CN110900558A - 一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统 - Google Patents

一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，包括：基座组件，用于对主端机器人系统进行支撑和固定作用；平行机构组件，包括多个连杆机构，各连杆结构中的连杆通过旋转轴相连，且相互连接的连杆之间可绕着旋转轴做相对运动；手持组件，设有操作者手持把手，通过与平行机构组件的配合，用于实现对主端操作手的位置和姿态调整。与现有技术相比，本发明具有结构简单、控制方便、成本低、可以提高远程操作安全性等优点。

Description

一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统。
背景技术
主从式遥操作机器人系统通常包括操作者、有操作者控制的主端机器人系统、执行具体任务的从端机器人系统以及主从机器人系统之间的通信系统三部分组成。操作者通过操作主端机器人系统实现对从端机器人系统进行远程控制，从端机器人系统将远端的任务执行信息通过通信系统反馈给操作者，反馈信息可以是触觉、力、视频、图像等信息，操作者通过这些反馈信息对远端从端机器人所处环境和任务执行情况进行综合判断，从而做出下一步动作判断。主从式遥操作机器人系统是人类智慧与机器人环境适应能力的有机结合，是人类与机器人实现人机交互的典型系统。当前，主从式遥操作机器人系统已经走出实验室进入实用化阶段，将在矿物开采、核材料和有害物质处理、废物处理、远程医疗、远程实验、太空探索、深海作业、军事等多个领域真正代替人类到达人类难以到达的危害地方工作。
主端机器人系统是主从式操作系统中重要组成部件，是人机交互的关键平台，其性能优劣直接影响远程遥操作任务执行效果。因此，主端机器人系统的可操控性、运动精度、力反馈精度、灵活性等性能指标直接影响到任务完成质量和远程操作的安全性。目前，用于主从远程遥操作的主操作手还存在如下问题：问题一，无法快速构建专门针对某一工作任务的主端机器人系统。当前，国内外绝大多数主从式遥操作机器人系统的主端机器人采用的是美国Sensable Technologies公司(现为3DSystems公司)开发的Phantom系列的主端操作设备，以及瑞士Force Dimension公司生产的Sigma、Omega、Delta系列的主端机器人。这类通用型主端机器人，在有些场合，如微创手术操作、深海作业等有着特殊要求的工况，无法满足定制化要求。又如，美国Intuitive Surgical公司的主从式手术机器人daVinci采用的是该公司专门为该款手术机器人而研制的主端手术机器人，但是该主端机器人并不对外公开销售。问题二，在实际的主从式远程遥操作中，从端机器人通常为碰到大刚度的操作对象。由于受到低惯量、小摩擦串联型机构的限制，当前业界流行的主端操作机器人无法给操作者提供高刚度的接触反馈力，从而影响操作者对远端环境的感知能力，容易造成操作状态的误判而引发系统安全性问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可定制设计、具有高刚度、大运动空间、结构简单、控制方便、成本低、可以提高远程操作安全性的适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，包括：
基座组件，用于对主端机器人系统进行支撑和固定作用；
平行机构组件，包括多个连杆机构，各连杆结构中的连杆通过旋转轴相连，且相互连接的连杆之间可绕着旋转轴做相对运动；
手持组件，设有操作者手持把手，通过与平行机构组件的配合，用于实现对主端操作手的位置和姿态调整。
优选地，所述的基座组件上设有与外部基台或其他悬臂机构的的固连装置，或者所述的基座组件的底板上设置螺纹孔或通孔，通过螺栓实现基座组件与外部基台或其他悬臂机构的固定连接。
优选地，所述的基座组件上设有主端机器人旋转关节驱动器及相应的动力传递装置。
优选地，所述的旋转关节驱动器为采用电动、气动或者液压驱动器，或者所述的旋转关节驱动器为采用气缸、液压缸、电动缸或直线电缸的直线输出动力装置，并通过动力变换机构实现对旋转关节或平移关节的驱动与控制。
优选地，所述的平行机构组件的连杆采用四边形连杆，且至少设有四个，用于实现主端机器人系统的多自由度运动功能。
优选地，所述的平行机构组件的驱动器采用旋转运动驱动器或者直线输出驱动器；
其中所述的旋转运动驱动器对旋转关节直接驱动从而实现对平行机构的运动控制，而所述的直线输出驱动器通过动力转换机构间接实现对平行机构的运动控制。
优选地，所述的旋转运动驱动器采用电动、气动或液压的驱动器；所述的直线输出驱动器采用气缸、液压缸、直线电机或直线电缸的驱动器。
优选地，所述的平行机构组件中的连杆长度可调。
优选地，所述的手持把手为细长型操作把手，并在把手上设有用于方便操作者对从端机器人进行控制的按钮；
所述的手持组件设有旋转机构和平移机构，其中所述的旋转机构用于实现对从端机器人末端的姿态调整，所述的平移机构用于实现从端机器人操作臂的前进后退操作；
所述的手持组件与所述的平行机构组件相配合，实现对从端机器人至少四个自由度的运动控制。
优选地，所述的基座组件、平行机构组件和手持组件三个组件中的关节驱动器均设有用于对操作者运动进行精确定位的速度或位置传感器，以及用于对操作者运动进行姿态调整的动力传递机构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的主端机器人系统结构紧凑，运动范围大，易于进行运动学和动力学计算，便于对从端机器人实现高精度位置控制和姿态控制；
2.本发明的主端机器人有别于钢丝绳驱动的传统主端机器人结构，采用强动力传递机构，可实现对从端机器人操作环境的高刚度感知。
3.本发明的主端机器人可实现模块化设计，方便与现有从端机器人系统进行整合，具备较强的系统兼容性。
附图说明
图1为本发明主端机器人系统示意图；
图2为本发明主端机器人系统工作状态示意图；
图3为本发明主端机器人手持组件动力传递机构示意图。
其中1为底板，2为底座支架，3/16/34为驱动器，4为底座竖板，5为支撑机构，6/10为动力传递部件，7/11/31为轴承支架，8/12/32为传感器，9/9.1/15.1/15.2/15.3/18.1/18.2/24.1为旋转轴，13/14/15/18/33为四边形连杆，17/35为联轴器，19为驱动器支架，20为轴承支座，21/27为丝杠，22/28为螺母，23/29为丝杆驱动连接件，30/40为轴承座，36为滑轨支座，37为U型滑动固定板，38为操作杆支座，39为传动机构，39.1/39.2为传动轮，41为平移支架，42为连接杆，43/46为滑块，44为把手固定块，45为操作把手，45.1为按钮，47为滑轨。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1所示，为本实施例主端机器人系统示意图。该实施例中的机器人共设有四个自由度，包括三个旋转自由度，一个平移自由度。在基座组件上设有驱动器3、安装在驱动器3输出轴的动力传递部件6和10，支撑机构5为驱动器3的支持机构。驱动器3可以是直流电机、步进电机、旋转气缸、旋转液压缸等动力部件。在旋转动力传递机构的末端设有位置或速度检测传感器12，该传感器可以是基于光电、磁栅、光栅等原理的位置或速度检测传感器。设置在驱动器3输出轴的动力动力传递部件6和10可以是同步带轮和同步带，亦可以是相互啮合的齿轮、或链轮和链等将驱动器3输出轴的旋转运动传递到旋转轴9的动力传递方式。
在基座组件中，设有底座支架2，该支架通过螺栓与底座竖板4相固联，底座支架2与底板1组合，将主端机器人与外部固定基座(本实施例中未显示)实现固联，对主端机器人机械臂起到支撑与固定作用。
驱动器3的输出轴通过动力传递部件6和10实现与第一关节的旋转轴9进行动力传递，旋转轴9上设有与动力传递部件6和10相配合的动力部件(示例中未予标明)，关节旋转轴9的两端分别设有轴承支架7和11，使得旋转轴9可以相对于底座竖板4进行相对运动，设置于旋转轴9上的其余机器人自由度绕着此轴做旋转运动。在旋转轴9的末端设有位置或速度检测传感器12，该传感器的功能类似于驱动器3末端位置检测传感器的功能(该传感器在实施例图中未标出)，本实施例中传感器12设置于旋转轴9的底部，也可以将该传感器12设置于该旋转轴9的顶部。
在旋转轴9的顶部设有通孔，通孔内穿有一旋转轴(实施例中未标明)，旋转轴上设有位置或速度检测传感器8，该传感器功能类似于传感器12。四边形连杆13的一端设有通孔，旋转轴9顶部的旋转轴(实施例中未标出)同时穿过该通孔。四边形连杆13的另一侧同样设有一通孔，通过旋转轴与安装在四边形连杆15一端通孔中的轴承孔相配合，使得四边形连杆13可绕着旋转轴15.1实现与四边形连杆15实现相对运动。类似于顶部通孔，在旋转轴9的下部同样设有通孔，通孔内穿有旋转轴9.1，旋转轴9.1与旋转轴15.1共同作用，将四边形连杆13与四边形连杆15实现动力传递。在四边形连杆14的另一端，设有通孔，并在四边形连杆15端部的通孔内设有轴承(该实施例中未标明)，轴承内穿有旋转轴18.1，该旋转轴同时穿过第二自由度驱动器支架19，驱动器支架19是一种U型机构，一侧装有轴承支座20，该轴承支座20通过螺栓与驱动器支架19实现固联，轴承支座20对丝杆21起到支撑作用，丝杠21的一端与联轴器17通过紧定螺钉(此实施例未标出)相固联，联轴器17的另一端与驱动器16通过紧定螺钉(此实施例未标出)相固联，在驱动器16的末端设有一高精度位置或速度检测传感器(实施例中未标出)，用于实现对驱动器16实现高精度位置/速度控制。在丝杆21的远端设有螺母22，螺母22通过丝杆21的旋转运动沿着丝杆21做平移运动，螺母22通过丝杆驱动连接件23与L型旋转件24实现固联，L型旋转件24内设有通孔并通过旋转轴24.1与滑轨支架25实现动力传递。当驱动器16运动时，L型旋转件24在丝杆螺母22和丝杆驱动连接件23的驱动力作用下，沿着丝杆21做平移运动，同时，由于受到旋转轴24.1的限制，L型旋转件24同时绕着旋转轴24.1做旋转运动，产生对旋转轴24.1的斜向拉力作用。
四边形连杆18的另一端设有通孔，并在通孔内装有轴承(本实施例未标出)，轴承孔内设有旋转轴18.2。类似于四边形连杆18，在四边形连杆15的另一端设有通孔，并在通孔内装有轴承(本实施例未标出)，轴承孔内设有旋转轴18.2，旋转轴18.2同时穿过滑轨支架，滑轨支架(本实施例不可见)通过螺栓与滑轨支座36实现固联。滑轨支座36上设有通孔(本实施例未标出)，该通过内穿有旋转轴18.2，通过旋转轴18.2与旋转轴15.3，将滑轨支座36与四边形连杆15与18实现动力传递，在驱动器34的作用下，通过丝杆27及其螺母作用下，滑轨支座36绕着旋转轴18.1和15.3做旋转运动。
图1和图3所示，在滑轨支座36上设有驱动器支架(本实施例未标明)和轴承座支架31，轴承座30通过螺栓与轴承支架31实现固联，类似于驱动器16所在动力传递机构组成，驱动器34末端亦设有高精度位置或速度检测传感器32，用于对驱动器16实现高精度位置或速度控制。在驱动器34的输出轴，通过联轴器(本实施例未标明)与丝杠27实现动力传递，丝杆27上设有驱动螺母28，驱动螺母28通过螺栓与丝杆驱动连接件29相固联，丝杆驱动连接件29同时通过螺栓与平移支架相固联，平移支架与U型滑动固定板37固联，在滑轨支座36底部设有滑轨47，滑轨47上设有滑块43，为了实现平稳滑动，亦可以设置多个滑块。在丝杠螺母28和丝杆驱动连接件29的共同作用下，U型滑动固定板37可沿着滑轨做平移运动。滑块43也通过螺栓与U型滑动固定板37实现固联，可以将平移支架43受到其他部件重力作用分布到滑块43上，实现机构的平稳运动。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，包括：
基座组件，用于对主端机器人系统进行支撑和固定作用；
平行机构组件，包括多个连杆机构，各连杆结构中的连杆通过旋转轴相连，且相互连接的连杆之间可绕着旋转轴做相对运动；
手持组件，设有操作者手持把手，通过与平行机构组件的配合，用于实现对主端操作手的位置和姿态调整。
2.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的基座组件上设有与外部基台或其他悬臂机构的的固连装置，或者所述的基座组件的底板上设置螺纹孔或通孔，通过螺栓实现基座组件与外部基台或其他悬臂机构的固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的基座组件上设有主端机器人旋转关节驱动器及相应的动力传递装置。
4.根据权利要求3所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的旋转关节驱动器为采用电动、气动或者液压驱动器，或者所述的旋转关节驱动器为采用气缸、液压缸、电动缸或直线电缸的直线输出动力装置，并通过动力变换机构实现对旋转关节或平移关节的驱动与控制。
5.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的平行机构组件的连杆采用四边形连杆，且至少设有四个，用于实现主端机器人系统的多自由度运动功能。
6.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的平行机构组件的驱动器采用旋转运动驱动器或者直线输出驱动器；
其中所述的旋转运动驱动器对旋转关节直接驱动从而实现对平行机构的运动控制，而所述的直线输出驱动器通过动力转换机构间接实现对平行机构的运动控制。
7.根据权利要求6所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的旋转运动驱动器采用电动、气动或液压的驱动器；所述的直线输出驱动器采用气缸、液压缸、直线电机或直线电缸的驱动器。
8.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的平行机构组件中的连杆长度可调。
9.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的手持把手为细长型操作把手，并在把手上设有用于方便操作者对从端机器人进行控制的按钮；
所述的手持组件设有旋转机构和平移机构，其中所述的旋转机构用于实现对从端机器人末端的姿态调整，所述的平移机构用于实现从端机器人操作臂的前进后退操作；
所述的手持组件与所述的平行机构组件相配合，实现对从端机器人至少四个自由度的运动控制。
10.根据权利要求1所述的一种适用于机器人主从式遥操作的主端机器人系统，其特征在于，所述的基座组件、平行机构组件和手持组件三个组件中的关节驱动器均设有用于对操作者运动进行精确定位的速度或位置传感器，以及用于对操作者运动进行姿态调整的动力传递机构。
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