一种机械手取杯持杯装置及方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机械手取杯持杯装置及方法。

背景技术：

饮料在餐饮服务中不可或缺，其品种繁多，量大面广，是一个非常庞大的市场，各品牌各商家都在激烈竞争。饮料销售无处不在，包括商场、餐厅、娱乐场等各公共场所。

饮料的销售传统以人工或自助为主，随着自动化技术的发展，销售及供应方式也在不断的变化，已出现了无人售货机等形式。随着机器人技术的普及应用，在餐饮行业中一些商家也会引入机器人服务作为营销手段，如餐厅中采用机器人送餐饮到台等。另外，目前也有厂家专门针对奶茶饮料开发无人值守销售设备，采用工业机器人，进行现场调配售卖。

然而，目前在餐饮销售行业中应用的机器人还有比较大的局限性，如上述的两类机器人中：第一类机器人(即送餐饮机器人)，实质上，该形式的机器人仅相当于一种人型的agv小车，只能实现按轨道导航送货，功能单一，难以长久吸引消费者。第二类机器人(即无人值守奶茶销售设备)，其实质是把一台工业用的机械臂集成到系统中形成自动化设备，工作时，机械臂手持钢杯，装入奶茶配料，摇匀后倾倒入台面上的塑料杯中，该套设备配料工位多，系统复杂，占地面积大，但其功能也单一，其本质上还不属于专用的饮料供应机器人，因此在目前市场上仍难以得到较好的推广。因此，为了适应人们日益提高的生活水平，开发一种新的饮料销售机器人及其相关配件，将具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对斟杯式饮料供应机器人，提供一种机械手取杯持杯装置，该装置结构简单、使用灵活且运行稳定，可实现连续的自动取杯和持杯动作。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装置实现的机械手取杯持杯方法。

本发明的技术方案为：一种机械手取杯持杯装置，包括机架、杯体分离机构、杯体提取机构和抓杯机械手，杯体分离机构和杯体提取机构分别安装于机架上，杯体分离机构中设有至少两根推进螺杆，套叠的杯体横置于推进螺杆上，杯体提取机构的提取端为吸盘，吸盘位于杯体底部外侧，抓杯机械手带有夹爪，夹爪设于被提取后的杯体外周。其中，机架作为支撑机构，主要用于安装杯体分离机构和杯体提取机构的各组成部件；杯体分离机构采用螺杆推进的方式进行套叠杯体的输送，同时利用螺杆上螺距的变化对即将到达杯体出口处的杯体进行分离；杯体提取机构的提取端采用真空吸盘的方式，对已初步分离的杯体底部进行吸附后提取出来；抓杯机械手利用其夹爪的开合动作抓取已被提取出来的杯体，并利用其翻转动作将杯体旋转至持杯状态。

所述抓杯机械手包括夹爪、手座、夹爪开合驱动组件和旋转关节，手座上对称设有两个夹爪，夹爪与夹爪开合驱动组件连接，手座的一侧与旋转关节连接。该机械手结构中，两个夹爪用于抓取或夹持杯体；手座作为安装基座，主要用于安装组成机械手的各组成部件；夹爪开合驱动组件用于驱动两个夹爪摆动，实现打开或合拢的动作；旋转关节外接机器人手臂腕部，用于带动手抓实现翻转动作。

所述夹爪开合驱动组件包括夹爪电动缸、齿条、第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮分别通过对应的齿轮轴与两个夹爪连接，夹爪电动缸的输出端与齿条连接，第一齿轮与齿条啮合连接，第二齿轮与第一齿轮啮合连接。爪开合驱动组件采用齿条和齿轮相配合的结构形式，可有效减小机械手的整体体积，且传动精度高，可达到稳定夹持杯体的效果。

手座为一侧带有开口的中空箱装结构，两个夹爪的一端位于手座内并与夹爪开合驱动组件连接，两个夹爪的另一端从开口处伸出。齿条、第一齿轮和第二齿轮安装于手座内，夹爪电动缸安装于手座外侧，旋转关节也安装于手座外侧。安装时，电动缸的活塞杆伸入手座后与齿条一端固定连接。

所述夹爪为整体呈弯刀状的一体式结构，包括相连接的夹持部和摆动部，摆动部与夹爪开合驱动组件连接，夹持部的内侧设有弧形凹槽，弧形凹槽的底部呈托板状。抓杯时，夹持部夹持于杯体外壁上，杯体底部落入弧形凹槽内。一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

所述弧形凹槽顶面所处的高度低于杯体的杯口边沿高度。根据试验表明，该弧形凹槽的深度范围为杯体高度的1/3至3/4时为最佳深度，一方面可较好地保证夹爪稳定夹持杯体，另一方面，杯体上部露出夹爪之外，可为用户抓杯提供空间，使用方便。

弧形凹槽的内侧壁呈倾斜状，其倾斜度等于杯体外壁的倾斜度。根据实际使用过程中杯体外壁的具体形状，弧形凹槽的内侧壁形状可相应设计成与杯体外壁相同的形状，以便于进一步保障其稳定夹持的效果。

旋转关节为伺服驱动的减速器。

所述杯体分离机构包括动力驱动组件和至少两根推进螺杆，动力驱动组件设于各推进螺杆的一端，各推进螺杆分布于套叠的杯体外侧；各推进螺杆结构相同(包括螺距、螺纹旋向等均一致)，包括沿杯体输送方向依次连接的输送段和分离段，分离段的螺距大于输送段的螺距。其中，各推进螺杆的两端分别安装于机架上，推进螺杆的一端设置动力驱动组件，推进螺杆的另一端为杯体出口，推进螺杆的输送段靠近动力驱动组件，分离段靠近杯体出口。

所述杯体分离机构还包括导杆，导杆也位于套叠的杯体外侧且与推进螺杆相平行设置。导杆的设置，一方面可对套叠的杯体输送起到导向作用，另一方面，利用导杆和推进螺杆的位置分布，可形成一个适合杯体横卧的输送槽，放置杯体掉落或移位，确保杯体的稳定输送。

一般情况下，杯体分离机构中设有两根推进螺杆和两根导杆，两根推进螺杆对称位于杯体下部的两外侧，两根导杆对称位于杯体中部的两外侧。

所述杯体分离机构中，推进螺杆的分离段末端为杯体出口，杯体出口外周还设有限位片。限位片为弹性材料，一般采用弹簧片，一端固定于机架上，另一端弹性活动，可防止初步分离后的杯体直接从杯体出口处掉落。作为一种优选方案，杯体出口呈u型状，杯体出口外周设有三个限位片，三个限位片均匀分布于杯体出口的上部和底部。其中，杯体出口的上部设有两个限位片，分别位于杯体的两外侧，杯体出口的底部设有一个限位片，位于杯体下部外侧，各限位片由外周向中心倾斜伸展设置，指向杯体的中心，形成锥状结构。

动力驱动组件包括伺服电机、第一带轮、传动带和至少两个第二带轮，第二带轮的数量与推进螺杆的数量相同，每根推进螺杆的一端连接一个第二带轮，伺服电机的输出端与第一带轮连接，第一带轮与各第二带轮之间通过传动带连接。其中，伺服电机安装于机架上，第一带轮和各第二带轮分布于机架的一侧上，使用时，伺服电机带动第一带轮转动，第一带轮通过传动带带动各第二带轮同步转动，从而驱动各推进螺杆相应转动。根据设备的结构需求，动力驱动组件也可采用链条式传动或齿轮式传动。

所述杯体提取机构包括提取电动缸、连杆和吸盘，提取电动缸安装于机架上，连杆一端与提取电动缸的输出端连接，连杆另一端设置吸盘，吸盘作为杯体提取机构的提取端。其中，吸盘还外接有抽真空机构。使用时，当杯体已经初步分离并送至杯体底部与吸盘相接触时，利用抽真空机构的作用，吸盘吸附杯体底部后，提取电动缸驱动连杆移动，使吸盘带动杯体移动，从而将杯体从杯体出口处提取出来。

本发明通过上述装置实现一种机械手取杯持杯方法，具体为：套叠的杯体呈长条状横卧于杯体分离机构上，由杯体分离机构进行输送并利用螺距的变化将杯体初步分离；然后利用杯体提取机构的提取端吸附杯体底部，将杯体取出；再利用抓杯机械手将取出的杯体夹紧固定并转换成持杯状态。该方法的原理是：先利用推进螺杆的转动及其螺距的变化，完成对套叠的杯体的输送以及初步分离，为后续的提取动作做好准备；然后再利用吸盘的吸附作用，将已初步分离的杯体提取出来；最后利用抓杯机械手中夹爪的开合动作抓取已被提取出来的杯体，并利用其翻转动作将杯体旋转至持杯状态。

上述方法中，杯体分离机构将杯体初步分离的具体过程为：动力驱动组件驱动各推进螺杆转动，套叠的杯体随着推进螺杆的转动逐渐向杯体出口移动，当杯体到达推进螺杆的分离段时，由于螺距增大，相邻两个杯体的杯口之间距离也会随着推进螺杆的转动被迅速拉大，从而实现杯体的初步分离。

抓杯机械手抓取杯体的具体过程为：夹爪开合驱动组件中的夹爪电动缸动作，带动齿条移动，齿条驱动第一齿轮转动，第一齿轮带动第二齿轮转动，第一齿轮和第二齿轮的转动带动两个夹爪打开；杯体进入两个夹爪之间后，夹爪电动缸驱动齿条反向移动，使第一齿轮反向转动，带动第二齿轮也反向转动，进而使两个夹爪合拢，从而夹持住杯体；再由旋转关节转动，带动机械手及杯体转动至杯体的开口竖直向上为止。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本机械手取杯持杯装置及方法是针对斟杯式饮料供应机器人而设计的，其原理简单、装置使用灵活且运行稳定，可实现连续的自动取杯和持杯动作，自动化程度高，可较好地配合斟杯式饮料供应机器人使用，也可较好地应用于其他需要取杯的场合或设备上。

本机械手取杯持杯装置中，采用了螺杆式的杯体分离机构、吸盘式的杯体提取机构和抓杯机械手三者相配合，先利用杯体分离机构对套叠的杯体进行输送并在杯体出口处对其初步分离，再利用杯体提取机构将杯体逐一吸附提取出来，最后通过抓杯机械手抓取并夹持杯体，以供后续饮料斟注用，该装置所实现的动作连贯、运行精度高，将其应用于斟杯式饮料供应机器人上时，可将套叠的杯体预存放于机器人内，并将抓杯机械手的动作转化成机器人的手臂腕部动作，使用灵活而方便，且具有较高的趣味性。

本机械手取杯持杯装置中，抓杯机械手的夹爪开合驱动组件采用齿条和齿轮相配合的结构形式，可有效减小机械手的整体体积，且传动精度高，可达到稳定夹持杯体的效果；同时，抓杯机械手的夹爪设有弧形凹槽，一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

附图说明

图1为本机械手取杯持杯装置的结构示意图。

图2为机架、杯体分离机构和杯体提取机构的结构示意图。

图3为图2的a方向视图。

图4为图2的b方向视图。

图5为图2的c方向视图。

图6为抓杯机械手的结构示意图。

图7为图6的d方向视图。

图8为图6的e-e向截面视图。

图9为旋转关节带动机械手及杯体转动时的原理示意图。

图10为夹爪夹持杯体时的结构示意图。

图11为夹爪松开杯体后，弧形凹槽底部仍承托杯体时的结构示意图。

图12为本机械手取杯持杯装置进行取杯和持杯动作时的原理示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为分杯器，2为抓杯机械手，3为杯体，4为机器人；

1-1为伺服电机，1-2为推进螺杆，1-3为导杆，1-4为提取电动缸，1-5为吸盘，1-6为限位片，1-7为右支板，1-8为左支板，1-9为传动带，1-10为第一带轮，1-11为第二带轮，1-12为连杆，1-13为杯体出口，1-14为输送段，1-15为分离段；

2-1为夹爪，2-2为齿轮轴，2-3为第二齿轮，2-4为手座，2-5为齿条，2-6为夹爪电动缸，2-7为旋转关节，2-8为第一齿轮，2-9为弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例为一种机械手取杯持杯装置，应用于斟杯式饮料供应机器人中，如图1所示，主要由分杯器1和抓杯机械手2组成。各组成部分的具体结构如下：

1、分杯器的结构：

分杯器主要用于一次性纸杯或塑料杯的分隔和提取，可把套叠在一起的杯子连续自动分解，并逐一取出。

如图2至图5所示，分杯器整体呈卧式布置，主要由伺服电机1-1、推进螺杆1-2、导杆1-3、提取电动缸1-4、吸盘1-5、限位片1-6、右支板1-7、左支板1-8、传动带1-9、第一带轮1-10、第二带轮1-11和连杆1-12组成。其中，伺服电机、推进螺杆、导杆、传动带、第一带轮和第二带轮组成杯体分离机构，提取电动缸、吸盘和连杆组成吸盘式杯体提取机构，左支板和右支板作为机架的主要部分，主要用于其他部件的安装和支撑。

右支板和左支板作为机架，左右相对，右支板上加工有u型缺口(如图4所示，该缺口作为杯体出口1-13)。在左、右支架之间，平行安装两根推进螺杆和两根导杆。推进螺杆的安装位置处于右支板的u型缺口下部(如图4所示)，推进螺杆两端与左、右支板联接部位装配有塑料轴承，使推进螺杆可自转；导杆的安装位置处于u型缺口中部(如图4所示)，导杆端部与左、右支板联接处固定安装。左、右支板之间的两根推进螺杆和两根导杆共同组成了一条u型输送槽，适合套叠的杯体卧置其中(如图1所示)。

如图2或图5所示，两根推进螺杆的结构相同，其螺纹的螺距和旋向一致。螺杆的螺距分两段设计，由左至右最长的一段行程为输送段1-14，其螺距较小，到右端有一小段行程，为分离段1-15，其螺距较大，由此形成了两段螺距输送。在杯体输送过程中，由于螺距由小变大，会出现输送加速和间隔拉开的现象，从而在分离段内将各相邻的两个杯体初步分离开。

推进螺杆在工作时会自转，其动力来源于安装在左支板上的伺服电机。伺服电机通过第一带轮和传动带同时带动两个第二带轮转动，进行带动两根推进螺杆同步旋转。

在右支板的外表面，处于杯体出口的周边位置，安装有三个限位片，杯体出口的上部有两个，底部有一个，均匀布置，由周边向内倾斜伸展，指向圆心，形成锥状结构。这些限位片为弹性簧片材料，一端固定于右支板上，另一端弹性活动。

在右支板的侧面，即杯体出口的旁边，安装有一台提取电动缸，与推进螺杆和导杆相互平行设置。提取电动缸的活塞杆端部装配有一支连杆，连杆末端带一个吸盘。当提取电动缸通电动作时，其活塞杆伸缩，可带动吸盘左右移动。

2、抓杯机械手的结构：

如图6到图8所示，抓杯机械手主要由两个夹爪2-1、齿轮轴2-2、第一齿轮2-8、第二齿轮2-3、手座2-4、齿条2-5、夹爪电动缸2-6和旋转关节2-7组成。其中，齿轮轴、第一齿轮、第二齿轮、齿条和夹爪电动缸组成夹爪开合驱动组件，用于驱动两个夹爪摆动实现打开或合拢的动作。

单个夹爪的外形如弯刀状，夹爪为一体式结构，包括相连接的夹持部和摆动部。其中，摆动部加工有轴孔，通过齿轮轴安装于手座内，同时，摆动部还通过齿轮轴与第一齿轮或第二齿轮紧固装配，使夹爪与第一齿轮或第二齿轮一起绕齿轮轴旋转。夹持部作为夹爪的主体部分，加工有弧形凹槽2-9(如图6或图8所示)，弧形凹槽与杯体3的杯型相仿。夹爪分左右两个，对称布置，两个合拢时会形成c型结构，两个弧形凹槽合成一个杯腔，刚好嵌入一个杯体。弧形凹槽的深度约为杯体高度的1/2。弧形凹槽的底部呈托板状抓杯时，杯体底部落入弧形凹槽内；一方面，该弧形凹槽可使夹爪在夹持杯体的同时，对杯体也起到稳定承托的作用(如图10所示)，避免后续斟注饮料时产生脱落的现象；另一方面，在饮料斟注完成后，用户取杯时，即使夹爪松开，其弧形凹槽的底部仍能为杯体提供支撑作用(如图11所示)，杯体仍可平稳至于其内，为用户提供充足的时间取杯。

左右夹爪对称安装后，第一齿轮和第二齿轮相互啮合。在手座的一侧，安装有一台夹爪电动缸，夹爪电动缸的活塞端装配有齿条，齿条伸入手座内并与第一齿轮啮合。当夹爪电动缸动作时，其活塞杆可带动齿条上下移动，使第一齿轮和第二齿轮啮合旋转，从而驱动两个夹爪合拢或张开，实现夹持杯体或松开杯体的动作。

手座的背面装配有一个旋转关节。旋转关节是一个伺服驱动的减速器，固定安装在机器人的手臂腕部上。当旋转关节动作时，可通过手座带动机械手旋转。机械手夹杯后的旋转动作如图9所示，杯体先从侧向嵌入夹爪，并被夹爪夹持住；然后旋转关节动作，带动机械手转位90°，致使杯体由侧卧变成直立，以便其后斟注饮料。

实施例2

本实施例是一种机械手取杯持杯方法，应用于斟杯式饮料供应机器人上，通过实施例1所述装置实现，其具体过程及工作原理如图1或图12所示，具体如下：

分杯器安装在机器人4的身体内，卧式布置，其左支板靠近身体背部，右支板靠近身体胸部。胸部开有圆孔，对应右支板上的杯体出口。抓杯机械手安装于机器人的手臂腕部上。

工作时，把套叠形成长筒状的杯体3置于螺杆式杯体分离机构中。套叠在一起的杯体，杯口边缘下部分与推进螺杆接触，杯口边缘两侧与导杆接触。因此，在推进螺杆和导杆组成的u型槽内，杯体被有效限位和导向。

分杯器的工作过程如下：

(1)伺服电机启动，两根推进螺杆同步旋转，螺纹推动杯口边缘，驱使套叠在一起的杯体由左向右移动；

(2)当杯体移动至靠近螺杆右端部(即进入分离段)时，由于螺距变大，迫使杯体加速并拉大间隔，从而使套叠紧密的杯体松开成单个，实现初步分离；

(3)松开的杯体穿越右支板上的杯体出口，进入限位片范围，杯身接触圆周布置的三个限位片，被有效导向和定位；

(4)当杯体的底部运动至触碰吸盘时，机器人控制系统中的限位开关会触发信号，伺服电机停止动作，杯体停止移动；

(5)然后吸盘接通真空，吸紧于杯体底部；再启动提取电动缸，其活塞杆伸出，驱动连杆带动吸盘右移，从而把杯体分离并提取出来；

此时，当提取出一个杯体时，由于摩擦力的作用，后面的杯体有可能顺势而出，但由于有三个限位片弹性卡紧后面的杯体，从而保证了每次分离出一个杯体，不会重叠；

(6)提取出来的杯体被抓杯机械手取走后，电动缸的活塞杆收缩，驱动吸盘左移复位。

如此周而复始，循环工作。

抓杯机械手的工作过程如图12所示，具体如下：

(1)抓杯机械手的手爪张开，两个手爪中部形成的杯腔正对着杯体出口处由杯体分离机构分离出的杯体；

(2)杯体提取机构中的吸盘利用真空吸紧杯子底面，提取电动缸启动，其活塞杆带动吸盘把杯体从杯体出口处拉出，使杯体进入抓杯机械手的杯腔中，并平移直至杯体底面接触手爪的弧形凹槽底面；

(3)两个手爪合拢，夹紧杯子，随即吸盘取消真空；

(4)旋转关节动作，驱动手座及手爪转位90°(如图12中的箭头①所示)，使杯子由侧卧状态转变成直立状态；随后，提取电动缸的活塞杆收缩，带动吸盘复位(如图12中的箭头②所示)，等待下一次的取杯动作。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。