CN211761552U - 一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，包括力反馈操作主手、UR3e机械臂、蓄电池、POM绝缘外壳；其中，反馈操作主手外接电源，蓄电池用于给UR3e机械臂的控制器供电，力反馈操作主手与UR3e机械臂通过无线通信模块连接，UR3e机械臂通过POM绝缘外壳封装。本实用新型通过合理的构建及连接构建由液压系统提供动力驱动多自由度机械臂运动的装置，该装置基于液压驱动，而液压驱动机械臂本体中仅有电磁阀和关节编码器，可以在与作业对象等电势情况下工作，无须再次进行绝缘设计，且与电机驱动机械臂相比较具有更大的功率密度，与电机驱动机械臂相比较，本实用新型具有较大的实际工程应用意义。

Description

一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，属于机器人运动控制领域。

背景技术

机械臂用于根据作业任务夹持作业工具进行带电作业。带电作业区域存在强电磁干扰，且作业时机械臂本体与作业线路等电势，电机驱动机械臂本体存在较多电气元件，必须在机械臂末端与作业对象之间再次进行10kV等级的绝缘。故需要考虑性能更为优良的控制系统，以便于投入实际工程应用。

发明内容

本实用新型提供了一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，以用于通过合理的构建及连接构建由液压系统提供动力驱动多自由度机械臂运动的装置。

本实用新型的技术方案是：一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，包括力反馈操作主手1、UR3e机械臂2、蓄电池、POM绝缘外壳；其中，反馈操作主手1外接电源，蓄电池用于给UR3e机械臂2的控制器供电，力反馈操作主手1与UR3e机械臂2通过无线通信模块连接，UR3e机械臂2通过POM绝缘外壳封装。

还包括BMC-PT100云台摄像机，BMC-PT100云台摄像机用于实时监控工作现场，通过摄像机将采集的工作画面经过高清图传显示在标准的HMI显示屏上。

所述力反馈操作主手1的控制器将采集的角度传感器信息通过无线模块传送给UR3e机械臂2的控制器；UR3e机械臂2的控制器采集力传感器信息发送给力反馈操作主手1的控制器，完成双向通信控制。

所述力反馈操作主手1具有串联的结构形式，自由度数为6，且每个旋转关节上均安装有角度传感器，其中前三个关节上安装有电机和减速机，力反馈值为10N；力反馈操作主手1的关节腰部回转角度G1为170°，其关节肩部俯仰角度G2为90°，关节肘部俯仰角度G3为90°，关节小臂扭转角度G4为170°，关节腕部俯仰角度G5为80°，关节腕部回转角度G6为160°。

所述UR3e机械臂2采用全串联结构形式，通过液压系统驱动，液压系统主要包括过滤器、伺服阀、液压油缸，其液压油缸包括腰部旋转油缸b1、肩部俯仰油缸b2、肘部俯仰油缸b3、小臂扭转油缸b4、腕部俯仰油缸b5、腕部旋转油缸b6、夹持器油缸b7，其伺服阀包括伺服阀c1、伺服阀c2、伺服阀c3、伺服阀c4、伺服阀c5、伺服阀c6、伺服阀c7；液压系统主要通过液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂2的运动状态，液压油通过过滤器进行杂质过滤，然后逐次流过伺服阀c1～c7，液压伺服阀的通断和开度来决定液压油的流向和流量，从而决定UR3e机械臂2运动的方向和速度，接下来，液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂2的运动状态；UR3e机械臂2具有6个自由度，分别为腰部回转a1、肩部俯仰a2、肘部俯仰a3、小臂扭转a4、腕部俯仰a5、腕部回转a6，与此同时，a1为180°、a2为100°、a3为95°、a4为180°、a5为85°、a6为360°；UR3e机械臂2上安装力传感器进行力信息采集。

所述UR3e机械臂2的工作压力为16MPa。

所述POM绝缘外壳仿照UR3e机械臂2结构设计的外壳完全与UR3e机械臂2进行重合。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过合理的构建及连接构建由液压系统提供动力驱动多自由度机械臂运动的装置，该装置基于液压驱动，而液压驱动机械臂本体中仅有电磁阀和关节编码器，可以在与作业对象等电势情况下工作，无须再次进行绝缘设计，且与电机驱动机械臂相比较具有更大的功率密度，与电机驱动机械臂相比较，本实用新型具有较大的实际工程应用意义。

附图说明

图1为力反馈操作主手结构图；

图2为UR3e机械臂拓扑结构图；

图3为UR3e机械臂转动示意图；

图4为UR3e机械臂转动原理图；

图5为控制器间的联系图；

图6为U12V380P/B蓄电池结构图；

图7为BMC-PT100云台摄像机示意图；

图中各标号为：1-力反馈操作主手，2-UR3e机械臂。

具体实施方式

实施例1：如图1-7所示，一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，包括力反馈操作主手1、UR3e机械臂2、蓄电池、POM绝缘外壳；其中，反馈操作主手1外接电源，蓄电池用于给UR3e机械臂2的控制器供电，力反馈操作主手1与UR3e机械臂2通过无线通信模块连接，UR3e机械臂2通过POM绝缘外壳封装。

进一步地，可以设置还包括BMC-PT100云台摄像机，BMC-PT100云台摄像机用于实时监控工作现场，通过摄像机将采集的工作画面经过高清图传显示在标准的HMI显示屏上。

进一步地，可以设置所述力反馈操作主手1的控制器将采集的角度传感器信息通过无线模块传送给UR3e机械臂2的控制器；UR3e机械臂2的控制器采集力传感器信息发送给力反馈操作主手1的控制器，完成双向通信控制。

进一步地，可以设置所述力反馈操作主手1具有串联的结构形式，自由度数为6，且每个旋转关节上均安装有角度传感器，其中前三个关节上安装有电机和减速机，力反馈值为10N；力反馈操作主手1的关节腰部回转角度G1为170°，其关节肩部俯仰角度G2为90°，关节肘部俯仰角度G3为90°，关节小臂扭转角度G4为170°，关节腕部俯仰角度G5为80°，关节腕部回转角度G6为160°。

进一步地，可以设置所述UR3e机械臂2采用全串联结构形式，通过液压系统驱动，液压系统主要包括过滤器、伺服阀、液压油缸，其液压油缸包括腰部旋转油缸b1、肩部俯仰油缸b2、肘部俯仰油缸b3、小臂扭转油缸b4、腕部俯仰油缸b5、腕部旋转油缸b6、夹持器油缸b7，其伺服阀包括伺服阀c1、伺服阀c2、伺服阀c3、伺服阀c4、伺服阀c5、伺服阀c6、伺服阀c7；液压系统主要通过液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂2的运动状态，液压油通过过滤器进行杂质过滤，然后逐次流过伺服阀c1～c7，液压伺服阀的通断和开度来决定液压油的流向和流量，从而决定UR3e机械臂2运动的方向和速度，接下来，液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂2的运动状态；UR3e机械臂2具有6个自由度，分别为腰部回转a1、肩部俯仰a2、肘部俯仰a3、小臂扭转a4、腕部俯仰a5、腕部回转a6，与此同时，a1为180°、a2为100°、a3为95°、a4为180°、a5为85°、a6为360°；UR3e机械臂2上安装力传感器进行力信息采集。

进一步地，可以设置所述UR3e机械臂2的工作压力为16MPa。

进一步地，可以设置所述POM绝缘外壳仿照UR3e机械臂2结构设计的外壳完全与UR3e机械臂2进行重合。

在本实用新型实际工作过程中，首先启动蓄电池进行供电。力反馈操作主手1有6个旋转关节，每个旋转关节均安装有角度传感器，并且前三个旋转关节分别装有电机和减速机，力反馈操作主手1具有串口的通讯方式，额定电压为DC24V，最大电流为5A，且其自身重量不超过4kg；当主手关节转动时，机械臂会按对应方向转动。操作手柄上安装有夹持器开关，按下开关夹持器闭合，再次按下夹持器松开。主手遥操作液压机械臂时，速度不要过快，避免发生误碰撞。操作时只需转动主手的关节即可实现机械臂对应的关节转动，完成机械臂的位姿变换与物体抓取等功能。

进一步地，可以设置所述UR3e机械臂2，包括由连杆结构件、编码器、液压系统、力传感器、夹持器组成。UR3e机械臂2的拓扑结构如图2所示，主手采用与从端机械臂完全相同的拓扑结构形式。转动示意图如图3所示，机械臂具有6+1个自由度，分别分为腰部回转a1、肩部俯仰a2、肘部俯仰a3、小臂扭转a4、腕部俯仰a5、腕部回转a6、夹持器开合，与此同时，a1为180°、a2为100°、a3为95°、a4为180°、a5为85°、a6为360°，开合100nm，这样使得末端夹持器可以实现以不同位姿抓取物体。UR3e机械臂2的液压系统主要包括过滤器gl、伺服阀、液压油缸等。本实用所提UR3e机械臂2中的液压系统jx1如图4所示，其液压油缸分别包括腰部旋转油缸b1、肩部俯仰油缸b2、肘部俯仰油缸b3、小臂扭转油缸b4、腕部俯仰油缸b5、腕部旋转油缸b6、夹持器油缸b7，其伺服阀分别包括伺服阀c1、伺服阀c2、伺服阀c3、伺服阀c4、伺服阀c5、伺服阀c6、伺服阀c7。液压系统主要通过液压油来驱动液压缸动作而改变机械臂的运动状态，液压油通过过滤器gl时，可过滤油中的杂质，然后逐次流过伺服阀c1～c7，液压伺服阀的通断和开度来决定液压油的流向和流量，从而决定机械臂运动的方向和速度，接下来，液压油来驱动液压缸动作而改变机械臂的运动状态。故液压站的压力大小的设置十分重要，目前UR3e机械臂2的工作压力为16MPa，工作压力过小，UR3e机械臂2控制时延时性加大，速度降低，工作压力过大，UR3e机械臂2会出现轻微抖动。过滤器可过滤液压油中杂质，过滤精度5μ；液压伺服阀的通断和开度来决定液压油的流向和流量，从而决定UR3e机械臂2运动的方向和速度。其中UR3e机械臂的控制器框图如图5所示，控制器供电电压为24V，操作人员操作力反馈操作主手1时，力反馈操作主手1的控制器将操作指令通过无线模块传送给UR3e机械臂2的控制器，机械臂控制器完成各个关节控制命令，并采集信息发送给主手控制器，完成双向通信控制。

进一步地，可以设置所述蓄电池为24V蓄电池供电。供电时，电池放电口分别与力反馈操作主手1和UR3e机械臂2的控制器电源接口相连，注意区分电池充电方向和放电方向，严禁反接。电池供电电压24V。当电池电量低于10％时，需要充电，充电大约需要5小时，充电器指示灯变绿后1小时即完成充电。蓄电池结构如图6所示，其中，220V为交流电，cha为充电器，Inv为逆变器，bat为电池组，SW1为开关，蓄电池通过开关的通断来实现充放电的功能。

进一步地，可以设置所述POM绝缘外壳采用POM绝缘防护材料。本实用中POM绝缘外壳仿照机械臂结构设计的外壳完全与UR3e机械臂2进行重合，进行二次绝缘防护。UR3e机械臂2出现外露的部分涂有绝缘防护漆，UR3e机械臂2采用屏蔽线防护，这样能进一步真正做到绝缘保护，大大减少高压事故的发生。

进一步地，可以设置所述BMC-PT100云台摄像机用于实时监控工作现场，BMC-PT100云台摄像机如图7所示，其中，BMC1为摄像机，BMC2为摄像机为HMI显示屏。BMC-PT100云台摄像机将采集的工作画面经过高清图传显示在标准的HMI显示屏上，使操作者可以通过显示屏进行遥操作，完全将操作人员从高空作业和强电磁场环境中解放出来。

本实用新型具有结构紧凑、负载大的特点，能够有效应用于电力系统中多种领域。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：包括力反馈操作主手(1)、UR3e机械臂(2)、蓄电池、POM绝缘外壳；其中，反馈操作主手(1)外接电源，蓄电池用于给UR3e机械臂(2)的控制器供电，力反馈操作主手(1)与UR3e机械臂(2)通过无线通信模块连接，UR3e机械臂(2)通过POM绝缘外壳封装。

2.根据权利要求1所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：还包括BMC-PT100云台摄像机，BMC-PT100云台摄像机用于实时监控工作现场，通过摄像机将采集的工作画面经过高清图传显示在标准的HMI显示屏上。

3.根据权利要求1或2所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：所述力反馈操作主手(1)的控制器将采集的角度传感器信息通过无线模块传送给UR3e机械臂(2)的控制器；UR3e机械臂(2)的控制器采集力传感器信息发送给力反馈操作主手(1)的控制器，完成双向通信控制。

4.根据权利要求1或2所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：所述力反馈操作主手(1)具有串联的结构形式，自由度数为6，且每个旋转关节上均安装有角度传感器，其中前三个关节上安装有电机和减速机，力反馈值为10N；力反馈操作主手(1)的关节腰部回转角度G1为170°，其关节肩部俯仰角度G2为90°，关节肘部俯仰角度G3为90°，关节小臂扭转角度G4为170°，关节腕部俯仰角度G5为80°，关节腕部回转角度G6为160°。

5.根据权利要求1或2所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：所述UR3e机械臂(2)采用全串联结构形式，通过液压系统驱动，液压系统主要包括过滤器、伺服阀、液压油缸，其液压油缸包括腰部旋转油缸b1、肩部俯仰油缸b2、肘部俯仰油缸b3、小臂扭转油缸b4、腕部俯仰油缸b5、腕部旋转油缸b6、夹持器油缸b7，其伺服阀包括伺服阀c1、伺服阀c2、伺服阀c3、伺服阀c4、伺服阀c5、伺服阀c6、伺服阀c7；液压系统主要通过液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂(2)的运动状态，液压油通过过滤器进行杂质过滤，然后逐次流过伺服阀c1～c7，液压伺服阀的通断和开度来决定液压油的流向和流量，从而决定UR3e机械臂(2)运动的方向和速度，接下来，液压油来驱动液压油缸动作而改变UR3e机械臂(2)的运动状态；UR3e机械臂(2)具有6个自由度，分别为腰部回转a1、肩部俯仰a2、肘部俯仰a3、小臂扭转a4、腕部俯仰a5、腕部回转a6，与此同时，a1为180°、a2为100°、a3为95°、a4为180°、a5为85°、a6为360°；UR3e机械臂(2)上安装力传感器进行力信息采集。

6.根据权利要求1或2所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：所述UR3e机械臂(2)的工作压力为16MPa。

7.根据权利要求1或2所述的基于液压机械臂和力反馈遥操作主手的系统，其特征在于：所述POM绝缘外壳仿照UR3e机械臂(2)结构设计的外壳完全与UR3e机械臂(2)进行重合。

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