一种具有可调抓取范围的自适应机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，具体涉及一种具有可调抓取范围的自适应机械手。

背景技术

在大多数工业产品的装配中，存在零件数量多、尺寸差异大的现状，这对于推行自动化装配是非常不利的。在自动化装配中，装配机器人很难像人一样自动感知零件的大小，进而调整机械手开合的大小和抓取的力度。人们通常采用对不同零件设计不同的专用机械手来实现抓取，这样一来会浪费大量的人力时间去更换机械手，同时也会增加企业的成本。

传统的机械手，它们在工作时依赖于许多假设的成立，比如工件总是会在某个特定位置摆成某个姿势、机械手工作时周围绝对不会有任何人任何东西来打扰它；即使加上了工业视觉，机械手对工业视觉的精度要求也非常高，所以对每条产线或每个零件，工业相机的标定、环境光的设置、视觉算法等都需要繁复的调整；即使加入了碰撞检测，机械臂也只是在检测到碰撞的时候停止一切运动，而不可能继续完成手头的工作。对种种假设的依赖决定了现有的机械手在每条产线实现一个应用都需要专门的人员花费大量的精力和金钱来部署。

针对上述问题，希望机械手可以具有一些特点：1、可以使用同一个机械手抓取装配线上不同规格尺寸的零件。2、机械手可以适应抓取对象位置的不确定性。3、可以适应复杂外部环境的干扰。为此人们根据人手对抓取不同物体的能力，提出自适应机械手的概念。

对自适应机械手的要求是，即使工件的位置信息不够精确、或者因为某种原因在加工时产生了位移和姿态的改变，机械手都能够通过与物体接触，通过自身的结构设计及时调整末机械手对零件外形的适应。

尽管自适应机械手的研究目前已取得很大的进展，各种全驱动、欠驱动机械手被研发出来，并能够自动适应不同零件的外形和位置误差，但在结构紧凑性、性价比、以及应对复杂环境和多任务场景下的任务需求等方面，它们还不能满足工业要求。现有全驱动自适应机械手通常采用多个电机协调驱动多手指关节运动，容易导致机械手的使用成本高，并且需要考虑多电机的协调控制问题；少数欠驱动自适应机械手采用一个电机驱动一根手指的多个关节，它们通常利用手指关节被动贴合零件表面。然而，前者容易导致机械手结构笨重庞大，后者对零件尺寸的自适应范围小。此外，现有自适应机械手更多注重于手指机构的设计，而对单输入多输出差动机构的研究较少，这是导致目前单驱自适应机械手发展缓慢的主要原因。

因此，如何提供一种配合机械臂使用，结构简单，成本低，自适应范围大的机械手是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有可调抓取范围的自适应机械手，结构简单，成本低，自适应抓取范围大。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有可调抓取范围的自适应机械手，其包括：

壳体，所述壳体的一端连接机械臂，所述壳体的另一端设有避位缺口；

抓取范围调整机构，所述抓取范围调整机构包括旋转动力部、差动齿轮组、丝杠及导轨，所述动力部固定连接在所述壳体内，所述差动齿轮组与动力部传动连接，所述差动齿轮组中的两个输出齿轮分别传动连接两根丝杠，所述导轨两两成组平行布置且与对应侧的丝杠螺纹连接实现导轨的相互靠近或者远离；

手指机构，所述手指机构有两组且均包括过渡关节、根指节和尖指节，所述过渡关节、根指节和尖指节铰接成多连杆机构，所述过渡关节与对应侧的所述导轨铰接，所述根指节伸出所述避位缺口；

手指差动机构，所述手指差动机构包括伸缩动力部、传力杠杆、弹簧及推力组件，所述伸缩动力部固定连接在所述壳体上，所述伸缩动力部的伸缩端与传力杠杆的中部铰接，所述传力杠杆的两端均连接有弹簧，所述推力组件有两组且其的一端与对应侧的过渡关节铰接，另一端滑动连接在所述传力杠杆上；

控制器，所述控制器固定连接在所述壳体上且分别与旋转动力部、伸缩动力部及机械臂控制箱电连接。

本发明的有益效果是：通过旋转动力部控制差动齿轮组，差动齿轮组的两个输出齿轮传动连接丝杠，丝杠的转动能实现导轨的平移，调整机械手的抓取范围，通过伸缩动力部驱动传力杠杆，传力杠杆通过推力组件连接过渡关节，控制根指节和尖指节的开合抓取零件，通过一个动力部即可实现四个关节对零件的包络抓取，形成单驱动四输出的自适应抓取效果，具体的使用差动齿轮组实现机械手抓取范围的调整，增强机械手对外界的抗干扰能力和扩大机械手的自适应范围。通过一个伸缩动力部即可控制手指关节的开合来实现机械手对零件的包络抓取，灵活调节。

优选的，所述壳体的内侧底壁上固定连接有支架及轴承座架，所述支架与轴承座架之间的一端固定连接有圆柱滑轨，另一端转动连接有丝杠，所述丝杠的一端转动连接在轴承座架上，所述导轨的一端边缘固定连接有螺母，所述螺母与所述丝杠螺纹连接，所述导轨的另一端开设滑孔，所述圆柱滑轨滑动连接在所述滑孔内。

由此产生的技术效果是：通过支架和轴承座架安装圆柱滑轨和丝杠，丝杠是转动的，且与差动齿轮组的输出齿轮传动连接，在差动齿轮组的带动下，两根丝杠差动旋转，进而带动导轨差动移动。

优选的，所述旋转动力部包括步进电机和输入锥齿轮，所述步进电机与所述控制器电连接，所述步进电机固定连接在所述壳体上且位于成组的两导轨之间，所述步进电机的输出轴与输入锥齿轮传动连接，所述差动齿轮组位于两根丝杠之间，所述差动齿轮组中的传递锥齿轮与旋转动力部的输入锥齿轮啮合传动，所述传递锥齿轮上固定连接有行星架，所述行星架上转动连接有行星锥齿轮，所述行星锥齿轮与输出齿轮啮合。

由此产生的技术效果是：通过差动齿轮组可以实现两个导轨的同时移动和不同时移动的改变，可任意改变两个导轨之间的距离和中心线的位置。通过丝杠螺母和导轨结合的方式，把手指基座安装在可移动的导轨上，利用一个步进电机和一个差动齿轮机构来实现两个手指的差动运动，从而实现机械手抓取范围的调整。

优选的，所述伸缩动力部包括直线电机及U型杆，所述直线电机与所述控制器电连接，所述U型杆的一端与所述直线电机的输出端固定连接，所述U型杆的另一端通过销轴与所述传力杠杆的中部铰接，所述弹簧的一端与所述传力杠杆的端部固定连接，所述弹簧的另一端固定连接在所述壳体的侧壁上。

由此产生的技术效果是：伸缩动力部在于提供过渡关节的偏转动力，进而实现两个根指节和两个尖指节的联动收合抓取效果，方便抓取零件。

优选的，所述推力组件包括导套、动力杆、滑块及推力杆，所述导套有两组，所述导套滑动连接在所述传力杠杆上，所述动力杆的一端与所述导套铰接，所述动力杆的另一端与所述滑块铰接，所述滑块滑动连接在所述导轨上，所述推力杆的一端与所述滑块铰接，所述推力杆的另一端与过渡关节铰接使过渡关节转动一定角度。

由此产生的技术效果是：通过传力杠杆的偏转可以实现不同零件尺寸的包络抓取，不仅限于对称零件的抓取，本发明中的欠驱动机构是基于连杆导套机构，结构简单，简化了自适应机械手的机构。

优选的，所述过渡关节包括两两成组的三角形偏转板及多根支杆，多根支杆分别固定连接在两个偏转板之间的边角上，偏转板第一角上的支杆转动连接在所述导轨的一端边缘，所述推力杆的另一端与偏转板第二角上的支杆铰接。

由此产生的技术效果是：过渡关节通过推力组件实现定轴偏转，进而带动根指节和尖直接收合抓取零件。

优选的，所述根指节包括第一连杆及第二连杆，所述第一连杆与第二连杆均两两成组平行布置，所述第一连杆的一端与所述偏转板的第三角铰接，所述第二连杆的一端与偏转板的第一角铰接，所述第一连杆的另一端及第二连杆的另一端分别与所述尖指节铰接。

优选的，所述尖指节包括两个三角形架和多根支杆，多根支杆分别对应连接在两个三角形架之间的边角，成组的两根第二连杆之间设有撑杆，两个所述三角形架之间连接有撑杆，所述撑杆上固定连接有调整板连杆，所述调整板连杆通过轴与自适应调整板上的支座连接，所述自适应调整板的两侧均连接有拉簧，所述拉簧与对应的第二连杆和三角形架连接。

由此产生的技术效果是：自适应调整板在不受外力时，始终保持原始状态。当零件表面与指节表面不平行时，自适应调整板会在电机力的作用下与零件表面贴合，从而增大接触面积，提高抓取成功率。

优选的，所述壳体的顶部连接有接头，所述接头与所述控制器及机械臂控制箱连接。

附图说明

图1为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的装配图；

图2为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的爆炸图；

图3为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的主视图；

图4为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的抓取范围调整机构示意图；

图5为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的工作原理图；

图6为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的抓取范围调整示意图一；

图7为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的抓取范围调整示意图二；

图8为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的自适应包络抓取示意图一；

图9为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的自适应包络抓取示意图二；

图10为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的手指自适应调整板示意图一；

图11为本发明一种具有可调抓取范围的自适应机械手的手指自适应调整板示意图二。

1壳体、101上盖板、102后盖板、103左盖板、104下盖板、105前盖板、106右盖板、107法兰、108接头、109避位缺口；

2控制器；

3手指机构、301偏转板、302带扣转轴、303第一连杆、304第二连杆、305拉簧、306自适应调整板、307调整板连杆、308三角形架、309螺钉、310支座、311轴、312撑杆；

4手指差动机构、401直线电机、402U型杆、403销轴、404传力杠杆、405导套、406弹簧、407动力杆、408滑块、409推力杆；

5抓取范围调整机构、501支架、502圆柱滑轨、503导轨、504轴承座架、505步进电机、506输入锥齿轮、507丝杠、508螺母、509传递锥齿轮、510行星锥齿轮、511行星架、512输出齿轮；

6零件一、7零件二。

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做出创造性劳动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。

参阅本发明附图1至11，根据本发明实施例一种具有可调抓取范围的自适应机械手，其包括：

壳体1，壳体1的一端连接机械臂，壳体1的另一端设有避位缺口109；

壳体由上盖板101、下盖板104、前盖板105、后盖板102、左盖板103、右盖板106组成，从六个面将抓取机构包围起来，起固定和防护的作用。机械手通过安装在后盖板102上的法兰107与机械臂相连；避位缺口开设在前盖板105上；

抓取范围调整机构5，抓取范围调整机构5包括旋转动力部、差动齿轮组、丝杠507及导轨503，动力部固定连接在壳体1内，差动齿轮组与动力部传动连接，差动齿轮组中的两个输出齿轮512分别传动连接两根丝杠，导轨503两两成组平行布置且与对应侧的丝杠507通过螺母508螺纹连接，实现导轨的相互靠近或者远离；

手指机构3，手指机构3有两组且均包括过渡关节、根指节和尖指节，过渡关节、根指节和尖指节铰接成多连杆机构，过渡关节与对应侧的导轨503铰接，根指节伸出避位缺口109；一根导轨上对应一个根指节和一个尖指节。

手指差动机构4，手指差动机构4包括伸缩动力部、传力杠杆404、弹簧406及推力组件，伸缩动力部固定连接在壳体1上，伸缩动力部的伸缩端与传力杠杆404的中部铰接，传力杠杆404的两端均连接有弹簧，推力组件有两组且其的一端与对应侧的过渡关节铰接，另一端滑动连接在传力杠杆404上；通过推力组件可以控制多个指关节的联动收合，抓取零件；

控制器2，控制器2固定连接在壳体1的后盖板102上且分别与旋转动力部、伸缩动力部及机械臂控制箱电连接。控制器2主要为两个电机发送控制指令，控制整个机构的抓取范围调整、自适应抓取。控制器2通过108接头与机械臂控制箱相连。

在另一些实施例中，壳体1的内侧底壁上固定连接有支架501及轴承座架504，支架501与轴承座架504之间的一端固定连接有圆柱滑轨502，另一端转动连接有丝杠507，丝杠507的一端转动连接在轴承座架504上，导轨503的一端边缘固定连接有螺母508，螺母508与丝杠507螺纹连接，导轨503的另一端开设滑孔，圆柱滑轨502滑动连接在滑孔内。丝杠的转动给导轨的平移提供动力，圆柱滑轨给导轨平移提供导向作用。

利用丝杠与螺母的配合，将齿轮的旋转运动转化成导轨在圆柱滑轨上的直线运动。将手指机构通过带扣转轴303铰接在导轨的下端，整个手指机构就会随着导轨移动，这样就可以调整两个抓取机构的间距，并且可以任意调节抓取机构的中心线位置，从而调整机械手的抓取范围。当两个手指都没有碰到零件时，手指在步进电机505的带动下同步移动，当一边手指碰到零件时，另一边手指会在差动齿轮组的作用下继续向零件移动，直到两根手指都碰到零件。整个机构通过支架固定在机械手的后盖板上。

在另一些具体实施例中，旋转动力部包括步进电机505和输入锥齿轮506，步进电机505与控制器2电连接，步进电机给差动齿轮组提供动力，实现两个导轨的平移调整效果；步进电机505固定连接在壳体1的下盖板104上且位于成组的两导轨503之间，步进电机505的输出轴与输入锥齿轮506传动连接，差动齿轮组位于两根丝杠507之间，通过差动齿轮组中的传递锥齿轮509与旋转动力部的输入锥齿轮506啮合传输动力，传递锥齿轮509上固定连接有行星架511，行星架511上转动连接有行星锥齿轮510，行星锥齿轮510与输出齿轮512啮合。两个导轨同移动时，输出齿轮同步转动，行星架上的行星锥齿轮随着行星架转动而不发生自转，两根导轨不同时移动时，行星齿轮架上的行星锥齿轮随着行星架转动的同时发生自转，带动输出齿轮转动，此时两个输出齿轮不同步，有差速效果，进而调节两根丝杠的旋转动作。

在其他一些实施例中，伸缩动力部包括直线电机401及U型杆402，直线电机401与控制器2电连接，直线电机提供伸缩动力，可伸缩，U型杆402的一端与直线电机401的输出端固定连接，U型杆402的另一端通过销轴403与传力杠杆404的中部铰接，弹簧406的一端与传力杠杆404的端部固定连接，弹簧406的另一端固定连接在壳体1的后盖板102上。

手指差动机构主要控制机械手的包络抓取。直线电机通过U型杆推动传力杠杆向下运动，当两个手指指节都没有接触到零件时，传力杠杆不发生偏转，两根动力杆与传力杠杆垂直，在传力杠杆的推动下，滑块向下滑动，带动推力杆推动手指机构的带扣转轴，从而推动手指指节的闭合。因为通过上一步，在抓取范围调整机构组件的作用下，手指的两个根指节(近指节)都已经接触到零件，所以这一步在直线电机的推动下，只会有手指的尖指节(远指节)发生转动。当其中一根手指远指节接触到零件后，推动手指的滑块不再移动，传力杠杆会在U型杆的推动下发生倾斜，继续推动另一个滑块向下移动，直到另一个手指的远指节接触到零件，进而对物体实现包络抓取。完成抓取后，传力杠杆会在弹簧的拉动下回到水平位置。

如图5所示，本发明机械手的主要功能：抓取范围调整和自适应包络抓取，两个手指机构同时抓取时，传力杠杆是平衡的，同时作用给传力杠杆两侧的推力组件，进而实现两侧根指节和尖指节的同步收合。两个手指机构抓取不规则零件时，也就是说当两侧的手指节不同步收合时，传力杠杆偏斜，完成不规则零件的包络抓取。

在其他一些具体实施例中，推力组件包括导套405、动力杆407、滑块408及推力杆409，导套405有两组，导套405滑动连接在传力杠杆404上，动力杆407的一端与导套405铰接，在导轨平移时，导套保证推力组件同步移动，保证受力效果，动力杆407的另一端与滑块408铰接，滑块起到中间传输推力作用，定向性高，滑块408滑动连接在导轨503上，推力杆409的一端与滑块408铰接，推力杆409的另一端与过渡关节铰接使过渡关节转动一定角度。进而使得指关节联动收合抓取零件。

在其他一些具体实施例中，过渡关节包括两两成组的三角形状的偏转板301及多根支杆，多根支杆分别固定连接在两个偏转板301之间的边角上，偏转板第一角上的支杆转动连接在导轨503的一端边缘，推力杆409的另一端与偏转板第二角上的支杆铰接。也就是说，推力杆作用偏转板时可使得偏转板绕着一角转动。依靠根指节、尖指节自身的联动机制，实现零件的抓取。

在另一些实施例中，根指节包括第一连杆303及第二连杆304，第一连杆303与第二连杆304均两两成组平行布置，第一连杆303的一端与偏转板301的第三角铰接，第二连杆304的一端与偏转板的第一角铰接，第一连杆303的另一端及第二连杆304的另一端分别与尖指节铰接。

在其他一些实施例中，尖指节包括两个三角形架308和多根支杆，多根支杆分别对应连接在两个三角形架308之间的边角，成组的两根第二连杆304之间设有撑杆312，两个三角形架308之间连接有撑杆，撑杆312上固定连接有调整板连杆307，调整板连杆307通过轴311与自适应调整板306上的支座310连接，自适应调整板306的两侧均连接有拉簧305，拉簧305与对应的第二连杆和三角形架通过多颗螺钉309连接。根指节和尖指节上的自适应调整板在同一侧布置，方便抓取零件。

自适应调整板在不受外力时，始终保持原始状态。当零件表面与指节表面不平行时，自适应调整板会在电机力的作用下与零件表面贴合，从而增大接触面积，提高抓取成功率。

本发明自适应调整板工作原理图如图8所示，当零件表面与手指表面存在倾角时，自适应调整板会在电机力的作用下绕着支座310和调整板连杆307的铰接点转动，自动与零件表面贴合。

在其他一些实施例中，壳体1的上盖板101连接有接头108，接头108与控制器2及机械臂控制箱电连接。

本发明中采用一个直线电机控制两个手指的四个关节对零件的包络抓取，形成单驱动四输出的自适应抓取，能自动适应一定范围的零件形状和位置变化，可用于异状零件抓取；

本发明中的欠驱动机构是基于连杆导套机构，结构简单，简化了自适应机械手的机构；

本发明通过丝杠螺母和导轨结合的方式，把手指基座安装在可移动的导轨上，利用一个电机和一个差动机构来实现两个手指的差动运动，从而实现机械手抓取范围的调整；

本发明提出的新型自适应调整板的设计，可以实现手指被动与零件表面的贴合，增大抓取面积，提高抓取成功率。

对于实施例公开的装置和使用方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。