CN100340379C - 空间机器人手爪 - Google Patents

Abstract

空间机器人手爪，它涉及一种机器人。本发明解决了现有的机器人手爪在使用中存在手爪捕获范围小、最终抓握位置不唯一确定、在抓握过程中易丢失目标问题。本发明的电机位置传感器与电机驱动装置固接，电机驱动装置与支撑套9固接，支撑套9与谐波减速器部件固接，谐波减速器部件固装在电机转轴2-1上并与驱动法兰10固接，驱动法兰10与轴端法兰11固接，轴端法兰11与手指位置传感器固接，驱动法兰10上固装有齿轮传动装置，齿轮传动装置分别与单手指四连杆机构和双手指四连杆机构固接，与外壳1固接的V形定位槽13位于手指位置传感器的上方，V形定位槽13内固定装有接触传感器。本发明具有包络范围大、锁紧姿态唯一的优点。

Description

空间机器人手爪

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种空间机器人手爪。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人被用于更多的特殊环境中。机器人为了完成特定任务，必须有适合的末端机器人手爪与之相配合完成相应任务。目前为止，国内、国际在这一领域中已有不少研究成果，如国内的有合肥智能所“微传感器与特种机器人”是集力觉、触觉、滑觉、接近觉等多种传感功能的作业型执行机构；哈尔滨工业大学机器人研究所研制了“多传感器集成手爪系统”，该手爪有两个平行手指，电机通过滚珠丝杠带动四连杆机构进行抓握；国外有德国的ROTEX机器人手，机构采用丝杠螺母及四连杆机构带有快速更换装置；日本的ETS-VII型机器人手，采用开合手指并有对准机构；加拿大空间臂上安装的空间手爪则采用欠驱动机构，三个手指完成空间抓握。但是，以上列举的这些机器人手爪都不同程度地存在着手爪捕获范围小、最终抓握位置不唯一确定、在抓握过程中易丢失目标的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的特种机器人手爪在使用中存在手爪捕获范围小、最终抓握位置不唯一确定、在抓握过程中易丢失目标问题而提供的一种空间机器人手爪。它包括外壳1、电机驱动装置；它还包括电机位置传感器、谐波减速器部件、齿轮传动装置、单手指四连杆机构、双手指四连杆机构、手指位置传感器、支撑套9、驱动法兰10、轴端法兰11、端面盖板12、V形定位槽13、接触传感器；电机位置传感器中的磁环3-1-1固定装在电机驱动装置中的电机转轴2-1上，电机驱动装置中的电机外壳2-2与支撑套9固定连接，支撑套9与谐波减速器部件中的刚轮4-1固定连接，谐波减速器部件中的波发生器4-2固定装在电机转轴2-1上，谐波减速器部件中的柔轮环4-3与驱动法兰10固定连接，驱动法兰10与轴端法兰11固定连接，轴端法兰11与手指位置传感器中的电刷环8-1固定连接，驱动法兰10上固定装有齿轮传动装置中的主传动锥齿轮5-1，齿轮传动装置中的从动单手指锥齿轮5-2与单手指四连杆机构中的单手指驱动杆6-1的一端固定连接，齿轮传动装置中的从动双手指锥齿轮5-3与双手指四连杆机构中的双手指驱动杆7-1的一端固定连接，单手指四连杆机构和双手指四连杆机构相对V形定位槽13对称放置，V形定位槽13位于手指位置传感器的上方，V形定位槽13与外壳1固定连接，V形定位槽13内固定装有接触传感器，轴端法兰11通过轴承15与端面盖板12相连接，端面盖板12与外壳1固定连接；所述的单手指四连杆机构中的单手指6-2及单手指指尖6-12和双手指四连杆机构中的双手指7-2及双手指指尖7-12均采用斜楔形结构，所述的单手指6-2和单手指指尖6-12组合构成勾形手指形状，所述的双手指7-2和双手指指尖7-12组合构成勾形手指形状。

本发明具有以下有益效果：一、本发明的空间机器人手爪模仿人手抓握物体的过程，抓握手指采用对开式四连杆机构，勾形手指形状有利于在抓握时进行较大范围的包络，防止被抓物体逃逸并限制被抓物体的位置偏差，然后利用单手指指尖和双手指指尖的斜楔形结构及关节轴将处于包络范围内任意位置的被抓物体导入到V形定位槽内，从而限制被抓物体的六个自由度，实现对被抓物体的锁紧。二、为了实现大范围包络并防止抓握过程中的运动卡死现象，采用四连杆机构驱动抓握手指，具有速度快、包络范围大和回转运动灵活的优点。三、单手指及单手指指尖和双手指及双手指指尖均采用斜楔形结构作为导向面，能逐步插入被抓物体后侧，从而限制了被抓物体的平移。四、采用V形定位槽可限制漂浮被抓物体的四个自由度。五、为了实现单手指四连杆机构和双手指四连杆机构的相对运动，采用谐波减速器部件减速并通过主传动锥齿轮带动从动单手指锥齿轮和从动双手指锥齿轮转动，并通过从动单手指锥齿轮和从动双手指锥齿轮分成两个等速方向相反的两个运动，从而带动单手指四连杆机构和双手指四连杆机构旋转。六、本发明具有包络范围大、允许被抓物体有较大偏差、锁紧姿态唯一、运动快速、手爪位置闭环控制并具有抓握感知功能的优点。

附图说明

图1是本发明的主视结构图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的E-E剖视图，图4是图1的D-D剖视图，图5是本发明的外部结构俯视图，图6是图1的F-F剖视图，图7是图1的B向视图，图8是接触传感器的剖面图，图9是电刷环8-1上装有电刷8-2-1和磁钢8-3-1的结构示意图，图10是端面盖板12、电路板8-4、霍尔元件8-3-2及电阻8-2-2组装在一起的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图5、图7说明本实施方式，本实施方式由外壳1、电机驱动装置、电机位置传感器、谐波减速器部件、齿轮传动装置、单手指四连杆机构、双手指四连杆机构、手指位置传感器、支撑套9、驱动法兰10、轴端法兰11、端面盖板12、V形定位槽13、接触传感器组成；电机位置传感器中的磁环3-1-1固定装在电机驱动装置中的电机转轴2-1上，电机驱动装置中的电机外壳2-2与支撑套9固定连接，支撑套9与谐波减速器部件中的刚轮4-1固定连接，谐波减速器部件中的波发生器4-2固定装在电机转轴2-1上，谐波减速器部件中的柔轮环4-3与驱动法兰10固定连接，驱动法兰10与轴端法兰11固定连接，轴端法兰11与手指位置传感器中的电刷环8-1固定连接，驱动法兰10上固定装有齿轮传动装置中的主传动锥齿轮5-1，齿轮传动装置中的从动单手指锥齿轮5-2与单手指四连杆机构中的单手指驱动杆6-1的一端固定连接，齿轮传动装置中的从动双手指锥齿轮5-3与双手指四连杆机构中的双手指驱动杆7-1的一端固定连接，单手指四连杆机构和双手指四连杆机构相对V形定位槽13对称放置，V形定位槽13位于手指位置传感器的上方，V形定位槽13与外壳1固定连接，V形定位槽13内固定装有接触传感器，轴端法兰11通过轴承15与端面盖板12相连接，端面盖板12与外壳1固定连接；所述的单手指四连杆机构中的单手指6-2及单手指指尖6-12和双手指四连杆机构中的双手指7-2及双手指指尖7-12均采用斜楔形结构，所述的单手指6-2和单手指指尖6-12组合构成勾形手指形状，所述的双手指7-2和双手指指尖7-12组合构成勾形手指形状。

本实施方式中的谐波减速器部件采用德国Harmonic Drive公司的HFUS-14-50-2A-GR型减速器。

具体实施方式二：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的电机位置传感器由磁编码器和电机本身固有的数字霍尔元件组成；磁编码器由磁环3-1-1、磁环检测电路3-1-2组成；磁环3-1-1固定装在电机转轴2-1的外圆周端面上，磁环3-1-1的外侧装有与电机外壳2-2固定连接的磁环检测电路3-1-2。采用电机位置传感器，由磁编码器和电机本身固有的数字霍尔元件构成电机位置检测系统，磁环检测电路3-1-2安装在电机外壳2-2上，用以记录电机的转动位置。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的电机驱动装置为直流无刷电机；所述的直流无刷电机由电机转轴2-1、电机外壳2-2、电机定子2-3、第一电机轴承2-4、轴承盖2-5、第二电机轴承2-6组成；电机定子2-3与电机外壳2-2固定连接，电机定子2-3内装有电机转轴2-1，电机转轴2-1与电机外壳2-2之间装有第一电机轴承2-4，第一电机轴承2-4通过轴承盖2-5定位，轴承盖2-5与电机外壳2-2固定连接，电机转轴2-1与电机外壳2-2之间装有第二电机轴承2-6，电机外壳2-2与支撑套9固定连接。采用直流无刷电机，便于对其控制。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式的齿轮传动装置由主传动锥齿轮5-1、从动单手指锥齿轮5-2、从动双手指锥齿轮5-3、从动单手指锥齿轮轴5-4、从动双手指锥齿轮轴5-5、从动单手指锥齿轮轴承5-6、从动双手指锥齿轮轴承5-7组成；主传动锥齿轮5-1固定装在驱动法兰10的外圆周端面上，主传动锥齿轮5-1分别与从动单手指锥齿轮5-2和从动双手指锥齿轮5-3啮合，从动单手指锥齿轮5-2装在从动单手指锥齿轮轴5-4上，从动单手指锥齿轮5-2与从动单手指锥齿轮轴5-4之间装有从动单手指锥齿轮轴承5-6，从动单手指锥齿轮轴5-4的一端与外壳1固定连接，从动双手指锥齿轮5-3装在从动双手指锥齿轮轴5-5上，从动双手指锥齿轮5-3与从动双手指锥齿轮轴5-5之间装有从动双手指锥齿轮轴承5-7，从动双手指锥齿轮轴5-5的一端与外壳1固定连接。采用上述结构的齿轮传动装置可通过主传动锥齿轮5-1将动力分别经从动单手指锥齿轮5-2和从动双手指锥齿轮5-3传递给单手指四连杆机构和双手指四连杆机构，从而驱动单手指6-2和双手指7-2进行包络运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1、图2、图3、图4说明本实施方式，本实施方式的单手指四连杆机构由单手指驱动杆6-1、单手指6-2、单手指连杆6-3、第一轴承6-4、第一轴6-5、第一端盖6-6、第一轴盖、单手指关节轴6-8、第二轴承6-9、第三轴承6-10、单手指连杆轴6-11、单手指指尖6-12组成；单手指驱动杆6-1的一端固定装在从动单手指锥齿轮5-2的连接轴上，单手指驱动杆6-1的另一端通过第一轴承6-4装在第一轴6-5上并通过第一轴6-5与单手指6-2的尾端相连接，单手指6-2的首端与单手指指尖6-12相连接，第一轴6-5的两端分别与第一端盖6-6和第一轴盖固定连接，与单手指6-2固定连接的单手指关节轴6-8通过第二轴承6-9与单手指连杆6-3的一端铰接，单手指连杆6-3的另一端通过第三轴承6-10与单手指连杆轴6-11铰接，单手指连杆轴6-11与外壳1固定连接。采用上述结构的单手指四连杆机构，可保证单手指6-2运动灵活自如。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1、图2、图3、图6说明本实施方式，本实施方式的双手指四连杆机构由双手指驱动杆7-1、双手指7-2、双手指连杆7-3、第四轴承7-4、第二轴7-5、第二端盖7-6、第二轴盖7-7、双手指关节轴7-8、第五轴承7-9、第六轴承7-10、双手指连杆轴7-11、双手指指尖7-12组成；双手指驱动杆7-1的一端固定装在从动双手指锥齿轮5-3的连接轴上，双手指驱动杆7-1的另一端通过第四轴承7-4装在第二轴7-5上并通过第二轴7-5与双手指7-2的尾端相连接，双手指7-2的首端与双手指指尖7-12相连接，第二轴7-5的两端分别与第二端盖7-6和第二轴盖7-7固定连接，与双手指7-2固定连接的双手指关节轴7-8通过第五轴承7-9与双手指连杆7-3的一端铰接，双手指连杆7-3的另一端通过第六轴承7-10与双手指连杆轴7-11铰接，双手指连杆轴7-11与外壳1固定连接。采用上述结构的双手指四连杆机构，可保证双手指7-2运动灵活自如。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图9、图10说明本实施方式，本实施方式的手指位置传感器由电刷环8-1、电位计、霍尔限位开关、电路板8-4组成；所述的电位计由电刷8-2-1和电阻8-2-2组成；所述的霍尔限位开关由磁钢8-3-1和霍尔元件8-3-2组成；电刷环8-1的外圆周端面上装有电刷8-2-1，电刷环8-1通过轴端法兰11与驱动法兰10固定连接，电刷8-2-1的外圆周端面上装有端面盖板12，端面盖板12上装有电路板8-4，电路板8-4上固定装有电阻8-2-2和霍尔元件8-3-2，磁钢8-3-1装在电刷环8-1上。采用此结构的手指位置传感器，当驱动法兰10转动时，电刷环8-1和电刷8-2-1随之转动，电刷8-2-1滑过电位计产生相应的角度信号。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1、图2、图8说明本实施方式，本实施方式的接触传感器由传感器14-1和应变片14-2组成；传感器14-1与V型定位槽13相邻的表面上贴有应变片14-2。采用上述结构的接触传感器，当单手指6-2和双手指7-2完成锁紧运动后，接触传感器受到被抓物体的挤压，应变片14-2变形，当被抓物体被锁紧到预定位置时会产生相应的压力及应变片14-2输出电压，这个电压是一个阈值信号被发送到主控计算机中，表示完成锁紧运动，被抓物体被准确定位。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式的外壳1、单手指6-2及单手指指尖6-12、双手指7-2及双手指指尖7-12、V形定位槽13和接触传感器均采用铝合金材料制成。上述构件采用此材料制成，在保证其具有一定的强度和刚度的同时，还可减轻整体重量。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：结合图1、图2、图3说明本实施方式，本实施方式的电机驱动装置、电机位置传感器、手指位置传感器、柔轮环4-3、支撑套9、驱动法兰10、轴端法兰11、端面盖板12、单手指驱动杆6-1、单手指连杆6-3、双手指驱动杆7-1及双手指连杆7-3均采用钛合金材料制成。上述构件采用钛合金材料制成，在降低整体结构重量的同时，还可提高整体强度，使该机器人手爪对温度有较高的适应能力。

Claims (10)

1、一种空间机器人手爪，它包括铝合金外壳(1)、电机驱动装置；其特征在于它还包括电机位置传感器、谐波减速器部件、齿轮传动装置、单手指四连杆机构、双手指四连杆机构、手指位置传感器、支撑套(9)、驱动法兰(10)、轴端法兰(11)、端面盖板(12)、V形定位槽(13)、接触传感器；电机位置传感器中的磁环(3-1-1)固定装在电机驱动装置中的电机转轴(2-1)上，电机驱动装置中的电机外壳(2-2)与支撑套(9)固定连接，支撑套(9)与谐波减速器部件中的刚轮(4-1)固定连接，谐波减速器部件中的波发生器(4-2)固定装在电机转轴(2-1)上，谐波减速器部件中的柔轮环(4-3)与驱动法兰(10)固定连接，驱动法兰(10)与轴端法兰(11)固定连接，轴端法兰(11)与手指位置传感器中的电刷环(8-1)固定连接，驱动法兰(10)上固定装有齿轮传动装置中的主传动锥齿轮(5-1)，齿轮传动装置中的从动单手指锥齿轮(5-2)与单手指四连杆机构中的单手指驱动杆(6-1)的一端固定连接，齿轮传动装置中的从动双手指锥齿轮(5-3)与双手指四连杆机构中的双手指驱动杆(7-1)的一端固定连接，单手指四连杆机构和双手指四连杆机构相对V形定位槽(13)对称放置，V形定位槽(13)位于手指位置传感器的上方，V形定位槽(13)与外壳(1)固定连接，V形定位槽(13)内固定装有接触传感器，轴端法兰(11)通过轴承(15)与端面盖板(12)相连接，端面盖板(12)与外壳(1)固定连接；所述的单手指四连杆机构中的单手指(6-2)及单手指指尖(6-12)和双手指四连杆机构中的双手指(7-2)及双手指指尖(7-12)均采用斜楔形结构，所述的单手指(6-2)和单手指指尖(6-12)组合构成勾形手指形状，所述的双手指(7-2)和双手指指尖(7-12)组合构成勾形手指形状。

2、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于电机位置传感器由磁编码器和电机本身固有的数字霍尔元件组成；磁编码器由磁环(3-1-1)、磁环检测电路(3-1-2)组成；磁环(3-1-1)固定装在电机转轴(2-1)的外圆周端面上，磁环(3-1-1)的外侧装有与电机外壳(2-2)固定连接的磁环检测电路(3-1-2)。

3、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于电机驱动装置为直流无刷电机；所述的直流无刷电机由电机转轴(2-1)、电机外壳(2-2)、电机定子(2-3)、第一电机轴承(2-4)、轴承盖(2-5)、第二电机轴承(2-6)组成；电机定子(2-3)与电机外壳(2-2)固定连接，电机定子(2-3)内装有电机转轴(2-1)，电机转轴(2-1)与电机外壳(2-2)之间装有第一电机轴承(2-4)，第一电机轴承(2-4)通过轴承盖(2-5)定位，轴承盖(2-5)与电机外壳(2-2)固定连接，电机转轴(2-1)与电机外壳(2-2)之间装有第二电机轴承(2-6)，电机外壳(2-2)与支撑套(9)固定连接。

4、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于齿轮传动装置由主传动锥齿轮(5-1)、从动单手指锥齿轮(5-2)、从动双手指锥齿轮(5-3)、从动单手指锥齿轮轴(5-4)、从动双手指锥齿轮轴(5-5)、从动单手指锥齿轮轴承(5-6)、从动双手指锥齿轮轴承(5-7)组成；主传动锥齿轮(5-1)固定装在驱动法兰(10)的外圆周端面上，主传动锥齿轮(5-1)分别与从动单手指锥齿轮(5-2)和从动双手指锥齿轮(5-3)啮合，从动单手指锥齿轮(5-2)装在从动单手指锥齿轮轴(5-4)上，从动单手指锥齿轮(5-2)与从动单手指锥齿轮轴(5-4)之间装有从动单手指锥齿轮轴承(5-6)，从动单手指锥齿轮轴(5-4)的一端与外壳(1)固定连接，从动双手指锥齿轮(5-3)装在从动双手指锥齿轮轴(5-5)上，从动双手指锥齿轮(5-3)与从动双手指锥齿轮轴(5-5)之间装有从动双手指锥齿轮轴承(5-7)，从动双手指锥齿轮轴(5-5)的一端与外壳(1)固定连接。

5、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于单手指四连杆机构由单手指驱动杆(6-1)、单手指(6-2)、单手指连杆(6-3)、第一轴承(6-4)、第一轴(6-5)、第一端盖(6-6)、第一轴盖、单手指关节轴(6-8)、第二轴承(6-9)、第三轴承(6-10)、单手指连杆轴(6-11)、单手指指尖(6-12)组成；单手指驱动杆(6-1)的一端固定装在从动单手指锥齿轮(5-2)的连接轴上，单手指驱动杆(6-1)的另一端通过第一轴承(6-4)装在第一轴(6-5)上并通过第一轴(6-5)与单手指(6-2)的尾端相连接，单手指(6-2)的首端与单手指指尖(6-12)相连接，第一轴(6-5)的两端分别与第一端盖(6-6)和第一轴盖固定连接，与单手指(6-2)固定连接的单手指关节轴(6-8)通过第二轴承(6-9)与单手指连杆(6-3)的一端铰接，单手指连杆(6-3)的另一端通过第三轴承(6-10)与单手指连杆轴(6-11)铰接，单手指连杆轴(6-11)与外壳(1)固定连接。

6、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于双手指四连杆机构由双手指驱动杆(7-1)、双手指(7-2)、双手指连杆(7-3)、第四轴承(7-4)、第二轴(7-5)、第二端盖(7-6)、第二轴盖(7-7)、双手指关节轴(7-8)、第五轴承(7-9)、第六轴承(7-10)、双手指连杆轴(7-11)、双手指指尖(7-12)组成；双手指驱动杆(7-1)的一端固定装在从动双手指锥齿轮(5-3)的连接轴上，双手指驱动杆(7-1)的另一端通过第四轴承(7-4)装在第二轴(7-5)上并通过第二轴(7-5)与双手指(7-2)的尾端相连接，双手指(7-2)的首端与双手指指尖(7-12)相连接，第二轴(7-5)的两端分别与第二端盖(7-6)和第二轴盖(7-7)固定连接，与双手指(7-2)固定连接的双手指关节轴(7-8)通过第五轴承(7-9)与双手指连杆(7-3)的一端铰接，双手指连杆(7-3)的另一端通过第六轴承(7-10)与双手指连杆轴(7-11)铰接，双手指连杆轴(7-11)与外壳(1)固定连接。

7、根据权利要求1所述的机器人手爪，其特征在于手指位置传感器由电刷环(8-1)、电位计、霍尔限位开关、电路板(8-4)组成；所述的电位计由电刷(8-2-1)和电阻(8-2-2)组成；所述的霍尔限位开关由磁钢(8-3-1)和霍尔元件(8-3-2)组成；电刷环(8-1)的外圆周端面上装有电刷(8-2-1)，电刷环(8-1)通过轴端法兰(11)与驱动法兰(10)固定连接，电刷(8-2-1)的外圆周端面上装有端面盖板(12)，端面盖板(12)上装有电路板(8-4)，电路板(8-4)上固定装有电阻(8-2-2)和霍尔元件(8-3-2)，磁钢(8-3-1)装在电刷环(8-1)上。

8、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于接触传感器由传感器(14-1)和应变片(14-2)组成；传感器(14-1)与V型定位槽(13)相邻的表面上贴有应变片(14-2)。

9、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于所述的外壳(1)、单手指(6-2)及单手指指尖(6-12)、双手指(7-2)及双手指指尖(7-12)、V形定位槽(13)和接触传感器均采用铝合金材料制成。

10、根据权利要求1所述的空间机器人手爪，其特征在于所述的电机驱动装置、电机位置传感器、手指位置传感器、柔轮环(4-3)、支撑套(9)、驱动法兰(10)、轴端法兰(11)、端面盖板(12)、单手指驱动杆(6-1)、单手指连杆(6-3)、双手指驱动杆(7-1)及双手指连杆(7-3)均采用钛合金材料制成。

Images