CN111604874A - 一种主从机械手的力反馈主手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主从机械手的力反馈主手，包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座、旋转平台、机械臂、手柄、第一连接关节和第二连接关节，其中，所述旋转平台可旋转地固定于所述固定底座上，所述旋转平台的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄通过所述第二连接关节实现连接。本发明通过旋转平台可使得手柄进行转动，且机械臂可带着手柄围绕所述第一连接关节转动，手柄可绕着第二连接关节进行旋转，使得手柄转动和移动的自由度较多，可通过整个力反馈主手反馈操作者的手部运动，给操作者提供临场操作的感觉。

Description

一种主从机械手的力反馈主手

技术领域

本发明涉及工业机器人遥操技术领域，具体涉及一种主从机械手的力反馈主手。

背景技术

传统的核工业上使用的主从机械手主要分为主手、穿墙部件和从手。操作人员在主手端操作，从手通过穿墙总成中的钢丝、钢带等传丝机构可实现与主手相同的运动和位移。现有技术中的主从机械手的力反馈主手的自由度较少，无法准确反馈操作者的手部运动，导致无法提供给操作者临场操作的感觉。

发明内容

为此，本发明提供一种主从机械手的力反馈主手，以解决现有技术中的现有技术中的主从机械手的力反馈主手的自由度较少，无法准确反馈操作者的手部运动，导致无法提供给操作者临场操作的感觉的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明，提供了一种主从机械手的力反馈主手，包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座、旋转平台、机械臂、手柄、第一连接关节和第二连接关节，其中，所述旋转平台可旋转地固定于所述固定底座上，所述旋转平台的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄通过所述第二连接关节实现连接。

进一步地，主从机械手的力反馈主手还包括第一电机和第一支架，所述第一支架和所述旋转平台均安装于所述固定底座上，所述第一电机安装在所述第一支架上，所述第一电机的输出齿轮与所述旋转平台啮合连接。

进一步地，所述旋转平台呈圆盘形，其在所述第一电机的驱动作用下，可绕着所述旋转平台的轴向旋转。

进一步地，所述第一连接关节设置于所述旋转平台上，并可随着所述旋转平台进行旋转。

进一步地，所述第一连接关节包括第一连接关节电机、主动齿轮、从动齿轮和连接轴，其中，所述主动齿轮设置于所述第一连接关节电机的输出轴上，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述从动齿轮安装于连接轴上，所述连接轴与所述机械臂连接，通过所述主动齿轮带动所述从动齿轮转动，从而带动所述连接轴和所述机械臂转动。

进一步地，所述机械臂包括大臂、小臂和第三连接关节，所述大臂的一端与所述连接轴连接，所述大臂的另一端和所述小臂通过所述第三连接关节连接。

进一步地，所述从动齿轮为扇形齿轮，所述扇形齿轮的夹角为130度。

进一步地，主从机械手的力反馈主手还包括第三连接关节电机和连杆，所述第三连接关节电机与所述连杆连接，所述连杆与所述第三连接关节连接。

进一步地，所述第三连接关节包括相互啮合的第一减速齿轮和第二减速齿轮，所述第一减速齿轮设置于所述连杆的末端；所述第二减速齿轮与所述小臂连接。

进一步地，所述小臂包括第一小臂和第二小臂，所述第一小臂的内部安装有小臂电机，所述小臂电机的输出端与所述第二小臂管固定，所述第一小臂和所述第二小臂通过第四连接关节连接。

本发明具有如下优点：

本发明通过旋转平台可使得手柄进行转动，且机械臂可带着手柄围绕所述第一连接关节转动，手柄可绕着第二连接关节进行旋转，使得手柄转动和移动的自由度较多，可通过整个力反馈主手反馈操作者的手部运动，给操作者提供临场操作的感觉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为根据一示范性实施例示出的一种主从机械手的力反馈主手的整体结构示意图；

图2为根据一示范性实施例示出的一种主从机械手的力反馈主手的另一视角的结构示意图；

图中：11、电机壳体；12、固定底座；13、外壳；14、大臂；15、第三连接关节；16、小臂；17、按钮盒；18、连杆；19、手柄；20、第二小臂；21、第一连接关节电机；22、主动齿轮；23、从动齿轮；24、连接轴；25、旋转平台；26、输出齿轮；27、第一电机；28、第一支架；29、第二连接关节；30、握把。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种主从机械手的力反馈主手，如图1和图2所示，包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座12、旋转平台25、机械臂、手柄19、第一连接关节和第二连接关节29，其中，所述旋转平台25可旋转地固定于所述固定底座12上，所述旋转平台25的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄19通过所述第二连接关节29实现连接。

本发明通过旋转平台25可使得手柄19进行转动，且机械臂可带着手柄19围绕所述第一连接关节转动，手柄19可绕着第二连接关节29进行旋转，使得手柄19转动和移动的自由度较多，可通过整个力反馈主手反馈操作者的手部运动，给操作者提供临场操作的感觉。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括第一电机27和第一支架28，所述第一支架28和所述旋转平台25均安装于所述固定底座12上，所述第一电机27安装在所述第一支架28上，所述第一电机27的输出齿轮26与所述旋转平台25啮合连接。所述旋转平台25呈圆盘形，其在所述第一电机27的驱动作用下，可绕着所述旋转平台25的轴向旋转。其中，旋转平台25可进行任意角度的转动，从而使得位于旋转平台25上的机械臂进行转动，其中，第一电机27的外侧设有电机壳体11，旋转平台25的外侧设有外壳13，分别对第一电机27和旋转平台25形成保护。

在一些可选实施例中，所述第一连接关节设置于所述旋转平台25上，并可随着所述旋转平台25进行旋转。所述第一连接关节包括第一连接关节电机21、主动齿轮22、从动齿轮23和连接轴24，其中，所述主动齿轮22设置于所述第一连接关节电机21的输出轴上，所述从动齿轮23与所述主动齿轮22啮合连接，所述从动齿轮22安装于连接轴24上，所述连接轴24与所述机械臂连接，通过所述主动齿轮22带动所述从动齿轮23转动，从而带动所述连接轴24和所述机械臂转动。所述机械臂包括大臂14、小臂16和第三连接关节15，所述大臂14的一端与所述连接轴24连接，所述大臂14的另一端和所述小臂16通过所述第三连接关节15连接，通过第三连接关节15可实现小臂16和大臂14之间的相对转动。所述从动齿轮22为扇形齿轮，所述扇形齿轮的夹角为130度。其中，第一连接关节是对称的结构，即第一连接关节电机21、主动齿轮22和从动齿轮23的数量均为两个，分别设置于连接轴24长度方向的两端，从而实现机械臂相对于固定底座12的转动。当操作员操作手柄19时，带动机械臂运动时，大臂14的上下运动会带动两个从动齿轮22旋转，扇形的从动齿轮22旋转带动第一连接关节电机21的输出轴的主动齿轮22转动。控制器通过采集两个连接轴24和两个第一连接关节电机21的编码器值(旋转角度值)，反推得到大臂14的姿态位置。同样，控制系统控制第一连接关节电机21的输出转矩(扭力)，力通过从动齿轮23、大臂14和小臂16传递到手柄19上，实现力的大小反馈调节。

所述扇形齿轮的夹角为130度是为了限制大臂14的运动行程，大臂14在规定的运动范围转动，不会与力反馈主手的外壳13、电机壳体11、固定底座12碰撞，其中扇形齿轮的齿合面上，首末两端的齿牙是缺失的，因此转动到2个极限位置时，从动齿轮23和主动齿轮22就不能继续齿合并转动了，从而实现机械限位的效果。

主从机械手的力反馈主手还包括第三连接关节电机和连杆，所述第三连接关节电机与所述连杆连接，所述连杆与所述第三连接关节15连接。所述第三连接关节15包括相互啮合的第一减速齿轮和第二减速齿轮，所述第一减速齿轮设置于所述连杆的末端；所述第二减速齿轮与所述小臂16连接，其中，第一减速齿轮和第二减速齿轮为一对直角减速齿轮，第三连接关节电机设置于大臂14的内部，连杆也位于大臂14的内部，并和第三连接关节电机连接，从而实现大臂14和小臂16之间的转动。操作员控制力反馈主手的手柄19时，会带动第三连接关节15转动，从而使得第二减速齿轮驱动第一减速齿轮齿轮，从而转动第三连接关节电机，使得采集信号的控制系统能够获取第三连接关节15的旋转角度。

所述小臂包括第一小臂和第二小臂20，所述第一小臂的内部安装有小臂电机，所述小臂电机的输出端与所述第二小臂20固定，所述第一小臂和所述第二小臂20通过第四连接关节连接，其中，第四连接关节中设有机械限位，使得第二小臂20能够相对第一小臂进行正负90度以内的旋转。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括按钮盒17，按钮盒17上配用控制力反馈主手的启动、停止、故障复位所用的按钮，按钮盒17的内部设有连杆电机，连杆电机的输出端与连杆18的一端连接，连杆18的另一端连接在第二连接关节29的转动轴上，第二连接关节29的旋转运动，在连杆18的带动下，会实时旋动连杆电机，手柄电机输出的扭矩和扭力，也通过连杆18实时作用在第二连接关节29上，其中，第二连接关节29上也设有机械限位结构，使得第二连接关节29在正负90度的范围内旋转。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括手柄电机，手柄电机安装在手柄的内部，与握把30垂直，手柄电机的输出端穿过第二小臂20的末端的圆孔，与握把30相互固定，此处的结构为第六连接关节，实现对握把30旋转角度的测量以及对握把30旋转阻力的控制，手柄19上还配有按钮，用于控制机械手的从手的旋转、锁定，夹钳夹持动作。

本发明实施例中共设置了六个关节，即第一电机控制的关节，第一连接关节电机21控制的关节、连杆电机控制的第二连接关节29、第三连接关节电机控制的第三连接关节、小臂电机控制的第四连接关节和手柄电机控制的第六连接关节，每个关节处均采用电机来实现转动，可实现六个自由度的调整和反馈，更加容易实现对操作员的力反馈。

每个关节都装有位置编码器或电位计。控制器根据主手中每个轴的实时位置，推算手柄19的空间坐标及状态，从而将变化量经过一体式操作台的系统运算，进一步控制动力箱的伺服电机旋转特定的角度，从而保持从手与主手姿态的一致。

此外，一体式操作台中的控制系统，通过对热室内机械从手实时操作的力的监测和计算，控制力反馈主手的关节电机进行转矩输出，电机堵转或是反向制动，抵抗手柄的运动趋势，从而提供操作者临场操作的感觉。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座、旋转平台、机械臂、手柄、第一连接关节和第二连接关节，其中，所述旋转平台可旋转地固定于所述固定底座上，所述旋转平台的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄通过所述第二连接关节实现连接。

2.根据权利要求1所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，还包括第一电机和第一支架，所述第一支架和所述旋转平台均安装于所述固定底座上，所述第一电机安装在所述第一支架上，所述第一电机的输出齿轮与所述旋转平台啮合连接。

3.根据权利要求2所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述旋转平台呈圆盘形，其在所述第一电机的驱动作用下，可绕着所述旋转平台的轴向旋转。

4.根据权利要求1所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述第一连接关节设置于所述旋转平台上，并可随着所述旋转平台进行旋转。

5.根据权利要求4所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述第一连接关节包括第一连接关节电机、主动齿轮、从动齿轮和连接轴，其中，所述主动齿轮设置于所述第一连接关节电机的输出轴上，所述从动齿轮与所述主动齿轮啮合连接，所述从动齿轮安装于连接轴上，所述连接轴与所述机械臂连接，通过所述主动齿轮带动所述从动齿轮转动，从而带动所述连接轴和所述机械臂转动。

6.根据权利要求5所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述机械臂包括大臂、小臂和第三连接关节，所述大臂的一端与所述连接轴连接，所述大臂的另一端和所述小臂通过所述第三连接关节连接。

7.根据权利要求5所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述从动齿轮为扇形齿轮，所述扇形齿轮的夹角为130度。

8.根据权利要求6所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，还包括第三连接关节电机和连杆，所述第三连接关节电机与所述连杆连接，所述连杆与所述第三连接关节连接。

9.根据权利要求8所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述第三连接关节包括相互啮合的第一减速齿轮和第二减速齿轮，所述第一减速齿轮设置于所述连杆的末端；所述第二减速齿轮与所述小臂连接。

10.根据权利要求6所述的一种主从机械手的力反馈主手，其特征在于，所述小臂包括第一小臂和第二小臂，所述第一小臂的内部安装有小臂电机，所述小臂电机的输出端与所述第二小臂管固定，所述第一小臂和所述第二小臂通过第四连接关节连接。

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