五自由度机械手

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五自由度机械手\n技术领域\n[0001] 本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种多自由度气动机械手。\n背景技术\n[0002] 近年来，随着社会经济的飞速发展以及机器人技术研究的不断深入，工厂从以往依靠人工运送物料的方式已经逐步开始朝自动化方式发展，智能化的方向发展，这种方式不仅效率高，而且大大降低了工人在操作中潜在的危险。然而，当今机器人领域的多自由度搬运机械手存在结构复杂、成本高、应用范围窄、定位精度差等缺点。\n[0003] 因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有改良结构的多自由度机械手，以克服上述缺陷。\n发明内容\n[0004] 有鉴于此，本发明提供一种结构简单、高效可靠、多点定位、高定位精度、可广泛应用的五自由度气动机械手，从而把机器人自动搬运、送料的技术推向应用。\n[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：\n[0006] 一种五自由度机械手，其包括竖直升降关节、横向平移关节、纵向伸缩关节及夹爪关节，所述夹爪关节固定于所述纵向伸缩关节上，所述纵向伸缩关节固定于所述横向平移关节上，所述横向平移关节固定于所述竖直升降关节上，所述夹爪关节包括夹爪升降机构与夹爪夹持机构，所述夹爪升降机构包括安装于夹爪升降支架、夹爪底板以及竖直安装于夹爪底板上的夹爪升降气缸，所述夹爪升降气缸与所述夹爪升降支架固连，所述夹爪夹持机构包括夹爪定位撞块、夹持气缸、夹持气缸头、定位气缸及定位气缸头，所述夹持气缸头固连于夹持气缸的活塞杆头部，所述定位气缸头固连于定位气缸的活塞杆头部。\n[0007] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述竖直升降关节、横向平移关节、纵向伸缩关节及夹爪关节的运动方式为气动方式。\n[0008] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述竖直升降关节、横向平移关节、纵向伸缩关节及夹爪关节均设有缓冲装置和/或定位螺栓，所述缓冲装置的缓冲方式为油压缓冲或气压缓冲或弹簧缓冲。\n[0009] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述夹爪升降气缸的活塞杆两侧对称固连若干个滑块，所述滑块安装于夹爪夹持机构上，所述夹爪升降机构还包括与滑块配合滑动的导轨，所述导轨竖直安装于夹爪升降支架上。\n[0010] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述夹爪夹持机构的定位气缸与所述夹持气缸水平对称设置，所述定位气缸的缸径大于所述夹持气缸的缸径。\n[0011] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述夹持气缸头与定位气缸头上对称安装有夹持臂与爪头，夹持气缸头与所述夹持臂及爪头共同构成了左夹爪与右夹爪。\n[0012] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述竖直升降关节包括升降滑台底板、底座框架、固定于底座框架中央且竖直放置的竖直升降气缸、固连于底座框架两侧的光轴及位于竖直升降气缸两侧并与光轴配合滑动的滑块，所述竖直升降气缸设有气缸活塞杆，所述气缸活塞杆的端部固连着升降滑台底板。\n[0013] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述横向平移关节包括横向关节基座、两根矩形导轨、前第一定位法兰、后第一定位法兰、纵向关节安装基座、固定于该横向关节基座一端的横向平移气缸以及横向关节导轨基准板，所述纵向关节安装基座固连于前第一定位法兰与后第一定位法兰之间，所述两根矩形导轨对称平行固定于横向关节导轨基准板的两侧，所述横向关节导轨基准板的底部的四个角位置安装有四个第一矩形滑块。\n[0014] 优选的，在上述五自由度机械手中，所述纵向伸缩关节包括有纵向关节导轨基准板、固定于纵向关节导轨基准板两侧的两根矩形导轨、纵向关节导轨滑块基座、纵向关节撞击块、纵向伸缩气缸、纵向关节基座、后第二定位法兰，所述纵向伸缩气缸固定于所述纵向关节基座的一端，所述纵向伸缩气缸的运动方向与横向平移关节的运动方向相互垂直，所述后第二定位法兰与活塞杆前端固连且固连于纵向关节导轨滑块基座上，纵向关节导轨滑块基座底部的四个角部位安装有四个第二矩形滑块。\n[0015] 从上述技术方案可以看出，本发明实施例的五自由度机械手不但相较于现有技术中三自由度或四自由度的机械手增加了自由度，而且，五自由度机械手的各关节作为运动模块相互之间均可自由组合搭配组装及拆卸，模块化的设计使得五自由度机械手结构简单紧凑，实现多点定位的同时，保证了定位的高效可靠性。\n附图说明\n[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。\n[0017] 图1是本发明五自由度机械手的立体示意图；\n[0018] 图2是图1中五自由度机械手的左视图；\n[0019] 图3是本发明五自由度机械手的竖直升降关节的正视图；\n[0020] 图4是本发明五自由度机械手的竖直升降关节的左视图；\n[0021] 图5是本发明五自由度机械手的横向平移关节的正视图；\n[0022] 图6是本发明五自由度机械手的横向平移关节的立体图；\n[0023] 图7是本发明五自由度机械手的纵向伸缩关节的立体图；\n[0024] 图8是本发明五自由度机械手的夹爪关节的夹爪升降机构的左视图；\n[0025] 图9是本发明五自由度机械手的夹爪关节的夹爪夹持机构的俯视图。\n具体实施方式\n[0026] 本发明公开了一种结构简单、高效可靠、多点定位、高定位精度、可广泛应用的五自由度气动机械手，从而把机器人自动搬运、送料的技术推向应用。\n[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。\n[0028] 如图1及图2所示，本发明实施例的五自由度机械手包括竖直升降关节100、横向平移关节200、纵向伸缩关节300及夹爪关节400。夹爪关节400固定于纵向伸缩关节300上，纵向伸缩关节300固定于横向平移关节200上，横向平移关节200固定于竖直升降关节100上，竖直升降关节100、横向平移关节200、纵向伸缩关节300及夹爪关节400的运动均由气动方式实现。竖直升降关节100、横向平移关节200、纵向伸缩关节300及夹爪关节400均设有缓冲装置和/或定位螺栓，所述缓冲装置的缓冲方式为油压缓冲或气压缓冲或弹簧缓冲。本发明实施例的五自由度机械手不但相较于现有技术中三自由度或四自由度的机械手增加了自由度，而且，五自由度机械手的各关节作为运动模块相互之间均可自由组合搭配组装及拆卸，模块化的设计使得五自由度机械手结构简单紧凑，实现多点定位的同时，保证了定位的高效可靠性。其中，五自由度机械手的各关节作为运动模块相互之间的自由组合搭配组装及拆卸是指将横向平移关节200和/或纵向伸缩关节300拆卸，然后使得竖直升降关节100与夹爪关节400搭配组装，或者使得竖直升降关节100、夹爪关节400分别与横向平移关节200或纵向伸缩关节300搭配组装。\n[0029] 如图3及图4所示，竖直升降关节100包括有升降滑台底板1、定位撞块3、长方形底座框架4、固定于底座框架4中央且竖直放置的竖直升降气缸6、升降滑台底板支架7、固连于底座框架4两侧的光轴8、位于竖直升降气缸6两侧的滑块9以及第一定位螺栓10。定位撞块3固连于升降滑台底板支架7。底座框架4上设有上止点(下至点)5及第一缓冲器。竖直升降气缸6设有气缸活塞杆2，气缸活塞杆2的端部固连着升降滑台底板1，竖直升降气缸6上升或下降时，升降滑台底板支架7随之运动，从而带动滑块9在光轴8上滑动，滑块9与光轴8使得竖直升降关节100结构简单、安全可靠。当竖直升降气缸6向上(向下)运动时，定位撞块3随之上升(下降)，直至与上止点(下至点)5碰撞停止，从而实现了机械手在坐标系中z轴的精确定位，且第一定位螺栓10相对z轴上的位置可以调整；在此期间，由安装于底座框架4的第一缓冲器进行缓冲减速、吸收震动。\n[0030] 如图5及图6所示，横向平移关节200架装于竖直升降关节100的升降滑台底板1上。\n横向平移关节200包括有一个由空心方钢管搭建的横向关节基座18、两根矩形导轨11、前第一定位法兰12、后第一定位法兰13、纵向关节安装基座15、固定于该横向关节基座18一端的横向平移气缸17、第二定位螺栓、第二缓冲器以及横向关节导轨基准板19。横向平移气缸17的气缸活塞杆16沿水平方向运动时，后第一定位法兰13与活塞杆前端固连，纵向关节安装基座15固连于前第一定位法兰12与后第一定位法兰13之间。横向关节导轨基准板19的底部的四个角位置安装有四个第一矩形滑块14。两根矩形导轨11与第一矩形滑块14水平滑动相配合，两根矩形导轨11对称固定于横向关节导轨基准板19两侧。调平后的横向关节导轨基准板19固连于横向关节基座18上。横向平移气缸17向前推进时，前第一定位法兰12与第二定位螺栓及第二缓冲器共同保证了横向平移气缸17前推的减震与高精度定位；横向平移气缸17向后拉回时，后第一定位法兰13、第二定位螺栓及第二缓冲器共同保证了横向平移气缸17后拉的减震与高精度定位，从而使结构简单的机械手实现了在坐标系中x轴方向的精确定位，且第二定位螺栓相对x轴方向上的位置可以调整。\n[0031] 如图7所示，纵向伸缩关节300架装于前述横向平移关节200的纵向关节安装基座\n15上。纵向伸缩关节300包括有纵向关节导轨基准板20、固定于纵向关节导轨基准板20两侧的两根矩形导轨21、纵向关节导轨滑块基座22、纵向关节撞击块23、后定位基座24、纵向伸缩气缸25、一个由空心方钢管搭建的纵向关节基座26、第三定位螺栓27、第三缓冲器29、后第二定位法兰30、第四缓冲器31以及缓冲定位螺母32。纵向伸缩气缸25固定于纵向关节基座26的一端。纵向伸缩气缸25的活塞杆沿前后方向运动，纵向伸缩气缸25的运动方向与横向平移关节200的运动方向相互垂直。后第二定位法兰30与活塞杆前端固连，后第二定位法兰30固连于纵向关节导轨滑块基座22上，纵向关节导轨滑块基座22底部的四个角部位安装有四个第二矩形滑块28。两根矩形导轨21与滑块水平滑动相配合。调平后的纵向关节导轨基准板20固连于纵向关节基座26上。纵向伸缩气缸25向前推进时，在横向平移关节200的作用下，纵向关节撞击块23与第四缓冲器31及缓冲定位螺母32共同保证了纵向伸缩气缸25前推的减震与左右两侧不同位置的高精度定位；纵向伸缩气缸25向后拉回时，后第二定位法兰30、第三定位螺栓27与第三缓冲器29共同保证了纵向伸缩气缸25后拉的减震与高精度定位，从而使结构简单的机械手实现了在坐标系中y轴方向的精确定位，且定位螺栓相对y轴方向上的位置可以调整。\n[0032] 如图8及图9所示，夹爪关节400通过其上设置的夹爪底板37安装于纵向伸缩关节\n300的纵向关节的导轨滑块基座22上，夹爪关节400包括夹爪升降机构与夹爪夹持机构两部分。\n[0033] 如图8所示，夹爪升降机构用于完成夹爪关节400在竖直方向上的移动及定位。夹爪升降机构包括安装于夹爪升降支架36、竖直安装于夹爪底板37上的夹爪升降气缸35、安装于夹爪升降支架36上下两侧且高度可调的缓冲定位装置34以及导轨38。夹爪升降气缸35与夹爪升降支架36固连。夹爪升降气缸35的活塞杆两侧对称固连若干个滑块33，且滑块33安装于夹爪夹持机构上。导轨38与滑块33配合滑动且竖直安装于夹爪升降支架36上。夹爪升降气缸35的活塞杆沿竖直方向的伸缩会带动夹爪夹持机构上下移动，再配合缓冲定位装置34，就能实现整套机械手高度方向的二次精确定位。\n[0034] 如图9所示，夹爪夹持机构安装有水平对称放置的夹持气缸44与定位气缸45，其中定位气缸45的缸径大于夹持气缸44的缸径。夹爪夹持机构包括夹爪定位撞块41、夹持气缸头42、后挡块43、定位气缸头46。夹持气缸头42固连于夹持气缸44的活塞杆头部，定位气缸头46亦固连于定位气缸45的活塞杆头部。在两个气缸头上对称安装有夹持臂39与爪头40，夹持臂39与爪头40共同构成了左夹爪与右夹爪。爪头40装于夹爪臂39前端，便于更换，从而对物料的形状、大小具有广泛的适应性。爪头40为耐高温、耐磨材料，从而使机械手可以夹持高温物料。夹爪夹持机构通过大小气缸的对向运动，来实现机械手对物料的夹持与定位。\n[0035] 继续如图9所示，夹爪定位撞块41位置固定后，定位气缸45与夹持气缸44的活塞杆分别带动定位气缸头46与夹持气缸头42在后挡块43与夹爪定位撞块41之间移动，由于定位气缸45的缸径大于夹持气缸44的缸径，故同时向夹爪定位撞块41移动时，定位气缸头46受到较大的推力从而紧贴夹爪定位撞块41上，实现了送料位置的精确定位；夹持气缸头42受到较小的推力使右夹爪带动物料水平向左移动，从而实现了物料的夹紧。\n[0036] 本发明实施例的五自由度机械手的工作原理是：\n[0037] 当上一单元有物料到来时，横向平移关节气缸17收回，通过第二定位螺栓及第二缓冲器确定机械手在x方向的定位坐标x1；纵向伸缩气缸25收回，通过第三定位螺栓及第三缓冲器确定机械手在y方向的定位坐标y1；竖直升降气缸6顶升，竖直升降气缸6的气缸活塞杆2带动其他关节上升，夹爪升降气缸35带动夹持单元顶升，通过定位螺栓及缓冲器确定机械手在z方向的定位坐标z1。初始位置A(x1、y1、z1)确定后，夹爪夹持机构的定位气缸45与夹持气缸44同时作用，物料被夹持。竖直升降气缸6收回，竖直升降气缸6的活塞杆2带动其他关节下降，通过定位螺栓及缓冲器确定机械手在z方向的定位坐标z2；横向平移气缸17收回，通过定位螺栓及缓冲器确定机械手在x方向的定位坐标x2；纵向伸缩气缸25拉伸，通过定位螺栓及缓冲器确定机械手在y方向的定位坐标y2，即送料位置B(x2、y2、z2)。针对x，y，z方向定位坐标的交叉组合，机械手可以实现更多不同位置的定位，如(x2、y2、z3)、(x1、y2、z2)等。\n[0038] 上述实施例不以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换、修改的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。\n[0039] 相较于现有技术，本发明实施例的五自由度机械手具有如下优点：\n[0040] (1)通过气动方式实现物料的抓取、输送，具有高效、低成本的优势。本发明相对于传统的三自由度或四自由度机械手，增加了自由度，并且从结构上大大优化，在保证高精确定位精度的同时，结构更加紧凑，更稳固；\n[0041] (2)本发明实施例的五自由度机械手，通过气动方式实现物料的抓取、输送，各运动关节的执行元件为气缸，从而提高了运动速度，且效率高且成本低；\n[0042] (3)相对于传统的三自由度机械手，本发明的五自由度机械手将机械手分解为多个便于装卸且不影响其他关节的组装的关节模块，结构紧凑、装配合理，便于拆装及更换，在自动化搬运、送料方面较为适用，并且，系统总自由度可由根据需要拆分关节模块，从而使得机械手从五个自由度降为四个自由度或三个自由度；\n[0043] (4)各运动关节通过直线运动单元与缓冲器配合使用，实现了机械手在x、y、z方向上的精确定位及缓冲、吸震，且各关节定位位置可调；\n[0044] (5)夹爪爪头为耐高温、耐磨材料，且独立便于更换，从而对物料的形状、大小具有广泛的适应性。\n[0045] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。\n[0046] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。