CN112091945A

CN112091945A - 核应急多功能作业机器人机械臂总成

Info

Publication number: CN112091945A
Application number: CN202010943537.7A
Authority: CN
Inventors: 唐德文; 王伟; 肖魏魏; 谭志强; 刘小双; 高吉慧; 唐海龙
Original assignee: Nanhua University
Current assignee: Nanhua University; University of South China
Priority date: 2020-09-09
Filing date: 2020-09-09
Publication date: 2020-12-18
Anticipated expiration: 2040-09-09
Also published as: CN112091945B

Abstract

核应急多功能作业机器人机械臂总成，包括安装座、机械臂及工具换接装置；安装座呈圆柱形，其侧壁面上设有用于安装机械臂的安装缺口，安装缺口的底部设有滑轨；机械臂包括臂A、转轴A、第一转动机构、臂B、转轴B、第二转动机构及末端连接机构；臂A在后端通过转轴A可转动的安装在安装座的安装缺口中；工具换接装置包括可相互对接或分离的公接头和母接头，公接头连接在连接座上，母接头用于连接末端工具。本发明应用于核应急多功能作业机器人。基于机械臂可折叠的结构，可满足核应急机器人对狭窄空间通行能力的需求；基于工具换接装置可快速对接及分离的结构，为核应急机器人在作业现场快速换装末端工具提供了支持。

Description

核应急多功能作业机器人机械臂总成

技术领域

本发明涉及核应急设备技术领域，特别是一种核应急多功能作业机器人机械臂总成。

背景技术

随着核电产业的快速发展，对核安全的要求也日益提高，对核电站应急响应机器人的研发需求也逐渐凸显。核电站应急机器人涉及的电气部件耐辐射性能、机器人系统耐辐射性能、系统可靠性及功能多样化都是应急机器人的设计重点和难点。

对核电站应急情况而言，在核辐射环境下发生的事故存在较大的辐射风险，尤其需要核应急机器人参与各项救援工作，核应急机器人可代替操作人员，针对核设施紧急情况采取措施(例如切割、焊接、钻孔作业)。由于核电站现场设施及周围环境条件复杂，从而对核应急机器人设计提出了诸多要求。

核应急机器人的设计难点如下：

1、受到现场入口及通道尺寸的限制，须考虑机器人的尺寸小型化及折叠性能，以便于安全通过狭窄空间；

2、为适应核电站内复杂的现场设施及周围环境需求，其应具有多工种快速切换作业的能力。

一直以来，研发人员都在致力于研发满足上述需求的核应急机器人系统，而核应急机器人中的机械臂总成结构是满足上述两点需求的关键所在。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，而提供一种核应急多功能作业机器人机械臂总成，它应用于核应急多功能作业机器人，可满足核应急机器人对尺寸小型化、折叠性能及多工种快速切换作业的要求。

本发明的技术方案是：核应急多功能作业机器人机械臂总成，包括安装座、机械臂及工具换接装置；

安装座呈圆柱形，其侧壁面上设有用于安装机械臂的安装缺口，安装缺口的底部设有滑轨；

机械臂包括臂A、转轴A、第一转动机构、臂B、转轴B、第二转动机构和末端连接机构；

臂A在后端通过转轴A可转动的安装在安装座的安装缺口中，臂A上设有条形槽，条形槽从臂A前端向臂A后端延伸；

第一转动机构包括滑块A、液压缸A及液压缸B；滑块A活动安装在安装缺口底部的滑轨内；液压缸A的缸体固定安装在安装座的安装缺口中，液压缸A的活塞杆与滑块A连接，液压缸A的活塞杆伸缩以驱动滑块A沿滑轨往复移动；液压缸B的缸体与滑块A铰接，液压缸B的活塞杆与臂A铰接，液压缸B的活塞杆伸缩以驱动臂A绕转轴A转动；

臂B在后端通过转轴B可转动的安装在臂A前端的条形槽内；

第二转动机构包括液压缸C和四连杆机构；四连杆机构包括两个菱形框架和一根连接杆，菱形框架包括一号杆、二号杆和三号杆，一号杆和二号杆的下端分别铰接在三号杆的两端，两个菱形框架对称布置在臂A前端的条形槽内，两个菱形框架的二号杆的上端分别铰接在转轴B的两端，两个菱形框架的一号杆的上端分别铰接在臂B的两侧，连接杆的两端分别与两个菱形框架的一号杆和三号杆的铰接处铰接；液压缸C的缸体与臂A铰接，并位于臂A的条形槽内，液压缸C的活塞杆与连接杆铰接，液压缸C的活塞杆伸缩以驱动臂B绕转轴B转动；

末端连接机构包括连接架和液压缸D；连接架上设有第一铰接部、第二铰接部和第三铰接部，连接架通过第一铰接部铰接在臂B前端；液压缸D的缸体铰接在臂B前端，液压缸D的活塞杆与连接架的第二铰接部铰接，液压缸D的活塞杆伸缩以驱动连接架绕第一铰接部转动，进而使连接架的第三铰接部做弧形轨迹运动；

工具换接装置包括可相互对接或分离的公接头和母接头，公接头活动连接在机械臂的臂B后端，母接头用于连接末端工具，末端工具为铲斗、液压剪或破拆锤。

本发明进一步的技术方案是：臂A后端设有弧形弯曲段，弧形弯曲段使臂A的前后两侧分别形成凸弧面和凹弧面，臂A的条形槽设在凸弧面所在的一侧表面上；臂B包括后段杆、前段杆和液压缸E，后段杆与前段杆分别位于臂B的后端和前端，两者相互活动套接，液压缸E的缸体安装在后段杆上，液压缸E的活塞杆安装在前段杆上，液压缸E的活塞杆伸缩以驱动臂B伸长或缩短。

本发明再进一步的技术方案是：公接头包括壳体A、电磁铁、卡片、卡片转轴及卡片控制机构；

壳体A内设有容纳腔A，壳体A上设有连通至容纳腔A的卡片安装孔，壳体A一端为母接头连接端，另一端为机械臂连接端，机械臂连接端上设有两块相对布置的连接耳，两个连接耳上分别设有第四铰接部和第五铰接部，两个连接耳的第四铰接部相互正对，两个连接耳的第五铰接部相互正对，壳体A通过第四铰接部铰接在臂B前端，并通过第五铰接部与连接架的第三铰接部铰接；电磁铁固定安装在母接头连接端上；卡片通过卡片转轴可转动的安装在壳体A的卡片安装孔中，其外侧表面朝向壳体A的外部，内侧表面朝向壳体A的容纳腔A；卡片控制机构设置在壳体A的容纳腔A内，并与卡片关联，以控制卡片绕卡片转轴转动，进而使卡片在伸出状态和缩回状态之间切换；

母接头包括壳体B和铁板；壳体B内设有容纳腔B，容纳腔B与壳体A的外形相适应，容纳腔B中设有供伸出状态的卡片嵌入的卡片定位坑，壳体B一端设有连通至容纳腔B的插入口，另一端设有用于连接末端工具的安装面；铁板固设在壳体B的容纳腔B的底部；

当公接头与母接头对接时，公接头的壳体A伸入母接头的容纳腔B中，公接头的卡片处于伸出状态并嵌入母接头的卡片定位坑中，公接头的电磁铁正对并接触母接头的铁板。

本发明再进一步的技术方案是：卡片控制机构包括支架、二折杆、齿轮轴C、转盘、传动杆、齿轮F、齿轮G及电机D；支架固定安装在壳体A的容纳腔A底部，其上设有滑道；二折杆包括相互铰接的第一节段和第二节段，第一节段可滑动的安装在支架的滑道内，第二节段与卡片的内侧表面铰接；齿轮轴C可转动的安装在支架上；转盘固定连接在齿轮轴C上，并位于支架的滑道上端，其上设有弧形的轨迹限定孔；传动杆一端固接在二折杆的第一节段上，另一端从转盘的轨迹限定孔中伸出；齿轮F固接在齿轮轴C上；齿轮G固接在电机D的机轴上；电机D固定安装在支架上，其动力通过齿轮G、齿轮F、齿轮轴、转盘及传动杆传递至二折杆的第一节段上，驱动二折杆的第一节段沿支架的滑道移动，进而通过第二节段推动卡片绕卡片转轴转动，使卡片在伸出状态和缩回状态之间切换。

本发明更进一步的技术方案是：壳体A呈四棱柱形，其从机械臂连接端至母接头连接端轴向截面尺寸逐渐缩减，所述卡片安装孔设在壳体A的四侧壁上；相应的，母接头的容纳腔B呈上大下小的四棱柱形，卡片的数量为四个。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、机械臂在后端与安装座连接，在前端通过工具换接装置与末端工具连接，其用于控制末端工具的空间位置。臂A由第一转动机构的液压缸B驱动转动，由于液压缸B的缸体位置是水平方向可移动的，进而能使臂A向上转动的极限角度更大。臂A后端设有弧形弯曲段，可使臂A向上转动至极限位置时，臂A前端高度更低，更靠近底座后端。臂A上设有可供臂B部分嵌入的条形槽，可使臂B向下转动的极限角度更大。臂B由第二转动机构的液压缸C驱动转动，液压缸C与臂B之间通过四连杆机构传动，由于加入了四连杆机构，可使臂B向下转动的极限角度更大。基于上述4点结构特征，使机械臂具有更优良的折叠性能，可满足核应急机器人对尺寸小型化的需求。

2、工具换接装置设在机械臂和末端工具之间，用于控制末端工具与机械臂快速连接或分离，为作业机器人多种作业功能的快速切换提供了结构支持。公、母接头对接时，控制公接头插入母接头的容纳腔B内，再控制公接头的卡片伸出及电磁铁通电，即完成公、母接头对接。公、母接头分离时，控制公接头的卡片缩回及电磁铁断电，即完成公、母接头的分离。对接和分离步骤简单快捷，精度要求低，为核应急机器人在作业现场快速换装末端工具提供了必要的结构支持。

3、当机械臂应用在核应急多功能作业机器人上时，因为臂A上存在弧形弯曲段的关系，使臂A的前端和后端互成一个钝角夹角，当臂A向上转动至极限角度时，可使臂A前端的高度更低，进而使机械臂的重心更低且更靠近作业机器人的中部区域。当作业机器人在机械臂保持折叠状态下进行行进时，稳定性会更好。

4、当机械臂应用在核应急多功能作业机器人上时，由于臂B具有可伸缩的功能，一方面可扩大作业机器人的作业范围，另一方面不会增大机械臂折叠后的体积。

以下结合图和实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为机械臂的结构示意图；

图3为机械臂中的第一转动机构和第二转动机构安装位置示意图；

图4为机械臂中的连接架的结构示意图；

图5为工具换接装置结构示意图；

图6为工具换接装置中的卡片控制机构的结构示意及安装位置示意图；

图7为工具换接装置中的卡片与卡片转轴的连接关系示意图；

图8为工具换接装置中的壳体A与电磁铁的连接关系示意图；

图9为安装座的结构示意图；

图10为本发明所应用的核应急多功能作业机器人通行于狭窄空间时的状态图；

图11为本发明所应用的核应急多功能作业机器人在换装末端工具时的状态图。

图例说明：安装座1；安装缺口11；滑轨111；臂A21；条形槽211；弧形弯曲段212；转轴A22；滑块A231；液压缸A232；液压缸B233；臂B24；后段杆241；前段杆242；液压缸E243；转轴B25；液压缸C261；菱形框架262；一号杆2621；二号杆2622；三号杆2623；连接杆263；连接架271；第一铰接部2711；第二铰接部2712；第三铰接部2713；液压缸D272；公接头31；壳体A311；容纳腔A3111；卡片安装孔3112；连接耳3113；第四铰接部31131；第五铰接部31132；电磁铁312；卡片313；卡片转轴314；支架3151；滑道31511；二折杆3152；第一节段31521；第二节段31522；齿轮轴C3153；转盘3154；传动杆3155；齿轮F3156；齿轮G3157；电机D3158；母接头32；壳体B321；容纳腔B3211；卡片定位坑32111；插入口3212；安装面3213；铁板322。

具体实施方式

实施例1：

如图1-9所示，核应急多功能作业机器人机械臂总成，包括安装座1、机械臂及工具换接装置。

安装座1呈圆柱形，其上设有用于安装机械臂的安装缺口11，安装缺口11的底部设有滑轨111。

机械臂包括臂A21、转轴A22、第一转动机构、臂B24、转轴B25、第二转动机构及末端连接机构。

臂A21在后端通过转轴A22可转动的安装在安装座1的安装缺口11中，臂A21上设有可供臂B24部分嵌入的条形槽211，条形槽211从臂A21前端向臂A21后端延伸。

第一转动机构包括滑块A231、液压缸A232及液压缸B233。滑块A231活动安装在安装缺口11底部的滑轨111内。液压缸A232的缸体固定安装在安装座1的安装缺口11中，液压缸A232的活塞杆与滑块A231连接，液压缸A232的活塞杆伸缩以驱动滑块A231沿滑轨111往复移动。液压缸B233的缸体与滑块A231铰接，液压缸B233的活塞杆与臂A21铰接，液压缸B233的活塞杆伸缩以驱动臂A21绕转轴A22转动。

臂B24在后端通过转轴B25可转动的安装在臂A21前端的条形槽211内，当臂B24向下转动至极限位置时，其可部分嵌入臂A21的条形槽211内。

第二转动机构包括液压缸C261和四连杆机构。四连杆机构包括两个菱形框架262和一根连接杆263，两个菱形框架262对称布置在臂A21前端的条形槽211内，菱形框架262包括一号杆2621、二号杆2622和三号杆2623，一号杆2621和二号杆2622的下端分别铰接在三号杆2623的两端，两个菱形框架262的二号杆2622的上端分别铰接在转轴B25的两端，两个菱形框架262的一号杆2621的上端分别铰接在臂B24的两侧。连接杆263的两端分别与两个菱形框架262的一号杆2621和三号杆2623的铰接处铰接。液压缸C261的缸体与臂A21铰接，并位于臂A21的条形槽211内，液压缸C261的活塞杆与连接杆263铰接，液压缸C261的活塞杆伸缩以驱动臂B24绕转轴B25转动。

末端连接机构包括连接架271和液压缸D272。连接架271上设有第一铰接部2711、第二铰接部2712和第三铰接部2713，连接架271通过第一铰接部2711铰接在臂B24前端。液压缸D272的缸体铰接在臂B24前端，液压缸D292的活塞杆与连接架271的第二铰接部2712铰接，液压缸D272的活塞杆伸缩以驱动连接架271绕第一铰接部2711转动，进而使连接架271的第三铰接部2713做弧形轨迹运动。

工具换接装置包括可相互对接或分离的公接头31和母接头32，公接头31活动连接在机械臂的臂B24后端，母接头32用于连接末端工具，末端工具为铲斗、液压剪或破拆锤。

公接头31包括壳体A311、电磁铁312、卡片313、卡片转轴314及卡片控制机构。壳体A311内设有容纳腔A3111，壳体A311上设有连通至容纳腔A3111的卡片安装孔3112，壳体A311一端为母接头连接端，另一端为机械臂连接端，机械臂连接端上设有两块相对布置的连接耳3113，两个连接耳3113上分别设有第四铰接部31131和第五铰接部31132，两个连接耳3113的第四铰接部31131相互正对，两个连接耳3113的第五铰接部31132相互正对，壳体A311通过第四铰接部31131铰接在臂B24前端，并通过第五铰接部31132与连接架271的第三铰接部2713铰接。电磁铁312固定安装在壳体A311的母接头连接端上。卡片313通过卡片转轴314可转动的安装在壳体A311的卡片安装孔3112中，其外侧表面朝向壳体A311的外部，内侧表面朝向壳体A311的容纳腔A3111。卡片控制机构设置在壳体A311的容纳腔A3111内，并与卡片313关联，以控制卡片313绕卡片转轴314转动，进而使卡片313在伸出状态和缩回状态之间切换，当卡片313在伸出状态时，其凸出于壳体A311在卡片安装孔3112周边的外表面，当卡片313在缩回状态时，其凹陷于(或齐平于)壳体A311在卡片安装孔3112周边的外表面。

卡片控制机构包括支架3151、二折杆3152、齿轮轴C3153、转盘3154、传动杆3155、齿轮F3156、齿轮G3157及电机D3158。支架3151固定安装在壳体A311的容纳腔A3111底部，其上设有滑道31511。二折杆3152包括相互铰接的第一节段31521和第二节段31522，第一节段31521可滑动的安装在支架3151的滑道31511内，第二节段31522与卡片313的内侧表面铰接。齿轮轴C3153可转动的安装在支架3151上。转盘3154固定连接在齿轮轴C3153上，并位于支架3151的滑道31511上端，其上设有呈弧形的轨迹限定孔31541。传动杆3155一端固接在二折杆3152的第一节段31521上，另一端从转盘3154的轨迹限定孔31541中伸出。齿轮F3156固接在齿轮轴C3153上。齿轮G3157固接在电机D3158的机轴上。电机D3158固定安装在支架3151上，其动力通过齿轮G3157、齿轮F3156、齿轮轴C3153、转盘3154及传动杆3155传递至二折杆3152的第一节段31521上，驱动二折杆3152的第一节段31521沿支架3151的滑道31511移动，进而通过二折杆3152的第二节段31522推动卡片313绕卡片转轴314转动，使卡片313在伸出状态和缩回状态之间切换。

母接头32包括壳体B321和铁板322。壳体B321内设有容纳腔B3211，容纳腔B3211与壳体A311的外形相适应，容纳腔B3211中设有供伸出状态的卡片313嵌入的卡片定位坑32111，壳体B321一端设有连通至容纳腔B3211的插入口3212，另一端设有用于连接末端工具(末端工具可以是铲斗、液压剪或破拆锤等工具)的安装面3213。铁板322固设在壳体B321的容纳腔B3211的底部。

当公接头31与母接头32对接时，公接头31的壳体A311伸入母接头32的容纳腔B3211中，公接头31的卡片313处于伸出状态并嵌入母接头32的卡片定位坑32111中，公接头31的电磁铁312正对并接触母接头32的铁板322。

优选，臂A21后端设有弧形弯曲段212，弧形弯曲段212使臂A21的前后两侧分别形成凸弧面和凹弧面，臂A21的条形槽211设在凸弧面所在的一侧表面上。当该结构应用在核应急多功能作业机器人上时，因为臂A21上存在弧形弯曲段212的关系，使臂A21的前端和后端互成一个钝角夹角，当臂A21向上转动至极限角度时，可使臂A21前端的高度更低，进而使机械臂的重心更低，并且更靠近作业机器人的中部区域。当作业机器人在机械臂保持折叠状态下行进时，稳定性会更好。

优选，臂B24包括后段杆241、前段杆242和液压缸E243，后段杆241与前段杆242分别位于臂B24的后端和前端，两者相互活动套接，液压缸E243的缸体安装在后段杆241上，液压缸E243的活塞杆安装在前段杆242上，液压缸E243的活塞杆伸缩以驱动臂B24伸长或缩短。当该结构应用在核应急多功能作业机器人上时，由于臂B24具有可伸缩的功能，一方面可扩大作业机器人的作业范围，另一方面不会增大机械臂折叠后的体积。

优选，壳体A311呈四棱柱形，其从机械臂连接端3113至母接头连接端3114轴向截面尺寸逐渐缩减，所述卡片安装孔3112设在壳体A311的四侧壁上。相应的，母接头32的容纳腔B2111呈上大下小(此处的“上”为靠近容纳腔B开口的一端，此处的“下”为远离容纳腔B开口的一端)的四棱柱形，卡片313的数量为四个。该结构可使公、母接头对接过程更方便，对接后连接更牢靠。

本发明应用于核应急多功能作业机器人。如图10所示，基于机械臂可折叠的结构，可满足核应急机器人对狭窄空间通行能力的需求，通过机械臂的折叠，使核应急多功能作业机器人的体积和高度得到有效缩减，有利于核应急多功能作业机器人通过核应急场景下的狭窄空间。如图11所示，基于工具换接装置可快速对接及分离的结构，为核应急机器人在作业现场快速换装末端工具提供了支持，进而有助于实现核应急多功能作业机器人在核应急场景下的多工种快速切换作业。

Claims

1.核应急多功能作业机器人机械臂总成，其特征是：包括安装座、机械臂及工具换接装置；

机械臂包括臂A、转轴A、第一转动机构、臂B、转轴B、第二转动机构及末端连接机构；

臂B在后端通过转轴B可转动的安装在臂A前端的条形槽内；

工具换接装置包括可相互对接或分离的公接头和母接头，公接头连接在连接座上，母接头用于连接末端工具。

2.如权利要求1所述的核应急多功能作业机器人机械臂总成，其特征是：臂A后端设有弧形弯曲段，弧形弯曲段使臂A的前后两侧分别形成凸弧面和凹弧面，臂A的条形槽设在凸弧面所在的一侧表面上；臂B包括后段杆、前段杆和液压缸E，后段杆与前段杆分别位于臂B的后端和前端，两者相互活动套接，液压缸E的缸体安装在后段杆上，液压缸E的活塞杆安装在前段杆上，液压缸E的活塞杆伸缩以驱动臂B伸长或缩短。

3.如权利要求2所述的核应急多功能作业机器人机械臂总成，其特征是：公接头包括壳体A、电磁铁、卡片、卡片转轴及卡片控制机构；壳体A内设有容纳腔A，壳体A上设有连通至容纳腔A的卡片安装孔，壳体A一端为机械臂连接端，另一端为母接头连接端，壳体A通过机械臂连接端固定连接在机械臂的连接座上；电磁铁固定安装在母接头连接端上；卡片通过卡片转轴可转动的安装在壳体A的卡片安装孔中，其外侧表面朝向壳体A的外部，内侧表面朝向壳体A的容纳腔A；卡片控制机构设置在壳体A的容纳腔A内，并与卡片关联，以控制卡片绕卡片转轴转动，进而使卡片在伸出状态和缩回状态之间切换；

4.如权利要求3所述的核应急多功能作业机器人机械臂总成，其特征是：卡片控制机构包括支架、二折杆、齿轮轴C、转盘、传动杆、齿轮F、齿轮G及电机D；支架固定安装在壳体A的容纳腔A底部，其上设有滑道；二折杆包括相互铰接的第一节段和第二节段，第一节段可滑动的安装在支架的滑道内，第二节段与卡片的内侧表面铰接；齿轮轴C可转动的安装在支架上；转盘固定连接在齿轮轴C上，并位于支架的滑道上端，其上设有弧形的轨迹限定孔；传动杆一端固接在二折杆的第一节段上，另一端从转盘的轨迹限定孔中伸出；齿轮F固接在齿轮轴C上；齿轮G固接在电机D的机轴上；电机D固定安装在支架上，其动力通过齿轮G、齿轮F、齿轮轴、转盘及传动杆传递至二折杆的第一节段上，驱动二折杆的第一节段沿支架的滑道移动，进而通过第二节段推动卡片绕卡片转轴转动，使卡片在伸出状态和缩回状态之间切换。

5.如权利要求4所述的核应急多功能作业机器人机械臂总成，其特征是：壳体A呈四棱柱形，其从机械臂连接端至母接头连接端轴向截面尺寸逐渐缩减，所述卡片安装孔设在壳体A的四侧壁上；相应的，母接头的容纳腔B呈上大下小的四棱柱形，卡片的数量为四个。