高稳定性的换爪机构及机械手设备

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，特别涉及一种高稳定性的换爪机构及机械手设备。

背景技术

为提高生产效率和竞争能力，目前许多企业采用先进的机械手设备来协助生产流程，机械手设备是一种能模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，其主要由机械臂和安装在机械臂上的机械爪组成。为满足不同种类产品的生产需求，机械手设备需配备不同的机械爪，传统的机械手设备采用螺钉将机械爪固定安装在机械臂上，在更换机械爪时需拧开螺钉才能进行更换，故传统的机械爪更换不便且耗时长，从而导致生产效率低。

现有一种换爪机构，其包括用于安装在机械爪上的爪部连接件和用于安装在机械臂上的臂部连接件，该爪部连接件上设有导向轴和用于与臂部连接件进行轴向磁吸连接的吸盘式电磁铁，爪部连接件利用导向轴进行定位之后，再利用吸盘式电磁铁轴向磁吸连接臂部连接件，这样在需要对机械爪进行更换时，只需令吸盘式电磁铁失电消磁，就可从臂部连接件上拆下爪部连接件及相应的机械爪以进行更换，因此机械爪更换方便且耗时短。但是，在机械爪工作过程中，若机械爪抓取的物件重量过大，使得吸盘式电磁铁不能吸住臂部连接件，则会导致爪部连接件从臂部连接件上掉落。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何避免机械爪因其抓取的物件重量过大而从机械臂上掉落。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高稳定性的换爪机构，包括分别用于固定安装在机械臂上和机械爪上的两个连接件，第一连接件上设有导柱，第二连接件上开有定位孔，这两个连接件轴向相对靠近则导柱伸入至定位孔中从而对这两个连接件进行定位，其特征是，所述导柱上设有径向的第一卡接部，所述第二连接件上设有径向的第二卡接部，这两个连接件轴向相对靠近则两个卡接部轴向相对靠近，直至这两个连接件相互组装，此状态下两个卡接部相互卡接。

优选地，所述第一连接件固定安装在机械臂上，所述第二连接件固定安装在机械爪上。

优选地，包括分别安装在这两个连接件上的磁性件和磁吸件，这两个连接件轴向相对靠近则磁性件吸住磁吸件，从而使得这两个连接件实现相互组装。

优选地，所述磁性件是安装在第一连接件上的吸盘式电磁铁，所述磁吸件是第二连接件的磁吸性外壳。

优选地，所述第一卡接部是导柱的侧壁周向内凹所形成的卡槽，上述的两个卡接部相互卡接，具体是第二卡接部卡入所述卡槽中。

优选地，所述第二连接件上设有推拉式电磁铁，所述第二卡接部受所述推拉式电磁铁驱动，所述定位孔开在推拉式电磁铁的推出方向上，贯穿第二连接件，使得导柱伸入至定位孔进而其前端穿出至定位孔外且位于推拉式电磁铁的推出方向上，常态下推拉式电磁铁把第二卡接部推出至卡入所述卡槽中，在得电状态下推拉式电磁铁把第二卡接部往回拉至从卡槽中退出。

优选地，所述第二连接件包括外壳，所述第二卡接部和推拉式电磁铁安装在第二连接件的内腔中，所述外壳的位于推拉式电磁铁的推出方向上的部位开有通孔，所述通孔朝向第二卡接部且避开导柱的穿出至定位孔外的前端。

优选地，所述导柱的前端前窄后宽且前后为斜面过渡，这两个连接件轴向相对靠近则导柱的前端斜面引导导柱滑入定位孔中。

优选地，所述导柱、定位孔、第一卡接部和第二卡接部各有多个，多个导柱与多个定位孔位置分别对应，多个第二卡接部联动从而一起与多个第一卡接部分别卡接。

本发明还提供一种机械手设备，包括机械臂和机械爪，还包括如上所述的换爪机构，机械爪利用所述换爪机构安装在机械臂上。

本发明具有以下有益效果：两个连接件轴向相对靠近则导柱伸入至定位孔中从而对这两个连接件进行定位，且两个卡接部轴向相对移动，直至这两个连接件相互组装，此状态下两个卡接部相互卡接，这样就算机械爪所抓取的物件重量非常大，这两个连接件也会因两个卡接部相互卡接而不会相互分离，从而使得机械爪不会因其抓取的物件重量过大而从机械臂上掉落，这样导柱除了能起到定位作用之外，还能起到加固作用。

附图说明

图1是机械手设备的示意图；

图2是换爪机构的示意图；

图3是爪部连接件的正面示意图；

图4是爪部连接件的背面示意图；

图5是机械爪的内部示意图。

附图标记说明：1-臂部连接件；2-爪部连接件；3-导柱；4-定位孔；5-卡槽；6-卡接部；7-吸盘式电磁铁；8-第三电连接端子；9-电源接口；10-第一控制装置；11-光电传感器；12-第一电连接端子；13-推拉式电磁铁；14-通孔；15-连杆；16-第二电连接端子；17-遮光件；18-航空接头；19-第二控制装置；20-无线接收装置。

具体实施方式

机械手设备如图1所示，包括机械臂101、机械爪102和换爪机构103，机械爪102经换爪机构103安装在机械臂101上，使得机械臂101能驱动机械爪102移动以抓取不同位置上的物件。如图2所示，换爪机构103包括两个连接件，分别是臂部连接件1和爪部连接件2，其中，臂部连接件1固定安装在机械臂101上，爪部连接件2固定安装在机械爪102上，因此，令臂部连接件1与爪部连接件2轴向相对靠近进行组装，即可实现令机械爪102安装在机械臂101上。

见图2，臂部连接件1侧面设有电源接口9，该电源接口9上插有电连接机械臂101末端的航空接头18，臂部连接件1依次经电源接口9和航空接头18从机械臂101末端取电；臂部连接件1正面设有第一控制装置10、吸盘式电磁铁7和三根导柱3，第一控制装置10上设有光电传感器11和四个第一电连接端子12，这四个第一电连接端子12具体是两个导电公端子和两个信号公端子。电源接口9电连接第一控制装置10，第一控制装置10分别电连接吸盘式电磁铁7、光电传感器11和四个第一电连接端子12的后端(本实施例中，第一电连接端子12的后端朝向臂部连接件1的内部)，则吸盘式电磁铁7、光电传感器11和两个导电公端子分别经第一控制装置10从电源接口9取电，常态下吸盘式电磁铁7得电带磁性。三根导柱3的前端前窄后宽且前后为斜面过渡，每个导柱3的靠近前端处的侧壁周向内凹从而形成卡槽5，该卡槽5作为径向的第一卡接部。光电传感器11作为在换爪机构103组装过程中的到位传感器，其包括发光器和收光器，发光器和收光器之间留有空隙，常态下发光器和收光器之间的空隙没有被遮挡，则收光器能接收到发光器所发出的光，此状态下两个导电公端子的后端与电源接口9断开；发光器和收光器之间的空隙被遮挡则收光器就接收不到发光器所发出的光，故光电传感器11在被遮挡时会向第一控制装置10发送导电信号，第一控制装置10在接收到该导电信号之后就控制相关电路令两个导电公端子的后端与所述电源接口9接通。其中，发光器可以是红外发射管，收光器可以是红外接收管。

本实施例中，吸盘式电磁铁7作为电动组装结构，爪部连接件2的外壳由钢铁材料制成，作为磁吸件，其可被吸盘式电磁铁7吸住从而完成换爪机构103的组装。见图2、图3和图4，爪部连接件2的外壳上开有三个定位孔4，这三个定位孔4从爪部连接件2的背面贯穿到爪部连接件2的正面，且三个定位孔4位置分别对应臂部连接件1的三根导柱3。爪部连接件2的背面设有四个第二电连接端子16和凸起的遮光件17，这四个第二电连接端子16具体是两个导电母端子和两个信号母端子，遮光件17作为光电传感器11的感应件。爪部连接件2的正面内腔设有推拉式电磁铁13、第二控制装置19和三个径向的第二卡接部6，第二控制装置19上设有第三电连接端子8，第二控制装置19分别电连接推拉式电磁铁13、第二电连接端子16的后端和第三电连接端子8的后端(本实施例中，第二电连接端子16的后端和第三电连接端子8的后端分别朝向爪部连接件2的内部)。本实施例中，第一控制装置10和第二控制装置19相互配合工作从而作为换爪结构103的控制模块。三个第二卡接部6安装在“几”字型的连杆15上从而实现联动，推拉式电磁铁13固定连接该连杆15，从而可经连杆15驱动三个第二卡接部6往推拉式电磁铁13的推拉方向同步运动。推拉式电磁铁13内部设有弹簧(图中未示出)，三个定位孔4开在推拉式电磁铁13的推出方向上，常态下，弹簧把三个第二卡接部6推至位于三个定位孔4的同侧边缘上，且三个第二卡接部6分别遮住三个定位孔4的部分边缘。

见图5，机械爪102内部设有无线接收装置20，机械爪102上用于安装爪部连接件2的部位设有第四电连接端子(图中未示出)，无线接收装置20电连接第四电连接端子的后端(本实施例中，第四电连接端子的后端朝向机械爪102的内部)。爪部连接件2安装在机械爪102上之后，爪部连接件2上的第三电连接端子8对接机械爪102上的第四电连接端子，使得无线接收装置20电连接第二控制装置19。

本实施例中，机械手设备还设有用于控制机械臂101运动的总控模块(图中未示出)，该总控模块电连接机械臂101，用于控制机械臂101运动。机械臂101上安装有电连接总控模块的摄像头(图中未示出)，爪部连接件2的外壳背面画有二维码(图中未画出)。在组装机械臂101与机械爪102之前，人工将机械臂101及其上的摄像头移至位置对应于爪部连接件2，并令机械臂101的臂部连接件1上的各根导柱3分别对准爪部连接件2上的各个定位孔4，此时机械臂101的位姿角度符合预设的组装角度；然后用户利用输入装置(图中未示出，例如按键)向总控模块输入识别线拟合信号，总控模块在接收到该识别线拟合信号之后执行识别线拟合步骤如下：控制相关电路令摄像头拍摄爪部连接件2上的二维码，从中识别分别位于该二维码左下角、左上角和右上角的三个定位框，然后根据这三个定位框的相对位置分析得到该二维码左下角及右上角的两个对角定位框，再根据这两个对角定位框之间的连线所处的位置，在摄像头此次拍摄到的图像中拟合出位置相同的识别线。在摄像头之后拍摄图像的过程中，该识别线将会出现在后来拍摄到的图像的相同位置，如此则该识别线的方向会跟随机械臂101的位姿角度变化。

然后组装机械臂101和机械爪102，组装过程详述如下。首先，总控模块控制相关电路令机械臂101带着其上的摄像头运动直至其位置对应于安装在爪部连接件2上的机械爪102，此时机械臂101的位姿角度不符合预设的组装角度，使得臂部连接件1上的各个导柱3没有对准爪部连接件2的各个定位孔4，但若要使机械臂101与机械爪102能进行组装，则需令臂部连接件1上的各个导柱3对准爪部连接件2的各个卡接孔4，即需要令机械臂101的位姿角度符合预设的组装角度，为此，总控模块利用摄像头进行拍摄，在拍摄到的图像中会存在上述识别线，识别线的方向反映了机械臂101的位姿角度，并且，在机械臂101的位姿角度符合预设的组装角度时，图像中的识别线就会平行于爪部连接件2上的二维码的对角定位框之间的连线。当摄像头拍摄得到爪部连接件2上的二维码时，从中识别分别位于该二维码左下角、左上角和右上角的三个定位框，然后根据这三个定位框的相对位置分析得到该二维码左下角及右上角的两个对角定位框；再取二维码的两个对角定位框之间的连线作为符合预设的组装角度的定位线，然后对比图像中的定位线和识别线，得到该定位线与该识别线之间的角度偏差大于0，即该定位线与该识别线不平行，故总控模块据此得知机械臂101的位姿角度与预设的组装角度相比偏差超过预设程度，从而反推得知机械臂101的位姿角度不符合预设的组装角度，故总控模块控制相关电路令机械臂101按照定位线与识别线之间的具体角度偏差进行旋转，直至定位线与识别线相互平行，则使得机械臂101的位姿角度与预设的组装角度相比偏差不超过预设程度，此时臂部连接件1上的各个导柱3分别对准爪部连接件2上的各个定位孔4，即机械臂101位姿角度对准机械爪2。

在机械臂101位姿角度对准机械爪102之后，总控模块就可控制相关电路令机械臂101轴向相对靠近机械爪102，从而使得臂部连接件1上的各个导柱3分别伸入至爪部连接件2上的各个定位孔4中以进行定位，在此过程中，就算臂部连接件1和爪部连接件2之间的径向位置存在轻微的偏差，但由于三根导柱3的前端前窄后宽且前后为斜面过渡，臂部连接件1和爪部连接件2轴向相对靠近则各根导柱3的前端斜面引导各根导柱3分别滑入各个定位孔4中，从而对臂部连接件1和爪部连接件2之间的径向相对位置进行微调，使臂部连接件1与爪部连接件2径向完全对准。本实施例中，卡槽5、第二卡接部6和推拉式电磁铁13形成电动加固结构，在臂部连接件1与爪部连接件2轴向相对靠近的过程中，三根导柱3分别从三个定位孔4轴向伸入至爪部连接件2的正面，且三根导柱3分别径向挤开三个第二卡接部6，直至臂部连接件1与爪部连接件2相互贴合之后，臂部连接件1上的吸盘式电磁铁7吸住爪部连接件2的外壳，从而完成换爪机构103的组装，使得机械爪102安装在机械臂101上，此状态下，推拉式电磁铁13处于常态，其上的弹簧把三个第二卡接部6分别推至卡入三个导柱3的卡槽5中，使得三个第二卡接部6分别与卡槽5相互卡接，从而使得三个导柱3不能从三个定位孔4中退出，实现对相互组装的臂部连接件1与爪部连接件2进行加固，使得换爪机构103稳定性高。在完成机械臂101与机械爪102的组装之后，两个信号公端子分别对接两个信号母端子，则第一控制装置10和第二控制装置19之间实现通信连接；遮光件17遮挡在光电传感器11的发光器和收光器之间，收光器就接收不到发光器所发出的光，则光电传感器11就向第一控制装置10发送导电信号，使得第一控制装置10据此令两个导电公端子的后端与电源接口9接通，则两个导电公端子带电，且两个导电公端子分别对接两个导电母端子，则第二控制装置19可经第一控制装置10从电源接口9取电。

在需要更换机械爪102时，用户可利用无线通信设备(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等)向机械爪102中的无线接收装置20发送换爪信号，无线接收装置20把该换爪信号发送给第二控制装置19，第二控制装置19在接收到换爪信号之后，控制相关电路令推拉式电磁铁13得电，推拉式电磁铁13得电后就磁吸位于图3下方的第二卡接部6，从而回拉联动的三个第二卡接部6一起向上运动，三个第二卡接部6就从三根导柱3上的卡槽5中退出从而不再卡接卡槽5；第二控制装置19在接收到换爪信号之后，还会经信号母端子和信号公端子向臂部连接件1上的第一控制装置10发送该换爪信号，第一控制装置10在接收到换爪信号之后，控制相关电路令吸盘式电磁铁7失电消磁，则吸盘式电磁铁7不再吸住爪部连接件2的外壳，这样用户就可将爪部连接件2从臂部连接件1上拆卸下来，即可将机械爪102从机械臂101上拆卸下来，然后对安装在其他爪部连接件2上的机械爪102重复上述的组装过程，就能实现对机械爪102的更换。在把爪部连接件2拆卸下来之后，爪部连接件2上的导电母端子不再对接臂部连接件1上的导电公端子，则爪部连接件2上的推拉式电磁铁13断电，使得卡接部6在弹簧作用下回推复位。

见图2，在爪部连接件2的外壳上开有两个通孔14，这两个通孔14位于推拉式电磁铁13的推出方向上，分别朝向第二卡接部6且避开伸入至定位孔4中的导柱3。由于电源接口9经航空接头18从机械臂101末端取电，在需要更换机械爪102时，用户可直接从电源接口9上拔下航空接头18，这样吸盘式电磁铁7就失电消磁，且推拉式电磁铁13也不能得电，从而不能磁吸第二卡接部6，此时用户可将顶针从其中一个通孔14插入至爪部连接件2的内腔中从而顶开三个联动的第二卡接部6，使得三个卡接部6与三个导柱3的卡槽5不再相互卡接，这样用户就可将爪部连接件2从臂部连接件1上拆卸下来，然后对安装在其他爪部连接件2上的机械爪102重复上述的组装过程，就能实现对机械爪102的更换。在其他实施例中，无线接收装置20不安装在机械爪102上而是安装在爪部连接件2上，这就需要爪部连接件2预留用于安装无线接收装置20的空间，从而会增大爪部连接件2的体积。导柱3上的卡槽5可改为径向凸出的第一卡接部，这样第一卡接部与第二卡接部6亦可实现相互卡接，但定位孔4需要开有供第一卡接部穿过的通槽。卡槽5、第二卡接部6和推拉式电磁铁13所形成电动加固结构可换用其他器件，例如电动锁栓，该臂部连接件1和爪部连接件2相互组装之后，爪部连接件2上的第二控制装置19就控制相关电路令电动锁栓将臂部连接件1和爪部连接件2锁紧，电动锁栓是现有常规器件，在此不再赘述其具体结构。臂部连接件1与爪部连接件2两者可以进行机械结构互换，即相当于臂部连接件1固定安装在机械爪102上，爪部连接件2固定安装在机械臂101上，而电源接口9就要开在爪部连接件2上，这样也能实现与本实施例相同的功能，在此不再赘述。