CN106313110A - 一种带电作业用辅助机械臂及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电作业用辅助机械臂及机器人，包括底座、大臂、前臂和手爪，在所述的底座上设有一个液压摆动油缸，液压摆动油缸驱动大臂在水平面内180度旋转，所述的大臂上铰接一个驱动其做俯仰运动的俯仰油缸I，所述的大臂的末端铰接与其垂直的前臂，所述的前臂在俯仰油缸II的驱动下做俯仰运动；在前臂的末端安装手爪。前臂采用绝缘材料玻璃钢能够进行直接带电作业，该辅助机械臂拥有可自由开合与抓紧的手爪。

Description

一种带电作业用辅助机械臂及机器人

技术领域

本发明涉及配网带电作业领域，具体的说，是一种涉及高压带电作业机器人的辅助机械臂，主要用于与主从式机械臂配合使用，完成配电带电作业中的更换横担、变压器等重载作业任务。

背景技术

为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁，带电作业机器人在配网带电作业中的应用将越来越广泛，并且作业项目将更全面、完全符合配电带电作业要求。

带电作业机器人经过多年的研究与实践，完成了实验室样机的研制，通过大量的现场试验，验证了机器人在配电网带电作业中的需求与价值，同时也验证了研究方案的可行性，设计的合理性。但由于现有机器人的主从式机械臂抓持重量有限，无法完成更换横担、变压器等重载作业任务。为使带电作业机器人能涵盖全部配电网带电作业项目，因此急需研制一款大持重/自重比的辅助机械臂，为机器人增加辅助大持重机械臂，从而完成更换横担、变压器等重载作业任务。

辅助机械臂研究一直也是机器人研究的热点之一，目前国际上通常的工业机器人载荷比在1：10以下。受绝缘斗臂车最大载荷的约束，要求顶部工作台整体重量不能过大，目前一般在500～600Kg。因此要求辅助机械臂应达到大于3:1的高载荷比，并且保证系统具有足够的刚度，以保证末端控制精度和稳定性。现有的辅助机械臂结构简单，不带有位置传感器，所以不能进行位置精确控制，且现有辅助机械臂末端无手爪无法完成抓持等复杂工作。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种带电作业用辅助机械臂。本发明所提供的辅助机械臂，前臂采用绝缘材料玻璃钢制成，该辅助机械臂拥有可自由开合与抓紧的手爪，可以代替人工完成作业频率较高的带电断线、带电接线等作业任务，减轻作业人员的劳动强度，使作业人员与高压电场完全隔离，最大限度的保证作业人员的安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种带电作业用辅助机械臂，包括底座、大臂、前臂和手爪，在所述的底座上设有一个液压摆动油缸，液压摆动油缸驱动大臂底座在水平面内180度旋转，所述的大臂底座与大臂相连，且大臂底座上铰接一个驱动大臂做俯仰运动的俯仰油缸I，所述的大臂的末端铰接与其垂直的前臂，所述的前臂在俯仰油缸II的驱动下做俯仰运动；在前臂的末端连接一个手爪。

进一步的，所述液压摆动油缸上端与大臂连接，本发明采用的摆动油缸能在水平面内0～180度范围内旋转，且具有较大的输出扭矩和承受大弯矩的能力；

进一步的，所述大臂底座一端与液压摆动油缸连接，另一端与大臂相连，且俯仰油缸I底座固定在大臂底座上；俯仰油缸I的活塞杆驱动大臂做俯仰运动。

进一步的，所述前臂由高强度绝缘玻璃钢制成，具有良好的绝缘性和耐腐蚀性，前臂的前端与手爪箱体连接；

进一步的，所述俯仰油缸I带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制大臂的俯仰运动。

进一步的，所述俯仰油缸II带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制前臂的俯仰运动。

进一步的，所述手爪为本发明液压小吊臂中最复杂的部件，它能通过手爪开合抓持重物，并可通过手爪旋转提升重物；其包括：两个开合手指，所述的开合手指安装在一个手抓座上，所述的手爪座在旋转马达的驱动下旋转，同时两个开合手指在开合油缸的驱动下实现开合。

进一步的，所述的旋转马达、开合油缸、俯仰油缸I、俯仰油缸II和液压摆动油缸由液压控制系统控制。

进一步的，所述的液压系统包括油箱，所述的油箱连接一个液压泵，液压泵与电磁换向阀相连，所述的电磁换向阀依次与并联的大臂回转伺服阀、大臂俯仰伺服阀、前臂俯仰伺服阀、手爪开合伺服阀、手爪旋转伺服阀相连；大臂回转伺服阀控制液压摆动气缸，大臂俯仰伺服阀控制俯仰油缸I、前臂俯仰伺服阀控制俯仰油缸II、手爪开合伺服阀控制开合油缸、手爪旋转伺服阀控制旋转马达。

一种机器人,包括前面所述的带电作业用辅助机械臂。

本发明的有益效果是：

1、本发明的辅助机械臂经实验验证，代替人的手臂完成10kV配电带电更换横担、变压器重载任务。

2、辅助机械臂的前端采用可自由开合及旋转的手爪结构，并且采用液压伺服系统闭环控制，因此该辅助机械臂具有操作灵活、具有定位精度高并可通过抓持带电作业工具完成复杂作业项目。

3、辅助机械臂的前臂采用绝缘性能良好的玻璃钢制成，能保证操作人员安全及防止相间短路。

4、辅助机械臂的持重/自重比较大，因此自身重量轻，抓持和起吊重量大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明带电作业用辅助机械臂的结构示意图；

图2a、图2b是本发明中大臂俯仰部分设计图；

图3是本发明中手爪部分结构示意图；

图4是本发明中液压系统原理图；

图5是本发明中总控系统原理图；

图6是本发明活塞杆受力面积图；

图7(1)、图7(2)、图7(3)、图7(4)是主操纵杆的示意图；

其中：1底座，2摆动油缸，3大臂底座，4大臂油缸，5大臂，6前臂油缸，7前臂，8手爪，9开合油缸，10旋转马达，11马达座，12手爪座，13手爪，14溢流阀，15液压泵，16换向阀，17手爪旋转伺服阀，18手爪开合伺服阀，19前臂俯仰伺服阀，20大臂俯仰伺服阀，21大臂回转伺服阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种带电作业用辅助机械臂，包括1底座，2摆动油缸，3大臂底座，4大臂油缸，5大臂，6前臂油缸，7前臂，8手爪。

摆动油缸2通过螺钉连接到底座1上，大臂底座3通过螺钉一端连接和摆动油缸2连接在一起，另一端连接和大臂5相连接，大臂油缸4通过螺钉一端连接到大臂底座3，另一端连接在大臂5上，前臂7通过螺钉和大臂5连接在一起，前臂油缸6通过螺钉一端连接在大臂5上，另一端连接在前臂7上，手爪8通过螺钉连接，连接在前臂7上。各自由度的驱动情况如下，整个辅助机械臂的回转依附于摆动油缸2动作实现；大臂俯仰依附于液压缸4动作实现；前臂俯仰依附于液压缸6动作实现；手腕回转依附于液压马达动作实现；手爪开合依附于开合油缸9的活塞杆动作实现。

如图2a、图2b所示，大臂俯仰关节设计

根据力矩平衡求如图2a、图2b所示两种极限情况的液压油缸推力F：

第一种情况(图2a)：

100×9.8×22250+50×9.8×1125IF×119＝0得

F＝23161N；

第二种情况图(2b)：

100×9.8×2783+50x9.8×1392IF×166＝0得

F＝20539；

因此大臂俯仰油缸最大推力23161F。

选用工程用HSG标准液压缸，连接方式：耳环带关节轴承连接。

其中：缸径

行程＝100；

安装距L4＝280+S＝380。

进一步的，大臂油缸4带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制大臂的俯仰运动。

进一步的，前臂油缸6带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制前臂的俯仰运动。

进一步的，液压摆动油缸上端与大臂连接，本发明采用的摆动油缸能在水平面内0～180度范围内旋转，且具有较大的输出扭矩和承受大弯矩的能力；

进一步的，大臂底座一端与液压摆动油缸连接，另一端与大臂和俯仰油缸I底座分别通过销轴铰接；俯仰油缸I的活塞杆驱动大臂做俯仰运动。

进一步的，前臂由高强度绝缘玻璃钢制成，具有良好的绝缘性和耐腐蚀性，前臂的前端与手爪箱体连接，俯仰油缸Ⅱ的活塞运动驱动前臂俯仰运动，活塞杆在液压油的压力下左右移动，来带动手爪完成抓取动作。

如图3所示，手爪包括开合油缸9，旋转马达10，马达座11，手爪座12，手爪13。开合油缸9通过螺钉连接到马达座11上，旋转马达10通过螺钉与马达座11连接在一起，手爪座12通过螺钉连接，连接在马达座11上，手爪13通过螺钉连接，和手爪座12连接在一起。

如图4所示，辅助机械臂液压系统，包括油箱，溢流阀14，液压泵15，换向阀16，手爪旋转伺服阀17，手爪开合伺服阀18，前臂俯仰伺服阀19，大臂俯仰伺服阀20，大臂回转伺服阀21。

油箱通过油路管与液压泵15相连，液压泵15与电磁换向阀16相连，所述的电磁换向阀16依次与并联的大臂回转伺服阀21、大臂俯仰伺服阀20、前臂俯仰伺服阀19、手爪开合伺服阀18、手爪旋转伺服阀17相连；大臂回转伺服阀21控制液压摆动气缸，大臂俯仰伺服阀19控制俯仰油缸I、前臂俯仰伺服阀19控制俯仰油缸II、手爪开合伺服阀18控制开合油缸、手爪旋转伺服阀17控制旋转马达。

液压系统具体工作流程如下所述，

液压油经过滤油器进入液压泵15，液压油从液压泵出来后进入换向阀16。同时液压泵出口处连接溢流阀14进行液压系统保护作用。换向阀16主要作用是对整个系统的液压流向反转。液压油从换向阀16出来后，同时进入手腕回转伺服阀17、手爪开合伺服阀18、小臂俯仰伺服阀19、大臂俯仰伺服阀20、大臂回转伺服阀21。手腕回转伺服阀17控制手腕回转马达顺时针转动，可以通过控制系统控制手腕回转伺服阀17实现手腕回转马达反转，加速、减速、匀速转动。手爪开合伺服阀18通过控制系统可以实现手爪开与合，开合的力度都可以实现控制。小臂俯仰伺服阀19通过控制系统可以实现小臂快速、慢速俯仰，根据实际工作需求来调整。大臂俯仰伺服阀通20过控制系统可以实现大臂快速、慢速。大臂回转伺服阀21通过控制系统可以实现大臂顺时针旋转，也可以实现逆时针旋转。

如图6所示，设置液压力大小为20MPa，活塞杆受力面积，则，受力面积为：

$\begin{array}{c}s=\mathrm{\π}\×R^2-\mathrm{\π}\×r^2\\ =\mathrm{\π}\×{(12.5\×{10}^{-3})}^2-\mathrm{\π}\×{(5\×{10}^{-3})}^2\\ =\mathrm{\π}\×131.25\×{10}^{-6}\left(m^2\right)\end{array}$

活塞杆所受力的大小为：

$\begin{array}{c}F=P\×s\\ =20\×{10}^6\×\mathrm{\π}\×131.25\×{10}^{-6}\\ =8242.5\left(N\right)\end{array}$

因手爪夹紧的物体为线缆和工具等，线缆为橡胶材质，工具上有螺纹槽，钢材与橡胶的摩擦系数为0.4～0.6，与螺纹槽接触摩擦系数更大，取摩擦系数为0.3。则，手爪抓取重物的质量大小为：

$M=\frac{0.3\×2601\×2}{9.8}=159\left(kg\right)>100\left(kg\right)$

液压系统操作系统压力1500PSI(连接2000～3000PSI的液压源后减压)，流量19L/min。由于系统宽度、速度较低，因此只进行静态计算。

(1)供油压力选择

与Kraft机械臂相同，选取Ps＝10MPa(1500PSI)

(2)伺服阀选择

选择与Kraft相同的射流管阀，对油液污染不敏感，各伺服阀型号相同。

前臂油缸流量计算：油缸最大行程400，实际300(由图测量305走完)则，

$V_{\max }=\frac{300\mathrm{mm}}{30s}=\frac{10\mathrm{mm}}{s}=0.\frac{01m}{s}$

伺服阀压力：

因此所选取伺服阀参数为：压力：6.3Mpa；流量1L/min。

各伺服阀取相同型号。

如图5所示，本系统的工作方法如下：

主操纵杆的模拟量数据输出作为控制指令输入给PLC控制器，PLC控制器控制各个伺服阀工作，各个伺服阀控制相应的油缸动作，气缸驱动大臂、前臂和手爪工作；同时大臂、前臂和手爪的运动位移通过高精度直线传感器反馈给PLC控制器，两路模拟量进入主控制器后经过姿态解析算法计算出伺服阀驱动数据，主控制器通过控制伺服阀的流量来控制液压执行器的动作位移，最终实现对机械臂的位置伺服控制。

如图7(1)、7(2)、7(3)、7(4)所示，主操纵杆有X、Y两个运动自由度，能同时进行X、Y方向的运动控制信号输出，数据信号为-10V～10V的模拟电压。操纵杆X自由度控制辅助机械臂的基座关节左右旋转；操纵杆Y自由度控制辅助机械臂大臂和前臂的两轴联动，从而确保机械臂末端的水平前后与垂直上下运动，具体运动形式由扳机开关S4控制。当扳机S4摁下时，Y自由度控制辅助机械臂末端作水平前后运动；当扳机S4松开时，Y自由度控制辅助机械臂末端作垂直上下运动。按钮S1还可以控制机械臂的单轴运动，当选择单轴运动时时，扳机开关S4摁下，则大臂作单轴旋转运动，S4不摁下是，前臂作单轴旋转运动。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种带电作业用辅助机械臂，其特征在于：包括底座、大臂、前臂和手爪，在所述的底座上设有一个液压摆动油缸，液压摆动油缸驱动大臂底座在水平面内180度旋转，所述的大臂底座与大臂相连，且大臂底座上铰接一个驱动大臂做俯仰运动的俯仰油缸I，所述的大臂的末端铰接与其垂直的前臂，所述的前臂在俯仰油缸II的驱动下做俯仰运动；在前臂的末端连接一个手爪。

2.如权利要求1所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述大臂底座一端与液压摆动油缸连接，另一端与大臂相连，且俯仰油缸I底座固定在大臂底座上；俯仰油缸I的活塞杆驱动大臂做俯仰运动。

3.如权利要求1所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述前臂由高强度绝缘玻璃钢制成。

4.如权利要求1所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述俯仰油缸I带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制大臂的俯仰运动。

5.如权利要求1所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述俯仰油缸II带有内置式磁致伸缩位移传感器，其通过伺服阀精确控制前臂的俯仰运动。

6.如权利要求1所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述手爪包括两个开合手指，所述的开合手指安装在一个手抓座上，所述的手爪座在旋转马达的驱动下旋转，同时两个开合手指在开合油缸的驱动下实现开合。

7.如权利要求6所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述的旋转马达、开合油缸、俯仰油缸I、俯仰油缸II和液压摆动油缸由液压控制系统控制。

8.如权利要求7所述的带电作业用辅助机械臂，其特征在于：所述的液压系统包括油箱，所述的油箱连接一个液压泵，液压泵与电磁换向阀相连，所述的电磁换向阀依次与并联的大臂回转伺服阀、大臂俯仰伺服阀、前臂俯仰伺服阀、手爪开合伺服阀、手爪旋转伺服阀相连；大臂回转伺服阀控制液压摆动气缸，大臂俯仰伺服阀控制俯仰油缸I、前臂俯仰伺服阀控制俯仰油缸II、手爪开合伺服阀控制开合油缸、手爪旋转伺服阀控制旋转马达。

9.一种机器人,其特征在于：包括权利要求1-8任一所述的带电作业用辅助机械臂。