功能。且指端的突起可以随着手爪的开合大小来适应不同尺寸的内六角螺钉，从而实现对不同尺寸的内六角螺钉的拧紧功能。同理，本发明连续转动多功能三指机械手爪指端的内端面也可以随着手爪的开合大小来适应不同尺寸的六角螺栓或六角螺母，从而实现对六角螺栓或螺母的拧紧功能。

本发明的优点在于：

1、本发明连续转动多功能三指机械手爪，兼具抓取、操作和连续转动的功能，其中三指机械手爪的开合可以实现抓取功能，并且三指机械手爪通过机械上的设计可以实现连续整周旋转的功能。

2、本发明连续转动多功能三指机械手爪，在三指机械手爪闭合的时候由指端特殊的形状可以实现拧内六角螺钉和外六角螺母的操作功能，以及摁开关的功能。由于在拧螺母实际操作中需要连续整周旋转，本手爪可以实现连续整周转动功能，满足了工业需要。并且机械手爪的指端头部和指端内端面可以随着手爪开合大小的不同，来实现对不同尺寸的内六角螺钉和六角螺母的拧紧功能。

3、本发明连续转动多功能三指机械手爪，整体结构紧凑，控制简单。

4、本发明连续转动多功能三指机械手爪，成本较低，便于推广。

附图说明

图1为本发明连续转动多功能三指机械手爪整体结构示意图；

图2为本发明连续转动多功能三指机械手爪侧剖图；

图3为本发明连续转动多功能三指机械手爪收拢状态示意图；

图4为本发明连续转动多功能三指机械手爪收拢状态时前端突起拼接后示意图。

图中：

1-三指机械手爪腕部2-机械手指3-三指开合驱动机构

4-腕部旋转驱动机构5-限位开关6-手腕连接件

101-定子轴102-三指端盖201-指端

202-指节201a-突起301-丝杠电机减速器

302-推杆连接盘303-丝杠推杆304-手指推杆三耳座

305-手指推杆306-限位开关销轴401-手腕电机

402-齿轮403-齿圈端盖404-手腕电机安装架

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明连续转动多功能三指机械手爪，如图1所示，包括三指机械手爪腕部1、机械手指2、三指开合驱动机构3与腕部旋转驱动机构4。其中，三指机械手爪腕部1为圆柱形结构，内部通过轴承安装有定子轴101，如图2所示；三指机械手爪腕部1前端面上同轴安装有环形三指端盖102，用来安装机械手指2。机械手指2为三个，均采用现有的四连杆结构机械手指，具有指端201与指节202，在三指机械手爪腕部1前端端部成三角对称布置，指节202末端铰接于三指端盖102上。三根机械手指2由三指开合驱动机构3实现三根机械手指2的开合动作，并由腕部旋转驱动机构4驱动三指机械手抓腕部1连续整周旋转。

所述三指开合驱动机构3包括丝杠电机减速器301、推杆连接盘302、丝杠推杆303、手指推杆三耳座304与手指推杆305。其中，丝杠电机减速器301安装在定子轴101上，轴线与定子轴101平行。推杆连接盘302固定套接于丝杠电机减速器301的丝杠螺母部分上。丝杠推杆303轴线与定子轴101平行，末端置于推杆连接盘302上的开孔中，通过限位开关销轴306与丝杠推杆303末端开孔以及推杆连接盘302侧壁开孔间轴孔配合，实现丝杠推杆303与推杆连接盘302间的固定。丝杠推杆303前端通过两个推力轴承与手指推杆三耳座304轴承连接。手指推杆三耳座304周向上具有三个铰接座，分别与三个手指推杆305末端铰接，三个手指推杆305前端分别与三根机械手指2的指节202中部铰接。由此，通过丝杠电机驱动器控制丝杠电机减速器301工作，由丝杠电机减速器301驱动丝杠螺母直线运动，带动推杆连接盘302直线移动；推杆连接盘302通过限位开关销轴306带动丝杠推杆303直线移动，丝杠推杆303通过推力轴承，结合手指推杆三耳座304以及手指推杆305，带动指节202的摆动和指端201的平动，从而实现三根机械手指2的开合运动。

本发明中在定子轴101内部安装有两个微型限位开关5，其中一个限位开关5位于前端，其上的金属拨片横向设置，另一个限位开关5位于后端，其上的金属拨片纵向设置，使两个限位开关5的金属拨片分别位于限位开关销轴306末端的前移和后移路径上，由此当丝杠推杆303前后移动过程中，丝杠推杆303上的限位开关销轴306触碰两个限位开关5的金属拨片，触发两个限位开关5，实现对三根机械手指2极限位置的控制。

所述手腕旋转驱动机构4包括手腕电机401、齿轮402与齿圈端盖403。其中，手腕电机401轴线与定子轴101平行，通过手腕电机安装架404安装在定子轴101上设计的后延伸段上。同时定子轴101通过手腕连接件6实现三指机械手爪腕部1与机械臂末端连接。手腕电机401输出轴上固定套接有齿轮402，齿轮402与三指机械手爪腕部1后端固定安装的环形齿圈端盖403的内齿结构啮合。由此通过手腕电机401驱动器驱动手腕电机401转动带动齿轮402转动，齿轮402转动带动齿圈端盖403转动，由于齿圈端盖403与三指机械手爪腕部1间的固定关系，会带动整个三指机械手抓腕部1绕定子轴101中心轴线转动，进而实现三根机械手指2的连续转动；且通过三指开合驱动机构3中的推力轴承可以避免手指推杆三耳座304的扭矩对丝杠推杆303运动的影响，隔离了丝杠推杆303直线运动的影响，使三根机械手指2的转动与三根机械手指2的开合运动互不干涉，可在三根机械手指2开合运动的同时进行连续转动。

本发明为了实现拧内六角螺钉、外六角螺钉与外角螺母的功能，还对三根机械手指2的指端201进行设计，具体如下：

三根机械手指2的指端201设计为梯形结构，后端与指节202前端铰接；指端201前端面设计有突起201a，该突起201a的前端面为竖直平面，纵截面为菱形。由此当三根机械手指2完全收拢在一起时，三根机械手指2指端201上的突起201a间相邻侧面贴合，构成一正六边型纵截面的等同于六角扳手形状的内六角螺钉配合端，如图4所示。同时三根机械手指2的指端201内侧面上还设计有纹理结构，用于增大与接触面间的摩擦力。

本发明连续转动多功能三指机械手爪在进行拧内六角螺钉时，首先，控制丝杠电机减速器301使丝杠推杆303前移，带动三根机械手指2逐渐收拢，直至限位开关销轴306触碰限位开关5，此时三根机械手指2完全收拢，如图3所示，三根机械手指2指端201上的突起201a拼接形成六角螺钉配合端。随后通过控制机械臂使六角螺钉配合端插入内六角螺钉内，此时通过腕部电机401控制三指机械手爪腕部1及三根机械手指2的连续转动，实现拧内六角螺钉功能。在拧内六角螺钉时，可通过控制三根机械手指2开合大小，来调节指端201间形成的内六角螺钉配合端所形成的六边形纵截面尺寸，来适应不同尺寸的内六角螺钉，从而实现对不同尺寸内六角螺钉的拧紧功能。上述三根机械手指2的指端201插入内六角螺钉后，指端201外侧面与内六角螺钉间的接触靠丝杠电机减速器301控制器的力矩模式判断，如果两者接触，力矩控制模式会有电流的变化。

本发明连续转动多功能三指机械手爪在进行拧外六角螺钉以及外六角螺母时，控制丝杠电机减速器301使丝杠推杆前移，带动三根机械手指2逐渐收拢，直至三根机械手指2指端201内侧面的纹理结构与外六角螺钉或外六角螺母周向上接触，增加螺母周向间的摩擦力。随后，通过腕部电机201控制三指机械手爪腕部1及三根机械手指2的连续转动，实现拧外六角螺钉或外六角螺母的功能。上述三根机械手指2指端201内侧面与外六角螺钉或外六角螺间的接触同样靠丝杠电机减速器301控制器力矩模式判断，如果接触上了，力矩控制模式会有电流的变化。