CN202684916U - 卡源事故应急机器人机械手臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于特种机器人技术领域，具体来说是一种卡源事故应急机器人机械手臂，包括底座与安装在底座上转台，还包括有大臂、小臂、旋转模块、夹取模块、抗辐射摄像头；所述大臂一端安装在转台上，大臂另一端与小臂一端连接，小臂另一端与旋转模块一端采用法兰连接，夹取模块与旋转模块另一端采用法兰连接，所述抗辐射摄像安装在夹取模块与旋转模块之间的法兰结构上。本实用新型的优点在于该手臂可在工作半径内实现任意位置、任意角度的小负载夹取作业，折叠后高度达到最大工作半径的约1/3大小，且质量和体积较同级别负载能力的机器人小，以使其更易实现狭小空间内的移动作业。

Description

卡源事故应急机器人机械手臂

技术领域

本实用新型属于特种机器人技术领域，具体来说是一种卡源事故应急机器人机械手臂。

背景技术

放射源卡源事故是指放射源在收回过程中被卡住，无法收回源包中，卡源事故的原因一般为由于机械故障卡在源导管中或放射源从头部掉出。卡源事故是探伤、食品消毒等民用核工业中的常见事故，其处理方式往往是通过穿防护服的救援人员进入事故现场手工排除故障，但由于钴-60等放射源的辐射性很强，不可避免的对人员的健康造成伤害。在这种危险环境中，为了减少人员伤亡，用机器人代替人进行事故处理是一个理想的解决方案。

探伤车间的特点是进出甬道狭窄，对机器人的重量、体积、作业灵活性、可移动性和抗辐射能力有很高的要求。

现有市场上的机械手臂多是针对工业用途，具有体积大、重量高、耗能大等缺点，且不耐辐射，因此只能在固定位置进行工作，不易移动和远程操控，不能在危险工况下工作。 

一些公司生产的抗辐射机器人多是针对大型反应堆事故（如瑞典Brokk公司的核工业机器人），体积庞大，动作欠灵活，虽然能承受强辐照环境，但无法在狭窄的空间运动和作业，使其使用受到很大的限制。如瑞典Brokk公司的核工业机器人，目前体积最小的型号为BROKK 50型，折叠后最小尺寸为1045mm×600mm×1950mm。

如申请号为200510027353.1，申请日为2005-6-30，名称为“一种红外遥感探测自动搜索机械手装置”的发明专利，其技术方案如下：包括一手臂支撑装置和带有手爪的机械手臂，在手臂支撑装置内设有通过马达带动机械手臂进行180度转动的手臂回转机构和通过马达带动手爪收拢和张开的手爪驱动机构，还包括一个由单片机构成的控制装置；手爪上装有红外传感器，红外传感器与单片机电连接。在手臂支撑装置上还设有行走轮，在手臂支撑装置中装有使行走轮活动的行走驱动机构，行走驱动机构由单片机控制。上述专利虽然可以在在高温、高压、低温、低压、粉尘、易燃、易爆、有毒和放射性等恶劣环境中替代人进行正常工作，但是由于其机械手臂的结构的限制，在瞬间负载力、耐辐射性、工作范围等方面都存在较大的不足。

发明内容

针对现有机械手臂存在的结构的限制，在瞬间负载力、耐辐射性、工作范围等方面都存在较大的不足的上述不足的问题，现在提出一种可在工作半径内实现任意位置、任意角度的小负载夹取作业，且各项技术指标均有大幅度提高的卡源事故应急机器人机械手臂。

为实现上述技术效果，具体的技术方案为：

卡源事故应急机器人机械手臂，包括底座与安装在底座上转台，其特征在于：还包括有大臂、小臂、旋转模块、夹取模块、抗辐射摄像头；所述大臂一端安装在转台上，大臂另一端与小臂一端连接，小臂另一端与旋转模块一端采用法兰连接，夹取模块与旋转模块另一端采用法兰连接，所述抗辐射摄像安装在夹取模块与旋转模块之间的法兰结构上。

所述的转台与底座连接处安装有电机和减速器，转台通过电机和减速器驱动其相对底座水平转动；所述大臂与转台连接处安装有电机和减速器，大臂通过电机和减速器驱动其相对转台竖直转动；所述小臂与大臂连接处安装有电机和减速器，小臂通过电机和减速器驱动其相对大臂竖直转动；所述旋转模块与小臂连接处安装有电机和减速器，旋转模块通过电机和减速器驱动其相对小臂竖直转动；所述旋转模块自身做轴向转动。

所述大臂外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间。

各模块连接所用的电机均为伺服电机，所述的电机均与减速器连接，所述的减速器均为谐波减速器。

所述的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金。

所述的旋转模块与小臂末端的法兰连接采用直角过渡，法兰与旋转模块的连接位置和夹取模块分别位于小臂的两侧。为了使所述的夹取模块离小臂末端的距离减小，从而增加末端夹取的灵活性。 

所述摄像头、伺服电机及其控制电路均采用抗辐射元器件。

本实用新型的优点在于：

1、该手臂可在工作半径内实现任意位置、任意角度的小负载夹取作业，折叠后高度达到最大工作半径的约1/3大小，且质量和体积较同级别负载能力的机器人小，以使其更易实现狭小空间内的移动作业。

2、该机械手臂具有耐辐照特性，可承受最大辐射剂量为1～10Sv/h。机械臂总质量为（7～30）Kg，额定负载能力为5～40N，瞬时最大负载能力为 40～200N，工作半径范围为0～2000mm，最小折叠体积为（350～600）mm×（250~500）mm×（200～400）mm。

3、该机械手臂有5个旋转自由度和1个夹取自由度，夹取自由度具体是指夹取模块本身的自由度，即夹取物体的动作。各自由度的运动可在程序控制下相互配合，实现工作半径内任意位置和任意角度的夹取作业。通过搭配移动式小车平台，可实现工作高度以下任意位置的灵活夹取作业。

4、为了使所述的夹取模块离小臂末端的距离减小，从而增加末端夹取的灵活性。旋转模块与小臂末端的法兰连接采用直角过渡，法兰与旋转模块的连接位置和夹取模块分别位于小臂的两侧。 

5、各模块连接所用的电机均为伺服电机，以保证机械臂的运动精度；所述的电机均与减速器连接，以保证机械臂的最小运动速度；所述的减速器均为谐波减速器，以减小驱动模块的质量和体积。

附图说明

图1为机械手臂的结构示意图。

图2为机械手臂折叠转台的结构示意图。

图3为机械手臂垂向运动范围图。

图4为机械手臂水平运动范围图。

图5为机械手臂的正视图。

图6为机械手臂的侧视图。

图7为机械手臂的俯视图。

附图中：底座1，转台2，大臂3，小臂4，旋转模块5，夹取模块6，夹具7，摄像头8，第一电机9，第一减速器10，第二电机11，第二减速器12，第三电机13，第三减速器14，第四电机15，第四减速器16，第一法兰17，第二法兰18。

具体实施方式

一种卡源事故应急机器人机械手臂，包括底座、转台、大臂、小臂、旋转模块、夹取模块、抗辐射摄像头。所述的底座可以安装在尺寸合适的移动式设备上（如移动小车）；所述的转台安装在底座上，并可相对底座水平转动，靠电机和减速器驱动；所述的大臂安装在转台上，并可相对转台竖直转动，靠电机和减速器驱动；所述的小臂安装在大臂上，并可相对大臂竖直转动，靠电机和减速器驱动；所述的旋转模块一端与小臂采用法兰连接，并可相对小臂竖直转动；所述的旋转模块自身可做轴向转动；所述的夹取模块与旋转模块的另一端采用法兰连接；所述的抗辐射摄像头安装在夹取模块与旋转模块之间的法兰结构上，以实时观察末端的夹取作业。

通过以上方案，该机械手臂有5个旋转自由度和1个夹取自由度，各自由度的运动可在程序控制下相互配合，实现工作半径内任意位置和任意角度的夹取作业。通过搭配移动式小车平台，可实现工作高度以下任意位置的灵活夹取作业。

采用多种手段保证其抗辐照性能，具体措施为：a. 关键部位增加铅制防辐射板；b. 控制电路采用集成度较低的元器件；c.尽量选用具有耐辐照特性的元器件；d. 关键部位采用冗余设计，以增加设备的可靠度。

大臂外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间，从而使机械手臂在折叠时体积更小、折叠高度更低，有利于机械手臂移动时通过狭小空间。

各模块连接所用的电机均为伺服电机，以保证机械臂的运动精度；所述的电机均与减速器连接，以保证机械臂的最小运动速度；所述的减速器均为谐波减速器，以减小驱动模块的质量和体积。

所述的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金，以减轻结构自重。

为了使所述的夹取模块离小臂末端的距离减小，从而增加末端夹取的灵活性，所述的旋转模块与小臂末端的法兰连接采用直角过渡，使法兰与旋转模块的连接位置和夹取模块分别位于小臂的两侧。

所述的夹取模块可换装不同的夹具：当机械臂进行拖拽管子作业或夹取较大物品时，由于需要夹持力较大，需要换装较短的夹具，以减小作用力臂，增加夹持力；当机械臂在狭小空间夹取放射源颗粒等细小物品时，应换装较长的夹具，以增加夹持动作的灵活性。

机械手臂中所用到的摄像头、伺服电机及其控制电路均采用抗辐射元器件，以保证机械手臂在辐射环境下的控制不受影响。

本发明对放射源卡源事故处理的方式如下：如果卡源部位为源导管中，则机械手臂的夹持模块换装较短的夹具，将管子夹住，利用机械手臂所搭载的移动底盘拖拽至指定地点，由另外的自动化切割设备将源导管卡源部位切开，再由机械手臂将含有放射源的源导管夹住并放入安全的存储容器中；如果放射源已经掉出源导管，则机械手臂的加持模块换装较长的夹具，直接将放射源夹住并放入安全的存储容器中；此外，所述的机械手臂还可以进行按动开关、清理小型障碍等请负载作业。

参阅图1、5、6、7，本发明的机械手臂，包括底座1；转台2通过水平方向的转动副安装在底座1上；大臂3通过竖直方向的转动副安装在转台2上；小臂4通过竖直方向的转动副安装在大臂3上；旋转模块5通过螺纹连接与第一法兰17相连；法兰17通过竖直方向的转动副与小臂4相连；第二法兰18的一端通过螺纹连接与旋转模块5固连；夹取模块6通过螺纹连接与第二法兰18的另一端固连；夹具7的两部分分别通过螺纹连接与夹取模块6的两个输出端固连；防辐射摄像头8通过螺纹连接与第二法兰18的上平面固连，并将镜头方向指向夹取模块末端；伺服电机9、11、13、15的输入端分别与谐波减速器10、12、14、16的输入端相连；其中与转台相连的为第一电机9和第一减速器10，与大臂相连的为第二电机11和第二减速器12，与小臂相连的是第三电机13和第三减速器14，与旋转模块相连的是第四电机15和第四减速器16。

谐波减速器10的外壳通过螺纹连接与转台2固连，输出轴通过键连接与底座1固连；谐波减速器12的外壳通过螺纹连接与转台2固连，输出轴通过键连接与大臂3的一端固连；谐波减速器14的外壳通过螺纹连接与小臂4的一端固连，输出轴通过键连接与大臂3的另一端固连；谐波减速器16的外壳通过螺栓连接与小臂的另一端固连，输出端通过键连接与第一法兰17固连；底座1、转台2、大臂3、小臂4、夹具7、第一法兰17、第二法兰18的材料均为高强度铝合金；大臂3、小臂4均采用箱形结构，其他结构件均采用薄壁结构，以减轻结构自重；旋转模块5和夹取模块6均可选用市场上的成熟产品。

采用上述结构，转台2可相对底座1水平回转，大臂3可相对转台2竖直转动，小臂4可绕大臂3竖直转动，旋转模块5可相对小臂4竖直转动，旋转模块5的输出端和输入端可相对轴向转动，从而带动夹取模块6做轴向转动，夹取模块6的两个输出端可相对平动，从而带动夹具7做夹取运动。以上各运动副使机械臂具有5个转动自由度和1个夹取自由度，通过程序控制使伺服电机9、11、13、15、旋转模块5、夹取模块6协调动作，从而实现机械臂在工作半径内任意位置和任意角度的作业。

参阅图2，大臂3的轮廓为向一侧凹的样条曲线，且曲线的凹陷处在折叠状态时可以避开底座1、转台2、伺服电机9和谐波减速器10的空间，以降低机械臂在折叠状态的最小高度。

底座1采用螺栓连接与另外的移动设备相连接，以实现机械臂的灵活移动。

机械手臂采用多种手段保证其抗辐照性能，具体措施为：a. 关键部位增加铅制防辐射板；b. 控制电路采用集成度较低的元器件；c.尽量选用具有耐辐照特性的元器件；d. 关键部位采用冗余设计，以增加设备的可靠度。

所述旋转模块为现有模块，比如SCHUNK公司的PRL系列产品。

所述夹取模块是现有产品，比如SCHUNK公司的EGN系列产品。

本发明不仅仅局限于以上实施例，在本发明保护范围内的任何修改，都认为落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.卡源事故应急机器人机械手臂，包括底座（1）与安装在底座（1）上转台（2），其特征在于：还包括有大臂（3）、小臂（4）、旋转模块（5）、夹取模块（6）、抗辐射摄像头（8）；所述大臂（3）一端安装在转台（2）上，大臂（3）另一端与小臂（4）一端连接，小臂（4）另一端与旋转模块（5）一端采用法兰连接，夹取模块（6）与旋转模块（5）另一端采用法兰连接，所述抗辐射摄像安装在夹取模块（6）与旋转模块（5）之间的法兰结构上。

2.根据权利要求1所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：所述的转台（2）与底座（1）连接处安装有电机和减速器，转台（2）通过电机和减速器驱动其相对底座（1）水平转动；所述大臂（3）与转台（2）连接处安装有电机和减速器，大臂（3）通过电机和减速器驱动其相对转台（2）竖直转动；所述小臂（4）与大臂（3）连接处安装有电机和减速器，小臂（4）通过电机和减速器驱动其相对大臂（3）竖直转动；所述旋转模块（5）与小臂（4）连接处安装有电机和减速器，旋转模块（5）通过电机和减速器驱动其相对小臂（4）竖直转动；所述旋转模块（5）自身做轴向转动。

3.根据权利要求2所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：所述大臂（3）外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座（1）与转台（2）的空间。

4.根据权利要求3所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：各模块连接所用的电机均为伺服电机，所述的电机均与减速器连接，所述的减速器均为谐波减速器。

5.根据权利要求4所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：所述的大臂（3）、小臂（4）、转台（2）、底座（1）及连接法兰均采用箱形结构或壁结构，材料均采用铝合金。

6.根据权利要求5所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：所述的旋转模块（5）与小臂（4）末端的法兰连接采用直角过渡，法兰与旋转模块（5）的连接位置和夹取模块（6）分别位于小臂（4）的两侧；

为了使所述的夹取模块（6）离小臂（4）末端的距离减小，从而增加末端夹取的灵活性。

7.根据权利要求6所述的卡源事故应急机器人机械手臂，其特征在于：所述摄像头（8）、伺服电机及其控制电路均采用抗辐射元器件。

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