CN105583852A - 一种新型移动机器人操作机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械手，尤其是涉及一种新型移动机器人操作机械手。一种新型移动机器人操作机械手，包括手部、腕部和臂部三部分。具有重量轻、运动速度快、路面通过能力强、半自主远程遥控等特点，通过在通用接口上搭载不同的工具来实现不同的功能以完成反恐和消防等高危险任务，由于采用远程遥控，对于减少人员的伤亡起到了关键的作用，对于减少国家、人民经济财产的损失也具有十分重要的意义。

Description

一种新型移动机器人操作机械手

技术领域

本发明涉及一种机械手，尤其是涉及一种应用于移动机器人的新型操作机械手。

背景技术

1954年，被称为“机器人之父”的美国科学家GeorgeDevol取得了附有重放记忆装置的第一台机械手的专利权，该设备能执行从一点到另一点的受控运动(即点一点运动)，这被认为是“机器人时代”的开始。五年后，普兰耐特公司(PlanetCorp.)出售第一台工业用机器人。60年代中期，随着机器人学这一新领域的发展，在麻省理工学院、斯坦福大学、斯坦福研究所(SRI)，以及苏格兰爱丁堡大学这样的理工学院中，出现了好几个研究中心，并出现了涉及人工智能的研究课题。1970年，机器人学界早期的改革家之一，VictorSchenman在斯坦福大学演示了一种计算机控制的工业机械手，这就是非常著名的斯坦福机械手。它非常先进，技术很复杂，迄今还被很多研究中心使用。

70年代以后，机械手和以机械手为核心的自动化设备在工业发达国家，尤其在日本，有了广泛的应用。由工业机械手与其它设备组成的生产线极大的提高了企业的劳动生产率，提高和稳定了产品质量，大大缩短了产品更新换代的周期。这些应用在很大程度上激发了人们对机械手的研究和开发，它的技术也因此取得了长足的进步。80年代，人们为了让机器人技术向各行各业扩展、应用，于是有了用于社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、救灾抢险等领域的机器人。应用于这些领域的机器人，绝大多数都是由机械手和与之对应的安装平台组成的。

到了上世纪90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展和它们之间的相互整合，机械手技术得到了飞速发展。除了工业机械手水平不断提高之外，各种用于非制造业的特种机械手也有了长足的进展。现代控制理论使得械手控制系统的性能进一步提高。传感器技术的发展和应用大大的提高了机械手的作业性能和对环境的适应性。网络通信技术实现了多个机械手的协调工作，也使得机械手由过去的专用设备向标准化设备发展。微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机械手的可靠性有了很大的提高。还有通过诸如模态分析、有限元分析及仿真设计等现代设计方法的运用，某些领域的机械手已经实现了优化设计，在这个方面做的比较突出的是德国的KUKA公司。

近年来，随着人类活动领域的进一步扩大，人们对非制造业用机械手的研究空前活跃起来。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机械手的要求更高，需要机械手具有对外感知能力以及局部的自主规划能力等。美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等装有水下机械手的机器人系统已用于海洋石油开采，海底勘探、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护等方面，形成了有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。核工业用机械手，国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手。己完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。目前，机器人技术发达的国家都在竞相开发地下机械手、医用机械手、建筑用机械手和军用机械手，并已经取得了一些卓有成效的结果。

我国的机械手研究与开发工作起步较早，曾经有过一些成果，但在产业化和应用上，一直步履维艰。改革开放以来，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前基本掌握了机械手的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、装配、搬运等机械手。但是，我国的机械手技术及其应用程度和发达国家相比还有很大的差距，如:可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上远远赶不上发达国家。以上原因主要是没有实现机械手的高度产业化。当前我国机械手的生产几乎都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

移动机械手是由一个或若干个机械手和一个可移动平台组成，机械手安装在移动平台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于普通的移动机器人和传统的机械手:另一方面，移动平台和机械手不但具有不同的动力学特性，而且存在强祸合，有的移动平台还受非完整约束，同时考虑到搭载平台的承载能力，移动机械手在对固定机械手具有优势的同时，在设计上存在诸多难点，如结构优化、控制方法、路径规划、传感器的选用等，因此，移动机械手的研究设计有十分重要的理论意义。

发明内容

本发明提供一种应用于移动机器人的新型操作机械手，具有重量轻、运动速度快、路面通过能力强、半自主远程遥控等特点，通过在通用接口上搭载不同的工具来实现不同的功能以完成反恐和消防等高危险任务，由于采用远程遥控，对于减少人员的伤亡起到了关键的作用，对于减少国家、人民经济财产的损失也具有十分重要的意义。

本发明解决所采用的技术方案是。

本发明具有5个自由度，主要包括手部、腕部和臂部三部分。

所述手部(末端执行器)的结构采用两指结构，传动机构采用滚珠丝杠副与圆柱直齿轮，整个末端执行器体积小、质量轻。两手指相对于末端执行器在丝杠的带动下做平移运动，达到开合作用。手指前段可以夹持形状规则(与手指接触面为平面)的物体，后段为菱形形状，可以夹持圆形和不规则形状的物体。

所述手腕部结构具有一个摆动的自由度，摆动范围为0-90度，传动方式选择圆锥齿轮传动，电机置于机械臂内与腕部传动轴垂直。另外小臂中间旋转关节也属于腕部自由度范畴，利用电机带动连轴器，连轴器再带动小臂前半段壳体旋转。两自由度手腕足以满足各种工作情况的需要。

所述机械手臂壳体采用铸铝加工而成，其中方形截面为机械手大臂与小臂的壳体，圆形截面为小臂旋转机构的壳体。机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁；机械手表面还装有缓冲垫，当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时，可以起到缓冲作用，避免手臂冲击造成损坏。大臂外壳具有粘贴的橡胶垫，起缓冲垫作用。小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮传动，电动机置于大臂壳体内。

所述机械手与云台的连接利用键连接，这种结构配合适当的云台结构，便于拆卸，这样移动机器人可以在不同的应用场合在云台上搭载不同的设备来完成不同的任务。

本发明的有益效果是：具有重量轻、运动速度快、路面通过能力强、半自主远程遥控等特点，通过在通用接口上搭载不同的工具来实现不同的功能以完成反恐和消防等高危险任务，由于采用远程遥控，对于减少人员的伤亡起到了关键的作用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的手部结构图。

图2是本发明的腕部摆动关节结构图。

图3是本发明的腕部旋转关节结构图。

图4是本发明的臂部剖面图。

图5是本发明的小臂、大臂联接位置结构图。

图6是本发明的机械手与云台联接结构图。

图7是本发明的机械手整体简图。

具体实施方式

该发明具有5个自由度，主要包括手部（图1）、腕部（图3）和臂部（图5）三部分。

如图1，该发明手部(末端执行器)的结构采用两指结构，传动机构采用滚珠丝杠（1）副与圆柱直齿轮（5），整个末端执行器体积小、质量轻。两手指相对于末端执行器在丝杠（1）的带动下做平移运动，达到开合作用。手指前段可以夹持形状规则(与手指接触面为平面)的物体，后段为菱形形状（7），可以夹持圆形和不规则形状的物体。

如图2，该发明的手腕部结构具有一个摆动的自由度，摆动范围为0-90度，传动方式选择圆锥齿轮（11）传动，电机（12）置于机械臂内与腕部传动轴（16）垂直。另外小臂中间旋转关节也属于腕部自由度范畴，利用电机（12）带动连轴器（22），连轴器（22）再带动小臂前半段壳体（24）旋转。

如图3，该发明的机械手臂壳体采用铸铝加工而成，其中方形截面（如图4）为机械手大臂与小臂的壳体，圆形截面为小臂旋转机构的壳体。机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁；机械手表面还装有缓冲垫，当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时，可以起到缓冲作用，避免手臂冲击造成损坏。大臂外壳具有粘贴的橡胶垫，起缓冲垫作用。如图5，小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮（27）传动，电动机（28）置于大臂壳体内。

如图6，机械手与云台的连接利用键连接，这种结构配合适当的云台结构，便于拆卸，这样移动机器人可以在不同的应用场合在云台上搭载不同的设备来完成不同的任务。

如图7，机械手的整体结构采用三杆机械手结构。

Claims (6)

1.一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：具有5个自由度，主要包括手部（图1）、腕部（图3,4）和臂部（图7）三部分。

2.根据权利要求1所述的一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：所述的手部(末端执行器)的结构采用两指结构，传动机构采用滚珠丝杠（1）副与圆柱直齿轮（5），整个末端执行器体积小、质量轻；两手指相对于末端执行器在丝杠（1）的带动下做平移运动，达到开合作用；手指前段可以夹持形状规则(与手指接触面为平面)的物体，后段为菱形形状（7），可以夹持圆形和不规则形状的物体。

3.根据权利要求1所述的一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：所述的手腕部结构具有一个摆动的自由度，摆动范围为0-90度，传动方式选择圆锥齿轮（11）传动，电机（12）置于机械臂内与腕部传动轴（16）垂直，另外小臂中间旋转关节也属于腕部自由度范畴，利用电机（12）带动连轴器（22），连轴器（22）再带动小臂前半段壳体（24）旋转。

4.根据权利要求1所述的一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：所述的机械手臂壳体采用铸铝加工而成，其中方形截面为机械手大臂与小臂的壳体，圆形截面为小臂旋转机构的壳体；机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁；机械手表面还装有缓冲垫，当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时，可以起到缓冲作用，避免手臂冲击造成损坏；大臂外壳具有粘贴的橡胶垫，起缓冲垫作用，小臂与大臂的关节使用圆锥齿轮（27）传动，电动机（28）置于大臂壳体内。

5.根据权利要求1所述的一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：所述的机械手与云台的连接利用键连接，这种结构配合适当的云台结构，便于拆卸，这样移动机器人可以在不同的应用场合在云台上搭载不同的设备来完成不同的任务。

6.根据权利要求1所述的一种新型移动机器人操作机械手，其特征在于：所述的机械手的整体结构采用三杆机械手结构。