电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器

摘要

本发明涉及机器人、自动化应用技术领域，尤其是一种电‑气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器，包括电机蜗轮减速器、两根螺纹头驱动轴、两根螺纹头从动轴和叶片式转动气缸，电机蜗轮减速器通过四个同平面安装的变位齿轮系，使四根第一杆等速度地转动，且相邻的两根第一杆转向相反；叶片式转动气缸通过四个同平面安装的变位齿轮系，并借助于四根齿形带传动，使四根第二杆等速度地转动，且相邻的两根第二杆转向相反，每根第二杆或每根第一杆上固定直角板手指，能够精确定位四指与被抓物体的接触位置，并快速夹持被抓物体。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人、自动化应用技术领域，尤其是一种电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器。

背景技术

抓取机械手又称末端执行器、末端抓持器，是机器人抓取物体的操作工具。由于抓取对象的复杂性，除了一些造价高昂、装置复杂的仿人灵巧机械手外，其余末端执行器并不能通用地、可靠地抓取不同类别的对象。就接触状态看，为了适应长方体、圆柱体、球体等被抓物体形状的不同，需要手指的指根部位进行转位，以便手指接触面更好地适应不同形状的被抓物体，这个转位动作是手掌的基本功能。

对于农产品、食品等抓取对象，由于尺寸变化与形状不一(物形)、软硬韧脆(物性)和距离密疏与相互叠放(物态)的原因，适配而有一定通用性的末端执行器就更难以实现。

为此，授权专利“手指变位并转位的双驱动曲柄摇杆滑块并联机构手掌式机械手”(专利号：201710220457.7)，提出了一种“并联机构手掌式机械手”的方案。该机械手有四指，其中一根手指是固定的，采用并联的二套曲柄摇杆滑块并联机构使得另外两根动手指变位并转位(变位与转位的关系是唯一的，即动手指的坐标位置确定了动手指的转位角度)，靠二电机协同驱动并联机构手掌选择最终手指的位姿而夹持物体，并且选择动手指的运动轨迹以避障。

该机械手的缺陷是：①靠单手指来定位抓取物体，基准不重合，机械手坐标原点与大小物体质心的偏移量大，机械手偏心力距较大；②靠单手指来定位抓取物体，由于机械臂定位精度，抓取过程中被抓物体有一点移动；③两根动手指而不是三根手指同时向被抓物体运动，夹紧过程的效率低；④双驱动五杆滑块并联机构驱动二手指变位，因其x、y坐标所确定的位置上转位的角度是确定的，被抓物体的曲面接触而采用横截面为平面的手指，或被抓物体的平面接触而采用横截面为曲面的手指，同时垂直抓取圆柱体与长方体的通用性不够好；⑤尤其是曲柄摇杆滑块并联机构可以形成正曲柄摇杆机构(曲柄与摇杆的角位移方向相同)和反曲柄摇杆机构(曲柄与摇杆的角位移方向相反)，其过渡时会经历死点状态(此状态下连杆与摇杆成一直线)，摇杆铰链座(即滑块)是靠丝杠电机驱动，而靠丝杠电机与曲柄转动电机协同控制来避开死点的难度较大。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器，能够精确定位四指与被抓物体的接触位置，并快速夹持被抓物体。

本发明所采用的技术方案如下：一种电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器，包括电机蜗轮减速器、两根螺纹头驱动轴、两根螺纹头从动轴和叶片式转动气缸，电机蜗轮减速器驱动其中一根螺纹头驱动轴转动，每根螺纹头驱动轴的端部垂直固定有第一杆，每根螺纹头驱动轴上均安装一个双联齿轮和一个驱动齿轮，每根螺纹头从动轴上均安装一个锥孔齿轮，其中一根螺纹头从动轴上安装一个三联齿轮，另一根螺纹头从动轴上安装一个双联齿轮，每根螺纹头驱动轴、每根螺纹头从动轴的端部均垂直固定有第一杆，两根螺纹头驱动轴上的驱动齿轮相互啮合，驱动齿轮和锥孔齿轮一一对应啮合，四根第一杆的任意相邻的两根转速相等、转向相反；四个小齿轮分别安装在四根销轴的一端，四根第二杆分别垂直固定在四根销轴的另一端，每根销轴靠两个小带座轴承支撑，两个小带座轴承固定在第一杆的端部两侧，一个三联齿轮的中间齿轮和三个双联齿轮的上面齿轮构成同平面四齿轮系一，同平面四齿轮系一中各齿轮的模数、齿数均相等；两根螺纹头驱动轴上的两个同平面齿轮是正变位齿轮且相互啮合；两根螺纹头从动轴上的两个同平面齿轮是负变位齿轮；两根螺纹头驱动轴上的两个同平面齿轮分别与两根螺纹头从动轴上的两个同平面齿轮相互啮合；一个三联齿轮和三个双联齿轮中任意相邻的两个转速相等、转向相反；叶片式转动气缸的输出轴上装有圆台齿轮，圆台齿轮与三联齿轮的上面齿轮啮合使三联齿轮转动；一个三联齿轮的中间齿轮和三个双联齿轮的下面齿轮通过四根齿形带分别驱动四个小齿轮，四根第二杆的任意相邻的两根转速相等、转向相反，在第二杆和第一杆相互连接的四个杆系中，每根第二杆或每根第一杆上固定直角板手指。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器包括下盖板、上底板、U形安装板和导向螺柱，导向螺柱的两端分别与下盖板、上底板上的孔间隙配合，下盖板与上底板靠三根导向螺柱和螺母联结成整体，U形安装板与上底板靠四根螺钉固定在一起，下盖板、上底板、U形安装板构成三层的整体结构，U形安装板上有与机械臂联结孔系；叶片式转动气缸安装在下盖板上，电机蜗轮减速器固定在上底板上。

所述两根螺纹头驱动轴的轴上从上到下的装配关系相同且均依次是上底板、固定在上底板上的大带座轴承、隔套、驱动齿轮、下盖板、固定在下盖板上的大带座轴承、耐磨轴套、耐磨轴套外空套的双联齿轮、第一杆和螺母，两根第一杆分别套进两根螺纹头驱动轴并用螺母轴向固定，第一杆和螺纹头驱动轴之间通过固定在第一杆端部的径向螺钉传递扭矩，两个驱动齿轮均靠平键传递扭矩。

所述其中一根螺纹头从动轴的轴上从上到下的装配关系依次是上底板、固定在上底板上的大带座轴承、扁圆螺母、锥套、锥孔齿轮、下盖板、固定在下盖板上的大带座轴承、耐磨轴套、耐磨轴套外空套的双联齿轮、第一杆和螺母，两根第一杆的一端分别套进两根螺纹头从动轴并用螺母轴向固定，第一杆和螺纹头从动轴之间通过固定在第一杆端部的径向螺钉传递扭矩，锥孔齿轮的相位角通过松动扁圆螺母和锥套实现可调节；另一个螺纹头从动轴的轴上从上到下的装配关系依次是上底板、固定在上底板上的大带座轴承、扁圆螺母、锥套、锥孔齿轮、下盖板、固定在下盖板上的大带座轴承、耐磨轴套、耐磨轴套外空套的三联齿轮、第一杆和螺母，两根第一杆的一端分别套进两根螺纹头从动轴并用螺母轴向固定，第一杆和螺纹头从动轴之间通过固定在第一杆端部的径向螺钉传递扭矩。

所述两个驱动齿轮和两个锥孔齿轮构成同平面四齿轮系二，同平面四齿轮系二中各齿轮的模数、齿数均相等；两个驱动齿轮是正变位齿轮，两个锥孔齿轮是负变位齿轮。

所述直角板手指通过手指座固定在第二杆或第一杆上，直角板手指的双面均粘贴有扁椭圆横截面橡胶条，扁椭圆横截面橡胶条是硬橡胶或软橡胶。

本发明的有益效果如下：电-气复合驱动快捷性：电机蜗轮减速器起定位作用，其电机精确控制角位移，确定了直角板手指与被抓物体间的接触位置，其蜗轮减速器具有自锁作用，夹持过程可以断电节能；叶片式转动气缸起夹持作用，叶片式转动气缸1＝快速正、反转，使直角板手指从内、外夹紧被抓物体，效率高，并通过高速开关气阀精确控制驱动气压来精确控制接触力大小；

手动调节的范围：①通过松开扁圆螺母，调节锥孔齿轮、锥套之间的相位角，对称度调节，②四个手指分别在前后左右四个第二杆上的位置，③四个手指分别在前后左右四个第二杆上的角度，④四个手指分别在前后左右四个第一杆上的位置，⑤四个手指分别在前后左右四个第一杆上的角度；

机械臂的操作灵活性：手工调节后，叶片式转动气缸、电机蜗轮减速器均可正反转，四个运动手指的自动抓取，抓取过程机械手的定位坐标原点不变；

手指抓持的可靠性：四指比三指抓取的力封闭性好，同时接触力小，材质松软的物体抓取更加可靠；

自动控制抓取的形状的适应性：安装四指的串联机构手掌结构，在四个运动手指的自动抓取时，对于长方体、圆柱体、球体、椭球体等形状适应性好；

四个运动手指变位(改变x、y坐标位置)并转位(改变绕z轴角度)，被抓物体的曲面接触而采用横截面为平面的手指、或被抓物体的平面接触而采用横截面为曲面的手指，本发明采用扁椭圆横截面橡胶条粘贴在手指板上，同时垂直抓取圆柱体与长方体的通用性好，橡胶条弹性变形的方向性好且摩擦力大。

附图说明

图1为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的俯视图。

图2为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的A-A剖视展开图。

图3为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的B-B局部剖放大图。

图4为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的C-C剖视图。

图5为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的D-D剖视图。

图6为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器的仰视图。

图7为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器下盖板零件图。

图8为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器上底板零件图。

图9为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器第二杆零件主视图。

图10为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器第二杆零件左剖视图。

图11为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器手指座零件右视图。

图12为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器手指座零件主视图。

图13为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器手指座零件左视图。

图14为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器螺纹头从动轴零件图。

图15为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器螺纹头主动轴零件图。

图16为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器耐磨轴套零件图。

图17为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器三联齿轮零件图。

图18为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器双联齿轮零件图。

图19为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向内抓取宽长方体或水平放置粗圆柱体的原理图。

图20为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向内抓取窄长方体或水平放置细圆柱体的原理图。

图21为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向内抓取垂直放置圆柱体的原理图。

图22为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向外抓取宽长方体或水平放置粗圆柱体的原理图。

图23为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向外抓取窄长方体或水平放置细圆柱体的原理图。

其中：1、叶片式转动气缸；2、下盖板；3、上底板；4、U形安装板；5、导向螺柱；6、电机蜗轮减速器；7、第一杆；8、齿形带；9、小齿轮；10、第二杆；11、手指座；12、直角板手指；13、小带座轴承；14、销轴；15、双联齿轮；16、螺纹头从动轴；17、耐磨轴套；18、三联齿轮；19、大带座轴承；20、锥孔齿轮；21、锥套；22、扁圆螺母；23、圆台齿轮；24、螺纹头驱动轴；25、驱动齿轮；26、隔套；27、扁椭圆横截面橡胶条。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-23所示，本实施例的电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器，包括电机蜗轮减速器6、两根螺纹头驱动轴24、两根螺纹头从动轴16和叶片式转动气缸1，电机蜗轮减速器6驱动其中一根螺纹头驱动轴24转动，每根螺纹头驱动轴24的端部垂直固定有第一杆7，每根螺纹头驱动轴24上均安装一个双联齿轮15和一个驱动齿轮25，每根螺纹头从动轴16上均安装一个锥孔齿轮20，其中一根螺纹头从动轴16上安装一个三联齿轮18，另一根螺纹头从动轴16上安装一个双联齿轮15，每根螺纹头驱动轴24、每根螺纹头从动轴16的端部均垂直固定有第一杆7，两根螺纹头驱动轴24上的驱动齿轮25相互啮合，驱动齿轮25和锥孔齿轮20一一对应啮合，四根第一杆7的任意相邻的两根转速相等、转向相反；四个小齿轮9分别安装在四根销轴14的一端，四根第二杆10分别垂直固定在四根销轴14的另一端，每根销轴14靠两个小带座轴承13支撑，两个小带座轴承13固定在第一杆7的端部两侧，一个三联齿轮18的中间齿轮和三个双联齿轮15的上面齿轮构成同平面四齿轮系一，同平面四齿轮系一中各齿轮的模数、齿数均相等；两根螺纹头驱动轴24上的两个同平面齿轮是正变位齿轮且相互啮合；两根螺纹头从动轴16上的两个同平面齿轮是负变位齿轮；两根螺纹头驱动轴24上的两个同平面齿轮分别与两根螺纹头从动轴16上的两个同平面齿轮相互啮合；一个三联齿轮18和三个双联齿轮15中任意相邻的两个转速相等、转向相反；叶片式转动气缸1的输出轴上装有圆台齿轮23，圆台齿轮23与三联齿轮18的上面齿轮啮合使三联齿轮18转动；一个三联齿轮18的中间齿轮和三个双联齿轮15的下面齿轮通过四根齿形带8分别驱动四个小齿轮9，四根第二杆10的任意相邻的两根转速相等、转向相反，在第二杆10和第一杆7相互连接的四个杆系中，每根第二杆10或每根第一杆7上固定直角板手指12。

电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器包括下盖板2、上底板3、U形安装板4和导向螺柱5，导向螺柱5的两端分别与下盖板2、上底板3上的孔间隙配合，下盖板2与上底板3靠三根导向螺柱5和螺母联结成整体，U形安装板4与上底板3靠四根螺钉固定在一起，下盖板2、上底板3、U形安装板4构成三层的整体结构，U形安装板4上有与机械臂联结孔系；叶片式转动气缸1安装在下盖板2上，电机蜗轮减速器6固定在上底板3上。

两根螺纹头驱动轴24的轴上从上到下的装配关系相同且均依次是上底板3、固定在上底板3上的大带座轴承19、隔套26、驱动齿轮25、下盖板2、固定在下盖板2上的大带座轴承19、耐磨轴套17、耐磨轴套17外空套的双联齿轮15、第一杆7和螺母，两根第一杆7分别套进两根螺纹头驱动轴24并用螺母轴向固定，第一杆7和螺纹头驱动轴24之间通过固定在第一杆7端部的径向螺钉传递扭矩，两个驱动齿轮25均靠平键传递扭矩。

其中一根螺纹头从动轴16的轴上从上到下的装配关系依次是上底板3、固定在上底板3上的大带座轴承19、扁圆螺母22、锥套21、锥孔齿轮20、下盖板2、固定在下盖板2上的大带座轴承19、耐磨轴套17、耐磨轴套17外空套的双联齿轮15、第一杆7和螺母，两根第一杆7的一端分别套进两根螺纹头从动轴16并用螺母轴向固定，第一杆7和螺纹头从动轴16之间通过固定在第一杆7端部的径向螺钉传递扭矩，锥孔齿轮20的相位角通过松动扁圆螺母22和锥套21实现可调节；另一个螺纹头从动轴16的轴上从上到下的装配关系依次是上底板3、固定在上底板3上的大带座轴承19、扁圆螺母22、锥套21、锥孔齿轮20、下盖板2、固定在下盖板2上的大带座轴承19、耐磨轴套17、耐磨轴套17外空套的三联齿轮18、第一杆7和螺母，两根第一杆7的一端分别套进两根螺纹头从动轴16并用螺母轴向固定，第一杆7和螺纹头从动轴16之间通过固定在第一杆7端部的径向螺钉传递扭矩。

两个驱动齿轮25和两个锥孔齿轮20构成同平面四齿轮系二，同平面四齿轮系二中各齿轮的模数、齿数均相等；两个驱动齿轮25是正变位齿轮，两个锥孔齿轮20是负变位齿轮，两个锥孔齿轮20不能干涉。

如图2、3所示，直角板手指12通过手指座11固定在第二杆10或第一杆7上，直角板手指12的双面均粘贴有扁椭圆横截面橡胶条27，扁椭圆横截面橡胶条27是硬橡胶或软橡胶。四个手指座11分别固定在第二杆10上或固定在第一杆7上，在第二杆10和第一杆7相互连接的四个杆系中，每个杆系相连的第二杆10和第一杆7上只能安装一个手指座11；即四个手指座11安装形式：a、通常情况下四个同时在第二杆10上，b、少数情况下四个同时在第一杆7上，c、极少数情况下四个手指座11中对称的两个在第二杆10上、两个在第一杆7上，d、抓取异形物体的特殊情况下，四个手指座11分别安装第二杆10上或第一杆7上。

如图5所示，同平面四齿轮系中，两个驱动齿轮25和两个锥孔齿轮20，这四个同平面齿轮的模数、齿数均相等；两个驱动齿轮25是正变位齿轮、且齿顶高系数大，这两个齿轮相互啮合、中心距较大；两个锥孔齿轮20是负变位齿轮、且齿顶高系数小，这两个齿轮不能干涉(有加工匹配，两个锥孔齿轮20变位系数小，驱动齿轮25齿顶圆直径大于中心距，两个锥孔齿轮20齿顶在轮齿缝隙中相对移动而不干涉；无加工匹配，两个锥孔齿轮20变位系数大，驱动齿轮25齿顶圆直径小于中心距，两个锥孔齿轮20的齿顶圆之间有间隙而不干涉)；两个驱动齿轮25分别与两个锥孔齿轮20齿轮相互啮合、中心距较小；在同一平面的齿轮系中实现了四根第一杆7角位移相等，达到结构简单的轻量化效果。因此，两根螺纹头驱动轴24与两根螺纹头从动轴16中任意相邻的两根转速相等、转向相反，从而四根第一杆7的任意相邻的两根转速相等、转向相反。

另一同平面四齿轮系的传动原理相同，一个三联齿轮18的中间齿轮和三个双联齿轮15的上面齿轮，这四个同平面齿轮的模数、齿数均相等；两根螺纹头驱动轴24上的两个同平面齿轮是正变位齿轮且齿顶高系数大，这两个齿轮相互啮合；两根螺纹头从动轴16上的两个同平面齿轮是负变位齿轮且齿顶高系数小，这两个齿轮不能干涉；两根螺纹头驱动轴24上的两个同平面齿轮，分别与两根螺纹头从动轴16上的两个同平面齿轮相互啮合；一个三联齿轮18和三个双联齿轮15中任意相邻的两个转速相等、转向相反；叶片式转动气缸1的输出轴上装有圆台齿轮23，靠平键传递扭矩，靠螺钉、垫片轴向固定，圆台齿轮23与三联齿轮18的上面齿轮啮合使三联齿轮18在耐磨轴套17上转动；一个三联齿轮18的中间齿轮和三个双联齿轮15的下面齿轮，这四个相同的齿轮通过四根齿形带8分别驱动四个相同的小齿轮9，从而四根第二杆10的任意相邻的两根转速相等、转向相反；

如图5所示，所述同一平面的齿轮系中，机械手的定位坐标原点O，为驱动齿轮25与锥孔齿轮20这二对相啮合齿轮副节点连线的中点。

本发明电-气复合驱动串联机构手掌的四指敏捷末端执行器，实施过程中，除了叶片式转动气缸1、电机蜗轮减速器6协同控制，到达最终的抓取位姿、抓取物体之外，叶片式转动气缸1、电机蜗轮减速器6还可以与机械臂一起、协同控制手指的运动轨迹，避免手指干涉其他物体，如紧密靠近的多个被抓物体的抓取。

通过手动调节，可以改变：①松开扁圆螺母22，调节锥孔齿轮20、锥套21之间的相位角，对称度调节，②四个手指分别在前后左右四个第二杆10上的位置，③四个手指分别在前后左右四个第二杆10上的角度，④四个手指分别在前后左右四个第一杆7上的位置，⑤四个手指分别在前后左右四个第一杆7上的角度，共五种手工调整途径；这五种途径可单独改变，或以任何组合方式改变，形成具体实施方式。

在手指安装位置、角度不改变的情况下，通过控制叶片式转动气缸1和电机蜗轮减速器6，图19-20为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向内抓取宽长方体或水平放置粗圆柱体的原理图、向内抓取窄长方体或水平放置细圆柱体的原理图，图21为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向内抓取垂直放置圆柱体，因为直角板手指12的双面均粘贴有扁椭圆横截面橡胶条27，所以图22、23为本发明串联机构手掌的四指敏捷末端执行器向外抓取宽长方体或水平放置粗圆柱体、向外抓取窄长方体或水平放置细圆柱体的原理图。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。