CN101642906A - 多级伸缩式冗余自由度操作臂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级伸缩式冗余自由度操作臂，包括伸缩臂、曲臂和末端执行器，所述末端执行器安装在曲臂的末端，所述曲臂安装在伸缩臂的末端；其特征在于：所述曲臂具有冗余旋转自由度；所述伸缩臂具有多级直线自由度。本发明还涉及一种多级伸缩式冗余自由度操作臂工作时是否与管道内壁干涉的检验方法。本发明的操作臂结合了多级伸缩关节和多自由度旋转关节的优点，可用于大型复杂工件的内外表面自动化喷涂和焊接作业，特别适合于在复杂异型狭长管道工件内表面进行自动化作业。

Description

多级伸缩式冗余自由度操作臂
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种多级伸缩式冗余自由度操作臂，适合于在异型狭长管道内部作业使用。
背景技术
在特种工业领域(如航空航天领域)，存在着许多异型狭长管道的内表面需要喷涂或焊接，由于这些狭长管道的内表面较为复杂，内部空间极为狭小，技术人员很难进入，必须采用自动化作业设备完成。
目前世界上已有的工业机器人产品(如ABB、KUKA、MOTOMAN等)均是针对工件外表面或简单内壁进行作业。直接采用市场上现有的机械臂来对复杂狭长工件内表面进行作业时，难以进入复杂工件的内部，容易发生碰撞。
目前国内外针对在异型狭长管道内壁作业的机械臂研究还非常少，公告号为CN201136150Y的中国实用新型专利公开了一种自由伸缩旋转升降的借力助力机械臂，该机械臂仅限于升降伸缩，不适用于异型管道(如S型管道)内部作业；公告号为CN101428420A的中国发明专利公开了一种超冗余全方位移动操作臂，该操作臂虽具有冗余自由度，但缺少多级伸缩臂，不能在狭长管道内部作业。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作臂，能够结合多级伸缩臂和多关节冗余机械手的优点，使得复合机械臂能够深入狭长管道内部，并适应狭长管道内部异型结构，躲避障碍，解决异型狭长管道内壁的自动喷涂作业等问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种多级伸缩式冗余自由度操作臂，包括伸缩臂、曲臂和末端执行器，所述末端执行器安装在曲臂的末端，所述曲臂安装在伸缩臂的末端；其特征在于：所述曲臂具有冗余旋转自由度；所述伸缩臂具有多级直线自由度。
其中，所述曲臂的冗余旋转自由度包括执行器旋转自由度，俯仰自由度以及偏航自由度。
其中，所述伸缩臂包括至少两级伸缩单元。
其中，所述每一级伸缩单元包括两根双滑块的滚珠导轨，还设有电机，通过丝杠和螺母组成的机构将电机的转动输出转变为直线运动，所述螺母同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板，以实现所述伸缩单元的级联。
其中，所述滚珠导轨采用壁挂式安装结构。
其中，所述伸缩臂安装在基座上，用于带动所述曲臂及所述末端执行器沿直线移动到规定位置。
其中，所述末端执行器与所述曲臂通过螺栓连接；所述曲臂通过螺栓与所述伸缩臂连接。
本发明还涉及一种多级伸缩式冗余自由度操作臂工作时是否与管道内壁干涉的检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据工作管道的已有形状，画出其中心轴线；
(2)通过调整使与末端执行器相连的曲臂的旋转自由度始终在所述中心轴线上运动；
(3)将末端执行器传送到工作位置；
(4)得出结论：操作臂工作时各个关节是否与工作管壁发生干涉。
上述技术方案解决了在异型狭长管道内壁进行自动化作业的难题，具体的优点表现在以下几个方面：1、同时具有多级伸缩臂和多自由度旋转关节曲臂的功能，工作范围大，可以深入异型狭长管道内部进行作业；2、多级伸缩臂采用壁挂式安装方式，负载能力强；3、曲臂具有冗余自由度，操作灵活性高，躲避障碍、回避奇异性能好，可以在较狭窄或拥挤的工作场所中自如的操作。
附图说明
图1是本发明多级伸缩式冗余自由度操作臂的立体示意图；
图2是本发明多级伸缩式冗余自由度操作臂中多级伸缩臂结构的立体示意图；
图3是本发明多级伸缩式冗余自由度操作臂中曲臂结构和末端执行器的立体示意图；
图4是本发明多级伸缩式冗余自由度操作臂的主视图；
图5是本发明多级伸缩式冗余自由度操作臂的侧视图；
其中，1：末端执行器(喷枪)；2：曲臂；3：伸缩臂；4：多级伸缩臂第一个自由度；5：多级伸缩臂第二个自由度；6：多级伸缩臂第三个自由度；7：电机；8：联轴器；9：安装立板；9a：滚珠导轨；10：丝杠；11：螺母；12：下一级安装立板；13：喷枪旋转自由度；14：曲臂第一个俯仰自由度；15：曲臂第二个俯仰自由度；16：曲臂第三个俯仰自由度；17：曲臂第四个俯仰自由度；18：曲臂第一个偏航自由度；19：曲臂第二个偏航自由度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
对于机械操作臂，自由度可分为两类：平移自由度和旋转自由度；当机械操作臂的独立自由度数目超过6个，则称该机械操作臂为冗余自由度操作臂。
图1为依照本发明一种实施方式的多级伸缩式冗余自由度操作臂的立体示意图，该操作臂由末端执行器1、曲臂2和伸缩臂3组成，伸缩臂3具有多级直线自由度，曲臂2采用旋转关节，具有多级旋转自由度。所述末端执行器1为作业工具，安装在旋转关节式曲臂2的末端。所述旋转关节式曲臂2安装在多级伸缩臂3的末端处，所述多级伸缩臂3可以作为一个模块安装在基座上。采用多级伸缩臂和旋转关节式曲臂复合形式的理由如下：多级伸缩臂可将曲臂和末端执行器运送到管道的内部，而旋转关节式曲臂可以进一步适应异型管道内部的环境。
在本实施例中，多级伸缩臂结构具有3个平动伸缩单元(如图2中4、5和6所示)，并且所述3个平动伸缩单元具有相同方向的自由度，其目的是将曲臂2和末端执行器1运送较远距离，能够深入到狭长管道的内部。由于伸缩臂3在完全伸展后有近10米之长，伸缩臂3所受弯矩较大，因而，需要提高多级伸缩臂3的抗弯能力。本发明中采用两种措施来提高多级伸缩臂3的抗弯能力，其一是增大靠近基座部分伸缩杆的截面面积；其二是直线导轨采用壁挂式安装结构。所谓壁挂式安装结构即每一级导轨安装在上一级导轨上面，相对于常见的水平布局方式来说能明显提高导轨的刚度，提高多级伸缩臂的刚度，故该机构能够实现大行程、高刚度的直线伸缩运动。所述壁挂式结构的每一级伸缩单元主要包括电机7、连轴器8、安装立板9、滚珠导轨9a、丝杠10、以及螺母11等组成，电机7通过连轴器8连接丝杠10，通过丝杠10和螺母11组成的机构，将电机7的转动输出转化为螺母11沿滚珠导轨9a的直线运动，从而实现伸缩运动伸缩单元采用丝杠和螺母将电机的转动输出转变为直线运动，从而实现伸缩运动。螺母同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板12，进而可实现多级伸缩机构的级联。
在本实施例中，所述曲臂具有7个旋转自由度，如图3所示，为冗余结构，目的是使得操作臂具有较高的灵活性，能够在狭长异型管道内躲避障碍，避免干涉和碰撞，特别适合在异型长管内部作业(如喷涂、焊接等)。所述7个旋转自由度的配置如下：自由度13为喷枪旋转自由度，使末端执行器绕机器人手腕轴线转动；自由度14、15、16和17可以实现末端执行器沿异型长管竖直运动的功能；自由度18和19可以实现末端执行器沿管道横向移动的功能。竖直面旋转自由度14、15、16和17与水平面回转自由度18和19以及伸缩臂的伸缩动作的结合可以使机器人实现任意曲面的作业。
当本发明中各杆件长度确定后，可以通过机器人的运动仿真来检验运动时是否会与管道内壁干涉。
根据工作管道的已有形状，画出其中心轴线(假设异型管轴线为平面曲线)。与末端执行器相连的曲臂旋转自由度始终在该中心轴线上运动，在这种方式下，只要末端执行器能顺利到达工作位置，则其后的各关节也必定不会与管壁发生干涉，这样可以简化问题。实际喷涂或焊接工作时不一定按照这种方式工作，也可以进行其他规划。但这种方式的其它好处是：(1)多级伸缩臂任一关节的状态都是末端执行器在相同时刻的状态(通过时间轴上的平移即可得到，可以减少实际规划时的计算量)；(2)当曲臂的水平面回转自由度做匀速运动时，伸缩臂各关节(包括末端执行器)也基本沿曲线作匀速运动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种多级伸缩式冗余自由度操作臂，包括伸缩臂、曲臂和末端执行器，所述末端执行器安装在曲臂的末端，所述曲臂安装在伸缩臂的末端；其特征在于：所述曲臂具有冗余旋转自由度；所述伸缩臂具有多级直线自由度。
2、如权利要求1所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述曲臂的冗余旋转自由度包括执行器旋转自由度，俯仰自由度以及偏航自由度。
3、如权利要求1所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述伸缩臂包括至少两级伸缩单元。
4、如权利要求3所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述每一级伸缩单元包括两根双滑块的滚珠导轨，还设有电机，通过丝杠和螺母组成的机构将电机的转动输出转变为直线运动，所述螺母同时连接本伸缩单元的滑块与下一级伸缩单元的安装立板，以实现所述伸缩单元的级联。
5、如权利要求4所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述滚珠导轨采用壁挂式安装结构。
6、如权利要求1-5中任一项所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述伸缩臂安装在基座上，用于带动所述曲臂及所述末端执行器沿直线移动到规定位置。
7、如权利要求6所述的多级伸缩式冗余自由度操作臂，其特征在于，所述末端执行器与所述曲臂通过螺栓连接；所述曲臂通过螺栓与所述伸缩臂连接。
8、一种多级伸缩式冗余自由度操作臂的检验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据工作管道的已有形状，画出其中心轴线；
(2)通过调整使与末端执行器相连的曲臂的旋转自由度始终在所述中心轴线上运动；
(3)将末端执行器传送到工作位置；
(4)得出结论：操作臂工作时各个关节是否与工作管壁发生干涉。
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