一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手

摘要

本发明提供一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手，涉及机械手技术领域，解决现有结构带来的精度差及其抓取不灵活、抓取范围较小问题，本发明包括末端执行机构和承重底座，末端执行机构连接小臂，小臂通过大臂和连架杆连接承重底座，承重底座的两侧分别具有右支撑板和左支撑板，右支撑板和左支撑板的外侧分别安装有右伺服电机和左伺服电机，右伺服电机和左伺服电机驱动连接于大臂和连架杆，右支撑板和左支撑板之间安装连接底座驱动伺服电机，本发明机械手整体对称，减小结构设计带来的精度误差，加强机械手开式链结构的精度和刚度、机械手的灵活性，提高了夹取范围，结构简单、造价低廉、使用性价较高，节省人力，提高效率，节约成本。

说明书

技术领域

本发明涉及机械手技术领域，具体涉及一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手。

背景技术

工业机器手在制造业中发挥着重要作用，机器手比工人操作更为准确、快速，会使产品成品率及生产效率大幅提高，目前对适用于中小企业自动化生产的通用机械手的需求越来越大，随着机械手技术的广泛应用，具有独立控制器、动作灵活、适用于中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展，目前通用机械手大多数是为开链形式的串联结构关节型电机驱动机械手，其主要特点为驱动电机全部都安装在机械手的各个关节上，通过电机带动机械手各个关节的转动，实现机械手的各种动作。由于开链形式的串联结构关节型电机驱动机械手的驱动电机都安装在关节的位置，这种结构方式存在以下问题：机械手手臂需要承载电机的重量并需满足刚度要求，手臂截面尺寸需要做得较大，这样会增大驱动电机的负载，增加手臂的运动惯量，导致机械手动态性能下降，同时驱动电机都安装在关节位置造成机械手的结构复杂、模块化程度低。而具有成本低、结构简单、刚性好、精度高、模块化程度高特点的通用机械手在中小批量自动化生产的作用越来越重要。

传统四自由度机械手的整体结构一般不对称，会产生因结构设计带来的精度误差；大臂和小臂的运动会产生制约，不能够灵活的抓取，可执行抓取的范围较小。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有工业机械手结构设计带来的精度差及其抓取不灵活、抓取范围较小的问题，本发明提供一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手。

有鉴于此，本发明设计的一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手，其目的一方面在于减少因为结构设计带来的较大误差，另一方面在于提高机械手的灵活性，增加可执行抓取的范围。

具体的，本发明提出以下具体的实施例：

一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手，包括末端执行机构和承重底座，所述末端执行机构连接小臂，所述小臂通过大臂和连架杆连接所述承重底座，承重底座的两侧分别具有右支撑板和左支撑板，所述右支撑板和左支撑板的外侧分别安装有右伺服电机和左伺服电机，所述右伺服电机和左伺服电机驱动连接于所述大臂和连架杆，右支撑板和左支撑板之间安装连接有底座驱动伺服电机形成传动机构。

进一步说明，所述承重底座具有下底座，所述下底座固定在底座固定板上，圆锥滚子轴承承接于下底座和上底座之间，所述上底座的上侧安装有电机支撑盘，所述电机支撑盘上安装有所述底座伺服电机，上底座的上侧通过螺钉固定电机支撑盘。

进一步说明，所述右支撑板和左支撑板安装在所述电机支撑盘上，右支撑板和左支撑板通过支撑轴和传动轴连接所述大臂和所述连架杆。

进一步说明，所述左伺服电机固定在所述左支撑板上，左特殊连杆与安装在左支撑板和大臂左侧板之间的深沟球轴承承接相连；所述右伺服电机固定在所述右支撑板上，所述传动轴通过安装在右支撑板和右特殊连杆之间的所述深沟球轴承承接相连。

进一步说明，所述左特殊连杆的一端与所述左伺服电机连接，另一端与大臂左侧板连接；所述右伺服电机与所述传动轴相连，并且传动轴穿过所述右特殊连杆和大臂右侧板，传动轴末端的正六边形形状固定在所述大臂左侧板上的正六边形槽孔内。

进一步说明，所述大臂为大臂右侧板和大臂左侧板组合而成，所述小臂为小臂右侧板和小臂左侧板组合而成，大臂的末端连接的是小臂，所述连架杆的末端连接的是小臂的末端，大臂和小臂通过深沟球轴承承接，连架杆和小臂末端通过深沟球轴承承接。

进一步说明，所述小臂与所述末端执行机构具有的手掌通过两个深沟球轴承相连，所述支撑轴安装在所述连架杆上，连架杆的两端均安装有深沟球轴承。

进一步说明，所述末端执行机构上的手掌具有第一舵机和右扇形齿轮，所述右扇形齿轮与左扇形齿轮啮合，左小连杆、右小连杆分别与所述左扇形齿轮、右扇形齿轮的一端固定在所述手掌上，另一端固定在左卡爪和右卡爪上。

进一步说明，所述左卡爪和右卡爪上分别开有滑槽，左卡爪上的所述滑槽固定连接所述左小连杆和所述左扇形齿轮，右卡爪上的滑槽固定连接所述右小连杆和所述右扇形齿轮形成完整的传动结构。

进一步说明，所述左伺服电机固定在左支撑板上，所述右伺服电机固定在右支撑板上,左伺服电机驱动左特殊连杆，右伺服电机驱动传动轴，形成左右对称的机械手结构。

进一步说明，所述左支撑板右侧为安装深沟球轴承的槽孔；右支撑板左侧为安装深沟球轴承的槽孔。

进一步说明，所述左特殊连杆左右两段轴与中间部分为一个整体。

进一步说明，所述右特殊连杆中间部分与右端安装的深沟球轴承的槽孔为一个整体，且开有能够让传动轴通过的孔。

进一步说明，所述左、右特殊连杆通过支撑轴连接固定。

进一步说明，所述小臂以大臂和小臂连接处分为两部分，前端为有效执行部分，后端为产生执行部分。

进一步说明，所述连架杆一端通过安装深沟球轴承与左、右特殊连杆支撑轴连接，另一端通过安装深沟球轴承与小臂后端连接。

进一步说明，所述大臂左侧板左端开有安装深沟球轴承的槽孔，右端开有固定传动轴的正六边形槽孔。

进一步说明，所述左特殊连杆一端与左伺服电机连接，另一端与大臂左侧板连接，通过安装在左支撑板和大臂左侧板上的深沟球轴承承接。

进一步说明，所述传动轴一端与右伺服电机连接，另一端为正六边形固定轴与大臂左侧板连接，通过安装在右支撑板和右特殊连杆上的深沟球轴承承接。

进一步说明，所述大臂和小臂连接处为杠杆支撑点，连架杆运动时带动小臂做杠杆运动。

进一步说明，所述末端执行机构通过利用卡爪上的滑槽来改变小连杆和扇形齿轮的位置，从而产生夹取范围的改变。

与传统四自由度机械手相比，本发明的有益效果：

1.本发明在利用特殊连杆和大臂左侧板的特殊结构设计后，十分有效的形成了基于大臂的左右对称式的结构，进而形成了机械手的整体对称，尽可能地减小了因为结构设计带来的精度误差，进一步的加强了机械手开式链结构的精度和刚度。

2.本发明在利用支撑板、特殊连杆、大臂、小臂、连架杆、传动轴的特殊结构设计后，形成了大臂和小臂分别运动而互不影响。左伺服电机通过驱动左特殊连杆进而带动右特殊连杆和支撑轴运动，使得连架杆运动带动小臂做杠杆运动，此时大臂不产生运动；右伺服电机通过驱动传动轴，由末端正六边形固定轴带动大臂左侧板运动，进而大臂整体运动，产生前倾或后倾动作，此时小臂相对大臂不运动。

3.本发明在设计中大臂和小臂都采用两侧对称，使用左右两块侧板，利用连接支撑轴和螺钉进行连接，使两块侧板固定在一起，形成设计的大臂和小臂。这样的对称结构可以很好的使得机械手保持运行的平稳，增加了结构的稳定性，可以进一步提高机械手抓取的精度。两块侧板的设计，大大地降低了大臂的有效体积，从而保证了结构的最优性。

4.本发明的末端执行机构通过卡爪的滑槽可以改变小连杆和扇形齿轮的位置，因为卡爪实际执行范围的改变会导致夹取范围的改变，从而可以更好的实现对不同种类物品的夹取，大大提高了夹取的范围。

5.本发明的结构简单、造价低廉、使用性价比较高，能够较好的满足搬运的要求，节省了人力，提高了效率，节约了成本。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的A部放大示意图；

图3是本发明的B部局部剖面放大示意图；

图4是本发明的关键传动结构局部剖面放大示意图；

图5是本发明的左视图；

图6是本发明的俯视图；

图7是本发明的左特殊连杆结构示意图；

图8是本发明的右特殊连杆结构示意图；

图9是本发明的左侧板结构示意图。

图中：1.连架杆；2.大臂右侧板；3.右特殊连杆；4.右伺服电机；5.小臂右侧板；6.第一舵机；7.右支撑板；8.右卡爪；9.右小连杆；10.左小连杆；11.左卡爪；12.右扇形齿轮；13.手掌；14.左扇形齿轮；15.第二舵机；16.螺钉；17.圆锥滚子轴承；18.底座固定板；19.电机支撑盘；20.上底座；21.下底座；22.左伺服电机；23.左支撑板；24.支撑杆；25.支撑轴；26.左特殊连杆；27.大臂左侧板；28.深沟球轴承；29.传动轴；30.小臂左侧板；31.底座驱动伺服电机；末端执行机构A；承重底座B。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明装置参阅图1～9所示：

一种具有较大夹取范围的四自由度工业机械手，包括末端执行机构A和承重底座B，所述末端执行机构A连接小臂，所述小臂通过大臂和连架杆1连接所述承重底座B，承重底座B的两侧分别具有右支撑板7和左支撑板23，所述右支撑板7和左支撑板23的外侧分别安装有右伺服电机4和左伺服电机22，所述右伺服电机4和左伺服电机22驱动连接于所述大臂和连架杆1，右支撑板7和左支撑板23之间安装连接有底座驱动伺服电机31。

所述承重底座B具有下底座21，所述下底座21固定在底座固定板18上，圆锥滚子轴承17承接于下底座21和上底座20之间，所述上底座20的上侧安装有电机支撑盘19，所述电机支撑盘19上安装有所述底座伺服电机31，上底座20的上侧通过螺钉16固定电机支撑盘19。

所述右支撑板7和左支撑板23安装在所述电机支撑盘19上，右支撑板7和左支撑板23通过支撑轴25和传动轴29连接所述大臂和所述连架杆1。

所述左伺服电机22固定在所述左支撑板23上，左特殊连杆26与安装在左支撑板23和大臂左侧板27之间的深沟球轴承28承接相连；所述右伺服电机4固定在所述右支撑板7上，所述传动轴29通过安装在右支撑板7和右特殊连杆3之间的所述深沟球轴承28承接相连。

所述左特殊连杆26的一端与所述左伺服电机22连接，另一端与大臂左侧板27连接；所述右伺服电机4与所述传动轴29相连，并且传动轴29穿过所述右特殊连杆3和大臂右侧板2，传动轴29末端的正六边形形状固定在所述大臂左侧板27上的正六边形槽孔内。

所述大臂为大臂右侧板2和大臂左侧板27组合而成，所述小臂为小臂右侧板5和小臂左侧板30组合而成，大臂的末端连接的是小臂，所述连架杆1的末端连接的是小臂的末端，大臂和小臂通过深沟球轴承承接，连架杆1和小臂末端通过深沟球轴承承接。

所述小臂与所述末端执行机构A具有的手掌13通过两个深沟球轴承相连，所述支撑轴25安装在所述连架杆1上，连架杆1的两端均安装有深沟球轴承。

所述末端执行机构A上的手掌13具有第一舵机15和右扇形齿轮12，所述右扇形齿轮12与左扇形齿轮14啮合，左小连杆10、右小连杆9分别与所述左扇形齿轮14、右扇形齿轮12的一端固定在所述手掌13上，另一端固定在左卡爪11和右卡爪8上。

所述左卡爪11和右卡爪8上分别开有滑槽，左卡爪11上的所述滑槽固定连接所述左小连杆10和所述左扇形齿轮14，右卡爪8上的滑槽固定连接所述右小连杆9和所述右扇形齿轮12。

实施例2：参阅图1～9所示，进一步说明上述实施例的结构及其原理：将底座固定板18安装在下底座21的下方，用于和工作台固定连接。下底座21中放入圆锥滚子轴承17，上方与上底座20相连，在轴承的作用下可以产生转动。上底座20的上方通过螺钉16固定电机支撑盘19，底座驱动伺服电机31安装在电机支撑盘19上，电机通过电机轴和下底座21中的正六边形槽孔固定连接，从而底座驱动伺服电机31工作时将会利用圆锥滚子轴承17产生转动，此为机械手的第一个自由度。

承重底座B的上部还有机械手的主体部分，具体的，左支撑板23和右支撑板7分别通过螺钉安装在电机支撑盘19左右两侧，并且用支撑杆24将左支撑板23和右支撑板7连接起来，可以更好的保持稳定。左伺服电机22固定在左支撑板23上，右伺服电机4固定在右支撑板7上。在传动机构处共有4个深沟球轴承28，分别位于左支撑板23和大臂左侧板27之间，右特殊连杆3和右支撑板7之间。左特殊连杆26一端与左伺服电机22连接，另一端与大臂左侧板27连接，中间利用深沟球轴承28承接。右伺服电机4与传动轴29相连，并且通过右特殊连杆3和大臂右侧板2，通过传动轴29末端的正六边形固定轴固定在大臂左侧板27上的正六边形槽孔内，中间利用深沟球轴承28承接。左特殊连杆26和右特殊连杆3之间通过支撑轴25进行固定连接。支撑轴25上安装连架杆1，连架杆1两端均安装有深沟球轴承，连架杆1另一端安装在小臂后端。大臂和小臂皆是由左右两块侧板通过支撑杆24连接的。大臂另一端与小臂中间的支撑轴25连接，由安装在小臂左、右侧板中的两个深沟球轴承承接。至此，大臂、特殊连杆、连架杆、小臂后端形成了一个平行四边形结构。当左伺服电机22运动时，带动左特殊连杆26转动进而带动右特殊连杆3和支撑轴25运动，使得连架杆1向上或向下运动，带动小臂做杠杆运动，此时大臂不产生运动；当右伺服电机4运动时，通过驱动传动轴29，由末端正六边形固定轴带动大臂左侧板27运动，进而大臂整体运动，产生前倾或后倾动作，此时小臂相对大臂不运动。

在小臂的前端安装有末端执行机构A，具体的，末端执行机构A由手掌13、左扇形齿轮14、左小连杆10、右扇形齿轮12、右小连杆9、左卡爪11、右卡爪8、第二舵机15组成。末端执行机构的手掌13安装在小臂前端，通过小臂两侧的深沟球轴承承接，并且通过安装在小臂右侧板5上的第一舵机6控制末端执行机构A的俯仰动作。左扇形齿轮14、左小连杆10、右扇形齿轮12、右小连杆9、都通过螺钉安装在手掌13上，第二舵机15安装在手掌13的下方右侧，连接着右扇形齿轮12。左扇形齿轮12与左小连杆10保持平行，右扇形齿轮12与右小连杆9保持平行并且另一端分别安装在左卡爪11和右卡爪8上。左卡爪11和右卡爪8上都开有滑槽，通过改变扇形齿轮和小连杆在卡爪上的位置，来调整卡爪的夹取范围。第二舵机15的转动带动右扇形齿轮12转动，右扇形齿轮12和左扇形齿轮14啮合，联合左、右小连杆共同推动左、右卡爪做开合动作实现对物体的抓取。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。