一种动力机械手的工具快换装置和方法与流程

本发明涉及特种装备领域，尤其涉及一种动力机械手的工具快换装置和方法。

背景技术：

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点。

机械手是通过模仿手、臂的动作，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。随着在生产过程中使用，对于机械手工具的切换也是要求越来越高。

例如，中国公开日为2013年12月11日，公开号为CN103433928A的中国专利文献，公开了 “一种机械手工具快速切换设备”，该本发明申请公开了的技术方案为：该设备包括机械手模块和工具模块，所述工具模块上至少包括有一个工具装置，每一个工具装置都设有独立于其他工具装置的加工工具和为加工工具提供驱动力的驱动装置，所述的机械手模块设有用于与所述工具装置配合连接的通用接头组件。该机械手工具的更换装置，在某些生产过程中，特别适用，方便工具的切换。

但是上述这种机械手及切换工具应用于原子能、核退役与放射性废物处理领域时，则不能直接利用了，需要使用特殊的动力机械手及相应的工具切换方式。应用于这类领域的动力机械手需要替代人力在放射性环境下进行多种遥控作业工作，包括对放射性废物进行夹取、搬运、切割等处理作业，以及对核设施（如高放玻璃固化线）进行零件更换等维护作业。这样可以降低工人的劳动强度，减少核辐射对工人的危害。但机械手固定单一的末端工具不能满足多功能的需求，对核三废的处理效率、处理成本有较大的影响。因此需要有一种全新的动力机械手的工具快换方式，以适应现有放射性环境下对废物的处理作业。

技术实现要素：

本发明为解决上述技术问题，提供了一种动力机械手的工具快换装置和方法，利用该装置和方法，操作人员通过视觉辅助以及传感器技术遥控控制机械手可以将不同的末端工具安装到机械手上，实现“核三废”处理过程中机械手末端工具的快速更换，提高末端工具快换的效率，从而解决机械手功能单一的问题，实现机械手的多功能的用途，降低“核三废”处理的成本，提高“核三废”处理的工作效率。

本发明的技术方案如下：

一种动力机械手的工具快换装置，其特征在于包括：

视频监控系统：包括云台控制器、监视器、安装在机械手热室内的多台云台相机和工业相机，工业相机通过工业相机安装板安装于机械手公盘旁边；通过以太网通讯将视频信号传输到监视器上，辅助操作人员进行工具快换作业。

工具搁架：用于不同工具放置的搁架，安装传感器提供贴合信号，辅助操作人员判断末端工具是否脱离工具搁架；设置有“十”字靶标，辅助操作人员实现公盘与母盘的对中，以及辅助末端工具与工具搁架的对中放置。

末端工具：安装于工具搁架上，末端工具上安装有电气接插件、母盘、电机，上端中间设置有钢珠槽，其中电气接插件用于与公盘进行电气连接；还设置有“十”字靶标，辅助操作人员实现末端工具上的公盘与母盘的对中，以及辅助末端工具与工具搁架的对中放置。

工具快换的公盘、母盘：公盘安装在机械手腕部末端，母盘安装在末端工具上，公盘与母盘的连接与分离采用气动方式，当公盘上钢珠气动弹出后实现公盘与母盘的连接，钢珠缩回后实现公盘与母盘的分离，该公盘与母盘具有断电、断气自锁的功能。公盘上安装传感器辅助操作人员辨识公盘与母盘的连接状态。

水平传感器：安装在公盘上，通过串口与监视器工控机通讯，将水平状态信息显示到监视器上，为操作人员提供机械手公盘的水平状态信息。

一种动力机械手的工具快换方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）通过视频监控系统确定当前机械手的位姿，将机械手移动到放置末端工具的工具搁架上方，使机械手工具快换的公盘正好位于工具搁架上工具母盘的正上方；

（2）根据机械手公盘的水平传感器的数据（即水平状态信息），调整机械手在水平方向上的姿态，使机械手上公盘的位姿与工具搁架上母盘的位姿一致；

（3）通过视频监控系统观察工具搁架上的“十”字靶标是否与监视器上设定的“十”字靶标是否重合，若未重合，遥操作机械手水平方向移动和旋转，使工具搁架上“十”字靶标与监视器上设定“十”字靶标重合；

（4）当工具搁架上“十”字靶标与监视器上设定的“十”字靶标重合，即完成公盘与母盘的对中，然后遥操作机械手在纵向上移动，实现公盘与母盘的机械对接；

（5）实现末端工具的公盘与母盘对接后，遥操作机械手移动，使得公盘与母盘完全脱离工具搁架；

（6）通过视频监控系统，遥操作机械手从工具搁架离开，当整个机械手的末端完全离开工具搁架，则实现了机械手末端工具的安装，此时机械手的末端工具可以进行作业；

（7）当机械手的末端工具完成作业后，遥操作机械手移动到工具搁架的上方，根据机械手上公盘的水平传感器反馈的数据，调整机械手在水平方向上的姿态，使机械手末端工具的位姿与工具搁架的位姿一致；

（8）通过视频监控系统观察工具搁架上用于对中的“十”字靶标是否与监视器上设定的“十”字靶标是否重合，若未重合，遥操作机械手水平方向移动和旋转，使工具搁架上“十”字靶标与监视器上设定的“十”字靶标重合；

（9）当工具搁架上“十”字靶标与监视器上设定的“十”字靶标重合后，遥操作机械手在水平方向往背离工具搁架的方向运动，当机械手末端工具完全离开工具搁架后，遥操作机械手向下运动，直到末端工具母盘底面与工具搁架水平面相距一定距离；

（10）然后使得遥操作机械手在水平方向上缓慢靠近工具搁架，直到工具搁架上“十”字靶标与监视器上设定的“十”字靶标重合，此时完成公盘与母盘与工具搁架的对中；

（11）继续遥操机械手缓慢下降，将末端工具放置到工具搁架上；

（12）最后遥操作机械手缓慢上升，使得末端工具的公盘与母盘机械分离，待公盘与母盘电气连接断开后，完成末端工具的卸载。

本发明的有益效果如下：

本发明基于遥操作控制技术，利用视频监控系统监控机械手运动的实时姿态，通过安装在机械手公盘上的水平传感器确定机械手的水平位姿，通过安装在机械手公盘旁边的工业相机实现末端工具公盘母盘的对中，从而实现机械手末端工具的快换。本发明改变了机械手单一功能的缺陷，同时与其他工具快换系统相比，缩短了工具快换时间，提高了工具快换的效率。

附图说明

图1为本发明末端工具的俯视示意图；

图2为本发明末端工具整体示意图；

图3为本发明的“十”字靶标对中示意图；

图4为本发明的工具快换装载流程图；

图5为本发明的工具快换卸放流程图。

其中，附图标记为：1-电气接插件，2-母盘，3-电机，4-连接状态传感器，5-钢珠槽，6-末端工具，7-工业相机安装板，8-工业相机，9-“十”字靶标。

具体实施方式

如图1-2所示，一种动力机械手的工具快换装置，包括如下基本单元：

视频监控系统：包括云台控制器、监视器、安装在机械手热室内的多台云台相机（可以在热室墙面的四个角落各设置一台，也可以从其他角度根据需要设置更多台）和工业相机8，工业相机8通过工业相机安装板7安装于机械手公盘旁边；通过以太网通讯将视频信号传输到监视器上，辅助操作人员进行工具快换作业。

工具搁架：用于放置不同工具的搁架，安装传感器提供贴合信号，辅助操作人员判断末端工具6是否脱离工具搁架。

末端工具6：安装于工具搁架上，末端工具6上安装有电气接插件1、母盘2、电机3，上端中间设置有钢珠槽5，钢珠槽5配合公盘的钢珠实现工具的连接和分离；还设置有“十”字靶标9，辅助操作人员实现公盘与母盘2的对中，以及辅助末端工具6与工具搁架的对中放置。所述电气接插件1给工具的电机提供电源，用于公母盘连接控制信号的传输，以及连接状态传感器信号的上传。

工具快换的公盘、母盘：公盘安装在机械手腕部末端，母盘2安装在末端工具6上，公盘与母盘2的连接与分离采用气动方式，当公盘上钢珠气动弹出后实现公盘与母盘2的连接，钢珠缩回后实现公盘与母盘2的分离，该公盘与母盘2具有断电、断气自锁的功能。公盘上安装有辅助操作人员辨识公盘与母盘2的连接状态传感器4，该连接状态传感器4可以采用接近开关实现。

水平传感器：安装在公盘上，通过串口与监视器工控机通讯，将水平状态信息显示到监视器上，为操作人员提供机械手公盘的水平状态信息。

使用上述结构进行动力机械手的工具快换的方法，其步骤如下：

（1）通过视频监控系统确定当前机械手的位姿，通过遥操作将机械手移动到放置末端工具6的工具搁架上方，使机械手工具快换的公盘正好位于工具搁架上工具母盘2的正上方5cm处；

（2）根据机械手公盘上水平传感器的数据，调整机械手在水平方向上X、Y轴的姿态，使机械手末端公盘的位姿与工具搁架上母盘2的位姿一致；

（3）通过视频监控系统观察工具搁架上用于对中的“十”字靶标9是否与视频监视器上设定的“十”字靶标是否重合，若未重合，遥操作机械手水平方向移动和旋转，使工具搁架上的“十”字靶标9与视频监视器上设定“十”字靶标重合；

（4）“十”字靶标重合即完成公母盘的对中，遥操作机械手Z轴缓慢下降，当连接状态信号指示灯亮起，表明公母盘实现了电气连接，当贴合信号指示灯亮起，按下末端工具6的装载按钮，实现公母盘的机械对接。

（5）实现末端工具6的公母盘对接后，遥操作机械手Z轴缓慢上升，直到工具搁架到位指示灯熄灭，此时表明机械手末端工具6的公母盘完全脱离工具搁架；

（6）通过视频监控系统，遥操作机械手Y轴从工具搁架缓慢离开，当整个机械手末端完全离开工具搁架，便实现了机械手末端工具6的安装，此时机械手末端工具6可以进行作业。

（7）机械手末端工具6完成作业后，遥操作机械手移动到工具搁架的上方5cm处，根据机械手公盘上水平传感器的数据，调整机械手在水平方向上X、Y轴的姿态，使机械手末端工具6的位姿与工具搁架的位姿一致；

（8）通过视频监控系统观察工具搁架上用于对中的“十”字靶标9是否与视频监视器上设定的“十”字靶标是否重合，若未重合，遥操作机械手水平方向移动和旋转，使工具搁架上“十”字靶标9与视频监视器上设定“十”字靶标重合；

（9）“十”字靶标重合后，遥操作机械手Y轴背离工具搁架方向运动，当机械手末端工具6完全离开工具搁架后，遥操作机械手Z轴向下运动，直到末端工具6的母盘2底面与工具搁架水平面相距5cm；

（10）此时，遥操作机械手Y轴缓慢靠近工具搁架，直到工具搁架上“十”字靶标9与视频监视器上设定“十”字靶标重合，此时完成末端工具6的公母盘与工具搁架的对中；

（11）继续遥操机械手Z轴缓慢下降，直到工具搁架到位信号指示灯亮起，按下末端工具6的卸放按钮，将末端工具6放置到工具搁架上；

（12）最后遥操作机械手Z轴缓慢上升，当贴合信号指示灯熄灭，表明公母盘的机械分离，当连接状态信号指示灯熄灭，表明公母盘电气连接断开，此时完成末端工具6的卸载。

步骤（1）~（12）实现机械手末端工具的快换。