一种平行开合力矩控制多功能机器人末端执行器及其应用的制作方法

本发明涉及一种机器人末端执行器。

背景技术：

“小型化多功能战场特种作业机械臂”应用于军委装备发展部批复的型号项目：“单兵便携式无人作战平台”，针对该项目中的“轻量化地面机器人”研制的小型化多功能战场特种作业的特种机械臂。

末端执行系统作为“单兵便携式地面无人作战平台”一个重要的重要载荷，在消防系统、观察和搜救任务、电力厂房、大数据机房的巡检任务中起着举足轻重的作用。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种平行开合力矩控制多功能机器人末端执行器。

本发明的技术解决方案是：一种平行开合力矩控制多功能机器人末端执行器，包括旋转部分、开合部分、平行四边形连杆机构、末端执行单元；所述的旋转部分和开合部分分别通过一套电机进行驱动，由旋转部分带动平行四边形连杆机构实现末端执行单元的工作角度，由开合部分带动平行四边形连杆机构实现末端执行单元的开合。

优选的，所述的旋转部分和开合部分均放置在末端执行器的外壳内。

优选的，所述的旋转部分包括旋转座、绝对编码器、旋转轴、旋转轴减速器、旋转轴电机、旋转轴编码器；

旋转轴编码器安装在旋转轴电机的电机端，旋转轴电机的输出端连接旋转轴减速器，旋转轴减速器的输出端通过一对外齿轮连接旋转轴；旋转座套在旋转轴外且固定；旋转座通过轴承安装在机架上且能够相对机架旋转；四组平行四边形连杆机构的一端均安装在旋转座上，另一端安装末端执行单元，绝对编码器与旋转轴减速器的输出轴同轴安装。

优选的，所述的绝对编码器的外圈和旋转轴减速器安装在一个电机支架上，绝对编码器的内圈通过轴承与旋转轴减速器的输出轴同轴安装。

优选的，旋转轴编码器采用增量编码器或者绝对编码器。

优选的，通过铜套将平行四边形连杆机构的一端压在旋转座上，铜套与旋转座固定连接，平行四边形连杆机构上端面与铜套之间留有间隙，平行四边形连杆机构可绕铜套旋转。

优选的，所述的开合部分包括滑动轴、带丝杠的减速器、伸缩轴电机、伸缩轴编码器；所述的丝杠为自锁丝杠；

伸缩轴编码器安装在伸缩轴电机的电机端、伸缩轴电机的输出轴连接带丝杠的减速器；丝杠上套装丝杠螺母；滑动轴安装在旋转轴内，丝杠螺母能够推动滑动轴的后端运动；每组平行四边形连杆机构的内侧连杆设置滑槽，四组滑槽通过一个推杆联系在一起；上述推杆穿过滑动旋转轴上的孔，滑动轴的前端穿过推杆以及滑动旋转轴；滑动轴的前端安装限位装置，用于后退时，为滑动旋转轴提供拉力。

优选的，所述的丝杠螺母通过丝杆套与滑动轴固连在一起。

优选的，还包括直线滑轨、直线滑轨的滑块与丝杆套固连，滑轨安装在末端执行器的外壳上。

优选的，伸缩轴编码器为绝对编码器或者采用增量编码器，当采用增量编码器时，需通过光电开关确定丝杠螺母的零位。

优选的，所述的推杆为带有一个径向通孔的圆柱体，圆柱体的两端设置螺纹孔；滑动轴的前端穿过该通孔且可相对转动，两个端盖放置在平行四边形连杆机构最外侧两个滑槽端面上并通过螺钉安装在上述螺纹孔内，防止推杆从平行四边形连杆机构的滑槽中转出。

优选的，所述的旋转轴为带有中心通孔的圆柱体，该通孔与滑动轴间隙配合，圆柱体的一端设置外齿轮的安装孔，另一端对称设置两个阶梯平面，通过阶梯平面与旋转座固定。

优选的，所述的末端执行单元为手爪或者剪刀或者钳子。

优选的，所述的手爪抓取面的前端为平面，平面后端为弧形面，弧形面中镂空。

优选的，弧形面的内侧镂空的边缘位置设置斜面。

优选的，所述的手爪的上下两边为不对称设计，一边为直边，一边为圆边。

优选的，在外壳上安装相机，为远程操作或者自主抓取提供有效途径。

优选的，末端执行器的所有导线均不外漏均放置在外壳内，机械接口和旋转面安装有密封圈，用于防水。

上述末端执行器，应用于单兵便携式机器人系统搭载的排爆机械臂手爪。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1.手爪的旋转与开合高度集成在一个机械臂杆内，与传统的机械臂的末端旋转关节外接手爪相比，大幅度减小了整体结构尺寸，可以降低被抓物体对机械臂关节的负载要求。

2.采用伺服电机提供动力，而非常见的气缸的方式，可以实现多点位高精度控制，适应不同尺寸不同重量不同表面软硬程度的物体，可以利用伺服电机电流实现力控。

3.用于手爪开合的伺服电机，配有增量编码器和光电开关实现绝对位置控制。

4.手爪开合的的自由度采用伺服电机加齿轮减速箱和自锁丝杠的方式，手爪抓紧时的保持力不依赖电机电流，使得抓取任务更可靠，降低总线电流和机械臂总功率，电机和丝杠为原厂所配，精度极高，手爪回差在0.1mm以下，同时，为了更好的减小间隙，降低误差，丝杠轴下方装有直线滑轨。

5.用于手爪旋转的伺服电机，电机端安装512线增量编码器，减速器输出端装有高精度单圈绝对编码器用于实现位置读数和位置控制。

6.各连接转轴均采用轴承、铜套或者非金属自润滑零件来降低金属间相对运动时的磨损，有效避免结构卡死，同时最大程度减小间隙，减小末端晃动。

7.手爪开合采用平行四边形结构，抓取稳定，切承载能力强，可提供更大的抓取力。

附图说明

图1为现有配重结构等轴侧视图；

图2为本发明的可变质量配重等轴侧视图；

图3为本发明手爪示意图；

图4为本发明一组平行四边形连杆机构示意图；

图5为本发明平行四边形连接机构连接部分示意图；

图6为本发明滑动旋转轴示意图；

图7为本发明滑动轴示意图；

图8为本发明旋转轴示意图；

图9为本发明旋转座示意图；

图10为本发明末端执行器密封后效果示意图；

图11为推杆示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明作详细说明。

一种平行开合力矩控制多功能机器人末端执行器，包括旋转部分、开合部分、平行四边形连杆机构12、末端执行单元13；所述的旋转部分和开合部分分别通过一套电机进行驱动，由旋转部分带动平行四边形连杆机构12实现末端执行单元13的工作角度，由开合部分带动平行四边形连杆机构12实现末端执行单元13的开合。旋转部分和开合部分均放置在末端执行器的外壳内。

末端执行单元13可以为如图3所示的手爪，手爪抓取面的前端为平面，平面后端为弧形面，弧形面中镂空。具体尺寸是依据被抓物体手雷和榴弹设计，中间有一个较大镂空，当为抓物体为球形结构时，手爪依靠两侧镂空的上下表面共四个接触面将其卡在其中，当被抓物体为柱形或类似的其他形状时，手爪依靠弧形接触面或者最前端的平面实现抓取。为了增加表面摩擦，手爪内侧可以附着橡胶材料。

弧形面的内侧镂空的边缘位置设置斜面。手爪的上下两边为不对称设计，一边为直边，一边为圆边。当手爪斜向下抓取物体时，可以根据实际情况选择用直边或圆边来抓，当直边侧的末端可能会接触地面时就应采用圆边来抓取。

手爪末端可以方便拆卸，作为多功能用途，安装其他形状用于其他应用场景的手爪和剪子、钳子等常用工具。

如图1所示，旋转部分包括旋转座1、绝对编码器2、旋转轴3、旋转轴减速器4、旋转轴电机5、旋转轴编码器6；

旋转轴编码器6安装在旋转轴电机5的电机端，旋转轴电机5的输出端连接旋转轴减速器4，旋转轴减速器4的输出端通过一对外齿轮连接旋转轴3；旋转座1套在旋转轴3外且固定；旋转座1通过轴承安装在机架7上且能够相对机架7旋转；如图4、5所示，平行四边形连杆机构12的一端通过结构件14安装末端执行单元13，绝对编码器2与旋转轴减速器4的输出轴同轴安装。通过铜套将平行四边形连杆机构12的一端压在旋转座1上，铜套与旋转座1固定连接，平行四边形连杆机构12上端面与铜套之间留有间隙，平行四边形连杆机构12可绕铜套旋转。

绝对编码器2的外圈和旋转轴减速器4安装在一个电机支架上，绝对编码器2的内圈通过轴承与旋转轴减速器4的输出轴同轴安装。旋转轴编码器6采用增量编码器或者绝对编码器。

如图2所示，开合部分包括滑动轴8、带丝杠的减速器9、伸缩轴电机10、伸缩轴编码器11；

伸缩轴编码器11安装在伸缩轴电机10的电机端、伸缩轴电机10的输出轴连接带丝杠的减速器9；丝杠上套装丝杠螺母；滑动轴8安装在旋转轴3内，丝杠螺母能够推动滑动轴8的后端运动；每组平行四边形连杆机构的内侧连杆设置滑槽，四组滑槽通过一个推杆17联系在一起；上述推杆17穿过滑动旋转轴16(图6)上的孔，滑动轴8的前端穿过推杆17以及滑动旋转轴16；滑动轴8的前端安装限位装置，用于后退时，为滑动旋转轴16提供拉力。伸缩轴编码器11为绝对编码器或者采用增量编码器，当采用增量编码器时，需通过光电开关确定丝杠螺母的零位。

如图11所示，推杆17为带有一个径向通孔的圆柱体，圆柱体的两端设置螺纹孔；滑动轴8(图7)的前端穿过该通孔且可相对转动，两个端盖放置在平行四边形连杆机构最外侧两个滑槽端面上并通过螺钉安装在上述螺纹孔内，防止推杆从平行四边形连杆机构的滑槽中转出。

如图8所示，旋转轴3为带有中心通孔的圆柱体，该通孔与滑动轴8间隙配合，圆柱体的一端设置外齿轮的安装孔，另一端对称设置两个阶梯平面，通过阶梯平面与旋转座固定。

减速器9自带的丝杠为自锁丝杠，丝杠螺母通过丝杆套15与滑动轴8固连在一起。直线滑轨的滑块与丝杆套15固连，滑轨安装在末端执行器的外壳上。

在外壳上安装相机，为远程操作或者自主抓取提供有效途径。

如图10所示，末端执行器的所有导线均不外漏均放置在外壳内，机械接口和旋转面安装有密封圈(旋转座1和机架7之间，旋转座1和旋转轴3之间，旋转轴3和滑动轴8之间使用密封圈进行动密封，相机支架和外壳，对扣的两个外壳，以及机架7和外壳之间为采用密封圈和密封胶进行静密封)，用于防水，可以达到ip67。

手爪的所有电气接口和机械接口在一起，便于整体拆卸，可作为一体化手爪，配合统一形式的法兰，实现在不同机械臂上的安装

本发明整体为内轴移动、外轴旋转的结构。旋转电机5带动旋转轴减速器4转动，通外齿轮轮带动旋转轴3旋转，旋转轴3通过图9所示的双面铣扁结构与旋转座1卡主进而带动旋转座旋转，平行四边形连杆机构12同样在旋转座1的带动下旋转，由于推杆17上下两端的限位，使得推杆17带动滑动旋转轴16旋转，滑动旋转轴16和滑动轴18中间用耐磨材料分离，使得旋转运动和直线运动得以解偶，滑动轴不参与旋转运动。直线运动时，伸缩轴电机10带动带丝杠的减速器9旋转，从而使得丝杠的螺母、丝杆套15、滑动轴8、滑动旋转轴16和推杆17沿轴向向前运动，推杆17在平行四边形连杆机构12的滑槽内运动，进而推开四边形连杆机构12，使末端执行单元13张开；当末端执行单元13需要闭合时，伸缩轴电机10带动带丝杠的减速器9旋转，从而使得丝杠的螺母、丝杆套15和滑动轴8可反向运动，滑动轴的末端通过螺母将滑动旋转轴16拉回，推杆17、四边形连杆机构12和末端执行单元13可以完成闭合。

手爪通过平行四边形连杆机构，实现末端的平行开合，提高抓取可靠性、稳定性的同时也使得其便于操作。手爪末端最大张开80mm，抓取任务要求为直径一般为50mm的手雷和直径35mm的榴弹，接近50％的容差可以有效的提高抓取任务的成功率，并且降低整个抓取操作对末端以及整个排爆系统和搭载平台的控制精度的要求。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。