CN202862219U - 电液伺服遥操纵三自由度并联机械手 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，属于机电领域。其结构是：力传感器安装在液压缸的出杆端部，检测操作者对手柄的输入力；位移传感器安装在液压缸缸筒上，测量液压缸的伸缩量；液压缸的缸筒分别固定在液压缸底座上，分别与力传感器和位移传感器构成作动器总成；三个作动器总成互成120°角，分别通过上万向节和下万向节与运动平台和固定平台连接；电液伺服阀安装在伺服阀集成块上，伺服阀集成块的进油口和泄油口通过液压油管与液压缸的进油口和出油口相连。优点在于：结构紧凑、刚度大，液压驱动、承载能力强、反馈信息充分、控制灵活精确、运行稳定、自重负荷小、动力性能好，更好地满足远距离操纵任务的需要。
Description
技术领域
本实用新型涉及机电领域，特别涉及一种电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，广泛应用于远程医疗、空间探索、海洋开发、原子能应用、军事战场、抢险救助等领域。
背景技术
在遥操纵系统中，机械手的结构和驱动方式对实现临场感和远程精确控制有重大意义。在机构结构上，串联式机械手动力传递路线较长，容易影响力控制的速度和反馈精度，特别是维数多时，影响更加明显。在驱动方式上，电动驱动承载能力小，大负载情况下力反馈信息不充分；气动式机械手气体压缩性大，位置控制准确性差，低速运动情况下响应速度慢，动态性能差。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，采用液压驱动的并联机构，克服上述电动串联和气动串联机械手的缺点，使操纵者能够充分准确地感知远端工作环境阻力和位置信息，具有俯仰、翻滚和上下平移3个自由度。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16分别安装在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的出杆端部，检测操作者对手柄的输入力；位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17分别安装在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18缸筒上，测量液压缸的伸缩量；液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的缸筒分别固定在液压缸底座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、11、19上，分别与力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16和位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17构成作动器总成；三个作动器总成互成120°角，分别通过上万向节15和下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、9、10与运动平台2和固定平台7连接；电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22安装在伺服阀集成块23上，伺服阀集成块23的进油口和泄油口通过液压油管与液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的进油口和出油口相连。
所述的运动平台2上设置操纵手柄1，对运动平台2的位置和姿态进行操作，并通过液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的伸缩变化来感知反馈力和位置空间信息。
所述的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手具有三个自由度，在工作前机械手能够自动回复到初始位置，即Z向运动平台2和固定平台7距离75mm；液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18同时伸长或缩短相同长度时，运动平台2在Z向做升降运动；液压缸Ⅰ、Ⅱ5、13同时伸长或缩短相同长度，且与液压缸Ⅲ18运动距离不同时，运动平台2绕Y向做俯仰运动；液压缸Ⅰ5的伸长量和液压缸Ⅲ18的缩短量相等，或者液压缸Ⅰ5的缩短量和液压缸Ⅲ18的伸长量相等，且液压缸Ⅱ13不运动时，运动平台2绕X向做翻滚运动。
所述的运动平台2的受力信息通过力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16转换成信号来控制远端装置工作，运动平台2的位置和姿态信息通过位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17转换成信号来控制远端装置工作；远端装置的工作环境和受力空间通过计算机控制系统35计算后控制电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22工作，将信息反馈到机械手，实现遥操纵控制。
本实用新型的有益效果在于：结构紧凑、刚度大，液压驱动、承载能力强、反馈信息充分、控制灵活精确、运行稳定、自重负荷小、动力性能好，更好地满足远距离操纵任务的需要。可以广泛应用于远程医疗、空间探索、海洋开发、原子能应用、军事战场、抢险救助等危险或有害的作业领域。并联机构动力传递路线短，自重负荷小、反馈信息充分、准确。能够解决机械手反馈力和位置信息耦合的缺点，使操作者更好的感知远端工作情况。具有三个自由度，可以满足飞行器、船舶、车辆等具有三自由度系统的控制要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为本实用新型的立体结构示意图；
图2为图1的Z向结构示意图；
图3为本实用新型的电液伺服集成块本体结构示意图；
图4为本实用新型的主视结构示意图；
图5为本实用新型的电液伺服集成块结构示意图；
图6为本实用新型的控制系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本实用新型的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手包括操纵手柄1、运动平台2、力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16、位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17、液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18、液压缸底座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、11、19、下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、9、10、固定平台7、上万向节15、电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22、伺服阀集成块23、液压泵24、油箱25、由手柄上的力传感器测出的操纵力信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ26、27、28、伺服放大器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ29、30、31、由手柄上的位移传感器测出的操纵手柄位置信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ32、33、34、计算机控制系统35、从端工作阻力信号36、从端驱动信号37、从端工作装置关节角度信号38、从端工作装置39及反馈信号40，其中，液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的出杆端部通过螺纹与力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16连接，用螺母紧固。位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17的拉杆通过螺纹螺母与液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的出杆端连接，其固定部位固定在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18缸体上。运动平台2和固定平台7同心布置。三个作动器（液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18、力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16、位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17和液压缸底座6、11、19的总成）通过螺纹与上万向节15和下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、9、10连接，且通过螺纹互成120°角地安装在运动平台2和固定平台7之间。
液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18同时伸长或缩短相同长度时，运动平台2在Z向做升降运动；液压缸Ⅰ、Ⅱ5、13同时伸长或缩短相同长度，且与液压缸Ⅲ18运动距离不同时，运动平台2绕Y向做俯仰运动；液压缸Ⅰ5的伸长量和液压缸Ⅲ18的缩短量相等，或者液压缸Ⅰ5的缩短量和液压缸Ⅲ18的伸长量相等，且液压缸Ⅱ13不运动时，运动平台2绕X向做翻滚运动。
参见图1、图2及图4所示，操纵手柄1通过螺纹螺母固定在运动平台2的中心，液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的出杆端部通过螺纹与力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16连接，用螺母紧固。位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17的拉杆通过连接件与液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的出杆连接，保证拉杆与液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18出杆位移变化一致，位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17固定部位固定在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18缸体上。液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18缸体焊接在液压缸底座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ6、11、19上。三个作动器通过螺纹与上万向节15和下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、9、10连接，实现三自由度灵活运动。上万向节15和下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ8、9、10通过螺纹互成120°角地分别安装在运动平台2和固定平台7上。
参见图3、图5及图6所示，电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22通过螺栓固定在伺服阀集成块23上，伺服阀集成块23中开有液压油双向油路，与电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22油口密封连接。电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22的a3、b3及c3为控制线路接口，与计算机控制系统35连接，控制电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22工作。伺服阀集成块23的供油油路与液压泵24连接，回油油路与油箱25连接。
参见图4及图5所示，液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的油口a1和a2、b1和b2、c1和c2分别通过液压油管与伺服阀集成块23上对应的油口a1和a2、b1和b2、c1和c2密封连接。
参见图1至图6所示，本实用新型的工作原理是：操作者对操纵手柄1施加操纵力，操纵手柄1带动运动平台2运动，力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3、14、16检测到操纵力产生力信号，位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ4、12、17检测到运动平台2的位置变化产生位移信号。由手柄上的力传感器测出的操纵力信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ26、27、28经伺服放大器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ29、30、31放大后与由手柄上的位移传感器测出的操纵手柄位置信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ32、33、34一同输入计算机控制系统35。从端工作装置39产生的从端工作阻力信号36和各运动关节产生的从端工作装置关节角度信号38同样输入到计算机控制系统35。操纵力信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ26、27、28和操纵手柄位置信号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ32、33、34与从端工作阻力信号36和从端工作装置关节角度信号38经过计算机控制系统35运算后，产生从端驱动信号37来驱动从端工作装置39；产生的反馈力信号40驱动并联机械手电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ20、21、22动作，进而改变三个液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ5、13、18的伸缩量。操纵手具有的三自由度位置和姿态运动能力，使操纵手能够充分再现远端的约束空间情况，使操作者更好地感受到远端工作环境，便于操作者完成工作任务。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，其特征在于：力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（3、14、16）分别安装在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）的出杆端部，检测操作者对手柄的输入力；位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、12、17）分别安装在液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）缸筒上，测量液压缸的伸缩量；液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）的缸筒分别固定在液压缸底座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（6、11、19）上，分别与力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（3、14、16）和位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、12、17）构成作动器总成；三个作动器总成互成120°角，分别通过上万向节（15）和下万向节Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（8、9、10）与运动平台（2）和固定平台（7）连接；电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、21、22）安装在伺服阀集成块（23）上，伺服阀集成块（23）的进油口和泄油口通过液压油管分别与液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）的进油口和出油口相连。
2.根据权利要求1所述的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，其特征在于：所述的运动平台（2）上设置操纵手柄（1），对运动平台（2）的位置和姿态进行操作，并通过液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）的伸缩变化来感知反馈力和位置空间信息。
3.根据权利要求1或2所述的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，其特征在于：所述的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手具有三个自由度，在工作前机械手能够自动回复到初始位置，即Z向运动平台（2）和固定平台（7）距离75mm；液压缸Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（5、13、18）同时伸长或缩短相同长度时，运动平台（2）在Z向做升降运动；液压缸Ⅰ、Ⅱ（5、13）同时伸长或缩短相同长度，且与液压缸Ⅲ（18）运动距离不同时，运动平台（2）绕Y向做俯仰运动；液压缸Ⅰ（5）的伸长量和液压缸Ⅲ（18）的缩短量相等，或者液压缸Ⅰ（5）的缩短量和液压缸Ⅲ（18）的伸长量相等，且液压缸Ⅱ（13）不运动时，运动平台（2）绕X向做翻滚运动。
4.根据权利要求1或2所述的电液伺服遥操纵三自由度并联机械手，其特征在于：所述的运动平台（2）的受力信息通过力传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（3、14、16）转换成信号来控制远端装置工作，运动平台（2）的位置和姿态信息通过位移传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、12、17）转换成信号来控制远端装置工作；远端装置的工作环境和受力空间通过计算机控制系统（35）计算后控制电液伺服阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（20、21、22）工作，将信息反馈到机械手，实现遥操纵控制。
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