CN1319703C - 具有重力补偿和长度可调的6自由度遥操作手臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以用于仿人型机器人遥操作作业的数据手臂机构。数据手臂机构是一个具有6个旋转关节的机械手臂，每个旋转关节都装有一个电位器作为角度传感器。该数据手臂具有重力补偿机构，可以在有操作者佩戴的情况下引导运动，也可以在不佩戴的情况下牵引它到达需要的状态，在任意位置暂停时不需要外力辅助。该数据手臂具有长度调节机构，可以适合不同臂长的人佩戴。本发明可以检测遥操作者的肩关节，肘关节和腕关节共6个自由度的转动角度。适用于遥操作机器人控制平台，可以佩戴在人的手臂上做运动提取。

Description

具有重力补偿和长度可调的6自由度遥操作手臂

技术领域：

本发明属于机器人领域，主要用于对机器人的手臂进行遥操作控制。它适用于遥操作机器人控制平台，可以佩戴在人的手臂上做运动提取，获得操作者的运动信息。

背景技术：

遥操作是机器人应用的一个重要技术，通过遥操作平台，操作人员可以监视和控制远方机器人完成各种作业任务，从而使机器人能够代替人类在一些无法触及的、甚至一些危及人类健康或生命安全的环境下完成各种任务。

在人类的各种操作作业中一般依靠手臂和手来完成复杂的操作任务。目前，对手臂的遥操作的常用方法是设计与机器人手臂同构的手臂机构，手臂机构旁置或者套装在操作者的手臂上。操作者佩戴手臂机构进行操作。系统提取手臂机构操作数据来控制机器人手臂进行动作完成遥操作作业。这样的手臂机构主要有以下的缺点：

1.由于手臂机构重力影响，给操作带来不便。在操作过程中操作者为了完成操作，需要对手臂施加外力以克服重力作用来维持其操作位置，不便于长时间操作；操作者撤去外力以后因为有重力的作用，手臂恢复到自然下垂的状态，不能保持操作位置，不便于进行连续操作。

2.手臂机构长度固定，难以适应不同操作者的不同手臂长度的需要。由于自然人的手臂长度不一样，机构长度固定的遥操作手臂机构佩戴到不同操作者的手臂上有可能尺寸不匹配，难以实现精确操作。

发明内容：

为了解决遥操作手臂机构的重力影响操作的问题和对不同操作者的适应性问题，使遥操作手臂方便操作和适应具有不同手臂长度的操作者，本发明提供了一种具有重力补偿和长度可调的6自由度的遥操作数据手臂机构。

本发明采用的技术方案是：本发明数据手臂机构是一个具有6个旋转关节的机械手臂，每个旋转关节都装有一个电位器作为角度传感器，该关节的旋转位置与电位器旋转角度一一对应。

数据手臂佩带在操作者的右臂上可以执行前、后、右三个方向的伸、缩、抬、放的运动，在伸、缩、抬、放的基础上，可以绕上臂中轴和小臂中轴转动；

为了让不同臂长的人都能佩戴这个手臂控制器，分别在大臂和小臂的臂管中央都设计了长度可调节装置，分别有5档可供选择的臂长。大臂长度从285mm到245mm可选择，每档相差10mm；小臂长度从240mm到200mm可选择，每档也相差10mm，可以适合身高范围约150cm——180cm的人佩戴。

在关节转动处利用了橡胶O形圈来增大摩擦，使得手臂在任意位置停留时不需要人或其它物件的支撑，不会而擅自滑动。

其主要技术方案为：图1是这个数据手臂的机械结构总图。手臂的六个自由度分别由2个转动副来实现。图中标号1是数据手臂的肩，与一个转动副2A连接。转动副2A可以实现肩关节的前后摆动。转动副3A与转动副2A相连接，用以实现肩关节的左右摆动。转动副2A和转动副3A的具体工作过程将在下文中介绍。换向器4A用于实现转动副3A与前臂的连接。

大臂绕臂轴的转动功能平移到肘部，由另一个转动副2B来实现。与它相连的转动副3B实现手臂肘部的屈曲功能。同样用换向器4B来实现肘关节与小臂的连接。小臂的转动由与小臂7连接的第三个转动副2C实现，而第三个转动副3C用于实现腕部的上下转动动作。

肘关节以上部分的中间节5A和大臂6一起构成可伸缩的大臂；肘关节以下部分中中间节5B和小臂7一起构成可伸缩的小臂。大臂6和小臂7具有相同的结构。根据人的不同臂长有不同的长度，大臂的伸缩原理如图2所示。

中间节5A两侧各有五个并列的螺钉孔，每个相距10mm。在它的正面中间也固定了一个内六方的螺钉用于定位。大臂6的卡口对着中间内六方螺钉的位置插入，在卡口的两侧各有一个通孔，可以按照不同的插入深度分别与中间节5A的某两个螺钉孔对应。如果要调整遥操作手臂大臂的臂长，就卸下两侧的螺钉，加长或者缩短中间节的插入深度，使卡口两侧的通孔对应另外一排螺钉孔。这样，大臂五档可供选择的臂长。小臂的结构与大臂相同，调解原理也相同。本发明中大臂长度从285mm到245mm可选择，每档相差10mm；小臂长度从240mm到200mm可选择，每档也相差10mm。根据人体形体结构规律，上肢：身高≈0.452；上臂+前臂：身高≈0.296。这个臂控制器可以适合身高范围约150cm——180cm的人佩戴。

图3是转动副2A的机械结构剖面图。图中电位器9的固定螺母11(见图5)将电位器和锁紧套筒12与连轴器10固定在一起。电位器的检测轴通过顶丝22固定在主轴13上，由于电位器检测轴不能承受太多重量和扭矩，所以在主轴外部相对转动处用滚动轴承23减少摩擦并承重。换向盘18一端与臂管相连，另一端靠螺母20固定在主轴13上。关节的转动角度通过换向盘18传递给主轴13，然后由主轴13传递给电位器检测轴，就完成了角度检测的任务。图中变轴座15为承接零件，负责与上一级传动臂相连。

橡胶O形圈16是用以增加固定端与转动端的摩擦力的一个装置。它也可以是摩擦片或者其它依靠压紧程度来调节摩擦力大小的装置。图3中的摩擦盘17是用来压紧橡胶O形圈16的，安装后可以从外部直接拧动。使用前当调节摩擦盘17在换向盘18上的螺纹行程，达到手臂可以停留在任意位置，但不会擅自滑动的程度为宜。

在转动副2A的固定部分和转动部分之间还设计了限位装置。如图4所示，在变轴座15上有两个定位螺钉19A，而在换向盘18上也有一个定位螺钉19B，这三个螺钉的分布半径相同，并且根据转角定位要求分布在不同位置。当换向盘18被螺母20压在主轴13上时，定位螺钉19B正好位于变轴座15上的两个定位螺钉之间。这样，当换向盘18转动到一定位置，它上面的定位螺钉与变轴座15上的一个向碰撞时，就达到一个位置极限，反向得到另外一个位置极限。

为了满足测量需要，在安装时需要将换向盘18的一个位置极限对准电位器检测轴的零转角位置，并且使它在转向另一个位置极限时电位器检测值逐渐增大。

工作时，当固定在臂管上的换向器4带动换向盘18转动，主轴13就会在螺母20和垫圈21的压紧力作用下同向转动。这个转动在顶丝22的作用下被传递给电位器检测轴从而检测出相应的转动角度。在限位装置的作用下，换向盘18只能在一定角度范围内转动，在一个位置到另一个位置的变化中不会出现多解的情况。

图5是转动副3A的机械结构剖面图。它的运动原理和转动副2A的原理相同，不同的是用封盖24取代了变轴座15，用连接盘25取代了换向盘18以方便与手臂的空心圆柱臂管的连接。工作时所不同的是由臂管带动连接盘25以驱动主轴并传递给电位器检测轴。

本发明的有益效果是：

1.重量较轻。根据本发明制造出来的数据手臂机构重量共计995克，它可以检测肩关节，肘关节和腕关节共六个方向的自由度。

2.适应性强。本发明可以适合不同臂长的人佩戴。各个关节的转动角度通过角度传感器检测可用于对机器人进行遥操作作业。

3.操作方便。该臂手控制器可以在有人佩戴的情况下引导运动，也可以在不佩戴的情况下牵引它到达需要的状态，在任意位置暂停时不需要外力辅助。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本发明数据手臂机构完整的外形图。

图2是本发明大臂和小臂的伸缩结构原理图。

图3是本发明数据手臂机构关节结构形式1的剖视图。

图4是本发明发明定位机构原理示意图。

图5是本发明数据手臂机构关节结构形式2的剖视图。

具体实施方式：

整个数据臂手控制器的工作过程如下：

1.在操作开始前，数据手臂机构的肩1将固定在操作平台上，并旋动各个旋转关节的摩擦盘17，将摩擦力调整到合适的程度。

2.根据操作者的臂长调节数据手臂机构的大臂和小臂的长度。

3.保持操作者右手臂的大臂正直，小臂平伸，手心向左平伸放置。大臂和小臂间夹角为90度。将操作者的肩置于数据手臂机构的肩1之下。数据手臂机构的大臂处于操作者大臂的右侧；而操作者的腕关节处于数据手臂机构腕关节之上。

4.用粘钩将操作者的肩，手臂，和手，手指分别与数据手臂机构的对应部位固定。

5.启动系统，即可开始工作。

Claims (1)

1、一种可以用于仿人型机器人手臂遥操作作业的数据手臂机构，其具有6个旋转关节的机械手臂，具有与仿人型机器人手臂相似的6自由度，每个旋转关节都装有一个电位器作为角度传感器，数据手臂机构长度可调，关节转动之间具有重力补偿：其特征在于：长度可调，即每段臂管都有五档可调节的长度，通过改变螺钉对应的螺纹孔可以调节臂长，适合不同臂长的人佩戴；重力补偿，即用调节橡胶O形圈的压紧程度来调节关节之间的摩擦力大小，从而实现手臂自重的重力补偿，使得数据手臂可以在有操作者佩戴的情况下引导运动，也可以在不佩戴的情况下牵引它到达需要的状态，在任意位置暂停时不需要外力辅助。

Images