一种单自由度可伸缩两用途机械手爪

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种单自由度可伸缩两用途机械手爪。

背景技术

随着计算机技术、集成电路技术空前繁荣发展，机器人技术也在不断发展进步，机器人已经被广泛应用于工业自动化的各个领域。机器人手爪是一种可以实现类似人手功能的机器人部件。工厂日益复杂的生产环境，要求作业机器人的手爪不仅能完成夹取动作，还应具备伸缩的功能。而目前市面上的机器人手爪大多仅能完成夹取动作，不具备伸缩功能。

另外，可伸缩机械手爪的伸缩运动和夹取运动属于两种独立的运动，一般需要两个电机来驱动，但是对于自重要求严格的机器人来说，使用两个电机会进一步增加机器人的自重，且如何在狭小空间内布置两个电机也是个难题。另外，使用两个电机来完成机械手爪的伸缩和夹紧运动，会进一步增加机器人的制造成本。

因此，亟需提出一种单电机输入的可伸缩、可夹取机械手爪，以解决上述技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足之处，本发明提出了一种单自由度可伸缩两用途机械手爪，该机械手爪克服了传统手爪仅能完成夹取动作而不具备伸缩功能、传统可伸缩夹爪需配备两个电机的问题。

为实现上述目的，本发明专利采用以下技术方案：

一种单自由度可伸缩两用途机械手爪，包括用于实现一根输入轴独立驱动两根输出轴的电磁双离合机构，所述电磁双离合机构的输入轴为一根电机轴，所述电磁双离合机构的两根输出轴分别作为伸缩机构和夹紧机构的驱动轴，所述伸缩机构与夹紧机构固定连接，所述伸缩机构用于实现所述夹紧机构的伸出和缩回，所述夹紧机构包括夹紧机构机架、夹紧驱动结构和夹紧结构，所述夹紧驱动结构驱动所述夹紧结构夹紧目标物体。

优选的是，本发明的电磁双离合机构包括电磁组件、传动轴组件及摩擦传动组件；

电磁组件包括：

电磁线圈，绕置于第一端盖之上，第一端盖作为铁芯与电磁线圈组成电磁铁；

永磁体，永磁体中央开有花键孔，并通过花键孔安装于电机输入花键轴之上，并能够在电机输入花键轴上前后滑动；

传动轴组件包括：

第一传动轴，通过第一角接触球轴承组安装于第一壳体内，并通过两侧轴环完成轴向定位；前端内部布置有花键槽，后端内部布置有平键槽，用于与伸缩机构驱动轴进行转动连接；

第二传动轴，通过第二角接触球轴承组安装于第一传动轴内部，并通过轴环及圆螺母完成轴向定位；前端内部布置有花键槽，后端内部开有平键槽，用于与夹紧机构驱动轴进行转动连接；

摩擦传动组件包括：

主动摩擦片，通过螺钉与永磁体固定连接，能够随永磁体在输入花键轴上滑动；前后两个端面皆为中央凹、外围凸的形状；

第一弹簧垫片，位于主动摩擦片前端面的中央凹坑内；所述第一弹簧垫片处于自由不受力状态下，会将两边物体完全分隔开；而在受到一定压力时，会被完全压入所述主动摩擦片前端面的中央凹坑内；

第一从动摩擦片，外形为花键形状，安装在第一传动轴前端的花键槽内；所述第一从动摩擦片位于所述主动摩擦片的前端，通过第一弹簧垫片隔开；

第二端盖，前端与第一端盖固定连接，后端与第一壳体固定连接，用于对第一从动摩擦片进行限位；所述第二端盖的后端与第一从动摩擦片的前端直接接触，并发生相对旋转运动；所述第二端盖的后端中央位置设置有滚珠保持环，环内装有一圈滚珠，第二端盖与第一从动摩擦片相对接触，而与保持环内的滚珠接触；

第二弹簧垫片，位于主动摩擦片后端面的中央凹坑内；所述第二弹簧垫片处于自由不受力状态下，会将两边物体完全分隔开，而在受到一定压力时，会被完全压入所述主动摩擦片后端面的中央凹坑内；

第二从动摩擦片，外形为花键形状，安装在第二传动轴前端的花键槽内；所述第二从动摩擦片位于所述主动摩擦片的后端，通过第二弹簧垫片隔开。

优选的是，本发明的伸缩机构包括第二壳体、第三壳体、第三传动轴、第一螺母、第一螺杆；所述第二壳体前端与所述第一壳体固定连接，后端与第三壳体固定连接；所述第三传动轴后端与所述第一螺母通过螺钉固定连接，并通过第三角接触球轴承组安装在第二壳体内，实现轴向定位；所述第三传动轴前端表面布置有平键槽，并通过第一平键与所述第一传动轴转动连接；所述第一螺母与所述第一螺杆形成螺旋副传动，所述第一螺杆同时还是夹紧机构的壳体，夹紧机构的壳体与所述第三壳体滑动连接；所述第一螺母的轴向运动被限制，仅能进行旋转运动，而第一螺杆的旋转运动被限制，仅能滑动。

优选的是，本发明的夹紧机构机架包括第三端盖、第四壳体、第四端盖；所述第三端盖与所述第四壳体的前端固定连接，所述第四端盖与所述第四壳体的后端固定连接，所述第四端盖还与第三壳体滑动连接。

优选的是，本发明的夹紧驱动结构包括第四传动轴、第二螺母、第二螺杆、第一连接件；所述第四传动轴通过螺钉与第二螺母固定连接，并通过第四角接触球轴承组安装在第四壳体内，且已完成轴向定位；所述第四传动轴前端表面布置有平键槽，并通过第二平键与所述第二传动轴转动连接；所述第二螺母与所述第二螺杆形成螺旋副传动，所述第二螺杆后端与所述第一连接件固定连接，所述第一连接件后端与所述夹紧结构旋转连接。

优选的是，本发明的夹紧结构为连杆结构，包括第一连接板、第二连接板、第一夹板和第二夹板；所述第一连接板前端与所述第一连接件旋转连接，后端与所述第一夹板的前端旋转连接，所述第一夹板的中央位置与所述第四端盖旋转连接；所述第二连接板前端与所述第一连接件旋转连接，后端与所述第二夹板的前端旋转连接，所述第二夹板的中央位置与所述第四端盖旋转连接；所述第一夹板、第二夹板内侧还设置有圆弧形刀片，在剪切任务中，圆弧造型刀片能够实现圆柱形待切割物自定心对中。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明使用螺旋副传动实现了机械手爪的伸缩功能，使用螺旋副传动和连杆传动实现了机械手爪的抓取功能，而当螺旋副的螺纹升角小于当量摩擦角时，螺旋副会反行程自锁，因此本发明提出的可伸缩机械手爪的伸缩功能和夹紧功能都具有优良的自锁性。

本发明为伸缩机构和夹紧机构精心设计了一种电磁双离合机构，可实现单电机驱动机械手爪分别完成伸缩运动和夹紧运动，进一步降低了机械手爪外形尺寸、自重及制造成本，结构合理，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种单电机输入的可伸缩、可夹取机械手爪外部结构示意图。

图2为本发明的一种单电机输入的可伸缩、可夹取机械手爪内部结构示意图。

其中：1、第一端盖，2、电磁线圈，3、第二端盖，4、永磁体，5,12、第一角接触球轴承组，6、第一从动摩擦片，7、主动摩擦片，8、第二传动轴、9，第一壳体、10，第一传动轴，11、第一平键，13,19、第三角接触球轴承组，14、第二平键，15、第二壳体，16、第三传动轴，17、第三端盖，18、第四壳体(第一螺杆)，20、第一螺母，21、第三壳体，22、第四端盖，23、第一连接板，24、第二夹板，25、第一夹板，26、第二连接板，27、连接件，28、第二螺杆，29、第二丝母，30,31、第四角接触球轴承组，32、第四传动轴，33、圆螺母，34,35、第二角接触球轴承组，36、第二从动摩擦片，37、第二弹簧垫片，38、第一弹簧垫片，39、电机输入花键轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种单自由度可伸缩两用途机械手爪，将伸缩功能和夹紧功能集成为一体，实现一个电机便可分别驱动伸缩机构或夹紧机构完成伸缩运动或夹取运动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示：本实施例提供了一种单自由度可伸缩两用途机械手爪，包括电磁双离合机构，伸缩机构及夹紧机构，其中电磁双离合机构用于实现一根输入轴独立驱动两根输出轴，输入轴即为一根电机花键轴39，两根输出轴分别作为伸缩机构和夹紧机构的驱动轴，即第三传动轴16和第四传动轴32，伸缩机构与夹紧机构固定连接，伸缩机构用于实现夹紧机构的伸出和缩回，夹紧机构包括夹紧机构机架、夹紧驱动结构和夹紧结构，夹紧驱动结构驱动夹紧结构夹紧目标物体。

本实施例以单个电机花键轴39为输入，通过双离合机构分别驱动伸缩机构或夹紧机构完成伸缩或夹紧运动：当电磁线圈2正向通电时，电磁铁会吸引永磁体4向前滑动，进而带动主动摩擦片7向前滑动并压紧第一从动摩擦片6，电机花键轴输入的动力便可传输至伸缩机构，最后实现伸缩运动；当电磁线圈2反向通电时，电磁铁会排斥永磁体4向后滑动，进而带动主动摩擦片7向后滑动并压紧第二从动摩擦片36，电机花键轴输入的动力便可传输至夹紧机构，最后实现夹紧运动。

具体地，如图2所示，本发明的电磁双离合机构包括电磁组件、传动轴组件及摩擦传动组件。

电磁组件包括：电磁线圈2，其绕置于第一端盖1之上，第一端盖1的材质为工业纯铁，其作为铁芯与电磁线圈2组成电磁铁；永磁体4，永磁体中央开有花键孔，并通过花键孔安装于电机输入花键轴39之上，其可在输入花键轴上前后滑动。

传动轴组件包括：第一传动轴10，其通过第一角接触球轴承组5安装于第一壳体9内，并通过两侧轴环完成轴向定位，为方便动力输入，其前端内部布置有花键槽，为方便动力输出，其后端内部布置有平键槽，用于与伸缩机构驱动轴进行转动连接；第二传动轴8，其通过第二角接触球轴承组34安装于第一传动轴10内部，并通过轴环及圆螺母33完成轴向定位，为方便动力输入，其前端内部布置有花键槽，为方便动力输出，其后端内部开有平键槽，用于与夹紧机构驱动轴进行转动连接。

摩擦传动组件包括：

主动摩擦片7，其通过螺钉与永磁体4固定连接，可随永磁体在输入花键轴39上滑动，其前后两个端面皆为中央凹，外围凸的形状，凸起的外围涂覆有增大摩擦力的材料；

第一弹簧垫片38，位于主动摩擦片7前端面的中央凹坑内。第一弹簧垫片处于自由不受力状态下，会将两边物体完全分隔开，而在受到一定压力时，会被完全压入主动摩擦片前端面的中央凹坑内；

第一从动摩擦片6，其外形为花键形状，安装在第一传动轴10前端的花键槽内，其后端面上涂覆有增大摩擦力的材料。第一从动摩擦片位于主动摩擦片7的前端，两者之间用第一弹簧垫片38隔开；

第二端盖3，其前端与第一端盖1固定连接，其后端与第一壳体9固定连接。第二端盖的作用是对第一从动摩擦片6进行限位，其后端与第一从动摩擦片的前端直接接触，并发生相对旋转运动，为避免产生巨大的摩擦力，第二端盖的后端中央位置设置有滚珠保持环，环内装有一圈滚珠，第一从动摩擦片不与第二端盖直接接触，而与保持环内的滚珠接触；

第二弹簧垫片37，位于主动摩擦片7后端面的中央凹坑内。第二弹簧垫片处于自由不受力状态下，会将两边物体完全分隔开，而在受到一定压力时，会被完全压入主动摩擦片后端面的中央凹坑内；

第二从动摩擦片36，其外形为花键形状，安装在第二传动轴8前端的花键槽内，其前端面上涂覆有增大摩擦力的材料。第二从动摩擦片位于主动摩擦片7的后端，两者之间用第二弹簧垫片37隔开。

如图2所示，本发明通过电磁组件控制摩擦传动组件，进而将输入动力传递至不同传动轴，以实现单电机驱动两个机构：当电磁线圈2正向通电时，电磁铁会吸引永磁体4向前滑动，进而带动主动摩擦片7向前滑动并压向第一从动摩擦片6，此时第一弹簧垫片38被完全压入主动摩擦片前端凹槽内，不再将主动摩擦片7和第一从动摩擦片6分隔开，在强电磁吸力作用下，主动摩擦片7将和第一从动摩擦片6紧密贴合在一起，此时动力传递方向为：电机花键轴39-主动摩擦片7-第一从动摩擦片6-第一传动轴10-第三传动轴16-伸缩机构；当电磁线圈2反向通电时，电磁铁会排斥永磁体4向后滑动，进而带动主动摩擦片7向后滑动并压向第二从动摩擦片36，此时第二弹簧垫片37被完全压入主动摩擦片后端凹槽内，不再将主动摩擦片7和第二从动摩擦片36分隔开，在强电磁排斥力作用下，主动摩擦片7将和第二从动摩擦片36紧密贴合在一起，此时动力传递方向为：电机花键轴39-主动摩擦片7-第二从动摩擦片36-第二传动轴8-第四传动轴32-夹紧机构。

如图2所示，本发明的伸缩机构包括第二壳体15、第三壳体21、第三传动轴16、第一螺母20、第一螺杆18。第二壳体15前端与第一壳体9固定连接，后端与第三壳体21固定连接。第三传动轴16后端与第一螺母20通过螺钉固定连接，并通过第三角接触球轴承组13安装在第二壳体15内，且已完成轴向定位。第三传动轴16前端表面布置有平键槽，并通过第一平键与第一传动轴10转动连接。第一螺母20与第一螺杆18形成螺旋副传动，第一螺杆18同时还是夹紧机构的壳体，夹紧机构的壳体还与第三壳体21滑动连接，两者之间不能发生相对转动。第一螺母20的轴向运动被限制，仅能进行旋转运动，而第一螺杆18的旋转运动被限制，仅能滑动。本实施例中的第三传动轴16旋转，会带动第一螺母20旋转，进而带动第一螺杆18向前或向后滑动。

如图2所示，本发明的夹紧机构主要包括夹紧机构机架、夹紧驱动结构和夹紧结构。夹紧机构机架包括第三端盖17、第四壳体(第一螺杆)18、第四端盖22。第三端盖17与第四壳体18的前端固定连接，第四端盖22与第四壳体18的后端固定连接，第四端盖22还与第三壳体21滑动连接；夹紧驱动结构包括第四传动轴32、第二螺母29、第二螺杆28、连接件27。第四传动轴32通过螺钉与第二螺母29固定连接，并通过第四角接触球轴承组30安装在第四壳体18内，且已完成轴向定位。第四传动轴32前端表面布置有平键槽，并通过第二平键14与第二传动轴8转动连接。第二螺母29与第二螺杆28形成螺旋副传动，第二螺杆28后端与连接件27固定连接，连接件27后端与夹紧结构旋转连接；夹紧结构为连杆结构，主要包括第一连接板23、第二连接板26、第一夹板25和第二夹板24。第一连接板23前端与连接件27旋转连接，后端与第一夹板25的前端旋转连接，第一夹板25的中央位置与第四端盖22旋转连接。第二连接板26前端与连接件27旋转连接，后端与第二夹板24的前端旋转连接，第二夹板24的中央位置与第四端盖22旋转连接。另外，第一夹板25、第二夹板24内侧还设置有圆弧形刀片，在剪切任务中，圆弧造型刀片可令圆柱形待切割物自定心对中。

如图2所示，本发明的第四传动轴32旋转，带动第二螺母29旋转，后带动第二螺杆28向前或向后滑动，进而带动连杆收拢或张开，最后带动夹板张开或夹紧，以完成夹取任务，或剪切线绳任务。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。