專利名稱：平動勻速夾緊機械手爪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械設計與制造領域，涉及機器人手爪結構設計，具體涉 及機械手爪傳動機構的設計，主要應用于機器人末端操作。
背景技術：
機器人手爪作為機器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，對機 器人完成作業(yè)任務、提高作業(yè)水平有非常重要影響，有時甚至起到關鍵作 用。抓取操作目標對象的靈活性、精確性和適應性是衡量機械手爪設計水 平的一個重要標志。通用工業(yè)機器人的末端執(zhí)行機構多為形狀簡單的夾鉗 式、托持式、吸附式等型式，其動力驅動的方式有氣壓驅動、電機驅動、 電磁驅動、液壓驅動等。傳統(tǒng)機械手爪結構和抓握目標物的工作原理決定 了其抓握功能有限。隨著機器人應用范圍的日益擴大，機器人正向著智能 化、擬人化方向發(fā)展，各種特種用途的機械手應運而生，其中，尤以手部 具有多指多關節(jié)結構的擬人化結構手爪引人注目。相對于夾鉗式結構，多 指多關節(jié)的機械手能更加適應不同形狀物體的抓取，其抓握也更加穩(wěn)定， 但也由于手爪自由度數(shù)增加，引發(fā)控制復雜度大大增加、手爪外形尺寸龐 大等問題。
多指多關節(jié)機械手爪的研究正越來越受到國內外相關專家、學者的重
視，世界上已經(jīng)研制出的多指多關節(jié)機械手爪不勝枚舉。Utah/MIT手是較 有代表性的一種，它是一種四指結構的機械手，具有16個自由度，驅動系 統(tǒng)是由32個獨立的聚合繩索和氣壓驅動器組成的腱、滑輪傳動系統(tǒng)。 Kenneth J.Salisbury博士研制的Stanford/JPL手具有3個手指，每個手 指具有3個自由度和4根控制線，整個手由12個直流伺服電機組成的驅動 塊驅動。近年來，國內北京航空航天大學(BH-3)、哈爾濱工業(yè)大學(HIT/DLR) 及華南理工大學的五指形仿人機械手也在多指多關節(jié)機械手的研究方面取 得了進展。這些多指多關節(jié)機械手往往以空間操作應用為背景，每個手指 的各個關節(jié)都有獨立的驅動單元，并配有傳感和控制系統(tǒng)。雖然操作靈活， 但存在著結構復雜，控制繁瑣，制造價格十分昂貴以及體積和重量均較大 等弊端。在一些工業(yè)應用中，隨著末端執(zhí)行器體積和重量的增大，將直接 限制機器人的工作能力。所以，根據(jù)特殊的應用場合，設計出控制方式簡 單、結構巧妙、經(jīng)濟適用的機械手爪非常必要。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種簡單實用、功能價 格比高的一種單電機驅動的四指十二關節(jié)指尖平動夾緊的機械手爪結構， 該機械手爪在電機勻速轉動時能夠實現(xiàn)指尖平動勻速夾緊。
本發(fā)明包括步進電機、固定套筒、十字連桿和四個手指。
固定套筒的側壁在同一圓周上開有四個導向槽，四個導向槽在固定套 筒側壁圓周上均勻分布，十字連桿設置在固定套筒內，十字連桿的四個端 部伸出導向槽設置，十字連桿能夠沿導向槽上下移動，升降螺母穿過十字 連桿的中心設置并與十字連桿固定連接。套筒端蓋固定在固定套筒的底部， 包括封蓋部分和手指支架部分，其中封蓋部分與固定套筒的底面形狀相同， 四個手指支架部分位于封蓋部分側面的四個方向上，并且分別與十字連桿 的四個端部位置對應。
步進電機的動力輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)與諧波減速器的輸入端連接，諧波 減速器的輸出軸與絲桿連接，絲桿與升降螺母配合活動連接，構成絲桿螺 母運動副。
四個手指分別與十字連桿的四個端部連接。手指包括指尖、限位連桿、 移動連桿、斜撐架。限位連桿包括第一限位桿和第二限位桿，第一限位桿 的一端與套筒端蓋的手指支架部分通過鉸鏈活動連接，第一限位桿的另一 端與第二限位桿的一端通過限位桿鉸鏈活動連接，第二限位桿的另一端與 指尖的端部通過鉸鏈活動連接。移動連桿包括第一移動桿和第二移動桿，
第一移動桿為L形，拐點處與套筒端蓋的手指支架部分通過鉸鏈活動連接，
第一移動桿的一端與牽引桿的一端通過鉸鏈活動連接，牽引桿的另一端與 調節(jié)桿的一端通過鉸鏈活動連接，調節(jié)桿的另一端穿過十字連桿的端部設 置，調節(jié)桿上設置有調節(jié)螺母。第二移動桿包括移動部分和延伸部分，移 動部分的端部與指尖的端部通過鉸鏈活動連接，移動部分與延伸部分的過 渡處與第一移動桿的另一端通過移動桿鉸鏈活動連接，移動桿鉸鏈的銷軸 和限位桿鉸鏈的銷軸設置在過渡桿件上。第二移動桿的延伸部分為弧形， 弧形延伸部分內開有弧形滑槽，斜撐架上的固定銷與弧形滑槽位置配合， 弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定銷移動。
弧形滑槽的曲線滿足下面的極座標方程<formula>formula see original document page 5</formula>P極徑，6極角； 式中，A是第一移動桿拐點至第二移動桿連接鉸鏈間的長度； /2是第二移動桿移動部分的長度； P是第一移動桿轉角；
"是斜撐架上固定銷與第一移動桿L形拐點處鉸鏈的水平距離； ^是斜撐架上固定銷與第一移動桿L形拐點處鉸鏈的垂直距離； W是指尖偏離手爪初始位置(中位)的距離。
本發(fā)明的機械手爪當步進電機正、反轉動時，帶動絲桿旋轉，由絲桿 螺母傳動副將運動傳遞至升降螺母，帶動十字連桿沿固定套筒的四個導向 槽上、下移動，十字連桿通過調節(jié)桿帶動四根牽引桿跟隨十字連桿上、下 運動，四根牽引桿各牽引四個手指。牽引桿帶動第一移動桿繞其設置在手 指支架上的活動鉸鏈回轉，第一移動桿另一端推動第二移動桿弧形延伸部 分沿斜撐架上的固定銷滑移，致使第二移動桿作同方向的運動，由此帶動 與第二移動桿相連的指尖完成夾緊和張開的動作。
第一移動桿和第一限位桿之間，分別與設置在手指支架上的活動鉸鏈、 過渡桿件上的移動桿鉸鏈銷軸和限位桿鉸鏈銷軸構成平行四邊形連桿機 構；第二移動桿和第二限位桿之間，分別與設置在指尖上的活動鉸鏈、過 渡桿件上的移動桿鉸鏈銷軸和限位桿鉸鏈銷軸構成平行四邊形連桿機構， 起到傳遞至指尖的運動是平動的作用。斜撐架上固定銷支點在第二移動桿 弧形滑槽中的位置隨手爪張合運動而變化，工作時第二移動桿受力點與支 點間的力臂是變化的，所以，弧形滑槽曲線的參數(shù)確定了力臂的這種變化， 選擇適當?shù)那€參數(shù)能實現(xiàn)步進電機勻速轉動時，指尖的張合也是勻速的。
本發(fā)明采用單電機驅動，手爪的四個手指沿中心軸對稱，當驅動電機 勻速轉動時，手爪指尖的夾緊或張開速度是均勻的，所做運動是平動，有 利于指尖與目標物體的接觸與手爪對目標物體的整體抓握。


圖l為本發(fā)明的結構示意圖2 (a)為手爪處于張開極限位置時的手指桿件連接關系簡圖； 圖2 (b)為手爪處于中位位置時的手指桿件連接關系簡圖； 圖2 (c)為手爪處于閉合極限位置時的手指桿件連接關系簡圖； 圖3 (a)為手爪處于中位位置時桿件的運動分析示意圖； 圖3 (b)為手爪處于閉合極限位置時桿件的運動分析示意圖。
具體實施例方式
如圖]所示，平動勻速夾緊機械手爪包括歩進電機1、固定套筒8、十
6字連桿6和四個手指。
固定套筒8的側壁在同一圓周上開有四個導向槽7，四個導向槽7在 固定套筒8側壁圓周上均勻分布，十字連桿6設置在固定套筒內，十字連 桿6的四個端部伸出導向槽7設置，十字連桿6能夠沿導向槽7上下移動， 升降螺母5穿過十字連桿6的中心設置，并與十字連桿6固定連接。套筒 端蓋固定在固定套筒8的底部，包括封蓋部分9和手指支架部分10，其中 封蓋部分9與固定套筒8的底面形狀相同，四個手指支架部分10位于封蓋 部分9側面的四個方向上，并且分別與十字連桿6的四個端部位置對應。
步進電機1的動力輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)2與諧波減速器3的輸入端連接， 諧波減速器3的輸出軸與絲桿4連接，絲桿4與升降螺母5配合活動連接，
構成絲桿螺母運動副。
四個手指分別與十字連桿6的四個端部連接。手指包括指尖15、限位 連桿、移動連桿、斜撐架21。限位連桿包括第一限位桿11和第二限位桿 14，第一限位桿11的一端與套筒端蓋的手指支架部分10通過鉸鏈活動連 接，第一限位桿11的另一端與第二限位桿14的一端通過限位桿鉸鏈活動 連接，第二限位桿14的另一端與指尖15的端部通過鉸鏈活動連接。移動 連桿包括第一移動桿22和第二移動桿，第一移動桿22為L形，拐點處與 套筒端蓋的手指支架部分10通過鉸鏈活動連接，第一移動桿22的一端與 牽引桿23的一端通過鉸鏈活動連接，牽引桿23的另一端與調節(jié)桿24的一 端通過鉸鏈活動連接，調節(jié)桿24的另一端穿過十字連桿6的端部設置，調 節(jié)桿24上設置有調節(jié)螺母25。第二移動桿包括移動部分16和延伸部分19， 移動部分16的端部與指尖15的端部通過鉸鏈活動連接，移動部分16與延 伸部分19的過渡處與第一移動桿22的另一端通過移動桿鉸鏈活動連接， 移動桿鉸鏈的銷軸12和限位桿鉸鏈的銷軸13設置在過渡桿件17上。第二 移動桿的延伸部分19為弧形，弧形延伸部分內開有弧形滑槽18，斜撐架 21上的固定銷20與弧形滑槽18位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽18 沿固定銷20移動。
該機械手爪運動學分析如下
圖2為機械手爪的三個運動位置，其中圖2 (a)為手爪處于張開極限 位置時的手指桿件連接關系簡圖，圖2 (b)為手爪處于中位位置時的手指 桿件連接關系簡圖，圖2 (c)為手爪處于閉合極限位置時的手指桿件連接
圖3 (a)為手爪處于中位位置時桿件的運動分析示意圖，圖3 (b)為 手爪處于閉合極限位置時桿件的運動分析示意圖。為了分析從步進電機到指尖的運動傳遞關系，設步進電機轉速為
rpm，諧波減速器的速比為/，絲桿螺距Smm，貝U，十字連桿的移動速度 為
<formula>formula see original document page 8</formula>式中，Vi單位是mm/s。
如圖3所示，十字連桿帶動牽引桿運動，使第一移動桿的A點繞手指 支架上的活動鉸鏈B轉動。如果初始狀態(tài)A、 B在同一水平上，即第一移動 桿的水平初始夾角％=0，由于牽引桿的擺動幅度很小，忽略牽引桿擺動 的影響，那么，A點運動的垂直向距離與十字連桿的移動距離相等。
"寸刻A點上升的高度/z為
A = V (2)
第一移動桿的角速度A為
./V、, A arcsm("^) / f
式中，Zo是第一移動桿上A、 B間的長J
^時刻第一移動桿AB的水平夾角 360
(3)
單^立mm， 的單位是rad/s
2;r
(4)
第一移動桿上B、 C間的長度是/,，且CB與BA固接并垂直。第二移動 桿的移動部分CD的長度是/2，延伸段弧形滑槽部分CE，弧形滑槽上的固 定銷支點O相對于B點的坐標是(a， ZO。義'C/是固定在第二移動桿上 的座標，那么，弧形滑槽上的固定銷支點0離x'C/座標原點C的極徑p是
= ^/(/, cos p — 6)2 + (a — A sin1
(5)
如果被控機械手爪指尖的水平方向夾緊速度是V2mm/S， ^時刻在水平 方向移動了 w= v2,距離，貝l」，第一移動桿和第二移動桿的相對轉角6>'為
= arcsm(-1-)
/，
(6)
8如圖3 (b)所示，CO與Cx'的夾角0是CE曲線上0點的極角，是CO
的水平夾角與第一移動桿轉過的角度p和第二移動桿相對第一移動桿的轉
角6>'之差，即
八 乂cosp —6、 ， ，w —/, sinp、
^二an^g("1--)i —arcsm(-^-(7)
a - A sin p /2
式(5)、式(7)構成了弧形滑槽曲線的極座標方程。
為保證多指多關節(jié)的平動勻速夾緊機械手爪精度，在制作過程中，對 制造和裝配工藝有嚴格的要求。首先，各手指的移動桿、限位桿長度，連 桿之間的軸銷孔距有嚴格的精度要求，否則手爪將被卡死，為此，對各手 指孔系加工時需要設計專用夾具，以滿足上述要求；其次，第二移動桿延 伸部分的弧形滑槽(封閉凸輪)及槽寬一定要與斜撐架上的固定銷配作， 以保證弧形滑槽與固定銷之間有良好的配合與運動精度，在加工弧形滑槽 時可以由第二移動桿上兩個活動鉸鏈關節(jié)的銷軸孔作為定位基準孔，通過 數(shù)控加工保證弧形滑槽的一致性及精度，否則四指合攏時難以保證均勻對 稱的動作；最后，在裝配時，需要調整4個斜撐架、十字連桿的軸對稱性 和調節(jié)桿的伸出長度等，調整好調節(jié)桿的伸出長度后應將調節(jié)桿兩側的螺 母并緊，調整上述各影響因素可以保證機械手爪四個手指均勻對稱。另外， 為減輕機械手爪自身重量，在確保設計指標的強度和剛度前提下，對桿件 的選材、熱處理和結構設計都要進行優(yōu)化。
以平行四邊形機構構成的移動桿和限位桿結構，在步進電機勻速轉動 的情況下，機械手爪指尖夾緊或張開的速度是隨手爪開度變化的，在平行 四邊形機構成90。時速度最大，大于或小于90。時速度減小，這在實際使 用時增加了控制難度，尤其在一些對手爪夾緊、張開速度有嚴格要求的場 合。按本發(fā)明平動勻速夾緊機械手爪的結構，其最大的優(yōu)點是，通過第二 移動桿延伸部分弧形滑槽的曲線參數(shù)變化，能補償機械手爪指尖夾緊速度 的非線性，所以，弧形滑槽曲線的設計非常關鍵。
下面以設計實例加以說明。
設手爪的桿件尺寸/。=11腿，/^40腿，/2=35腿，與弧形滑槽配合的 斜撐架上固定銷支點O相對于B點的坐標是，a = 19mm， 6 = 21mm，機械手 爪抓取物體的范圍確定為38 — 150 mm。由于機械手爪是四指對稱結構，所 以對于單根手指來說，離屮心軸最小為19mm，最大為75mm，運動行程為 56mm。設定初始狀態(tài)為機械手爪的指尖中位位置，即A、 B在同一水平上，
9且確定指尖運動的56 (34 + 22) mm行程中，34mm在夾緊一側，22mm在張 開一側，那么指尖運動行程w在[-22， 34]內變化。考察機械手爪夾緊時單 邊的運動狀況，不妨設定A點的高度/ 在0 3.4mm變化，即p在0 arcsin(3.4/ll)al8。之間變化，當W在0 34mm變化時，將/ 、 W等分并按 算式(5)、 (7)得表1所示機械手爪運動各點與對應的弧形滑槽曲線極座 標參數(shù)。進一步細分參數(shù)間隔，并延伸至張開區(qū)間，便可得細分的p-e參 數(shù)表。機械手爪張開時的參數(shù)求法與之類似。
表1機械手爪運動各點與相應弧形滑槽曲線極座標參數(shù)
序號/咖w/咖W6/o
10.0000. 0000, 00026.87045.000
20.5002. 6055. 00025.58639.994
31.0005. 21610. 00024.30635.104
41.5007. 83715. 00023.03130.311
52.00010. 47620. 00021.76325.595
62.50013. 13725. 00020.50620.932
73.00015. 82730. 00019.26516.284
83.40018. 00434. 00018.28812.535
根據(jù)p-0參數(shù)表，結合槽寬要求，可在加工中心完成弧形滑槽的加工。 機械手爪運動范圍要求以外的弧形滑槽參數(shù)，可以根據(jù)結構要求進行過渡 性設計，以使外形更加美觀，具有流線型。
當歩進電機工作轉速w = 1000rpm，諧波齒輪減速器減速比/ =80:1 ， 絲桿螺母副的螺距^ =1.25mm時，由式(1)知，A點的上升速度 Vl=0.260mm/s，由表1知，、 w的等分及比例關系就是A點上升速度與D 點夾緊速度間的關系，表中數(shù)據(jù)是^^2=1:10，所以，指尖的夾緊速度是 v2=2.6mm/s。要提高夾緊或張開的速度，可以通過改變步進電機轉速、 諧波齒輪減速器速比及絲桿螺母副的螺距等參數(shù)實現(xiàn)。
權利要求
1、平動勻速夾緊機械手爪，包括步進電機、固定套筒、十字連桿和四個手指，其特征在于固定套筒的側壁在同一圓周上開有四個導向槽，四個導向槽在固定套筒側壁圓周上均勻分布，十字連桿設置在固定套筒內，十字連桿的四個端部伸出導向槽設置，十字連桿能夠沿導向槽上下移動，升降螺母穿過十字連桿的中心設置并與十字連桿固定連接；套筒端蓋固定在固定套筒的底部，包括封蓋部分和手指支架部分，其中封蓋部分與固定套筒的底面形狀相同，四個手指支架部分位于封蓋部分側面的四個方向上，并且分別與十字連桿的四個端部位置對應；步進電機的動力輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)與諧波減速器的輸入端連接，諧波減速器的輸出軸與絲桿連接，絲桿與升降螺母配合活動連接，構成絲桿螺母運動副；四個手指分別與十字連桿的四個端部連接，所述的手指包括指尖、限位連桿、移動連桿、斜撐架；限位連桿包括第一限位桿和第二限位桿，第一限位桿的一端與套筒端蓋的手指支架部分通過鉸鏈活動連接，第一限位桿的另一端與第二限位桿的一端通過限位桿鉸鏈活動連接，第二限位桿的另一端與指尖的端部通過鉸鏈活動連接；移動連桿包括第一移動桿和第二移動桿，第一移動桿為L形，拐點處與套筒端蓋的手指支架部分通過鉸鏈活動連接，第一移動桿的一端與牽引桿的一端通過鉸鏈活動連接，牽引桿的另一端與調節(jié)桿的一端通過鉸鏈活動連接，調節(jié)桿的另一端穿過十字連桿的端部設置，調節(jié)桿上設置有調節(jié)螺母；第二移動桿包括移動部分和延伸部分，移動部分的端部與指尖的端部通過鉸鏈活動連接，移動部分與延伸部分的過渡處與第一移動桿的另一端通過移動桿鉸鏈活動連接，移動桿鉸鏈的銷軸和限位桿鉸鏈的銷軸設置在過渡桿件上；第二移動桿的延伸部分為弧形，弧形延伸部分內開有弧形滑槽，斜撐架上的固定銷與弧形滑槽位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定銷移動；弧形滑槽的曲線滿足下面的極座標方程ρ極徑，θ極角；式中，l1是第一移動桿拐點至第二移動桿連接鉸鏈間的長度；l2是第二移動桿移動部分的長度；是第一移動桿轉角；a是斜撐架上固定銷與第一移動桿L形拐點處鉸鏈的水平距離；b是斜撐架上固定銷與第一移動桿L形拐點處鉸鏈的垂直距離；w是指尖偏離手爪初始位置的距離。
全文摘要
本發(fā)明涉及平動勻速夾緊機械手爪?，F(xiàn)有技術外形尺寸大、控制復雜度高。本發(fā)明包括步進電機、固定套筒、十字連桿和四個手指。十字連桿設置在固定套筒內，四個端部伸出導向槽設置，步進電機通過絲桿螺母運動副與十字連桿連接。四個手指分別與十字連桿的四個端部連接。手指包括指尖、限位連桿、移動連桿、斜撐架。移動連桿中的第二移動桿具有延伸部分，延伸部分為弧形，開有弧形滑槽，斜撐架上的固定銷與弧形滑槽位置配合，弧形延伸部分利用弧形滑槽沿固定銷移動。本發(fā)明采用單電機驅動，手爪的四個手指沿中心軸對稱，當驅動電機勻速轉動時，手爪指尖的夾緊或張開速度是均勻平動，有利于指尖與目標物體的接觸與手爪對目標物體的整體抓握。
文檔編號B25J7/00GK101497196SQ20091009641
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權日2009年3月2日
發(fā)明者明 孟, 席旭剛, 衛(wèi) 張, 羅志增, 顧培民 申請人:杭州電子科技大學