一种带自动指节限位机构的模块化机械手的制作方法

[0001]
本发明涉及自动化机械设备技术领域，具体涉及一种带自动指节限位机构的模块化机械手。


背景技术：

[0002]
机械手是一种能实现抓取物体、搬运物体的自动化机械装置。目前机械手存在以下问题：(1)机械手指节部位通常是最易损坏的地方，整体式结构的机械手维修更换零件操作复杂，且耗时长；(2)机械手手指数量和位置固定，无法根据需要调整手指数量及位置；(3)只能用特定的姿态抓取特定形状和尺寸的物体，无法捏取较小的物体，通用性差；(4)刚性抓取，欠缺柔性，抓取力度难以把握，易损坏被抓取物体；(5)体积大，结构较复杂，空间利用率不高，制造成本昂贵。
[0003]
该模块化机械手的手指采用了模块化设计思路，维修时更换手指方便，即插即用，手指的数量也可根据需要选用；每个手指都带有自动指节限位机构，既可以实现包络抓取较大物体，又可以自动调整指节限位角度实现捏取不同尺寸的较小物体；其中有两个手指可以自动转动，调整手指间夹角以适应抓取圆柱体或球体，利用电机带动滚珠丝杠，从而推动手爪张开和闭合，能精确控制抓取及捏取物体力度；手指采用欠驱动，能柔顺抓取物体，不易损坏被抓取物体，结构较简单，设备体积较小，可在狭窄空间使用，制造成本较低。


技术实现要素：

[0004]
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种带自动指节限位机构的模块化机械手，本模块化机械手采用自动指节限位机构自动调整指节限位角度，既可包络抓取较大物体，又可捏取较小的物体；采用手指转动机构，既可抓取球形物体，又可抓取圆柱形物体；还可根据使用需求调节手指数量，抓取轻重不同的物体，采用滚珠丝杠推动手爪张开闭合，实现抓取及捏取物体力度的精确控制。
[0005]
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：一种带自动指节限位机构的模块化机械手，其特征在于，所述机械手包括第一旋转手指、第二旋转手指、4根固定手指、自动指节限位机构、手指转动机构、手指抓取机构，第一旋转手指、第二旋转手指和4根固定手指呈60
°
夹角均匀分布。
[0006]
进一步，所述第一旋转手指包括根部指节、中部指节、末端指节、自动指节限位机构、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、手指转轴、旋转手指上盖板、推杆、环形滑块、旋转手指外壳、旋转手指底座、固定限位块、圆柱弹簧销、扭簧，末端指节通过销轴分别与中部指节和第一连杆相连，末端指节和中部指节之间安装扭簧，扭簧套在销轴上，中部指节通过自动指节限位机构中销轴连接根部指节和第二连杆，根部指节和第二连杆之间安装扭簧，扭簧套在销轴上，根部指节上有根部指节限位块，第一连杆通过销轴与第二连杆相连，第二连杆通过销轴与第三连杆相连，第三连杆通过销轴和第四连杆相连，第四连杆通过销轴连接根部指节和手指转轴，推杆通过销轴分别与第四连杆和环形滑块连接，环形滑块与
手指转轴间隙配合，环形滑块与移动平台也为间隙配合，固定限位块与手指转轴过盈配合，手指转轴两端由轴承支承安装在旋转手指上盖板和旋转手指底座之间，手指转轴下部有方形连接块，旋转手指外壳通过螺钉分别与旋转手指上盖板和旋转手指底座相连，旋转手指底座上有t形导轨，圆柱弹簧销与旋转手指上盖板过盈配合。
[0007]
进一步，所述第二旋转手指与第一旋转手指结构相同，只是因手指旋转方向不同，第二旋转手指上盖板与旋转手指上盖板的开槽方向不同，所述固定手指因其不需转动，所以固定手指上盖板、固定手指底座和固定手指外壳与第一旋转手指结构不同，其余都与第一旋转手指结构相同。
[0008]
进一步，所述第一旋转手指与第二旋转手指及4个固定手指上都安装有卡扣、卡扣弹簧、固定销，卡扣通过固定销与旋转手指底座或固定手指底座相连，两个卡扣之间装有2个卡扣弹簧。
[0009]
进一步，所述自动指节限位机构安装在中部指节和根部指节之间，包括左齿轮箱体、右齿轮箱体、第一小齿轮、第二小齿轮、微型蜗杆轴、微型蜗轮、微型电机、第一活动限位块、第二活动限位块、中部指节限位块、销轴、根部指节侧盖，在自动指节限位机构左齿轮箱体上安置微型电机，第二小齿轮安装在微型电机输出轴上，第一小齿轮通过过盈配合安装在微型蜗杆轴上，微型蜗杆轴两端用轴承支承安装在右齿轮箱体和左齿轮箱体孔中，且第一小齿轮和第二小齿轮相啮合，微型蜗轮通过过盈配合安装在销轴上，并采用两个轴承支承安装在右齿轮箱体和左齿轮箱体孔中，右齿轮箱体和左齿轮箱体通过四个螺钉连接，第一活动限位块与销轴过盈配合，销轴安装在中部指节和根部指节的连接孔内，第二活动限位块与销轴过盈配合，二个中部指节限位块与中部指节固连，左齿轮箱体采用螺钉与根部指节相连，根部指节侧盖通过两个螺钉与根部指节相连。
[0010]
进一步，所述手指转动机构包括齿轮基座、小步进电机支架、小步进电机、小联轴器、蜗轮、蜗杆、二个蜗杆支座、第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴、手爪基座，小步进电机通过四个螺钉与小步进电机支架相连，小步进电机支架通过两个螺钉与齿轮基座相连，小步进电机的输出轴通过小联轴器与蜗杆相连，蜗杆两端装有轴承安装在二个蜗杆支座上，二个蜗杆支座通过螺钉与齿轮基座相连，蜗杆与蜗轮相互啮合，蜗轮通过圆锥销与第三齿轮轴相连，第一齿轮轴、第二齿轮轴、第三齿轮轴、第四齿轮轴两端分别装有轴承安装在齿轮基座和手爪基座之间，第三齿轮轴分别与第二齿轮轴、第四齿轮轴啮合，第二齿轮轴与第一齿轮轴啮合，且第一齿轮轴上开有方形开口槽，第一旋转手指的手指转轴上方形连接块装入第一齿轮轴上方形开口槽内，第四齿轮轴上也开有方形开口槽，第二旋转手指的手指转轴上方形连接块装入第四齿轮轴上方形开口槽内。
[0011]
进一步，所述手指抓取机构包括齿轮基座、大步进电机、大联轴器、滚珠丝杠、螺母、移动平台、支撑柱，大步进电机通过四个螺钉与齿轮基座相连，大步进电机的输出轴通过大联轴器与滚珠丝杠相连，齿轮基座通过三个螺钉与手爪基座相连，滚珠丝杠两端装有轴承安装在手爪基座和手掌之间，手爪基座和手掌之间安装6个支撑柱，螺母套在滚珠丝杠上，螺母通过四个螺钉与移动平台相连。
[0012]
进一步，所述齿轮基座外围有外壳，外壳通过四个螺钉与手爪基座相连，底盖通过四个螺钉与外壳相连，并在底盖上留有与机械臂相连接的四个螺纹孔。
[0013]
本发明与现有技术的有益效果在于：
[0014]
1、采用自动指节限位机构，既可包络抓取较大物体，又可捏取较小的物体；
[0015]
2、自动调节指节的限位角度，控制捏取不同尺寸的物体；
[0016]
3、六个手指机械手，可根据使用需求调节手指数量，抓取重量不同的物体，装卸方便；
[0017]
4、采用手指转动机构，既可抓取球形物体，又可抓取圆柱形物体；
[0018]
5、采用滚珠丝杠推动手爪张开闭合，实现抓取及捏取物体力度的精确控制；
[0019]
6、欠驱动手指抓取物体，柔顺性好，不易损坏物体。
附图说明
[0020]
图1为带自动指节限位机构的模块化机械手三维图；
[0021]
图2为带自动指节限位机构的模块化机械手俯视图；
[0022]
图3为模块化机械手手指转动机构结构图；
[0023]
图4为模块化机械手除去底盖仰视图；
[0024]
图5为模块化机械手第一旋转手指结构图；
[0025]
图6为模块化机械手固定手指分解结构图；
[0026]
图7为模块化机械手c-c向局部剖视图；
[0027]
图8为模块化机械手d-d向局部剖视图；
[0028]
图9为模块化机械手自动指节限位机构简图；
[0029]
图10为模块化机械手自动指节限位机构结构剖视图；
[0030]
图11为模块化机械手手指抓取机构结构图；
[0031]
图12为模块化机械手的六种状态图；
[0032]
其中，1-第一旋转手指，2-第二旋转手指，3-固定手指，4-自动指节限位机构，5-根部指节，6-中部指节，7-末端指节，8-第一连杆，9-第二连杆，10-第三连杆，11-第四连杆，12-手指转轴，13-旋转手指上盖板，14-推杆，15-移动平台，16-环形滑块，17-旋转手指外壳，18-旋转手指底座，19-固定销，20-卡扣，21-手爪基座，22-第一齿轮轴，23-第二齿轮轴，24-齿轮基座，25-小步进电机支架，26-小步进电机，27-小联轴器，28-蜗轮，29-蜗杆，30-蜗杆支座，31-第三齿轮轴，32-第四齿轮轴，33-螺母，34-滚珠丝杠，35-固定限位块，36-圆柱弹簧销，37-手掌，38-扭簧，39-根部指节限位块，40-方形连接块，41-t型导轨，42-固定手指上盖板，43-卡扣弹簧，44-固定手指底座，45-固定手指外壳，46-卡扣限位槽，47-中部指节限位块，48-第一活动限位块，49-左齿轮箱体，50-右齿轮箱体，51-微型蜗杆轴，52-微型蜗轮，53-第一小齿轮，54-微型电机，55-根部指节侧盖，56-第二小齿轮，57-第二活动限位块，58-销轴，59-大步进电机，60-大联轴器，61-支撑柱，62-外壳，63-底盖。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图和具体实例对本发明做更进一步的解释：
[0034]
如图1、图2所示，本发明的带自动指节限位机构的模块化机械手包括第一旋转手指(1)、第二旋转手指(2)、4根固定手指(3)、自动指节限位机构(4)、手指转动机构、手指抓取机构，第一旋转手指(1)、第二旋转手指(2)和4根固定手指(3)呈60
°
夹角均匀分布。
[0035]
如图3、图5、图6、图7所示，第一旋转手指(1)包括根部指节(5)、中部指节(6)、末端
指节(7)、自动指节限位机构(4)、第一连杆(8)、第二连杆(9)、第三连杆(10)、第四连杆(11)、手指转轴(12)、旋转手指上盖板(13)、推杆(14)、环形滑块(16)、旋转手指外壳(17)、旋转手指底座(18)、固定限位块(35)、圆柱弹簧销(36)、扭簧(38)。
[0036]
第二旋转手指(2)与第一旋转手指(1)结构相同，只是因手指旋转方向不同，第二旋转手指上盖板与旋转手指上盖板(13)的开槽方向不同，所述固定手指(3)因其不需转动，所以固定手指上盖板(42)、固定手指底座(44)和固定手指外壳(45)与第一旋转手指(1)结构不同，其余都与第一旋转手指结构相同。
[0037]
第一旋转手指(1)与第二旋转手指(2)及4个固定手指(3)上都安装有卡扣(20)、卡扣弹簧(43)、固定销(19)，卡扣(20)通过固定销(19)与旋转手指底座(18)或固定手指底座(44)相连，两个卡扣(20)之间装有2个卡扣弹簧(43)。
[0038]
如图3、图5、图6、图7、图8所示，手指安装时，摁住手指两边的卡扣(20)，同时将圆柱弹簧销(36)摁下，然后将手指底部的t型导轨(41)推入手爪基座(21)上的t型槽内，当手指转轴(12)下部的方形连接块(40)推到底完成固定手指的安装，当手指转轴(12)下部的方形连接块(40)推到第一齿轮轴(22)、第四齿轮轴(32)的方形开口槽内，完成二个旋转手指的安装，此时环形滑块(16)上环形槽与移动平台(15)上弧形面相配合，然后松开卡扣(20)，卡扣(20)将会向两边弹开，卡入手爪基座221上卡扣限位槽(46)内，同时圆柱弹簧销(36)也会弹出卡在手掌(37)的圆孔内，手指将被可靠地固定在手爪基座(21)上；若要拆卸手指，只要摁住手指两边的卡扣(20)，同时从手掌(37)上方按下圆柱弹簧销(36)，将手指沿t型槽往外拉，手指即可卸下。
[0039]
图9、图10所示，自动指节限位机构(4)安装在中部指节(6)和根部指节(5)之间，包括左齿轮箱体(49)、右齿轮箱体(50)、第一小齿轮(53)、第二小齿轮(56)、微型蜗杆轴(51)、微型蜗轮(52)、微型电机(54)、第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)、中部指节限位块(47)、销轴(58)、根部指节侧盖(55)。
[0040]
当需要指节限位时，微型电机(54)正转，带动第二小齿轮(56)旋转，第二小齿轮(56)带动第一小齿轮(53)旋转，第一小齿轮(53)带动微型蜗杆轴(51)一起旋转，从而微型蜗杆轴(51)带动微型蜗轮(52)旋转，销轴(58)和微型蜗轮(52)一起旋转，销轴(58)带动第一活动限位块(48)和第二活动限位块(57)同步旋转，当微型电机(54)停止转动后，第一活动限位块(48)和第二活动限位块(57)也随之停止转动，蜗轮蜗杆机构防止其受到外力作用发生反转，此时第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)与两个中部指节限位块(47)形成一定的角度，从而限制中部指节(6)和根部指节(5)的相对旋转角度。
[0041]
当不需要指节限位时，让微型电机(54)反转，将第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)转动至两个中部指节限位块(47)的后面，当中部指节(6)相对根部指节(5)旋转时，中部指节限位块(47)与第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)不会接触，因此自动指节限位机构(4)不起限位作用。
[0042]
如图3、图4、图8所示，手指转动机构包括齿轮基座(24)、小步进电机支架(25)、小步进电机(26)、小联轴器(27)、蜗轮(28)、蜗杆(29)、二个蜗杆支座(30)、第一齿轮轴(22)、第二齿轮轴(23)、第三齿轮轴(31)、第四齿轮轴(32)、手爪基座(21)。
[0043]
第一旋转手指(1)与第二旋转手指(2)通过手指转动机构可实现随手指转轴(12)转动，小步进电机(26)正转，通过小联轴器(27)带动蜗杆(29)转动，蜗杆(29)带动蜗轮(28)
转动，蜗轮(28)与第三齿轮轴(31)同步转动，第三齿轮轴(31)带动第四齿轮轴(32)、第二齿轮轴(23)转动，第二齿轮轴(23)带动第一齿轮轴(22)转动，从而实现第一齿轮轴(22)和第四齿轮轴(32)同步相向旋转，第一齿轮轴(22)与手指转轴(12)通过第一齿轮轴(22)上方形开口槽和手指转轴(12)上方形连接块(40)连接，第一齿轮轴(22)带动手指转轴(12)旋转，手指转轴(12)又带动第一旋转手指(1)转动，同理第二旋转手指(2)跟随手指转轴(12)转动，且第一旋转手指(1)与第二旋转手指(2)可同步相向转动60
°
。
[0044]
如图11所示，手指抓取机构包括齿轮基座(24)、大步进电机(59)、大联轴器(60)、滚珠丝杠(34)、螺母(33)、移动平台(15)、支撑柱(61)。
[0045]
大步进电机(59)转动，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)移动，移动平台(15)随指螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿手指转轴(12)上下移动，环形滑块(16)带动推杆(14)移动，推杆(14)推动手指张开闭合。
[0046]
如图3、图5、图10、图11、图12所示，整个机械手有6根手指，可以根据抓取物体来调整手指的数量和状态。
[0047]
当要包络抓取球形物体时，可以采用6根手指对心抓取，也可将3根固定手指(3)拆下，使得剩下的3根手指呈120
°
分布，3根手指对心抓取比较轻的球形物体。此时自动指节限位机构(4)中的微型电机(54)转动，使得第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)转动至两个中部指节限位块(47)的后面，自动指节限位机构(4)不起限位作用；大步进电机(59)正转，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)向上移动，移动平台(15)随着螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿着手指转轴(12)向上移动，环形滑块(16)带动推杆(14)向上移动，推杆(14)推动手指一起闭合，当根部指节(5)接触物体后，根部指节(5)与第二连杆(9)之间的扭簧(38)约束被释放，当中部指节(6)接触物体后，中部指节(6)与末端指节(7)之间的扭簧(38)约束被释放，当末端指节(7)将物体抓紧时，大步进电机(59)停止转动。
[0048]
当要包络抓取圆柱形物体时，此时自动指节限位机构(4)中的微型电机(54)转动，使得第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)转动至两个中部指节限位块(47)的后面，自动指节限位机构(4)不起限位作用；小步进电机(26)正转，通过小联轴器(27)带动蜗杆(29)转动，蜗杆(29)带动蜗轮(28)转动，蜗轮(28)与第三齿轮轴(31)同步转动，第三齿轮轴(31)带动第四齿轮轴(32)、第二齿轮轴(23)转动，第二齿轮轴(23)带动第一齿轮轴(22)转动，从而实现第一齿轮轴(22)和第四齿轮轴(32)同步相向旋转，第一齿轮轴(22)与手指转轴(12)通过方形开口槽和方形连接块连接，第一齿轮轴(22)带动手指转轴(12)转动，手指转轴(12)带动第一旋转手指(1)转动，同理第二旋转手指(2)转动，且第一旋转手指(1)与第二旋转手指(2)同步相向转动60
°
，小步进电机(26)停止转动；接着大步进电机(59)正转，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)向上移动，移动平台(15)随着螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿着手指转轴(12)向上移动，环形滑块(16)带动推杆(14)向上移动，推杆(14)推动手指一起闭合，当根部指节(5)接触物体后，根部指节(5)与第二连杆(9)之间的扭簧(38)约束被释放，当中部指节(6)接触到物体后，中部指节(6)与末端指节(7)之间的扭簧(38)约束被释放，当末端指节(7)将物体抓紧，大步进电机(59)停止转动。
[0049]
当要捏取球形物体时，同样可以采用6根手指对心捏取，也可将3根固定手指拆下，使得剩下的3根手指呈120
°
分布，3根手指对心捏取比较轻的球形物体。此时自动指节限位机构(4)中的微型电机(54)转动，使得第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)转动至两个中部指节限位块(47)的前方形成合适的角度，微型电机(54)停止转动，自动指节限位机构(4)调整结束；大步进电机(59)正转，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)向上移动，移动平台(15)随着螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿着手指转轴(12)向上移动，环形滑块(16)带动推杆(14)向上移动，推杆(14)推动手指一起闭合；此时根部指节限位块(39)跟随根部指节(5)一起转动，直到与固定限位块(35)接触后限位生效，根部指节(5)停止转动，根部指节(5)与第二连杆(9)之间的扭簧(38)约束被释放，两个中部指节限位块(47)跟随中部指节(6)转动，直到转动至两个中部指节限位块(47)与第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)接触后限位生效，中部指节(6)停止转动，末端指节(7)相对中部指节(6)转动，直到末端指节(7)捏紧物体，大步进电机(59)停止转动。
[0050]
当要捏取圆柱形物体时，此时自动指节限位机构(4)中的微型电机(54)转动，使得第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)转动至两个中部指节限位块(47)的前方形成合适的角度，微型电机(54)停止转动，自动指节限位机构(4)调整结束；小步进电机(26)正转，通过小联轴器(27)带动蜗杆(29)转动，蜗杆(29)带动蜗轮(28)转动，蜗轮(28)与第三齿轮轴(31)同步转动，第三齿轮轴(31)带动第四齿轮轴(32)、第二齿轮轴(23)转动，第二齿轮轴(23)带动第一齿轮轴(22)转动，从而实现第一齿轮轴(22)和第四齿轮轴(32)同步相向旋转，第一齿轮轴(22)与手指转轴(12)通过方形开口槽、方形连接块连接，第一齿轮轴(22)带动手指转轴(12)旋转，手指转轴(12)又带动第一旋转手指(1)转动，同理第二旋转手指(2)随着手指转轴(12)转动，且第一旋转手指、第二旋转手指同步相向转动60
°
，小步进电机(26)停止转动；接着大步进电机(59)正转，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)向上移动，移动平台(15)随着螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿着手指转轴(12)向上移动，环形滑块(16)带动推杆(14)向上移动，推杆(14)推动手指一起闭合，此时根部指节限位块(39)随根部指节(5)一起转动，直到与固定限位块(35)接触后限位生效，根部指节(5)停止转动，根部指节(5)与第二连杆(9)之间的扭簧(38)约束被释放，两个中部指节限位块(47)跟随中部指节(6)转动，直到转动至两个中部指节限位块(47)与第一活动限位块(48)、第二活动限位块(57)接触后限位生效，中部指节(6)停止转动，末端指节(7)相对中部指节(6)转动，直到末端指节(7)捏紧物体，大步进电机(59)停止转动。
[0051]
大步进电机(59)反转，通过大联轴器(60)带动滚珠丝杠(34)旋转，滚珠丝杠(34)带动螺母(33)沿着滚珠丝杠(34)向下移动，移动平台(15)随着螺母(33)一起移动，从而带动手指的环形滑块(16)沿着手指转轴(12)向下移动，环形滑块(16)带动推杆(14)向下移动，推杆(14)拉动手指一起张开，松开被抓物体。
[0052]
本发明提供了一种带自动指节限位机构的模块化机械手，以上所述仅是本发明的优选实施方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。