自适应机械手爪的制作方法

本发明涉及工业自动化生产和教学科研技术领域，具体涉及一种自适应机械手爪。

背景技术：

目前普遍认知的机械手爪是由执行机构、驱动系统、控制系统、位置检测装置组成。市面上大部分抓手只有简单的执行机构和驱动系统，其中最典型的是夹持手爪(机构抓取)和吸附手爪(真空或磁力吸取)。

夹持式手爪由手指和驱动机构组成，手指与抓取物体直接接触，分成平移型和回转型。手指的具体结构取决于抓取物品表面的形状、尺寸、抓取部位以及重量。常用指型有平面、圆面、曲面、槽型；夹持方式有外持和内撑；指数有单指、双指、多指。而手爪的驱动机构常见的有滑槽式、连杆式、斜面式、齿轮齿条式、丝杆式、重力式等。常见的驱动系统有电机和气缸。

吸附式手爪主要由吸盘组成，靠负气压或者电磁磁场吸附物品。负气压手爪常用于吸附薄片状、光滑表面、轻小的材料；电磁手爪常用于吸附可磁化金属或表面有网口的物品。

由于不同物品有不同的外形，通常手爪只能抓取特定的或者同一类型的物品，导致抓手的适应性单一，无法灵活应对多变的应用需求。

现有设计由于是一个电机驱动三个手爪，致使每个手指不能独立运动，所有手指都要同步运动且所有手指的运动轨迹具有对称性。所以抓手只能抓取形状比较对称的物体，当抓手抓取的物体形状多变，如半径递增的阶梯状传动轴或者是锥状物体，甚至是螃蟹一类的海产，现有的手指运动方式就无法准确和稳定地抓取物品。

另一个现方案的缺点是三个手指需要整体转动0到90度来调节手指位置以抓取不同形状的物体，由于每个手指的整体机构比较庞大，一个电机带动三个手指进行最大达90度的转动，由于电机功率过小，转动幅度大，手指需要比较长的运动时间才能到达预定角度。

现有方案还有一个缺点是整体机械和电子结构暴露于工作环境中，工业生产现场产生的粉尘、油雾、水汽、金属碎屑等污染物会侵入抓手机构内部，影响抓手正常运转，降低抓手使用寿命，而且工作中的意外碰撞也会使抓手受损。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种能灵活多变地完成复杂精细的操作的、多自由度的、能防尘放水的自适应机械手爪。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应机械手爪，包括机器人本体，还包括抓取组件、传动组件、驱动机构、控制机构和电源机构，抓取组件和传动组件分别设置在机器人本体上，驱动机构、控制机构和电源机构分别设置在机器人本体的内部，抓取组件与传动组件活动连接，驱动机构的输出端与传动组件连接以带动抓取组件，控制机构与驱动机构通讯连接，电源机构分别与与控制机构和驱动机构电性连接。

进一步，所述抓取组件为机械手指，机械手指包括指尖、中节、末节和旋转座，指尖、中节和末节分别通过传动组件铰接，末节设置在旋转座上，驱动机构设置在旋转座内部。机械手指的旋转角度为顺时针15度，逆时针15度。

驱动单个机械手指的驱动机构安装在旋转座内，在实际应用中，旋转座可为金属旋转座，金属旋转座对驱动机构的防护可达ip66，有效的保护电机的工作环境的同时，驱动机构产生的热量可以通过旋转座进行传导散热。

再进一步，所述传动组件包括中连杆前段连杆、中连杆、末连杆、中拉杆、末拉杆和动力杆，末连杆与旋转座铰接，中连杆与机械手指的末节铰接，中连杆前段连杆与机械手指的中节铰接，两根动力杆设置在旋转座上，两根动力杆的一端与驱动机构连接，两根动力杆的另一端分别通过末连杆与两根末拉杆的一端铰接，两根末拉杆的另一端分别通过末连杆与两根中拉杆的一端铰接，两根中拉杆的另一端分别与中连杆前段连杆连接。动力杆与动力杆之间、中拉杆与中拉杆之间和末拉杆与末拉杆之间尺寸一致，位置平行相对。

进一步，所述驱动机构包括电机、驱动盘、转盘、蜗轮、蜗杆和圆锥齿轮，电机的输出端通过蜗轮、蜗杆和圆锥齿轮与驱动盘传动连接，转盘与驱动盘从动连接，转盘的输出轴与动力杆的一端连接。蜗轮、蜗杆配合圆锥齿轮能在保证增大电机输出轴力矩的同时，若抓取的物品脱手或机械手指的中节、末节和指尖处于夹紧状态时，圆锥齿轮停止转动，使得蜗轮、蜗杆也停止转动，从而关停电机，具有自锁能力，能防止抓取的物品脱手。

再进一步，所述电机的外部设置有金属滚轴。金属滚轴对电机起到一个外部防护作用，使得电机的ip防护等级可达到ip66。

进一步，所述自适应机械手爪还包括底座，底座包括上盖和下外壳，旋转座设置在底座的上盖上，下外壳与上盖密闭连接，下外壳通过法兰与机器人本体连接，下外壳还设置有航空插头。底座的上盖在自适应机械手爪抓取大物件时会参与抓取动作并主要起到支撑作用。手指的末节的收合角度为90度，收合后指尖可以触碰到上盖，不产生抓取空隙，即使是放在上盖的纸张也能抓取。底座是一体式设计，由整块金属通过cnc机加工成型，具有防尘防泼溅防机械碰撞的能力的同时，具有良好散热能力。

可通过航空插头获取外部电力来给自适应机械手爪充电，也可连接机器人本体的i/o接口以接收外部指令信号控制机器人本体操控自适应机械手爪。

再进一步，所述自适应机械手爪设置有3个抓取组件、3个传动组件、4个控制机构和4个驱动机构，每个抓取组件分别与一个传动组件铰接，与抓取组件对应铰接的传动组件与一个驱动机构连接，一个驱动机构和一个控制机构通讯连接，其中两个抓取组件设置在同一侧，两个设置在同一侧的抓取组件之间还设置有一个驱动机构。

由于每个机械手指都由单个电机驱动，每个机械手指都可以自由完成抓取动作，即使物体形状多变，如半径递增的阶梯状传动轴或者是锥状物体，甚至是螃蟹一类的海产也可以自动适应物体表面并包络抓取。两个设置在同一侧的机械手指能同时旋转向单侧旋转且旋转角度大小相同方向相反，可让机械手指做出并指和分指的动作。

再进一步，所述自适应机械手爪还包括有防滑垫，防滑垫设置在抓取组件和底座上盖上，防滑垫可拆卸。防滑垫分别设置在机械手指的中节和末节上以及底座的上盖。防滑垫能增大机械手指的中节、末节和上盖的表面粗糙度，能增大与物体接触的摩擦力，防止物体脱手。

进一步，所述自适应机械手爪还包括压力传感器，压力传感器设置在抓取组件和底座上盖上，压力传感器与控制机构通讯连接。压力传感器分别设置在机械手指的中节和末节以及底座的上盖上。压力传感器可精准监测出机械手指和底座上盖的物体的压力，并将压力信号传送到控制机构后，控制机构发出相应的指令控制驱动机构带动机械手指抓取物体，以达到更精确的机械手指运动控制。

再进一步，所述自适应机械手爪的外部设置有金属外壳。金属外壳起到了防尘、防泼溅、防碎屑和防碰撞的作用，提高在内部机构的防护等级。

本发明的工作原理：

本发明具有11个自由度，其中一个手指具有3个自由度，另外两个位于同一侧的手指各具有4个自由度，原动件数目小于机构的自由度称为欠驱机构。欠驱机构能简化机构，增加机构的灵巧性和自适应性。

本发明的有益技术效果：

1、由于机械手指由独立电机驱动，手指可以自动适应抓取物品的表面形状、尺寸、部位以及硬度，机械手指的夹持力为现有方案3倍，可以抓取更重物品，抓取物品也更牢固，大大增加灵活度；

2、机械手指可以侧向转动持小件物品，且机械手指闭合和旋转所需角度减少，本发明抓取物件的响应速度更快；

3、电机的输出配合蜗轮、蜗杆和圆锥齿轮进行传动，在保证增大力矩的同时具有自锁能力，防止抓取的物品脱手的同时也可以防止电机过载；

4、一体式设计的底座由整块金属通过cnc机加工成型，具有防尘防泼溅防机械碰撞的能力的同时，还兼具良好散热能力。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为发发明的使用状态图1；

图4为本发明的使用状态图2。

附图标记

指尖1；中节2；末节3；旋转座4；指头替换件5；中连杆前段连杆6；中连杆7；末连杆8；中拉杆9；末拉杆10；动力杆11；电机12；驱动盘13；转盘14；蜗轮15；圆锥齿轮16；上盖17；下外壳18；航空插头19；防滑垫20；电路板21；蜗杆22。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

一种自适应机械手爪，如图1－4所示，包括机器人本体，还包括抓取组件、传动组件、驱动机构、控制机构和电源机构，抓取组件和传动组件分别设置在机器人本体上，驱动机构、控制机构和电源机构分别设置在机器人本体的内部，抓取组件与传动组件活动连接，驱动机构的输出端与传动组件连接以带动抓取组件，控制机构与驱动机构通讯连接，电源机构分别与与控制机构和驱动机构电性连接。

进一步，所述抓取组件为机械手指，机械手指包括指尖1、中节2、末节3和旋转座4，指尖1、中节2和末节3分别通过传动组件铰接，末节3设置在旋转座4上，驱动机构设置在旋转座4内部。机械手指的旋转角度为顺时针15度，逆时针15度。特别地，可以在指尖2上安装指尖替换件5。

驱动单个机械手指的驱动机构安装在旋转座4内，在实际应用中，旋转座可为金属旋转座，金属旋转座对驱动机构的防护可达ip66，有效的保护电机的工作环境的同时，驱动机构产生的热量可以通过旋转座进行传导散热。

再进一步，所述传动组件包括中连杆前段连杆6、中连杆7、末连杆8、中拉杆9、末拉杆10和动力杆11，末连杆10与旋转座铰接，中连杆7与机械手指的末节3铰接，中连杆前段连杆6与机械手指的中节2铰接，两根动力杆11设置在旋转座4上，两根动力杆11的一端与驱动机构连接，两根动力杆11的另一端分别通过末连杆8与两根末拉杆10的一端铰接，两根末拉杆10的另一端分别通过末连杆8与两根中拉杆9的一端铰接，两根中拉杆9的另一端分别与中连杆前段连杆6连接。动力杆11与动力杆11之间、中拉杆9与中拉杆9之间和末拉杆10与末拉杆10之间尺寸一致，位置平行相对。

进一步，所述驱动机构包括电机12、驱动盘13、转盘14、蜗轮15、蜗杆22和圆锥齿轮16，电机12的输出端通过蜗轮15、蜗杆22和圆锥齿轮16与驱动盘13传动连接，转盘14与驱动盘13从动连接，转盘14的输出轴与动力杆11的一端连接。蜗轮15、蜗杆22配合圆锥齿轮16能在保证增大电机12输出轴力矩的同时，若抓取的物品脱手或机械手指的中节2、末节3和指尖1处于夹紧状态时，圆锥齿轮16停止转动，使得蜗轮15、蜗杆22也停止转动，从而关停电机12，具有自锁能力，能防止抓取的物品脱手。

再进一步，所述电机的外部设置有金属滚轴。金属滚轴对电机起到一个外部防护作用，使得电机的ip防护等级可达到ip66。

进一步，所述自适应机械手爪还包括底座，底座包括上盖17和下外壳18，旋转座设置在底座的上盖17上，下外壳18与上盖17密闭连接，下外壳18通过法兰与机器人本体连接，下外壳18还设置有航空插头19。底座的上盖17在自适应机械手爪抓取大物件时会参与抓取动作并主要起到支撑作用。机械手指的末节3的收合角度为90度，收合后指尖1可以触碰到上盖17，不产生抓取空隙，即使是放在上盖17的纸张也能抓取。

底座是一体式设计，由整块金属通过cnc机加工成型，具有防尘防泼溅防机械碰撞的能力的同时，具有良好散热能力。底座防护等级可达ip54。在实际应用中，底座的下外壳18由7075铝合金整体加工而成，法兰厚10mm，壁均厚4mm，能有效对抗工业生产中10kg负载六轴机器人的常速运行下的撞击。

可通过航空插头19获取外部电力来给自适应机械手爪充电，也可连接机器人本体的i/o接口以接收外部指令信号控制机器人本体操控自适应机械手爪。

再进一步，所述自适应机械手爪设置有3个抓取组件、3个传动组件、4个控制机构和4个驱动机构，每个抓取组件分别与一个传动组件铰接，与抓取组件对应铰接的传动组件与一个驱动机构连接，一个驱动机构和一个控制机构通讯连接，其中两个抓取组件设置在同一侧，两个设置在同一侧的抓取组件之间还设置有一个驱动机构。在实际应用中，控制机构为电路板21。

由于每个机械手指都由单个电机12驱动，每个机械手指都可以自由完成抓取动作，即使物体形状多变，如半径递增的阶梯状传动轴或者是锥状物体，甚至是螃蟹一类的海产也可以自动适应物体表面并包络抓取。两个设置在同一侧的机械手指能同时旋转向单侧旋转且旋转角度大小相同方向相反，可让机械手指做出并指和分指的动作。3个手指展开后指尖1距离为172mm，展距为246mm，高度为214.5mm，宽度为132mm。

再进一步，所述自适应机械手爪还包括有防滑垫20，防滑垫20分别通过螺丝固定在机械手指的中节2和末节3上以及底座的上盖17，防滑垫20可拆卸。防滑垫20能增大机械手指的中节2、末节3和上盖17的表面粗糙度，能增大与物体接触的摩擦力，防止物体脱手。

进一步，所述自适应机械手爪还包括压力传感器，压力传感器分别设置在机械手指的中节2和末节3以及底座的上盖17上，压力传感器与控制机构通讯连接。压力传感器可精准监测出机械手指和底座上盖17的物体的压力，并将压力信号传送到控制机构后，控制机构发出相应的指令控制驱动机构带动机械手指抓取物体，以达到更精确的机械手指运动控制。

再进一步，所述自适应机械手爪的外部设置有金属外壳。金属外壳起到了防尘、防泼溅、防碎屑和防碰撞的作用，提高在内部机构的防护等级。

实施例1

若指尖1先触碰到物体时，动力杆11通过末连杆8与末拉杆10连接，末拉杆8通过中连杆7与中拉杆9连接，中拉杆9通过中连杆前段连杆6与指尖1连接，形成了稳定的支撑结构，控制机构启动电机12，带动驱动盘13转动使得转盘14转动，设置在旋转座4上的与转盘4的输出端连接的动力杆11发生相应的转动位移，使得所有夹持力施加于指尖上夹紧物体。机械手指的中节2和末节保3持现有位置不动。

实施例2

若机械手指的中节2先触碰到物体时，机械手指的末节3停止不动，控制机构启动电机12，带动驱动盘13转动使得转盘14转动，设置在旋转座4上的与转盘14的输出端连接的动力杆11发生相应的转动位移，使得机械手指的指尖1继续移动，直到触碰到物体表面并抓紧。

实施例3

当机械手指的末节3先触碰到物体时，控制机构启动电机12，带动驱动盘13转动使得转盘14转动，设置在旋转座4上的与转盘14的输出端连接的动力杆11发生相应的转动位移，使得机械手指的中节2和指尖1继续移动，并对物体形成包络，把物体压紧在底座的上盖17，对物体进行牢固抓取；当在同一侧的机械手指并指夹紧，机械手指的指尖1侧面触碰到物体时，机械手指的中节2、末节3和指尖1保持当前形态不变，指尖1对物体施加夹持力夹紧物体。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。