一种轻量化高空作业机械臂及其使用方法与流程

1.本发明属于高空作业机械臂领域，特别涉及该领域中的一种轻量化高空作业机械臂及其使用方法。


背景技术：

2.目前对传统核电站核岛、常规岛内的高空低重量报警器、检测传感器等设备的检修、更换是采用传统的折臂升降车进行作业，这种折臂升降车的折臂整体会随着末端的移动、负载的变化产生较大的摆动，并且折臂关节旋转角度的控制误差和旷量机械误差会随着多级臂管的放大在末端产生很高的位置误差，因此通过直接移动折臂进行精细化作业比较困难。而且还需要检修人员较长时间处于核岛、常规岛内，甚至进行高空作业，投入人力增加的同时，对检修人员的健康和安全也无法提供有利保障。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题就是提供一种轻量化高空作业机械臂及其使用方法。
4.本发明采用如下技术方案：一种轻量化高空作业机械臂，其改进之处在于：包括支撑底座，在支撑底座的顶部安装旋转基座，在旋转基座上安装若干段首尾相接的机械手臂，在最后一段机械手臂的末端安装腕部基座，在腕部基座上安装六自由度小型机械臂，还包括为该机械臂内各部件供电的电气柜，控制旋转基座及各段机械手臂工作的便携式控制盒，控制六自由度小型机械臂工作的主手。
5.进一步的，在支撑底座的底部四角各安装一个万向轮；在支撑底座的侧面四角各安装一个能手动展开或收起的支撑腿，在每个支撑腿的底部都安装一个能手动旋转调节支撑高度的地脚；在支撑底座的中部安装金属配重块。
6.进一步的，旋转基座包括竖向的旋转轴和驱动其旋转的伺服电机，在旋转轴上配置重载交叉滚子轴承，第一段机械手臂的根部安装在旋转基座的顶部。
7.进一步的，第一段机械手臂包括驱动端、碳纤维臂管和法兰连接端，驱动端和法兰连接端分别通过夹紧块结构套接在碳纤维臂管的两端，驱动端包括伺服电机、蜗轮蜗杆结构和输出法兰盘，并由伺服电机通过蜗轮蜗杆结构驱动输出法兰盘旋转，法兰连接端则为双法兰结构，在双法兰结构之间为蜗轮蜗杆驱动结构，该蜗轮蜗杆驱动结构由减速伺服电机驱动。
8.进一步的，第二段至最后一段机械手臂的结构相同，均包括驱动端、碳纤维臂管和法兰连接端，驱动端和法兰连接端分别通过夹紧块结构套接在碳纤维臂管的两端，驱动端包括伺服电机、蜗轮蜗杆结构和输出法兰盘，并由伺服电机通过蜗轮蜗杆结构驱动输出法兰盘旋转，法兰连接端则为双法兰结构，双法兰结构从两侧套接、拧紧紧固在上一段机械手臂驱动端的输出法兰盘上。
9.进一步的，腕部基座的底部为法兰连接端，其双法兰结构从两侧套接、拧紧紧固在
最后一段机械手臂驱动端的输出法兰盘上，顶部与六自由度小型机械臂的底座安装端匹配。
10.进一步的，在六自由度小型机械臂的末端预留快换接头。
11.进一步的，电气柜挂装在支撑底座的侧方，在电气柜内配有各电机的接触器、断路器和伺服驱动器，在外壳上布置有动力、传感器和信号电缆的连接器基座。
12.进一步的，便携式控制盒为三防笔记本电脑，安装在支撑底座上或者集成放置在绿区操作台内，并为现场监控系统预留接口。
13.进一步的，主手是一台小机械臂，并且在机械构型上与六自由度小型机械臂为同构机械臂，并能实现对六自由度小型机械臂异构的增量型控制。
14.一种使用方法，适用于上述的轻量化高空作业机械臂，其改进之处在于：推动或者吊装机械臂到达预定位置后，展开支撑底座的四个支撑腿并固定，手动旋转调节地脚的支撑高度，通过便携式控制盒控制旋转基座及各段机械手臂托举六自由度小型机械臂到目标位置，再通过主手对六自由度小型机械臂进行主从力反馈随动控制，操作高空的六自由度小型机械臂进行作业。
15.本发明的有益效果是：本发明所公开的轻量化高空作业机械臂，主要用于核岛、常规岛内高空低重量报警器、检测传感器等设备的检修、更换作业，具有体积小、手臂长、自重轻、支持可视化主从操作等优点。将电气部分尽量置于主控室无污染区（绿区），同时为现场监控系统预留接口，方便操作员针对不同的现场环境进行实时监视及操作，充分考虑了检修的安全性和便利性。基于本发明所公开的使用方法可以进行高空精细化作业。
附图说明
16.图1是轻量化高空作业机械臂的结构示意图；图2是轻量化高空作业机械臂中支撑底座的结构示意图；图3是轻量化高空作业机械臂中旋转基座的结构示意图；图4是轻量化高空作业机械臂中第一段机械手臂的结构示意图；图5是第一段机械手臂中驱动端的结构示意图；图6是第一段机械手臂中法兰连接端的结构示意图；图7是轻量化高空作业机械臂中腕部基座的结构示意图；图8是轻量化高空作业机械臂中六自由度小型机械臂的结构示意图；图9是轻量化高空作业机械臂控制系统的总体架构图。
17.附图标记：1—支撑底座，2—旋转基座，3—第一段机械手臂，4—第二段至第四段机械手臂，5—腕部基座，6—六自由度小型机械臂，7—电气柜，8—便携式控制盒，9—主手，10—支撑腿，11—万向轮，12—地脚，13—金属配重块，14—伺服电机，15—旋转轴，16—蜗轮蜗杆驱动结构，17—减速伺服电机，18—驱动端，19—碳纤维臂管，20—法兰连接端，21—伺服电机，22—输出法兰盘，23—双法兰结构，24—夹紧块结构，25—快换接头。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.实施例1，本实施例公开了一种轻量化高空作业机械臂，主要由作业机械臂主体以及地面控制端组成。作业机械臂主体由支撑底座、旋转基座、一级手臂（第一段机械手臂）、三段二级手臂（第二段至第四段机械手臂）、腕部基座、六自由度小型机械臂和辅助系统组成。地面控制端包括随车的电气柜、便携式控制盒以及主手。
20.如图1所示，在支撑底座1的顶部安装旋转基座2，在旋转基座上安装首尾相接的第一段机械手臂3和第二段至第四段机械手臂4，在第四段机械手臂的末端安装腕部基座5，在腕部基座上安装六自由度小型机械臂6，还包括为该机械臂内各部件供电的电气柜7，控制旋转基座及各段机械手臂工作的便携式控制盒8，控制六自由度小型机械臂工作的主手9。
21.如图2所示，支撑底座为轮式结构，在支撑底座的底部四角各安装一个万向轮11；在支撑底座的侧面四角各安装一个能手动展开或收起的支撑腿10，在每个支撑腿的底部都安装一个能手动旋转调节支撑高度的地脚12；在支撑底座的中部安装金属配重块13，金属配重块可分批安装和拆卸，以便轻量化高空作业机械臂的整体转运。
22.电气柜挂装在支撑底座的侧方，在电气柜内配有轻量化高空作业机械臂各电机的接触器、断路器和伺服驱动器等电气设备，在外壳上布置有动力、传感器和视频等信号电缆的连接器基座，使得轻量化高空作业机械臂主体可快速与电缆脱开，实现快速拆装、移动，以及电缆的盘卷收纳。
23.如图3所示，旋转基座包括竖向的旋转轴15和驱动其旋转的伺服电机14，在旋转轴上配置重载交叉滚子轴承，以应对轻量化高空作业机械臂侧向伸出作业时在旋转轴上产生的径向力。第一段机械手臂的根部安装在旋转基座的顶部。
24.如图4—6所示，第一段机械手臂包括驱动端18、碳纤维臂管19和法兰连接端20，驱动端和法兰连接端分别通过夹紧块结构24套接在碳纤维臂管的两端，驱动端包括伺服电机21、蜗轮蜗杆结构和输出法兰盘22，并由伺服电机通过蜗轮蜗杆结构驱动输出法兰盘旋转，法兰连接端则为双法兰结构23，在双法兰结构之间为蜗轮蜗杆驱动结构16，该蜗轮蜗杆驱动结构由减速伺服电机17驱动，减速伺服电机可进行减速增扭，并能利用该结构进行机械自锁，防止在减速伺服电机故障或紧急失电时第一段机械手臂跌落。
25.由于第一段机械手臂的长度最短、且是轻量化高空作业机械臂的第一自由区，其减速伺服电机所需提供的转矩也最大，因此第一段机械手臂的根部比其它各段机械手臂的根部更大、碳纤维臂管更短、管壁更厚，但各段机械手臂的总体结构及原理是非常接近的。
26.第二段至第四段机械手臂的结构相同，每段长度为2000mm，均包括驱动端、碳纤维臂管和法兰连接端，驱动端和法兰连接端分别通过夹紧块结构套接在碳纤维臂管的两端，驱动端包括伺服电机、蜗轮蜗杆结构和输出法兰盘，并由伺服电机通过蜗轮蜗杆结构驱动输出法兰盘旋转，法兰连接端则为双法兰结构，双法兰结构从两侧套接、拧紧紧固在上一段机械手臂驱动端的输出法兰盘上。
27.除了转矩最大的第一段机械手臂（第一自由度）规格独立以外，第二段至第四段机械手臂的结构重复，一方面是为了满足轻量化高空作业机械臂八米以上的作业空间要求，另一方面是为了减少设备的零件、配件规格数量。
28.如图7所示，腕部基座的底部为法兰连接端，其双法兰结构从两侧套接、拧紧紧固
在第四段机械手臂驱动端的输出法兰盘上，顶部与六自由度小型机械臂的底座安装端匹配。
29.如图8所示，六自由度小型机械臂采用模块化设计，整体布局结构简单，外壳光滑易去污，内部元器件一体化程度高、型号规格数量少，易于更换维护。在六自由度小型机械臂的末端预留快换接头25，可按需要配置吊具、爪具或定制拆装报警器的特种工具，六自由度小型机械臂末端最大运行速度为0.5 米每秒，任意位置姿态下可负载5 公斤。
30.在地面控制六自由度小型机械臂的主手是一台小机械臂，并且在机械构型上与六自由度小型机械臂为同构机械臂，并能通过切换运动控制算法实现对六自由度小型机械臂异构的增量型控制，从而实现主从同构/异构的兼顾，既具有同构系统的高直观性和姿态匹配性，又具有异构系统主从空间1：1 映射的精确定位优势。
31.如图9所示，电气控制系统采用小型“运动控制伺服+便携式控制盒+主手”的方案，由于需求的控制点数少，控制系统进行小型化、紧凑布局，除了可以安装在支撑底座上，还可集成放置在绿区操作台内，通过接口进行通讯和配套应用。主要操作及监视设备是便携式控制盒和主手。需要操作时，操作员将动力电接到支撑底座的电气柜上，并通过航插接头电缆将手提便携式控制盒（三防笔记本电脑）与力反馈主手通过交换机进行联通后上电。待机电设备、便携式控制盒和主手建立供电和数据通讯后，操作员即可开始主从随动控制。便携式控制盒为现场监控系统预留接口，方便操作员实时监视现场环境及操作姿态。
32.本实施例还公开了一种使用方法，适用于上述的轻量化高空作业机械臂，使用时推动或者吊装机械臂到达预定位置后，展开支撑底座的四个支撑腿并固定，手动旋转调节地脚的支撑高度，操作员通过便携式控制盒的旋钮控制旋转基座及各段机械手臂托举六自由度小型机械臂到目标位置，将作业目标囊括在六自由度小型机械臂的作业范围内后，操作员在地面控制与六自由度小型机械臂完全相同的同构主手对六自由度小型机械臂进行主从力反馈随动控制，操作高空的六自由度小型机械臂进行作业。