专利名称：用于排爆救援的大型冗余度机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械工程技术领域的机械手，具体的说，是一种用于 排爆救援的大型冗余度机械手。
技术背景在众多危险领域的作业中，例如排除炸弹、地雷的作业，进行抢险救援的 作业，核工业或者化学工业的危险品搬运作业等等，都要求能够使用机械手自 动或者半自动的代替进行传统作业的人员，完成指定的操作，降低危险因素， 提高作业效率。经对现有技术的査新发现，国内外在应用于危险领域的机械手的研制方面 都有一定的研究，取得了一定的成果。如美国Remotec (雷莫泰克公司)的F6A 机械手，具有6个自由度，臂展为1.4米，负载能力ll公斤，采用蓄电池供电。 法国的TSR机械手，具有4个自由度，臂展为2米，负载能力为12公斤。我国 的北京瑞琦时代公司研制的Dragon III型排爆机器人，具有4个自由度，臂展 为1.5米，负载能力小于10公斤。国内外针对排爆救援领域的机械手，总结起来普遍具有以下几个缺点(1) 负载能力小，不能适应较大爆炸物的排除。机械手常常被要求排除人类能够携 带放置的简易爆炸物以及战争遗留炸弹等爆炸物，因此负载能力在30公斤左右 的机械手有更大的需求；(2)自由度少。机械手应该能够应用于狭窄多障碍等 比较复杂的环境中。这要求机械手具有更多的自由度以实现灵活多变的操作。 (3)臂展小。机械手应该在载体完成一次移动之后，拥有更大的作业范围，以 提高工作效率，更快的处理各种任务。(4)不具备长时间工作的能力。为了保 证工作效率和操作的连续性可靠性，机械手应该使用连续供电方式或者能够维 持更长工作时间(不小于5个小时)的电池方式。发明内容本发明针对现有技术的不足和缺点，提供一种用于排爆救援的大型冗余度机械手，使其能够更大更强的进行排爆救援作业。本发明机械手臂展大，负载 能力大，具有大冗余度，解决能源供给问题，动作灵活精度高，适合于更加复 杂的环境下的作业，应用范围广，适用性比较强。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括腰部机构、大臂、第一 推杆、中臂、第二推杆、小臂、第三推杆、连杆机构、手腕机构、第四推杆、 手爪。大臂的一端连接腰部机构，第一推杆连接腰部机构和大臂，大臂在第一 推杆的作用下可以实现相对于腰部机构的俯仰运动。中臂的一端连接大臂的另 一端，第二推杆连接大臂和中臂，中臂在第二推杆的作用下可以实现相对于大 臂的俯仰运动。小臂的一端连接中臂的另一端，连杆机构连接小臂和中臂，第 三推杆连接中臂和连杆机构，小臂在第三推杆和连杆机构的作用下可以实现相 对于中臂的俯仰运动。手腕机构连接小臂的另一端，第四推杆连接小臂和手腕 机构，手腕机构在第四推杆的作用下可以实现相对于小臂的俯仰运动。手爪连 接到手腕机构，手爪为外配装置，可以进行开合动作，在手腕机构带动下相对 于手腕机构进行回转。所述的腰部机构包括固定底座、腰部电机、小齿轮、回转轴承、回转平 台、支撑结构件、中空立轴、大齿轮、回转制动保持器。腰部电机使用交流伺 服电机，安装在固定底座内部，小齿轮安装在腰部电机的输出轴上，支撑结构 件固定在回转平台上方，中空立轴和大齿轮同轴的固定在回转平台下方。回转 平台通过回转轴承连接到固定底座上，可以相对于固定底座回转。腰部电机驱 动小齿轮、大齿轮，最终带动回转平台以及支撑结构件完成旋转动作。回转制 动保持器安装在中空立轴和固定底座之间，其动作时限制腰部机构的转动，对 其进行安全制动。所述的第一推杆至第四推杆均采用相同的结构，包括推杆电机、梯形丝 杠、丝杠螺母、导向柱、外套筒。推杆电机使用交流伺服电机，安装在外套筒 上。梯形丝杠安装在推杆电机的输出轴上，通过机械自锁特性保证安全。导向 柱固定在丝杠螺母上，在推杆电机的驱动下沿外套筒实现往复直线运动。所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆。第一连杆的一端采用销钉方式 与第二连杆的一端连接。连杆机构的作用放大小臂相对于中臂的俯仰角度范围。所述的手腕机构包括手腕框架、腕转电机。腕转电机固定在手腕框架内，可以带动外配手爪进行回转。与现有技术相比，本发明的优点是提供了一种大型冗余度机械手，包括手 爪在内一共7个自由度，大臂、中臂、小臂、手腕机构、手爪的串联结构实现 了可以达到不大于5米的臂展，极大地增加了作业空间，提高了包括避障在内 的复杂环境下作业的适用性。通过使用交流伺服电机提供更大的动力极大地提 高了负载能力，在水平最大臂展状态下负载能力不小于30公斤。同时提高了机 械手各关节的分辨率和运动精度。通过配备外部交流电力设备，可以有效的解 决电源供电的问题，具备长时间作业的可能性。通过使用梯形丝杠和回转制动 保持器，实现了机械手的关节自锁和安全制动。
图1为本发明结构示意2为本发明俯视结构3为腰部机构结构示意4为第一推杆至第四推杆的结构示意5为连杆机构结构示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是在以本发明技术 方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明 的保护范围不限于下述的实施例。如图1和图2所示，本实施例包括腰部机构l、大臂2、第一推杆3、中 臂4、第二推杆5、小臂6、第三推杆7、连杆机构8、手腕机构9、第四推杆10、 手爪11。大臂2的一端采用销钉方式连接腰部机构1，第一推杆3采用销钉方 式连接腰部机构1和大臂2，大臂2在第一推杆3的伸縮作用下可以实现相对于 腰部机构1的俯仰运动，其运动角度范围不小于110度。中臂4的一端采用销 钉方式连接大臂2的另一端，第二推杆5采用销钉方式连接大臂2和中臂4，中 臂4在第二推杆5的伸缩作用下可以实现相对于大臂2的俯仰运动，其运动角 度范围不小于90度。小臂6的一端采用销钉方式连接中臂4的另一端，连杆机 构8采用销钉方式连接小臂6和中臂4，第三推杆7采用销钉方式连接中臂4和 连杆机构8，小臂6在第三推杆7的伸縮作用和连杆机构8的放大作用下可以实现相对于中臂4的俯仰运动，其运动角度范围不小于145度。手腕机构9采用 销钉方式连接小臂6的另一端，第四推杆10采用销钉方式连接小臂6和手腕机 构9，手腕机构9在第四推杆10的伸縮作用下可以实现相对于小臂6的俯仰运 动，其运动角度范围不小于90度。手爪11采用轴方式连接到手腕机构9，手爪 11为外配装置，可以进行开合动作，在手腕机构9带动下相对于手腕机构9进 行回转。其回转角度范围为连续回转，也可以设定为非连续回转的某一角度范 围。如图3所示，所述的腰部机构l包括固定底座12、腰部电机13、小齿轮 14、回转轴承15、回转平台16、支撑结构件17、中空立轴18、大齿轮19、回 转制动保持器20。腰部电机13使用交流伺服电机，安装在固定底座12内部， 小齿轮14安装在腰部电机13的输出轴上，支撑结构件17固定在回转平台16 上方，中空立轴18和大齿轮19同轴的固定在回转平台16下方。回转平台16 通过回转轴承15连接到固定底座12上，可以相对于固定底座12回转。腰部电 机13驱动小齿轮14、大齿轮19，最终带动回转平台16以及支撑结构件17完 成旋转动作。回转制动保持器20安装在中空立轴18和固定底座12之间，其动 作时限制腰部机构1的转动，对其进行安全制动。如图4所示，所述的第一推杆3、第二推杆5、第三推杆7、第四推杆10均 采用相同的结构，包括推杆电机21、梯形丝杠22、丝杠螺母23、外套筒24、 导向柱25。推杆电机21使用交流伺服电机，安装在外套筒24上。梯形丝杠22 安装在推杆电机21的输出轴上，通过机械自锁特性保证安全。导向柱25固定 在丝杠螺母23上，在推杆电机21的驱动下沿外套筒24实现往复直线运动。如图5所示，所述连杆机构8包括第一连杆26、第二连杆27。第一连杆 26的一端采用销钉方式与第二连杆27的一端连接，并且采用同样销钉同轴连接 第三推杆7。第一连杆26的另一端采用销钉方式与小臂6连接，第二连杆27的 另一端采用销钉方式与中臂4连接。连杆机构8的作用是放大小臂6相对于中 臂4的俯仰角度范围。如图2所示，所述的手腕机构9包括手腕框架28、腕转电机29。腕转电 机29固定在手腕框架28内，可以带动外配装置手爪11进行回转。所述的腰部电机13、推杆电机21等全部采用交流伺服电机。机械手通过计算机或者操纵杆等外部控制设备对其进行操作。在外部控制 设备的操控下，腰部电机13转动带动腰部机构1的回转平台16的转动，从而 大臂2、第一推杆3、中臂4、第二推杆5、小臂6、第三推杆7、连杆机构8、 手腕机构9、第四推杆10和手爪11的整体跟随转动，实现大型冗余度机械手的 整体回转。第一推杆3的推杆电机21转动实现第一推杆3的外套筒24的往返 直线运动，带动大臂2相对于腰部机构1进行俯仰运动。第二推杆5的推杆电 机21转动实现第二推杆5的外套筒24的往返直线运动，带动中臂4相对于大 臂2进行俯仰运动。第三推杆7的推杆电机21转动实现第三推杆7的外套筒24 的往返直线运动，通过连杆机构8带动小臂6相对于中臂4进行俯仰运动。第 四推杆10的推杆电机21转动实现第四推杆10的外套筒24的往返直线运动。 手腕机构9的腕转电机29转动带动手爪11实现回转。由上述腰部转动、各个 俯仰运动和手腕回转的串联配合实现机械手的三维空间运动和对物体的抓取、 搬运等。整个动作过程可以通过外部控制设备预编程实现，也可以通过手动操 控实现。
权利要求
1、一种用于排爆救援的大型冗余度机械手，包括腰部机构、大臂、第一推杆、中臂、第二推杆、小臂、第三推杆、连杆机构、手腕机构、第四推杆、手爪，其特征在于，大臂的一端连接腰部机构，第一推杆连接腰部机构和大臂，大臂在第一推杆的作用下实现相对于腰部机构的俯仰运动，中臂的一端连接大臂的另一端，第二推杆连接大臂和中臂，中臂在第二推杆的作用下实现相对于大臂的俯仰运动，小臂的一端连接中臂的另一端，连杆机构连接小臂和中臂，第三推杆连接中臂和连杆机构，小臂在第三推杆和连杆机构的作用下实现相对于中臂的俯仰运动，手腕机构连接小臂的另一端，第四推杆连接小臂和手腕机构，手腕机构在第四推杆的作用下实现相对于小臂的俯仰运动，手爪连接到手腕机构，在手腕机构带动下相对于手腕机构进行回转，包括手爪在内一共7个自由度。
2、 根据权利要求1所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是， 所述的腰部机构包括固定底座、腰部电机、小齿轮、回转轴承、回转平台、 支撑结构件、中空立轴、大齿轮、回转制动保持器，腰部电机安装在固定底座 内部，小齿轮安装在腰部电机的输出轴上，支撑结构件固定在回转平台上方， 中空立轴和大齿轮同轴的固定在回转平台下方，回转平台通过回转轴承连接到 固定底座上，能相对于固定底座回转，回转制动保持器安装在中空立轴和固定 底座之间，限制腰部机构的转动，对其进行安全制动。
3、 根据权利要求2所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是， 所述的腰部电机为交流伺服电机。
4、 根据权利要求l所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是， 所述的第一推杆、第二推杆、第三推杆和第四推杆均采用相同的结构，包括 推杆电机、梯形丝杠、丝杠螺母、导向柱、外套筒，推杆电机安装在外套筒上， 梯形丝杠安装在推杆电机的输出轴上，通过机械自锁特性保证安全，导向柱固 定在丝杠螺母上，在推杆电机的驱动下沿外套筒实现往复直线运动。
5、 根据权利要求4所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是，所述的推杆电机为交流伺服电机。
6、 根据权利要求1所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是， 所述的大臂、中臂、小臂、手腕机构、手爪的串联结构，其臂展小于或者等于5 米。
7、 根据权利要求1所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是所述连杆机构包括第一连杆、第二连杆，第一连杆的一端采用销钉方式与第二连杆的一端连接，并且采用同样销钉同轴连接第三推杆，第一连杆的另一端采 用销钉方式与小臂连接，第二连杆的另一端采用销钉方式与中臂连接，连杆机 构放大小臂相对于中臂的俯仰角度范围。
8、 根据权利要求1所述的用于排爆救援的大型冗余度机械手，其特征是， 所述的手腕机构包括手腕框架、腕转电机，腕转电机固定在手腕框架内，带 动外配装置手爪进行回转。
全文摘要
一种机械工程技术领域的用于排爆救援的大型冗余度机械手。本发明中，腰部机构、大臂、中臂、小臂、手腕机构、手爪采用串联结构，实现了可以达到不大于5米的臂展。大臂在第一推杆的作用下实现相对于腰部机构的俯仰运动，中臂在第二推杆的作用下实现相对于大臂的俯仰运动，小臂在第三推杆和连杆机构的作用下实现相对于中臂的俯仰运动，手腕机构在第四推杆的作用下实现相对于小臂的俯仰运动，手爪在手腕机构带动下相对于手腕机构进行回转，包括手爪在内一共7个自由度。本发明实现了大负载、大臂展、大冗余度、高精度的机械手，同时为长时间工作的能源供给问题提供了解决的可能性，在排爆救援等危险复杂领域具有很强的适用性。
文档编号B25J18/00GK101274430SQ20081003741
公开日2008年10月1日 申请日期2008年5月15日 优先权日2008年5月15日
发明者张伟军, 强 李, 李建华, 袁建军 申请人:上海交通大学