專利名稱：大型多傳感集成電動手爪的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種機械技術領域的裝置，具體的說，是一種大型多傳感集 成手爪。
背景技術：
手爪是機器人尤其是工業機械臂技術領域非常重要的終端工具。機械臂通過 使用各種類型的手爪應對不同的需求，抓取不同的物體，完成相應的作業。開合 方式的電動手爪可以連續控制、運動精度高，具有廣泛的應用。為應對不確定環 境下的復雜作業，手爪又被要求攜帶或配備相應的傳感系統以感知外部環境信 息。因此，負載能力、機構以及傳感系統的集成度等指標，對判斷手爪性能優劣、 決定手爪應用空間非常重要。經對現有技術的文獻檢索發現，梅濤等的授權公告號為CN1170659C的中國 發明專利"一種多傳感器機器人手爪"中提出一種采用雙向螺桿與帶螺母的一 對手指進行旋轉配合的手爪。該手爪使用M8特制螺距的螺母螺桿將直流伺服電 機的轉動轉變為一對手指的相對直線開合動作，其機構設計參數為最大加緊力 854N,手指開合速度為21mm/s。該發明中敘述多傳感器被一體化設計并且集成 到手爪之中。該發明的不足之處在于(1)使用螺母螺桿配合的機構雖然提供了 機械自鎖能力，但是摩擦大效率低；(2)手指結構短，只能抓取類似工字鋼等特 殊對象，通用性差；如果設計較長結構手指，則整體剛度迅速降低；(3)只敘述 說明配備有多傳感器，沒有指出具體安裝空間和安裝狀態、編號等信息，無法解 釋如何進行一體化設計與集成。(4)僅依靠增量式碼盤原理的位移傳感器，無法 獲得手指的絕對位置信息，無法測量工件在夾持方向的尺寸。發明內容本發明針對現有技術的不足，提出一種大型多傳感集成電動手爪。本發明具 有結構緊湊、效率高、機構及傳感系統集成度高、負載能力大、手指末端開合速度高、開合范圍大、抓取適用性強等優點，可以廣泛的應用到各種工業領域，尤 其適合在特殊危險環境下對例如爆炸物、化學物品等人類難以接近的物品進行抓 取操作。本發明是通過以下技術方案來實現的，本發明包括減速電機、電機支架、 下平板、上平板、接頭件、小傘齒輪、大傘齒輪、小齒輪、大齒輪、第一對轉齒 輪、第二對轉齒輪、第一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸、右手指組件、左手 指組件、外蓋、多傳感系統。下平板、上平板、電機支架、接頭件、多傳感系統 的攝像頭支架固定在一起，電機支架、接頭件和攝像頭支架夾在下平板和上平板 中間，接頭件處于手爪的幾何中軸線上，是手爪與外部設備進行連接的元件。第 一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸均采用銷釘方式連接在下平板和上平板之間， 可自由轉動。減速電機固定在電機支架上。小傘齒輪安裝在減速電機的輸出軸上， 大傘齒輪和小齒輪同軸固定在第一齒輪軸上，大齒輪和第一對轉齒輪同軸固定在第二齒輪軸上，第二對轉齒輪固定在第三齒輪軸上。右手指組件和左手指組件采 用銷釘方式連接在下平板和上平板之間。外蓋罩在手爪四周外側，用來防塵防異 物進入。多傳感系統利用手爪機構的內部空間，集成在手爪機構中。所述的右手指組件和左手指組件采用相同但左右對稱的結構，包括非完整 齒輪、手指框架、銷釘軸、指尖。手指框架采用銷釘方式連接銷釘軸，可相對自 由轉動。由于手爪開合為范圍有限的往復旋轉運動方式，因此非完整齒輪取完整 的齒輪的一部分扇形加工獲得，非完整齒輪固定在手指框架上，其軸線與銷釘軸 同軸。指尖采用銷釘方式連接到手指框架上，可根據被抓物體的形狀被動性自適 應調整角度。大傘齒輪齒數大于小傘齒輪齒數，彼此保持外嚙合，大齒輪齒數大于小齒輪 齒數，彼此保持外嚙合，第一對轉齒輪和第二對轉齒輪完全相同，彼此保持外嚙 合，第一對轉齒輪與右手指組件的非完整齒輪保持外嚙合，第二對轉齒輪與左手 指組件的非完整齒輪保持外嚙合。手爪開合的動作過程為減速電機轉動帶動小 傘齒輪與大傘齒輪嚙合轉動，小齒輪與大傘齒輪同步轉動帶動大齒輪轉動，第一 對轉齒輪與大齒輪同歩轉動帶動第二對轉齒輪轉動，第二對轉齒輪的轉動角速度 與第一對轉齒輪相同但是方向相反，第一對轉齒輪與第二對轉齒輪分別帶動右手 指組件和左手指組件轉動，從而實現左右對稱的開合動作。所述的多傳感系統包括距離傳感器、閉位置限位開關、開位置限位開關、 編碼器、電流傳感器、六個接近傳感器、攝像頭支架、攝像頭、電子聽音器。距 離傳感器采用激光方式，居中安裝在右手指組件和左手指組件之間的余留空間內 的下平板上，可以檢測手爪正前方物體距離手爪的距離，量程為1米。閉位置限 位開關和開位置限位開關都使用霍爾元件，分別安裝在下平板上，通過非接觸方 式檢測右手指組件或者左手指組件開合動作的極限角度位置，由于手爪開合為對 稱動作，因此閉位置限位開關和開位置限位開關用來檢測右手指組件的動作或者 用來檢測左手指組件的動作效果是相同的。編碼器同軸安裝在減速電機上，使用 相對值編碼方式配合閉位置限位開關或者開位置限位開關測量手指開合的距離。 編碼器當然也可以使用絕對值方式直接測量手指開合的距離。電流傳感器為外配 元件，通過測量減速電機的電流值計算手指上的抓取加緊力，為進行力控制提供 可能。六個接近傳感器分布在手爪的上下左右、右手指組件、左手指組件處，分 別檢測是否有物體從手爪的上下左右各方向靠近，或者從右手指組件和左手指組 件的外側靠近。攝像頭、電子聽音器為外配元件，都固定在攝像頭支架上，用來 收集手爪周圍的圖像和聲音信息。所述的減速電機采用交流伺服電機或者直流伺服電機。本發明使用開式齒輪設計，機械結構緊湊，傳動效率高，機構系統集成度高、負載能力大、手指末端開合速度高。如果使用額定轉矩為69Nm，額定轉速為25 轉/每分鐘的減速電機，經過開式齒輪進一步減速，傳遞到右手指組件和左手指 組件處，可以在指尖處提供1685N的正壓力，74ram/s的兩指尖相對開合速度。 右手指組件和左手指組件使用長結構設計，可以實現300mm的開合范圍。因此具 有很強的適用性。本發明的另外一個特點是將執行特殊危險操作時需要使用的多 傳感系統集成到機械系統中，給出具體的設計方案和安裝位置，結構緊湊，布局 合理，外觀整潔，設計完整。
圖l為本發明內部結構示意2為本發明結構框架3為本發明外觀4為右手指組件和左手指組件結構示意5為本發明多傳感系統分布示意圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例是在以本發明技術方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保 護范圍不限于下述的實施例。如圖1、圖2和圖3所示，本實施例包括減速電機l、電機支架2、下平板3、上平板4、接頭件5、小傘齒輪6、大傘齒輪7、小齒輪9、大齒輪IO、第 一對轉齒輪ll、第二對轉齒輪14、第一齒輪軸8、第二齒輪軸12、第三齒輪軸 13、右手指組件15、左手指組件16、外蓋17、多傳感系統18。各部件相互連接關系為下平板3、上平板4、電機支架2、接頭件5、多傳 感系統18的攝像頭支架38固定在一起，電機支架2、接頭件5和攝像頭支架38 夾在下平板3和上平板4中間，接頭件5處于手爪的幾何中軸線上，是手爪與其 他機器人或者機械臂進行連接的元件。第一齒輪軸8、第二齒輪軸12、第三齒輪 軸13均采用銷釘方式連接在下平板3和上平板4之間，可自由轉動。減速電機 1固定在電機支架2上。小傘齒輪6安裝在減速電機1的輸出軸上，大傘齒輪7 和小齒輪9同軸固定在第一齒輪軸8上，大齒輪10和第一對轉齒輪11同軸固定 在第二齒輪軸12上，第二對轉齒輪14固定在第三齒輪軸13上。右手指組件15 和左手指組件16采用銷釘方式連接在下平板3和上平板4之間。外蓋17罩在手 爪四周外側，用來防塵防異物進入。多傳感系統18利用手爪機構的內部空間， 集成在手爪機構中。所述的減速電機1采用交流伺服電機或者直流伺服電機。如圖4所示，所述的右手指組件15和左手指組件16采用相同但左右對稱的 結構，包括非完整齒輪19，手指框架20，銷釘軸21，指尖22。手指框架20 采用銷釘方式連接銷釘軸21，可相對自由轉動，由于手爪開合為范圍有限的往 復旋轉運動方式，因此非完整齒輪19取完整的齒輪的一部分扇形加工獲得，本 實施例中非完整齒輪19為完整齒輪的六分之一扇形，即60度，非完整齒輪固定 在手指框架20上，其軸線與銷釘軸21同軸。指尖22采用銷釘方式連接到手指 框架20上，可根據被抓物體的形狀被動性自適應調整角度。所述的右手指組件15和左手指組件16，其開合范圍為300mm。大傘齒輪7齒數大于小傘齒輪6齒數，彼此保持外嚙合，大齒輪10齒數大 于小齒輪9齒數，彼此保持外嚙合，第一對轉齒輪11和第二對轉齒輪14完全相 同，彼此保持外嚙合，第一對轉齒輪11與右手指組件15的非完整齒輪19保持 外嚙合，第二對轉齒輪14與左手指組件16的非完整齒輪19保持外嚙合。如圖3和圖5所示，所述的多傳感系統18包括距離傳感器31，閉位置限 位開關32，開位置限位開關33，編碼器34，電流傳感器35，六個接近傳感器 36，攝像頭37，攝像頭支架38，電子聽音器39。距離傳感器31采用激光方式， 居中安裝在右手指組件15和左手指組件16之間的余留空間內的下平板3上，可 以檢測手爪正前方物體距離手爪的距離，量程為1米。閉位置限位開關32和開 位置限位開關33都使用霍爾元件，分別安裝在下平板3上，通過非接觸方式檢 測右手指組件15或者左手指組件16開合動作的極限角度位置，由于手爪開合為 對稱動作，因此閉位置限位開關32和開位置限位開關33用來檢測右手指組件 15的動作或者用來檢測左手指組件16的動作效果是相同的，本實施例不具體界 定。編碼器34同軸安裝在減速電機1上，使用相對值編碼方式配合閉位置限位 開關32或者開位置限位開關33測量手指開合的距離。編碼器當然也可以使用絕 對值方式直接測量手指開合的距離。電流傳感器35為外配元件，通過測量減速 電機1的電流值計算手指上的抓取加緊力，為進行力控制提供可能。六個接近傳 感器36分布在手爪的上下左右、右手指組件15、左手指組件16處，分別檢測 是否有物體從手爪的上下左右各方向靠近，或者從右手指組件15和左手指組件 16的外側靠近。攝像頭37、電子聽音器39為外配元件，都固定在攝像頭支架 38上，用來收集手爪周圍的圖像和聲音信息。手爪的使用和工作過程為多傳感系統18收集手爪環境的各種信息，指導 操控人員或者控制系統通過手動或者自動方式采取相應動作。發現操作對象物體 后，通過其他設備使操作對象物體進入手爪抓取范圍。控制減速電機l轉動，帶 動小傘齒輪6與大傘齒輪7嚙合轉動，小齒輪9與大傘齒輪7同步轉動帶動大齒 輪10轉動，第一對轉齒輪11與大齒輪10同步轉動帶動第二對轉齒輪14轉動， 第二對轉齒輪14的轉動角速度與第一對轉齒輪11相同但是方向相反，第一對轉 齒輪11與第二對轉齒輪14分別帶動右手指組件15和左手指組件16轉動，從而 實現左右對稱的開合，完成對操作對象物體的抓取動作。抓取力的大小可以通過多傳感系統18的電流傳感器35間接測量，保證可靠的抓取動作。本發明采用伺服方式的減速電機和開式齒輪機構實現傳動，如果使用額定轉 矩為69Nm，額定轉速為25轉/每分鐘的減速電機，經過開式齒輪進一步減速， 傳遞到右手指組件和左手指組件處，可以在指尖處提供1685N的正壓力，74mra/s 的兩指尖相對開合速度；右手指組件和左手指組件結構相同左右對稱，采用長結 構設計，可以實現300mm的開合范圍；將執行特殊危險操作時需要使用的包括距 離傳感器、接近傳感器、電流傳感器、攝像頭、電子聽音器等多傳感系統集成到 機械系統中。本發明具有結構緊湊、設計完整、布局合理、效率高、機構及傳感 系統集成度高、負載能力大、手指末端開合速度高、開合范圍大、抓取適用性強 等優點，可以廣泛的應用到各種工業領域，尤其適合在特殊危險環境下對例如爆 炸物、化學物品等人類難以接近的物品進行抓取操作。
權利要求
1. 一種大型多傳感集成電動手爪，包括減速電機、電機支架、下平板、上平板、接頭件、小傘齒輪、大傘齒輪、小齒輪、大齒輪、第一對轉齒輪、第二對轉齒輪、第一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸、右手指組件、左手指組件、外蓋、多傳感系統，其特征在于，下平板、上平板、電機支架、接頭件、多傳感系統的攝像頭支架固定在一起，電機支架、接頭件和攝像頭支架夾在下平板和上平板中間，接頭件處于手爪的幾何中軸線上，是手爪與外部設備進行連接的元件，第一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸均采用銷釘方式連接在下平板和上平板之間，可自由轉動，減速電機固定在電機支架上，小傘齒輪安裝在減速電機的輸出軸上，大傘齒輪和小齒輪同軸固定在第一齒輪軸上，大齒輪和第一對轉齒輪同軸固定在第二齒輪軸上，第二對轉齒輪固定在第三齒輪軸上，右手指組件和左手指組件采用銷釘方式連接在下平板和上平板之間，外蓋罩在手爪四周外側，多傳感系統利用手爪機構的內部空間，集成在手爪機構中。
2、 根據權利要求1所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的減 速電機采用交流伺服電機或者直流伺服電機。
3、 根據權利要求1所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述大傘齒輪齒數大于小傘齒輪齒數，彼此保持外嚙合，大齒輪齒數大于小齒輪齒數，彼 此保持外嚙合，第一對轉齒輪和第二對轉齒輪完全相同，彼此保持外嚙合，第一 對轉齒輪與右手指組件的非完整齒輪保持外嚙合，第二對轉齒輪與左手指組件的 非完整齒輪保持外嚙合。
4、 根據權利要求1所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的右 手指組件和左手指組件采用相同但左右對稱的結構，包括非完整齒輪，手指框 架，銷釘軸，指尖，手指框架采用銷釘方式連接銷釘軸，可相對自由轉動，非完 整齒輪固定在手指框架上，其軸線與銷釘軸同軸，指尖采用銷釘方式連接到手指 框架上，指尖根據被抓物體的形狀被動性自適應調整角度。
5、 根據權利要求4所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的非完整齒輪為完整的齒輪的一部分，根據手爪開合范圍的大小確定非完整齒輪的扇形角度大小。
6、 根據權利要求1所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的右 手指組件和左手指組件，其開合范圍為300mm。
7、 根據權利要求1所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的多傳感系統包括距離傳感器、閉位置限位開關、開位置限位開關、編碼器、電流傳感器、六個接近傳感器、攝像頭支架、攝像頭、電子聽音器，距離傳感器居中安裝在右手指組件和左手指組件之間的余留空間內的下平板上，閉位置限位開關和開位置限位開關都使用霍爾元件，分別安裝在下平板上，通過非接觸方式檢測右手指組件或者左手指組件開合動作的極限角度位置，編碼器同軸安裝在減速電機上測量手指的開合距離，電流傳感器為外配元件，為進行手爪力控制提供可能，六個接近傳感器分布在手爪的上下左右、右手指組件、左手指組件處，分別檢測 是否有物體從手爪的上下左右各方向靠近，或者從右手指組件和左手指組件的外側靠近，攝像頭、電子聽音器為外配元件，都固定在攝像頭支架上，用來收集手 爪周圍的圖像和聲音信息。
8、 根據權利要求7所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的距 離傳感器為激光方式，檢測手爪正前方物體距離手爪的距離，量程為1米。
9、 根據權利要求7所述的大型多傳感集成電動手爪，其特征是，所述的編 碼器使用相對值編碼方式配合閉位置限位開關或者開位置限位開關測量手指開 合的距離，或者使用絕對值方式直接測量手指開合的距離。
全文摘要
一種大型多傳感集成電動手爪，屬于機械技術領域。本發明中電機支架、接頭件和攝像頭支架夾在下平板和上平板中間，接頭件處于手爪的幾何中軸線上，第一齒輪軸、第二齒輪軸、第三齒輪軸均連接在下平板和上平板之間，減速電機固定在電機支架上，小傘齒輪安裝在減速電機上，大傘齒輪和小齒輪同軸固定在第一齒輪軸上，大齒輪和第一對轉齒輪同軸固定在第二齒輪軸上，第二對轉齒輪固定在第三齒輪軸上，右手指組件和左手指組件連接在下平板和上平板間，外蓋罩在手爪四周外側，多傳感系統集成在手爪機構中。本發明可在指尖處提供1685N的正壓力，74mm/s的兩指尖相對開合速度，可以實現300mm的開合范圍，可廣泛應用到各種工業領域。
文檔編號B25J15/08GK101284380SQ20081003783
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月22日 優先權日2008年5月22日
發明者張偉軍, 琰 徐, 斌 胡, 林 薛, 袁建軍 申請人:上海交通大學