CN1824469A - 冗余自由度电绝缘式机械手 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械手技术领域，特别涉及一种冗余自由度的电绝缘机械手。由腰部回转关节组件W，肩部回转关节组件S，大臂摆动关节组件L，大臂壳体04，肘部摆动关节组件U，小臂回转关节组件R，小臂基座构件06、小臂结构构件07、小臂壳体10，手腕摆动关节B和手腕回转关节组件T，以及机械手末端机械连接接口11构成。本发明可操控性好，具有冗余自由度，可操作空间大，具有灵活避障性能；作业效率高，电气绝缘安全性好；适用中等负载能力的工作场合，其重量较轻，收起后体积小，便于运输；末端接口标准化，可以搭接任何符合这一接口标准的工具，使工具扩展性好，适用于我国电力输配线路带电作业或其他不确定环境的作业。

Description

冗余自由度电绝缘式机械手

一、所属技术领域

本发明属于机械手技术领域，特别涉及一种冗余自由度的电绝缘机械手。

二、背景技术

目前，我国电力行业配电线路带电作业采用人工带电作业技术，即工人手持绝缘杆带电作业或工人站在绝缘斗臂车的绝缘斗内带电作业。

国外，尤其在日本已经研究开发了带电作业机械手适用于其本国输配电线路带电作业。

人工带电作业技术，工人劳动强度大，易于发生人身安全事故。直接采用6自由度工业机械手用于架空电力线路带电维修作业，由于其对某一作业点，其机械手姿态是唯一的，缺少冗余度，没有灵活避障能力；工业机械手手臂一般不设绝缘段，作业时易于发生相线碰臂造成短路等危险，作业安全不易保证；工业机械手质量重，体积大，也使整机移动平台有效载荷降低，上部平台体积过大，给作业时调整移动平台，避开障碍带来困难；因而作业效率也较低，不能很好满足实际生产的需要。

电力输配线路维修作业环境与工业机械手所作用的已知环境是截然不同的不确定环境，机械手要完成的作业是典型的不确定环境下的复杂作业。

我国尚没有合适的机械手产品用于架空电力输配线路带电作业。

三、发明内容

本发明的目的是，针对电力行业带电作业环境和人工带电作业现状以及直接采用工业机械手进行带电作业的不足，提供一种冗余自由度的，具有大的可操作空间，操作性强的，可灵活避障的，效率高的，具有电绝缘安全特性的，合适重容比的，中等负载能力的，适用于我国电力输配线路带电作业或其他不确定环境的作业的机械手。

本发明的基本构思是由腰部回转关节组件W，肩部回转关节组件S，大臂摆动关节组件L，大臂壳体04，肘部摆动关节组件U，小臂回转关节组件R，小臂基座构件06、小臂结构构件07、小臂壳体10，手腕摆动关节B和手腕回转关节组件T，以及机械手末端机械连接接口11构成。

机械手整体先按腰部回转关节组件W、肩部回转关节组件S、大臂摆动关节组件L、大臂壳体04、肘部摆动关节组件U、小臂回转关节组件R，小臂基座构件06的顺序，经由后部结构部件直接与上一关节组件内高刚性结构的减速器输出端连接，然后再顺序连接小臂结构构件07、小臂壳体10以及其内置的手腕摆动关节组件B和手腕回转关节组件T、机械手末端机械连接接口11，构成了具有7个冗余自由度的串联式关节机械手。

肩部回转关节组件S与腰部回转关节组件W的结构件以间距a布置，a距离满足肩部回转基座02经腰部驱动电机、一级齿轮减速、减速器输入端、减速器输出端驱动，可以绕腰部回转基座中心线转动，避开腰部构件和肩部构件之间的干涉的要求；大臂摆动关节组件L与腰部回转关节组件W偏置距离b，b距离满足大臂回转基座03，经由肩部驱动电机、一级齿轮减速、减速器输入端、减速器输出端驱动，绕肩部回转关节S回转中心线转动时，能避开与腰部结构件干涉的要求；大臂壳体04相对于机械手中心面侧向偏置，小臂回转关节组件R与肘部摆动关节组件U偏置距离c，c距离满足大臂摆动关节L与肘部摆动关节U留有空间的要求。

关节组件W、S、L、U、R均由其各自相对应的基座构件及相应的驱动电机，初级减速齿轮副，关节减速机输入端，关节减速机输出端构成；手腕摆动关节组件B和手腕回转关节组件T由内置在小臂结构构件07、小臂壳体10中的驱动及传动装置和其各自相对应的安装壳体部件构成。

机械手小臂壳体04以及手腕部两个关节的传动杆08、09，采用高强度绝缘材料制作，机械手小臂壳体04至小臂结构件07间的金属件外表面被覆耐高压绝缘材料。

大臂结构件内藏穿线管，使小臂至大臂摆动关节间的所有线缆收藏其中，其结构紧凑。

本发明可操控性好，具有冗余自由度，可操作空间大，具有灵活避障性能；作业效率高，电气绝缘安全性好；适用中等负载能力的工作场合，其重量较轻，收起后体积小，便于运输；末端接口标准化，可以搭接任何符合这一接口标准的工具，使工具扩展性好，适用于我国电力输配线路带电作业或其他不确定环境的作业。

四、附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为肘部、大臂、肩部、腰部结构的俯视图；

图3为小臂回转、小臂壳体、手腕传动组件、手腕壳体及机械连接口结构的放大俯视图；

图4是本机械手工作结束后收起状态图；

图5是大臂壳体穿线孔结构示意图。

附图标记：

在图1至图5中：

01腰部回转基座  02肩部回转基座  03大臂摆动基座  04大臂壳体  05肘部壳体  06小臂基座构件  07小臂结构构件  08绝缘传动轴部件  09绝缘传动轴部件10小臂壳体  11机械手末端机械连接接口

W腰部回转关节  S肩部回转关节  L大臂摆动关节  U肘部摆动关节  R小臂回转关节  B手腕摆动关节  T手腕回转关节

五、具体实施方式

结合附图详细叙述实施过程。

图1中，腰部回转关节W的基座01有定位安装法兰用来与机械手底座或基础呈水平或垂直状态螺栓连接安装。肩部回转关节S结构件与腰部回转关节W内的高刚性结构减速器输出端螺栓连接、大臂摆动关节L结构件与肩部回转关节S内的高刚性结构减速器输出端螺栓连接、大臂壳体04的一端与大臂摆动关节L内高刚性结构减速器输出端螺栓连接、另一端与肘部摆动关节U内驱动小臂摆动的高刚性结构减速器输出端螺栓连接、小臂基座构件06与小臂结构构件07螺栓连接成一体，并与肘部摆动关节U内驱动小臂回转的高刚性结构减速器输出端螺栓连接，这一部分构成小臂回转关节R、同时小臂结构构件07与小臂壳体10用螺栓连接成一体，内藏手腕摆动关节B、手腕回转关节T的驱动和安装结构，这样形成自腰部回转关节W至手腕关节B、T的顺序串联的关节机械手结构。机械手末端设有机械连接接口11，方便与夹钳和工具的安装连接。

图1中，腰部回转基座01的定位安装法兰与肩部回转基座02中心线安装距离a，能避开腰部构件和肩部构件之间的干涉；肩部回转基座02经腰部驱动电机、一级齿轮减速副、减速器输入端、减速器输出端驱动，可以绕腰部回转关节W中心线转动，范围最大为-180～+180度(不考虑线缆的影响)，即腰部回转关节W最大运动范围是-180～+180度，同时可以带动自肩部回转基座02及其以后至机械手末端所有关节部件同时运动；

大臂摆动基座03中心线与腰部回转基座02中心线偏置距离b，能避开大臂摆动关节组件L与腰部结构件的干涉；大臂摆动基座03，经由肩部驱动电机、一级齿轮减速副、减速器输入端、减速器输出端驱动，绕肩部回转关节S回转中心线转动，转动范围也可达-180～+180度(不考虑线缆的影响)，即肩部回转关节S最大运动范围是-180～+180度，同时可以带动自其以后至手腕末端所有关节部件同时运动；

这一偏置距离b与大臂壳体04侧面偏置安装结构同时可使大臂壳体04绕大臂摆动基座03中心线摆动，范围达到+180度～-45度，即大臂摆动关节L最大运动范围是+180度～-45度，同时使自大臂壳体04至手腕末端所有关节部件同时运动；

肘部壳体05结构分上下两部分，分别是用来安装肘部摆动关节U的传动件部件和小臂回转关节R传动件部件，这两个回转中心线呈90度布置，并且使小臂回转关节R中小臂基座构件06中心线与肘部摆动关节U中心线偏置距离c安装，同时图1中大臂壳体04相对大臂摆动基座03和肘部壳体05偏置安装，使大臂摆动关节L与肘部摆动关节U留有足够空间，使肘部壳体05带动小臂构件绕肘部摆动关节U中心线摆动范围达+145～-178度，即肘部摆动关节U最大运动范围是+145～-178度，同时使自肘部壳体05至手腕末端所有关节部件同时运动。

机械手肩部关节与腰部关节，大臂摆动关节对于肩部回转关节，小臂回转关节对于肘部摆动关节偏置，以及大臂结构件侧面偏置安装，可以扩大肩部回转范围、大臂摆动范围、以及小臂随肘部摆动的范围，这可以使机械手末端可达空间较大，并使可达操作空间内部空洞缩小，使机械手具有良好的操作灵活型。

小臂结构件07、10连接在一起带动手腕可绕肘部壳体05上部小臂回转关节R回转中心线回转+180～-180度，即小臂回转关节R最大运动范围是+180～-180度，同时使自小臂结构件07至手腕末端所有关节部件同时运动；

图1和图3中，手腕部两个运动关节，由装于构件07内的伺服电机经绝缘传动部件08、09和伞齿轮副、同步带、减速器输入端，减速器输出端，形成手腕摆动关节B和手腕回转关节T运动，手腕摆动关节B最大运动范围-135～+135度，手腕回转关节T最大运动范围-180～+180度。

机械手关节为冗余7自由度关节机械手，当需要对可达空间某点实施作业时，可以采取多个位姿来实现，由于其所取姿态非唯一性，可以有效避免作业路径上的障碍，如树木，金具等，顺利完成作业任务，满足机械手在不确定环境下灵活避障要求；

而且在主从操作模式下，机械手本身冗余特性方便操作者操控，对任何一项作业，位姿调整易于实现。

图3中小臂结构件10、手腕关节传动杆08、09均是由高强度绝缘材料制作，既是机械手的结构部件，也是机械手的绝缘部件。其除了能满足机械性能要求外，件08、09、10提供足够的有效电气绝缘距离。

图3中件11为机械手末端机械连接接口，其直接与末端减速机输出端连接，中间为圆形槽，侧面径向有4个定位螺丝孔，前面是开有径向均布的4个定宽度槽的挡边，可以使有符合这一标准连接形式的夹钳、工具等用一个手用紧定螺钉固定在机械手末端，实现夹钳与工具快速更换、连接安全可靠的要求。

图5中所示，大臂壳体04结构中设空心管Q结构，可使肘部摆动关节U、小臂回转关节R以及手腕关节B、T的线缆收藏其中，避免作业时挂碰外部物体发生事故。

此外，构件04、05、07外表面被覆耐高压绝缘材料，在作业过程中，尤其是机械手故障或意外动作时，避免机械手外表面搭接不同相线造成短路的隐患。

当机械手完成作业后，按图4状态收起，体积小，便于存放和运输。

本发明实施例中，机械手可抓取约20kg物体，具有中等负载能力，其本体重量约100kg左右，重容比达到5，远远小于相同负载能力工业机器人的重量。很好满足高空作业要求机械手重量轻的要求。

Claims (3)

1、冗余自由度电绝缘式机械手，其特征为由腰部回转关节组件[W]，肩部回转关节组件[S]，大臂摆动关节组件[L]，大臂壳体[04]，肘部摆动关节组件[U]，小臂回转关节组件[R]，小臂基座构件[06]、小臂结构构件[07]、小臂壳体[10]，手腕摆动关节[B]和手腕回转关节组件[T]，以及机械手末端机械连接接口[11]构成；先按腰部回转关节组件[W]、肩部回转关节组件[S]、大臂摆动关节组件[L]、大臂壳体[04]、肘部摆动关节组件[U]、小臂回转关节组件[R]，小臂基座构件[06]的顺序，经由后部结构部件直接与上一关节组件内高刚性结构的减速器输出端连接，然后再顺序连接小臂结构构件[07]、小臂壳体[10]以及其内置的手腕摆动关节组件[B]和手腕回转关节组件[T]、机械手末端机械连接接口[11]。

2、根据权利要求1所述的冗余自由度电绝缘式机械手，其特征为所述的肩部回转关节组件[S]与腰部回转关节组件[W]的结构件以间距a布置，a距离满足肩部回转基座[02]经腰部驱动电机、一级齿轮减速、减速器输入端、减速器输出端驱动，可以绕腰部回转基座中心线转动，避开腰部构件和肩部构件之间的干涉的要求；大臂摆动关节组件[L]与腰部回转关节组件[W]偏置距离b，b距离满足大臂回转基座[03]，经由肩部驱动电机、一级齿轮减速、减速器输入端、减速器输出端驱动，绕肩部回转关节[S]回转中心线转动时，能避开与腰部结构件干涉的要求；大臂壳体[04]相对于机械手中心面侧向偏置，小臂回转关节组件[R]与肘部摆动关节组件[U]偏置距离c，c距离满足大臂摆动关节[L]与肘部摆动关节[U]留有空间的要求。

3、根据权利要求1所述的冗余自由度电绝缘式机械手，其特征为所述的机械手小臂壳体[04]以及手腕部两个关节的传动杆[08]、[09]，采用高强度绝缘材料制作，机械手小臂壳体[04]至小臂结构件[07]间的金属件外表面被覆耐高压绝缘材料。

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