CN103170961B - 模块化主从操作机械臂控制主手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化主从操作机械臂控制主手，包括操作手柄、控制盒、小臂连杆、大臂连杆、关节传感器，关节传感器内置线性电位计，操作手柄上设有按钮，关节传感器、按钮通过线缆与控制盒连接，控制盒与从机械臂通讯，操作手柄与六轴关节传感器的输入轴Ⅵ连接，六轴关节传感器的壳体与五轴关节传感器的输入轴Ⅴ连接，五轴关节传感器壳体与小臂连杆一端连接，小臂连杆另一端与四轴传感器连接，四轴传感器的壳体与三轴关节传感器的输入轴Ⅲ连接，三轴关节传感器的壳体与大臂连杆一端连接，大臂连杆的另一端与二轴关节传感器输入轴Ⅱ连接，整个主手安装在一轴关节传感器上。主手采用模块化设计，满足主从控制要求，减少设计制造的难度与成本。
Description
技术领域
本发明专利涉及模块化主从操作机械臂控制主手，尤其涉及一种用于主从操作机械臂控制指令采集与输出的模块化主从操作机械臂控制主手。
背景技术
主从操作是古老的操作方式，机器人是由此方式发展演变而来的。最早期的主从操作机器人，是结构相同的两套机构，分别放置在不同的地方，其中主机器人放置在一个安全或方便的地方，从机器人放在人不宜接近的地方，如有强辐射、高温、水下等环境。操作者根据传感器信息，如视觉、接触力觉、接近觉等来操作主机器人，主机器人与从机器人之间存在着机械耦合，并将主机器人运动传递给从机器人，从机器人就跟随主机器人的运动。
主从操作方式极大地延伸了机器人的应用空间，在许多危险的或极限环境下，采用机器人代替人是唯一可行办法。因此，人类在外层空间开发、海洋深水作业及核电站的检测与维护方面，都离不开主从式机器人。主从式机器人已成为上述领域不可缺少的设备。此外，在一些危险的、有毒有害的工业生产环境中，也是主从遥控机器人用武之地。
主从遥控机器人系统由三大部分组成:主机器人、从机器人和两者之间的关连部分。具体讲就是主手、从手和两者之间的通讯。
从手就是机械臂，它可以是关节式的或直角坐标式，取决于不同作业任务的需要。主手的功能是提供人机界面，操作人员通过主手施加控制命令。主手有着操作直观、控制系统简单等优点。它的缺点是不具有通用性，即一种类型的主手只能控制一种从手。针对不同的从手需要设计、制造不同类型的主手。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种模块化主从操作机械臂控制主手；本专利主手采用模块化设计，该主手能够根据从手（机械臂）结构进行调整，满足不同种类从手的主从控制要求，大大减少了主手设计、制造的难度与成本。
为实现上述目的，本发明专利采用如下技术方案：
一种模块化主从操作机械臂控制主手，包括操作手柄、控制系统、小臂连杆、大臂连杆、多个关节传感器，所述关节传感器内置线性电位计，操作手柄上设有按钮，所述关节传感器、按钮通过线缆与控制系统连接，所述控制系统与从机械臂通讯，所述操作手柄与六轴关节传感器的输入轴连接，所述六轴关节传感器的壳体与五轴关节传感器的输入轴接，所述五轴关节传感器壳体与小臂连杆一端连接，小臂连杆另一端与四轴传感器连接，所述四轴传感器的壳体与三轴关节传感器的输入轴连接，所述三轴关节传感器的壳体与大臂连杆一端连接，大臂连杆的另一端与二轴关节传感器输入轴连接，二轴关节传感器壳体与二轴机架连接，整个主手与一轴关节传感器连接。线缆将各关节传感器的电位信号和手柄按钮操作信号传递给控制盒，经处理后通过并口、或串口与从机械臂通讯。所述控制系统采用嵌入式控制系统。
四轴传感器的壳体与小平衡锤连接，由小平衡锤达到平衡小臂的自重的目的。
大臂连杆的另一端与大配重锤连接，由大配重锤达到平衡主手的自重和部分平衡力的目的。
关节传感器的数量和安装位置与从机械臂自由度一致。
关节传感器通过间隙可调的滑动轴承与输出轴连接。关节传感器能够承受轴向、径向载荷。关节传感器具有两种安装方式：外壳固定、输出轴旋转；输出轴固定、外壳旋转，以适合不同主手结构要求。
控制系统采用设于控制盒内的嵌入式控制系统。通过嵌入式控制系统采集各关节传感器的电压信号，并根据通信协议与从机械臂通讯。
关节传感器与并口连接，以并口方式直接输出电压。
操作手柄通过长条孔与螺纹连接，其中长条孔可以改变手柄的位置，螺纹可以调整手柄沿自身轴线的角度。通过调整这两个零件，可以自由调节手柄位置，适应不同操作习惯的要求。
本发明的工作原理：
使用时，操作人员操作手柄，操作手柄带动各个连杆与关节传感器运动，主手连杆尺寸与从机械臂尺寸成比例。关节传感器的数量和安装位置与从机械臂自由度一致。关节传感器内置线性电位计，将主手各关节的位置/速度信号转化成电压信号，该电压信号经处理后形成从机械臂各自由度控制指令。模块化主从操作机械臂控制主手只要通过改变连杆连接位置，或调整关节传感器的数量和安装位置，就可以实现不同结构尺寸的从机械臂主从控制。
本发明的有益效果：
1.本发明的主手采用模块化设计，该主手能够根据从手（机械臂）结构进行调整，满足不同种类从手的主从控制要求，大大减少了主手设计、制造的难度与成本，大幅度降低机械臂主从控制主手的研发周期与设计成本。模块化主从操作机械臂控制主手只要通过改变连杆连接位置，或调整关节传感器的数量和安装位置，就能够实现不同结构尺寸的从机械臂主从控制。
2.主手设有平衡锤，能够平衡主手自重和操作力，保证主手操作舒适。
3.关节传感器采用价格低廉的通用线性电位计，通过间隙可调的滑动轴承与输出轴连接，可以承受轴向、径向载荷。具有两种安装方式：外壳固定、输出轴旋转；输出轴固定、外壳旋转，以适合不同主手结构要求。
4.采用线性电位计，输出电压与关节的旋转角度呈严格的线性关系，在输出电压的同时，还可以通过极性判断旋转方向，并确定原点位置。
附图说明
图1是本发明实施方案的结构图；
图2是手柄连接部件结构示意图；
其中，图中：1、串口，2、并口，3、一轴关节传感器输入轴，4、大配重锤，5、二轴关节传感器壳体，6、二轴关节传感器输入轴，7、三轴关节传感器壳体，8、三轴关节传感器输入轴，9、四轴关节传感器壳体，10、四轴关节传感器输入轴，11、小臂连杆，12、五轴关节传感器壳体，13、五轴关节传感器输入轴，14、六轴关节传感器壳体，15、六轴关节传感器输入轴，16、螺纹连接，17、线缆，18、操作手柄，19、小平衡锤，20、大臂连杆，21、控制盒，22.二轴机架，23.主手支撑板，24.手柄连接件，25.长条孔连接件，26.螺纹连接件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
一种模块化主从操作机械臂控制主手，包括操作手柄18、采用以AVR单片机Atmega128为MCU的具有模数转换及通讯功能的嵌入式控制系统、小臂连杆11、大臂连杆20、关节传感器，控制系统设于控制盒21内，关节传感器内置线性电位计，操作手柄18上设有按钮，关节传感器、按钮通过线缆17与控制盒21内控制系统连接，控制系统与从机械臂通讯，操作手柄18与六轴关节传感器输入轴15连接，操作手柄18能够带动六轴关节传感器输入轴15转动。六轴关节传感器壳体14与五轴关节传感器输入轴13连接，操作手柄18可带动五轴关节传感器输入轴13摆动。五轴关节传感器壳体12与小臂连杆11一端连接，小臂连杆11另一端与四轴传感器输入轴10连接，小臂连杆11可使四轴传感器输入轴10转动。四轴传感器壳体9与三轴关节传感器输入轴8连接，可带动三轴关节传感器输入轴8转动，同时四轴传感器壳体9与小平衡锤19连接，小平衡锤19可以平衡小臂的自重。三轴关节传感器壳体7与大臂连杆20一端连接，大臂连杆20的另一端与二轴关节传感器输入轴6连接，可带动二轴关节传感器输入轴6转动，二轴关节传感器壳体5与二轴机架22连接，。同时大臂连杆20的另一端与大配重锤4连接，大配重锤4可以平衡主手的自重和部分平衡力。整个主手安装在一轴关节传感器输入轴3上，操作手柄13的转动可以带动关节传感器输入轴3转动。主手与控制盒21均安装在主手支撑板23上。控制盒21上设有串口1、并口2，线缆17将各关节传感器的电位信号和手柄按钮操作信号传递给控制盒21内的控制系统，经处理后通过并口2、或者串口1与从机械臂通讯。由于采用线性电位计，输出电压与关节的旋转角度呈严格的线性关系在输出电压的同时，还可以通过极性判断旋转方向，并确定原点位置。
手柄18通过手柄连接件24、长条孔连接件25、螺纹连接件26组成的手柄连接部件与六轴关节传感器输入轴15连接。其中长条孔连接件可以改变手柄的位置，螺纹连接件旋转可以调整手柄的角度。通过调整这两个零件，可以自由调节手柄位置，适应不同操作习惯的要求。
模块化主从操作机械臂控制主手只要通过改变连杆连接位置，或调整关节传感器的数量和安装位置，就可以实现不同结构尺寸的从机械臂主从控制。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，包括操作手柄、控制系统、小臂连杆、大臂连杆、多个关节传感器，所述关节传感器包括一轴关节传感器、二轴关节传感器、三轴关节传感器、四轴关节传感器、五轴关节传感器、和六轴关节传感器；所述关节传感器内置线性电位计，操作手柄上设有按钮，所述关节传感器、按钮通过线缆与控制系统连接，所述控制系统与从机械臂通讯，所述操作手柄与六轴关节传感器的输入轴连接，所述六轴关节传感器的壳体与五轴关节传感器的输入轴接，所述五轴关节传感器壳体与小臂连杆一端连接，小臂连杆另一端与四轴传感器连接，所述四轴传感器的壳体与三轴关节传感器的输入轴连接，所述三轴关节传感器的壳体与大臂连杆一端连接，大臂连杆的另一端与二轴关节传感器输入轴连接，二轴关节传感器壳体与二轴机架连接，整个主手与一轴关节传感器连接；
所述关节传感器通过间隙可调的滑动轴承与输出轴连接；
所述操作手柄采用螺纹连接，螺纹连接件通过长条孔与主手关节连接。
2.如权利要求1所述的模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，所述四轴传感器的壳体与小平衡锤连接。
3.如权利要求1所述的模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，所述大臂连杆的另一端还与大配重锤连接。
4.如权利要求1所述的模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，所述关节传感器的数量和安装位置与从机械臂自由度一致。
5.如权利要求1所述的模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，所述控制系统采用设于控制盒内的嵌入式控制系统。
6.如权利要求1所述的模块化主从操作机械臂控制主手，其特征是，关节传感器均与并口连接，以并口方式直接输出电压。
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