力放大移动机械手系统的制作方法

1.本发明基于开发用于使具有高达400kg的质量的载荷移动和定位的系统。
2.所提出的系统可以在远程环境中用于远程作用。


背景技术：

3.在人体物理极限之外(通常高于50kg)的大质量零件的移动和定位是在建筑工地和类似地点的例行任务，其需要恒定使用起重机、具有munck系统的卡车或者锚定或支承在地面上的起重机。这些设备的锚定特征将载荷的运动限制在其作用范围内的区域，因此不允许载荷在该区域之外的运动。此外，载荷的精确定位限于由相应的操作者来操作所述起重机的控制装置的技能，相应的操作者经常需要外部支持(来自另一操作者的辅助)来指示载荷的适当的确定位置或临时储存位置。
4.当与称为munck系统的液压卡车起重机相比时，起重机具有更大的作用半径。然而，起重机的高度和大尺寸限制了其在室外应用中的使用。一些移动式起重机还需要准备好的进入路径和移动路径，因为它们的大质量、金属轨道和配重的存在，因而需要平坦的、水平的和无泥浆的地形。
5.在工作的日常生活的许多情况下，有必要在临时储存地点执行设备和材料的卸载。一旦完成此操作，这样的设备或材料就必须被运输至安装或使用的确定地点。这种过程顺序通常使用具有munck系统和起重机的卡车，其需要用于这些装置中的每个装置的专用工作组。
6.货物移动物流还需要专门的、经过培训和认证的操作者来控制所涉及的多件设备中的每一件设备；然而，最大的困难在于零件、设备或材料在其安装的确定地点中的精确定位。操作者的专业知识对于安全且快速地执行这些操作是至关重要的。
7.根据监管标准17(nr17的第17.2.2条)，工人不被允许对重量很可能危及他们的健康或安全的载荷执行手动运输。以这种方式，在建筑工地、建筑物或在具有接近或高于人体能力的质量的零件的短距离运输过程的任何工业环境中，有必要使用不同的车辆来执行设备或载荷的运输、提升和安装。对于每种不同类型的运输设备或货物移动设备，其相应的操作者需要经过适当训练和认证以执行适当的操作。
8.文件us6535793b2公开了用于远程控制移动机械手的方法以及一种用于远程控制机械手的直观用户界面。根据文件us6535793b2，计算机与机械手之间的通信可以经由无线电来完成。为了辅助用户，使用机械手集成的相机，从而生成所关注的物体在机械手周围的图像。尽管存在远程控制的机械手，但是该机械手不能运输或处理具有相当大重量的载荷。
9.文件cn105904432a公开了一种工业管堆叠机械手。机械手包括移位装置、可调节支承件、旋转装置、三个自由度的平行机构以及夹持装置。文件cn105904432a的工业机械手可以执行多个操作，包括拾取、运输以及堆叠比如用于水节约和水力发电的那些管。然而，尽管呈现了能够运载和处理载荷的机械手，然而文件cn105904432a中的机械手仅能够与管一起工作，因此限制了其多功能性。
10.文件us10793047b1公开了一种具有用于支承多个货物以及固定材料的承载表面的移动机械手。机械臂附接至机械手并且构造成从移动机械手的远程位置自主地拾取货物，从而将货物放置在支承表面上的期望位置中，并且自主地固定货物。尽管呈现了远程控制的机械手并且具有机械臂，然而文件us10793047b1的机械手不能运输或处理具有相当大重量的载荷。
11.鉴于在用于移动和处理相当大重量的载荷的解决方案的背景技术的陈述中所提出的挑战，并且鉴于具有类似解决方案但未提出本发明的独特特征的文件，本文件详细地提出了具有所述发明的潜在创新的所有要点。


技术实现要素：

12.本发明实现在处理和运输载荷的不同操作的执行中的时间节省，减少了在现场中配置的机器的使用，因此增加了操作者的安全性，并且因此增加了主要是在室外的现场工作或作业的执行中的整体经济性。
13.本发明的另一目的是减少工作组，该工作组可以由单个操作者构成，因此降低了在调动人员中的事故风险，从而有助于提高工作安全性水平，并直接满足nr11(运输、移动、储存和处理材料)、nr17(人体工程学)等。
14.为了实现上述目的，本发明提出并呈现了一种能够在小距离上进行运输、处理和精确安装载荷(管、板、设备、零件、材料等)的系统，用于实现操作者组的减少并且呈现系统在使用方面的便利性。本发明提供的力放大移动机械手系统包括具有在不同类型的地形中移位的性能的移动平台、工具更换器、力换能器即载荷单元、a摄像机和b摄像机、工业机械手、用于管的执行器、用于板的执行器、执行器的支承件、发电机、远程控制装置、空气压缩机以及实时工业计算机。
15.精确的定位步骤具有能够手动地移动载荷(位置和方向)的特殊力放大系统，而不需要特殊的控制装置(如杆、按钮、操纵杆或阀)。机械手系统固定在移动平台上，并且因此执行外部外骨骼的功能，该外部外骨骼能够允许由负责运输或安装的同一操作者来移动载荷。
附图说明
16.下面将参照附图更详细地描述本发明，附图以示意性方式且不限制本发明范围地表示本发明的实施方式的示例。
17.图1及图2示出了根据本发明的力放大式移动机械手系统；
18.图3示出了根据本发明的工业机械手。
具体实施方式
19.以下是对本发明的实施方式的详细描述，本质上是示例性的并且决不具有限制性。然而，对于本领域技术人员来说，通过阅读该描述将清楚地了解本发明的可能的由以下基本的且可选的特征组成的另外的实施方式和变型。
20.本发明可以用于不同的组装过程(静态设备)、管线、用于气体储存的球体、炼油厂的建造和维护、槽清洁过程、载荷的精确定位、处理用于焊接的板、零件的临时储存等。本发
明的使用可以在民用和军用两方面，并且可以在其他工业分支比如核工业、海军、铁路、地铁、道路工业中用以借助于直接通过操作者的动作和命令来实现的零件和装备的运动而移动。
21.本发明的系统用作外部外骨骼，其中，具有6个自由度的人体模拟型工业机械手支承高达400kg的载荷，人体模拟型工业机械手通过操作者的动作直接在载荷上移动，而不需要使用远程控制装置或机械手操作者界面进行编程。因此，其用于材料运动的用途非常宽，并且足以执行载荷在相应的执行器中的正确固定。由操作者来执行拉动、推动和旋转载荷的运动，使得机械手以同步的方式沿由操作者施加的方向执行相应的移动。操作者不需要机械手编程的先验知识。当没有外力作用在载荷上时，载荷可以在机械手动作范围内的任何位置和取向中放置成在其最后位置和取向中保持静止。
22.在图1中，表示出以下项目：远程导引轮1、a摄像机2、工业机械手3、夹持器执行器4、夹持器执行器支承件5、机械手控制装置机柜6、板夹持器执行器支承件7、板夹持器执行器8、发电机9、履带式移动平台马达入口10、履带式移动平台11、通用控制装置机柜12、系统远程控制装置13、用于a和b摄像机的视频监视器14。
23.在图2中，本发明的另一视图呈现以下项目，一些项目与图1重复：a摄像机2、工业机械手3、机械手控制装置机柜6、板夹持器执行器支承件7、板夹持器执行器8、发电机9、履带式移动平台马达入口10、履带式移动平台11、系统远程控制装置13、a和b摄像机的视频监视器14、b摄像机15。
24.根据附图1和图2，力放大式移动机械手系统由在任何地形中具有运动能力的履带式移动平台11形成，其中，履带式移动平台11接收具有六个自由度的人体模拟型工业机械手3，从而得到就移动平台的运动而言的总计八个自由度。移动平台11的结构还具有对所有其他设备进行支承的功能，所有其他设备比如有：夹持器执行器4、板夹持器执行器8、其他执行器支承件5和7、电力发电机9、机械手控制装置机柜6、空气压缩机、液压单元(不可见)以及其他设备和传感器。
25.为了增加使载荷移动的安全性，可以将附加的导引装置1添加至外骨骼系统，以允许操作者在距其相应的垂直阴影1.0m的距离处操纵载荷。这确保在紧固系统中发生故障的情况下，载荷的下降不会碰到操作者，特别是不会碰到操作者的下肢、例如脚和腿。该导引装置1包括具有控制轮的1.0m长的铝管。对载荷的拉动、推动和旋转动作可以施加至该轮，而不影响系统外骨骼能力。
26.载荷固定仅取决于所使用的执行器的类型(也称为工具或夹持器)。如图3所示，为了允许不同类型的执行器之间的交换，机械手配备有由固定至机械手腕部3的主联接器(主导者)和其他从属联接器(工具)形成的用于工业用途的工具更换器19，每个从属联接器适当地固定至执行器。
27.本发明使用两种类型的执行器，一种执行器专门用于操纵管(称为夹持器)4，而另一种执行器用于钢板(板夹持器)8。然而，本发明不仅限于管和板，因为可以使用不同类型的执行器，为此需要在该新的执行器中安装从属联接器。
28.工具更换器可以是任何类型和型号的工具更换器，只要它们满足载荷、惯性力矩和机械手与工具之间的信号的快速交换的要求即可。工具更换操作使用压缩空气来打开、关闭和锁定从属联接器上的主联接器。由此，本发明使用空气压缩机来提供这种能量源(不
可见，因为空气压缩机安装在移动平台内)，但是不限于使用压缩空气。工具更换器的其他模型可以在本发明中使用，其本质上可以是电的、机械的或液压的。
29.该系统不限于使用履带式移动平台11，而是可以是下述移动平台：该移动平台具有由任何材料制成的轮、金属或橡胶履带，用于轨道上或用于工业用途的任何运动系统上并且用于任何类型的地形(沥青、土、泥、雪、草、混凝土等)，只要该移动平台具有对机械手质量、高达400kg的相应载荷、更换器和执行器进行支承的容量即可。移动平台10的能量源不限于使用柴油发动机，并且可以基于汽油、酒精、天然气、lpg(液化石油气)或借助于除了燃料电池或涡轮机之外的任何类型的电池组的电力。
30.电力发电机9不限于使用柴油；其可以是被设置成汽油、酒精或任何其他类型的燃料发电机，只要其执行发电机的功能即可。该设备仍然可以与移动平台10的马达一起安装，从而利用平台马达的马达能量的一部分。
31.机械手控制装置机柜6可以与本发明的通用控制装置机柜12成一体，因此具有用以容纳本发明的所有电气和电子设备的单个机柜。
32.为了在难以接近的条件下辅助操作者，该系统具有两个摄像机2和15，其目的在于将图像实时地发送至固定在系统遥控器13旁边的便携式监视器14，系统控制装置13借助于带而附接至操作者的腰部。该系统不妨碍操作者手臂的运动，从而使手臂自由地用于其他操作。
33.由于所使用的工业机械手3的操作限制，本发明限于高达400kg的载荷。由于市场上可用的工业机械手存在大范围的载荷容量(有效载荷)，因此只要使用另一机械手，本发明就可以与更大或更小的载荷一起工作。
34.如图3所示，本发明利用具有不同操作限制的两个载荷单元18和20。较高容量的载荷单元20旨在监测位于执行器上的载荷并且检测载荷碰撞，其具有与机械手容量(400kg)兼容的使用范围。下部容量载荷单元18在外骨骼控制周期中使用，下部容量载荷单元18固定至导引环16，如图3所示。下部容量载荷单元18负责在实时控制周期中测量操作者的力和扭矩动作(拉动、推动和转动)并将其传输至机械手3，因此实现本发明的主要功能。导引环16可以使用操作者的手直接操作或者使用远程导引工具1间接地操作。在图3中所示出的启动按钮17和21两者均用作安全按钮，从而仅在按压启动按钮17和21时才释放机械手运动。这防止机械手在操作者使载荷或轮掉落的情况下进行任何不希望的运动。
35.本发明的外骨骼功能(或辅助操作)在安装在通用控制装置机柜12内的工业计算机中执行的实时算法中实现。该程序解释来自载荷单元18的信号并且执行工业机械手3的相应运动。所使用的工业计算机表示高性能、高可靠性和故障安全的嵌入式系统。
36.工业机械手3还可以借助于远程控制装置13来控制，这是当载荷超出操作者的接受范围时的替代性运动。在某些位置中，机械手腕部可以达到5.5m的高度，因此需要使用远程控制装置13来将腕部并且因此将带有载荷的执行器放置在合适的高度处以进行操作者辅助的操作。该远程控制装置还负责使移动平台11移动，因为不存在工作间或手动运动控制装置。在工业计算机的控制周期中使用远程控制装置13、机械手3和移动平台11两者实现了这些运动功能。