具有六自由度的双作用机械手的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及具有六自由度的双作用机械手，包括基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器，其中基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器之间依次通过中空关节轴连接，并在机械手内部布线；即基座与腰部通过腰部中空关节轴连接，腰部与大臂通过肩部中空关节轴连接，大臂与小臂通过肘部中空关节轴连接，小臂与末端执行器通过腕部俯仰中空关节轴连接，其特征在于腰部中空关节轴与肩部关节轴的轴线垂直且汇交于一点；肩部中空关节轴、肘部中空关节轴和腕部俯仰中空关节轴三者相互平行；所述末端执行器包括电动扳手、手爪、末端执行器箱体、手爪旋转直流伺服电机和手爪开合直流伺服电机；电动扳手和末端执行器箱体通过腕部偏转中空关节轴连接。
【专利说明】
具有六自由度的双作用机械手
技术领域
[0001]本实用新型涉及核电站机器人技术领域，具体为具有六自由度的双作用机械手。
【背景技术】
[0002]目前世界上的核电站反应堆都是利用金属铀或钚等材料的链式裂变反应产生巨大的热能，在裂变的过程中，会产生一定的放射性污染物。化学和容积控制系统(RCV)为保持核电站回路水质，采用大量RCV003/004FI过滤器，这些过滤器中的过滤芯需要定期更换，以避免回路中出现过多的放射性污染物。
[0003]美国RoboProbe Technologies公司研制的一种7自由度的液压驱动操作手臂PREDATOR，用于核工厂设备的维护维修和核物质处理工作，采用具有力反馈的主从控制，提高操作者的临场感，有效减少了工作的事故率，能够以与人类相似的移动和速度完成工作任务。加拿大Inuktun Services公司研制了远程控制蛇形机械手臂Python，该机械手臂具有防水、抓取、提升、弯曲、旋转等功能，可用于核工厂水下设备的检测和维修，也可用于核废料的回收，可靠性极高，到目前为止还是零故障率。欧美等国家已针对核电站的安全运营开发了一系列核电站机器人设备，但这些设备或属于技术秘密，或价格很高，设备维护成本高，不利于工业化推广。
[0004]现在国内的作业方式，通常需要十余名操作人员佩戴好必要的防护措施，采用人工接力的方式将废滤芯运送到指定位置，使得更换过滤器的作业不仅工作强度大，而且存在强辐射危险，严重影响作业效率与操作人员的人身安全。因此，攻克核电站应用机器人中关键技术，开展核电站专用机器人的国产化研究已经迫在眉睫。
[0005]现有的相关抓取机械手，如申请号为201511002154.5的中国专利公开的托辊抓取机械手，其两个手爪外形分别为同一直径的半圆，其只能抓取同一种规格的圆柱型物体，对于不同直径的物体还需要更换不同规格的机械手指才能完成作业任务；如专利号为ZL201310291512.3的中国专利公开的烘干设备的机械手及抓取机构，其两个手爪外形分别为L型，虽然能够抓取不同直径的圆柱体，但是每个手爪分别与圆柱型物体只有一条接触线，只能抓取质量比较轻的物体。且上述两个机械手只具有单一的抓取功能，不能在高辐射环境中进行长期作业，均不能直接应用于RCV003/004FI过滤器中的过滤芯的更换作业中。
【实用新型内容】
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是:提供一种具有六自由度的双作用机械手。该机械手可在核电站高辐射环境中对RCV003/004FI过滤器中的过滤芯进行更换作业，抓取精度高，安全性好，且工作效率显著提高。
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型提出以下技术方案:一种具有六自由度的双作用机械手，包括基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器，其中基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器之间依次通过中空关节轴连接，并在机械手内部布线；其特征在于所述末端执行器包括电动扳手、手爪、末端执行器箱体、手爪旋转直流伺服电机和手爪开合直流伺服电机；电动扳手和末端执行器箱体通过腕部偏转中空关节轴连接;手爪开合直流伺服电机通过电机支架安装于末端执行器箱体中部，手爪旋转直流伺服电机通过电机支架安装于末端执行器箱体后部，手爪开合直流伺服电机和手爪旋转直流伺服电机的轴线均与末端执行器箱体中轴线重合，手爪旋转直流伺服电机的输出轴经过第一直齿轮、传动轴、第二直齿轮与手爪相连;手爪开合直流伺服电机通过联轴器与手爪相连；
[0008]所述电动扳手包括万能套筒、拧紧轴、动态扭矩传感器、霍尔传感器、无刷直流电机、电动扳手直流伺服电机和电动扳手箱体，其中无刷直流电机通过电机支架安装于电动扳手箱体前部，电动扳手直流伺服电机通过电机支架安装在电动扳手箱体后部，无刷直流电机的轴线和电动扳手直流伺服电机的轴线均与电动扳手箱体中轴线重合，无刷直流电机的输出轴通过拧紧轴与万能套筒相连接，在拧紧轴上安装有动态扭矩传感器，在电动扳手箱体前部安装霍尔传感器;所述电动扳手直流伺服电机的输出轴通过一对电动扳手锥齿轮与腕部偏转中空关节轴相连接，驱动电动扳手的整体转动；
[0009]所述手爪包括手指、手指连杆、手爪支架、拉杆、拉杆支架和套筒;所述手指的数量为两个，两个手指为对称的V型结构，每个手指分别通过手指连杆与手爪支架一端连接，所述手指连杆的中部与拉杆的一端连接，两个拉杆的另一端通过拉杆支架连接，拉杆支架的另一侧与套筒连接，套筒内设有套轴芯轴和滚珠丝杠，套筒内壁与滚珠丝杠上的螺母连接， 套轴芯轴的一端通过联轴器与手爪开合直流伺服电机连接，另一端与滚珠丝杠连接;所述手爪支架的另一端通过腕部翻转中空关节轴与传动轴连接。
[0010]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:[〇〇11] 1)末端执行器主要由电动扳手和手爪两部分组成，分别用于松紧螺栓和抓取更换过滤器中的过滤芯，不需要两个手臂，降低了移动平台的负载。在更换过滤芯作业时，两者之间能够迅速切换，提高了作业效率，延长了核电站应用机械手的使用寿命。
[0012]2)电动扳手中安装有动态扭矩传感器和霍尔传感器，安装在拧紧轴上的动态扭矩传感器，会时刻监测扭矩值的变化，当达到预定扭矩时，无刷直流电机停止工作;安装在电动扳手箱体内部前端的霍尔传感器，时刻测量拧紧轴转过的圈数，当达到预定的圈数时，无刷直流电机停止工作。不仅能够通过扭矩控制直流电机启停，而且还能通过螺母转的位移来控制电机的启停。
[0013]3)现有的抓取机械手的手指与圆柱型过滤芯为一条接触线，两个手指只有两条接触线进行接触，受力不均衡;而本申请的手爪具有一个开合自由度，两个手指分别为对称的 V型结构，当手指抓住圆柱型过滤芯时，手指和圆柱型过滤芯的四个位置接触为四条线接触，而且四条接触线关于圆柱型过滤芯中轴线互相对称，使两个手指所受的作用力均衡，降低手爪部分的挠曲变形，从而减小对手爪运动精度的影响。
[0014]4)本实用新型中除腕部翻转关节之外的五个关节，包括腰关节、肩关节、肘关节、 腕部俯仰关节、腕部偏转关节，采用偏置设计，即大臂与小臂、小臂与末端执行器的中轴线均不共线，能够进行很好地折叠，且折叠时不会发生干涉，使机械手易于存储和使用。本实用新型针对核电站典型作业环境，使用该双作用机械手时，工作人员无需与污染源过滤芯直接接触，不仅使维护的安全性大大增加，而且维护效率也显著提高。【附图说明】
[0015]图1为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的总体主视结构示意图；
[0016]图2为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例折叠状态的总体俯视结构示意图；
[0017]图3为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的基座I和腰部2的装配结构示意图；
[0018]图4为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的大臂3的装配结构示意图；
[0019]图5为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的小臂4的装配结构示意图；
[0020]图6为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的末端执行器5的装配结构示意图；
[0021]图7为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的电动扳手51的装配结构示意图；
[0022]图8为本实用新型具有六自由度的双作用机械手一种实施例的手爪52的装配结构示意图；
[0023]图中:1_基座、2-腰部、3-大臂、4-小臂、5-末端执行器；11-基座箱体、12-基座防辐射铅板、21-腰部箱体、22-腰部中空关节轴、23-腰部旋转直流伺服电机、24-第一锥齿轮、25-电机驱动器;31-大臂箱体、32-肩部中空关节轴、33-大臂旋转直流伺服电机、34-肘部中空关节轴、35-小臂旋转直流伺服电机、36-第二锥齿轮、37-第三锥齿轮;41-小臂箱体、42-腕部俯仰中空关节轴、43-末端执行器旋转直流伺服电机、44-第四锥齿轮;51-电动扳手、52-手爪、53-末端执行器箱体、54-手爪旋转直流伺服电机、55-手爪开合直流伺服电机、56-第一直齿轮、57-传动轴、58-第二直齿轮;511-万能套筒、512-拧紧轴、513-动态扭矩传感器、514-霍尔传感器、515-无刷直流电机、516-电动扳手直流伺服电机、517-电动扳手箱体、518-腕部偏转中空关节轴、519-电动扳手锥齿轮;521-手指、522-手指连杆、523-手爪支架、524-拉杆、525-拉杆支架、526-套筒。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合实施例及附图对本实用新型作进一步的详细说明。实施例是以本实用新型所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于下述实施例的描述:
[0025]本实用新型具有六自由度的双作用机械手(简称机械手，参见图1-8)包括基座1、腰部2、大臂3、小臂4和末端执行器5，其中基座1、腰部2、大臂3、小臂4和末端执行器5之间依次通过中空关节轴连接，并在机械手内部布线;基座I与腰部2通过腰部中空关节轴22连接，腰部2与大臂3通过肩部中空关节轴32连接，大臂3与小臂4通过肘部中空关节轴34连接，小臂4与末端执行器5通过腕部俯仰中空关节轴42连接，腰部中空关节轴22与肩部中空关节轴
32的轴线垂直且汇交于一点；肩部中空关节轴32、肘部中空关节轴34和腕部俯仰中空关节轴42三者相互平行；
[0026]所述末端执行器5(参见图6)包括电动扳手51、手爪52、末端执行器箱体53、手爪旋转直流伺服电机54和手爪开合直流伺服电机55;电动扳手51主要用于拧紧和拧松RCV过滤芯安装位置端盖上螺母，手爪52主要用于抓取、更换过滤芯；电动扳手51和末端执行器箱体 53通过腕部偏转中空关节轴518连接;手爪开合直流伺服电机55通过电机支架安装于末端执行器箱体53中部，手爪旋转直流伺服电机54通过电机支架安装于末端执行器箱体53后部，手爪开合直流伺服电机55和手爪旋转直流伺服电机54的轴线均与末端执行器箱体53中轴线重合，手爪旋转直流伺服电机54的输出轴经过第一直齿轮56、传动轴57、第二直齿轮58 与手爪52相连;手爪开合直流伺服电机55通过联轴器与手爪52相连；
[0027]所述电动扳手51(参见图7)包括万能套筒511、拧紧轴512、动态扭矩传感器513、霍尔传感器514、无刷直流电机515、电动扳手直流伺服电机516和电动扳手箱体517,其中无刷直流电机515通过电机支架安装于电动扳手箱体517前部，电动扳手直流伺服电机516通过电机支架安装在电动扳手箱体517后部，无刷直流电机515的轴线和电动扳手直流伺服电机 516的轴线均与电动扳手箱体517中轴线重合，无刷直流电机515的输出轴通过拧紧轴512与万能套筒511相连接，在拧紧轴512上安装有动态扭矩传感器513,在电动扳手箱体517前部安装霍尔传感器514;所述电动扳手直流伺服电机516的输出轴通过一对电动扳手锥齿轮 519与腕部偏转中空关节轴518相连接，驱动电动扳手51的整体转动；
[0028]所述手爪52(参见图8)包括手指521、手指连杆522、手爪支架523、拉杆524、拉杆支架525和套筒526;所述手指521的数量为两个，两个手指521为对称的V型结构，每个手指521 分别通过手指连杆522与手爪支架523—端连接，所述手指连杆522的中部与拉杆524的一端连接，两个拉杆524的另一端通过拉杆支架525连接，拉杆支架525的另一侧与套筒526连接， 套筒526内设有套轴芯轴和滚珠丝杠，套筒526内壁与滚珠丝杠上的螺母连接，套轴芯轴的一端通过联轴器与手爪开合直流伺服电机55连接，另一端与滚珠丝杠连接;所述手爪支架 523的另一端通过腕部翻转中空关节轴与传动轴57连接；
[0029]当通过万能套筒511拧紧螺母时，安装在拧紧轴512上的动态扭矩传感器513,会时刻监测扭矩值的变化，当达到预定扭矩时，无刷直流电机515停止工作;拆卸螺母时，安装在电动扳手箱体517内部前端的霍尔传感器514,时刻测量拧紧轴512转过的圈数，当达到预定的圈数时，无刷直流电机515停止工作。电动扳手直流伺服电机516通过电机支架安装在电动扳手箱体517后部，其轴线与电动扳手箱体517中轴线重合，经过电动扳手锥齿轮519与腕部偏转关节轴518相连接，驱动电动扳手51的整体转动。
[0030]拧松螺母时，螺母受到的转矩越来越小，螺母对拧紧轴512的作用力矩也越来越小，甚至逐渐接近为零(通过动态扭矩传感器513测扭矩来控制无刷直流电机515停止很不方便)，此时可以通过霍尔传感器514测量螺母沿螺栓的轴向总位移(即螺母所旋转的圈数)，当螺母沿轴向达到指定的位移时，无刷直流电机515停止转动。抒紧螺母时，当达到指定的预紧力时，通过动态扭矩传感器513测出此时拧紧轴上512的扭矩，当此扭矩达到指定的扭矩时，无刷直流电机515停止转动。[〇〇31]手爪开合直流伺服电机55通过联轴器驱动套轴芯轴转动，套轴芯轴转动通过滚珠丝杠带动与套筒连接的拉杆支架525移动，进而经拉杆524带动手指521动作，实现手爪的开合;手爪旋转直流伺服电机54通过电机支架安装于末端执行器箱体53后部，其中轴线与末端执行器箱体53中轴线重合，经过一对第一直齿轮56、传动轴57、第二直齿轮58与腕部翻转中空关节轴相连，腕部翻转中空关节轴与手爪支架523相连，手爪旋转直流伺服电机54通过一对第一直齿轮56、传动轴57、一对第二直齿轮58驱动腕部翻转中空关节轴转动，带动手爪支架523旋转，进而实现手爪52的整体旋转。
[0032]所述基座1(参见图3)包括基座箱体11，基座箱体11的内壁上布置有基座防辐射铅板12，用于屏蔽辐射、保护基座箱体11内部的电器元件，基座箱体11下端与移动平台机械连接；
[0033]所述腰部2(参见图3)包括腰部箱体21、腰部中空关节轴22、第一锥齿轮24、电机驱动器25和腰部旋转直流伺服电机23，所述腰部箱体21呈正方体，腰部箱体21下部通过垂直于基座箱体11上平面的腰部中空关节轴22与基座箱体11连接，腰部旋转直流伺服电机23和电机驱动器25均布置于基座箱体11内部，腰部旋转直流伺服电机23通过第一锥齿轮24与腰部中空关节轴22连接，驱动腰部2实现水平方向上的旋转，为减小机械手各组成部分(指除基座I外，腰部2、大臂3、小臂4、末端执行器5)的尺寸及转动惯量，电机驱动器25布置于基座箱体11内部，电机驱动器25驱动机械手所有电机的动作；
[0034]所述大臂3(参见图4)包括大臂箱体31、肩部中空关节轴32、大臂旋转直流伺服电机33、肘部中空关节轴34和小臂旋转直流伺服电机35，所述大臂箱体31呈圆柱形，大臂旋转直流伺服电机33和小臂旋转直流伺服电机35均布置在大臂箱体31内，且二者的轴线与大臂箱体31中轴线重合，大臂旋转直流伺服电机33通过电机支架安装在大臂箱体31下部，大臂旋转直流伺服电机33的输出端通过第二锥齿轮36与肩部中空关节轴32连接，通过肩部中空关节轴32将大臂箱体31与腰部箱体21连接，驱动大臂3实现俯仰方向上的转动;小臂旋转直流伺服电机35通过电机支架布置于大臂箱体31上部，小臂旋转直流伺服电机35的输出轴通过第三锥齿轮37与肘部中空关节轴34相连，通过肘部中空关节轴34将大臂与小臂连接，驱动小臂4实现俯仰方向上的转动；其中腰部中空关节轴22与肩部中空关节轴32的轴线垂直且汇交与一点；
[0035]所述小臂4(参见图5)包括小臂箱体41、腕部俯仰中空关节轴42和末端执行器旋转直流伺服电机43，所述小臂箱体41呈圆柱形，末端执行器旋转直流伺服电机43通过电机支架安装在小臂箱体41上部，末端执行器旋转直流伺服电机43的轴线与小臂箱体41中轴线重合，末端执行器旋转直流伺服电机43的输出轴通过第四锥齿轮44与腕部俯仰中空关节轴42连接，通过腕部俯仰中空关节轴42将小臂4与末端执行器5连接，驱动末端执行器5实现俯仰方向上的整体旋转。
[0036]基座I与腰部2通过腰部中空关节轴22连接构成腰关节，腰部2与大臂3通过肩部中空关节轴32连接构成肩关节，大臂3与小臂4通过肘部中空关节轴34连接构成肘关节，小臂4与末端执行器5通过腕部俯仰中空关节轴42连接构成腕部俯仰关节，手爪52与腕部翻转中空关节轴通过套筒526连接构成腕部翻转关节，末端执行器箱体53与电动扳手51通过腕部偏转中空关节轴518连接构成腕部偏转关节。
[0037]所述的肩关节的中轴线与肘关节的中轴线平行，所述的肘关节的中轴线平行于腕部俯仰关节的中轴线，所述的腕部俯仰关节的中轴线垂直于腕部翻转关节的中轴线，所述的腕部俯仰关节的中轴线与腕部翻转关节的中轴线汇交于空间一点，所述的腕部俯仰关节的中轴线、腕部翻转关节的中轴线与腕部偏转关节的中轴线相互垂直。
[0038]本实用新型的进一步特征在于所述手指521上设有压力传感器。
[0039]本实用新型中末端执行器的手爪具有一个开合自由度，两个手指分别为对称的V型结构，使手指和圆柱形过滤器有四条线接触，其中四条接触线关于过滤芯中轴线互相对称，保证抓住的过滤芯受力均匀;并采用多传感信息融合技术，能综合处理末端执行器各种传感器(动态扭矩传感器513、霍尔传感器514、压力传感器)的信息，可实现对目标的精确定位，机械手的抓取准确性高。
[0040]本实用新型具有六自由度的双作用机械手的工作过程及原理是:在执行作业之前，针对特定环境的作业任务，将机械手安装在特定的移动平台上，并调整机械手各组成部分的状态，使机械手的性能达到最优。机械手在移动平台的运送下到达作业地点后，通过控制电源给基座箱体内的电机驱动器通电，电机驱动器驱动各个电机工作，从而驱动机械手臂(腰部、大臂、小臂、末端执行器)自由转动，进而完成相应的作业任务。作业完成后，再通过移动平台将机器人运送回指定位置。
[0041]本实用新型中的双作用是指末端执行器具有两个功能，即既能实现拧紧和拧松 RCV过滤器安装位置端盖上的螺母，又能实现抓取、更换过滤芯。本实用新型具有六自由度的双作用机械手，具有六自由度，针对核电站典型作业环境，用于核电站-回路化学和容积控制系统中放射性过滤芯更换作业中，能够实现更换放射性过滤芯的目的，并使过滤芯能够安装在移动机器人平台上。[〇〇42]上述技术方案所提供的具有六自由度的双作用机械手，构型设计巧妙，各关节偏置布置，各关节轴线具有正交或者平行关系，使机械手具有较好的折叠性，在不工作时，具有较小的外形体积，以减少占地空间;在工作时，各关节的转角范围达到或接近360度，使其具有较大的工作空间，实现了机械手优良的灵活性能。[〇〇43]上述技术方案所提供的具有六自由度的双作用机械手，机械手采用轴中走线，即各机械臂中的电气元件所连接的线缆均经机械臂间的中空关节轴与基座相连接，不仅美观，而且避免了线缆与机械手可能发生的缠绕，同时能够最大限度的减少辐射对线路的危害，影响机械手的工作。
[0044]上述技术方案所提供的具有六自由度的双作用机械手是通过手爪和电动扳手的配合来更换过滤芯，使用它的好处在于，维护人员无需直接与污染源旧过滤器接触，不仅提高了作业效率，而且维修人员的人身安全也得到了保证。
[0045]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
[0046]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种具有六自由度的双作用机械手，包括基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器，其中 基座、腰部、大臂、小臂和末端执行器之间依次通过中空关节轴连接，并在机械手内部布线； 其特征在于所述末端执行器包括电动扳手、手爪、末端执行器箱体、手爪旋转直流伺服电机 和手爪开合直流伺服电机；电动扳手和末端执行器箱体通过腕部偏转中空关节轴连接;手 爪开合直流伺服电机通过电机支架安装于末端执行器箱体中部，手爪旋转直流伺服电机通 过电机支架安装于末端执行器箱体后部，手爪开合直流伺服电机和手爪旋转直流伺服电机 的轴线均与末端执行器箱体中轴线重合，手爪旋转直流伺服电机的输出轴经过第一直齿 轮、传动轴、第二直齿轮与手爪相连;手爪开合直流伺服电机通过联轴器与手爪相连；所述电动扳手包括万能套筒、拧紧轴、动态扭矩传感器、霍尔传感器、无刷直流电机、电 动扳手直流伺服电机和电动扳手箱体，其中无刷直流电机通过电机支架安装于电动扳手箱 体前部，电动扳手直流伺服电机通过电机支架安装在电动扳手箱体后部，无刷直流电机的 轴线和电动扳手直流伺服电机的轴线均与电动扳手箱体中轴线重合，无刷直流电机的输出 轴通过拧紧轴与万能套筒相连接，在拧紧轴上安装有动态扭矩传感器，在电动扳手箱体前 部安装霍尔传感器;所述电动扳手直流伺服电机的输出轴通过一对电动扳手锥齿轮与腕部 偏转中空关节轴相连接，驱动电动扳手的整体转动；所述手爪包括手指、手指连杆、手爪支架、拉杆、拉杆支架和套筒;所述手指的数量为两 个，两个手指为对称的V型结构，每个手指分别通过手指连杆与手爪支架一端连接，所述手 指连杆的中部与拉杆的一端连接，两个拉杆的另一端通过拉杆支架连接，拉杆支架的另一 侧与套筒连接，套筒内设有套轴芯轴和滚珠丝杠，套筒内壁与滚珠丝杠上的螺母连接，套轴 芯轴的一端通过联轴器与手爪开合直流伺服电机连接，另一端与滚珠丝杠连接;所述手爪 支架的另一端通过腕部翻转中空关节轴与传动轴连接。2.根据权利要求1所述的具有六自由度的双作用机械手，其特征在于所述手指上设有 压力传感器。
【文档编号】B25J9/12GK205600732SQ201620452230
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】田颖, 张明路, 吕晓玲, 张绍春, 卢钰仁
【申请人】河北工业大学