CN220807413U - 一种远距离操作设备力反馈主端操作器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种远距离操作设备力反馈主端操作器，包括依次连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节。本发明所公开的操作器，没有传统机械臂的距离限制和人力驱动限制，人员可在安全操作间内，在具有力反馈的真实操作感观下，对机械臂的姿态进行快速置位和调节，轻松省力，安全可靠。

Description

一种远距离操作设备力反馈主端操作器

技术领域

本实用新型属于工业机器人远距离操作领域，特别涉及该领域中的一种远距离操作设备力反馈主端操作器，可用于动力机械手、机械式主从机械手、电随动机械手的力反馈操作。

背景技术

传统机械式主从机械手通过操作员纯机械进行控制，1:1施力操作，体力消耗大，人员疲劳后增加了操作的危险性，对操作员的体能、操作熟练度要求较高。远距离操作时，主手端的动作幅度非常大，操作员需大范围移动，不能保持窥视窗前的最佳观察位置，影响视野和观察力，降低了生产效率和安全性。

电随动主从机械手虽然能减轻操作员的劳动强度，但随着时间推移，窥视窗吸收累计剂量增加，铅玻璃发黄愈发严重，窥视窗整体的可视性严重降低，使得在没有视频监控或视频监控视角不足的情况下，部分作业只能进行“盲操”。

动力机械手的操作模式分为就地移动操作平台控制和无线遥控器操作两种，通过旋钮和按钮对任意电机进行独立控制，或对机械臂进行单关节摆动，或沿直角坐标系进行平直运动或绕轴旋转，但无法为操作员提供力觉临场感，难以避免因对深度、力度的感知差异而造成碰撞或过载。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种远距离操作设备力反馈主端操作器及其运行方法，可用于动力机械手、机械式主从机械手、电随动机械手的远距离力反馈操作。

本实用新型采用如下技术方案：

一种远距离操作设备力反馈主端操作器，其改进之处在于：包括依次连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；

所述的第一关节包括底座，一轴转盘通过轴承安装在底座顶部并能绕底座旋转，旋转角度由固定在底座上的一轴限位销限定，一轴电机固定在底座上，一轴电机的动力输出轴竖向设置并在其上安装一轴钢丝绳驱动轴，在一轴钢丝绳驱动轴上缠绕一轴钢丝绳，一轴钢丝绳的两端分别固定在一轴转盘上，并通过一轴涨紧弹簧涨紧；

所述的第二关节包括两块固定于一轴转盘上的第二关节支撑板，二轴空心轴通过轴承安装在第二关节支撑板上并能绕第二关节支撑板旋转，在二轴空心轴上固定安装大臂、二轴转盘和二轴被动平衡盘，二轴转盘随二轴空心轴的旋转角度由固定在第二关节支撑板上的二轴限位销限定，二轴电机固定在第二关节支撑板上，二轴电机的动力输出轴水平设置并在其上安装二轴钢丝绳驱动轴，在二轴钢丝绳驱动轴上缠绕二轴主动钢丝绳，二轴主动钢丝绳的两端分别固定在二轴转盘上，并通过二轴涨紧弹簧涨紧，二轴被动平衡盘通过二轴被动钢丝绳和二轴被动弹簧与一轴转盘连接；

所述的第三关节包括三轴中心轴和三轴输出轴，三轴中心轴通过轴承安装在二轴空心轴上并能绕二轴空心轴旋转，三轴输出轴通过轴承安装在大臂顶部并能绕大臂旋转，三轴中心轴通过三轴传动钢丝绳与三轴输出轴传动连接，在三轴中心轴上固定安装三轴转盘和三轴被动平衡盘，三轴电机固定在第二关节支撑板上，三轴电机的动力输出轴水平设置并在其上安装三轴钢丝绳驱动轴，在三轴钢丝绳驱动轴上缠绕三轴主动钢丝绳，三轴主动钢丝绳的两端分别固定在三轴转盘上，并通过三轴涨紧弹簧涨紧，三轴被动平衡盘通过三轴被动钢丝绳和三轴被动弹簧与一轴转盘连接，在三轴输出轴上固定安装小臂；

所述的第四关节包括按钮盒，在按钮盒上布置按钮和开关，按钮盒的前端通过轴承安装在小臂上并能绕小臂旋转，在按钮盒的后端上固定安装小臂自旋管，四轴电机和四轴减速器固定安装在小臂内，四轴电机的动力输出轴通过四轴减速器与按钮盒连接；

所述的第五关节包括五轴第一摆臂、五轴第二摆臂和五轴输出杆，五轴第一摆臂安装在按钮盒外并能绕按钮盒旋转，五轴第二摆臂和五轴输出杆分别安装在小臂自旋管前端的两侧，五轴第二摆臂能带动五轴输出杆绕小臂自旋管同步旋转，把手通过轴承安装在五轴输出杆上并能绕五轴输出杆旋转，五轴拉杆的一端与五轴第一摆臂铰接，另一端与五轴第二摆臂铰接，使小臂自旋管、五轴第一摆臂、五轴拉杆、五轴第二摆臂形成平行四边形连杆结构，五轴电机和五轴减速器固定安装在按钮盒内，五轴电机的动力输出轴通过五轴减速器与五轴第一摆臂连接；

所述的第六关节包括六轴电机和六轴减速器，六轴电机和六轴减速器固定安装在五轴输出杆内，六轴电机的动力输出轴通过六轴减速器与把手连接，夹钳电机和滚轮固定在把手内部，夹钳电机的动力输出轴与滚轮连接，在滚轮上缠绕钢丝绳，钢丝绳的一端伸出把手外与夹钳固定连接。

进一步的，在底座下面安装有整个操作器的控制系统，控制系统包括嵌入式控制系统、电机驱动器和电源模块。

进一步的，二轴转盘通过键连接与二轴空心轴固连。

进一步的，三轴转盘通过键连接与三轴中心轴固连。

进一步的，滚轮上缠绕的钢丝绳为带壳钢丝绳。

一种运行方法，适用于上述的远距离操作设备力反馈主端操作器，其改进之处在于：

对于第一关节，由一轴电机带动一轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动一轴钢丝绳运动，由于一轴钢丝绳的两端分别固定在一轴转盘上，使一轴钢丝绳能带动一轴转盘绕底座旋转，实现第一关节的活动；

对于第二关节，由二轴电机带动二轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动二轴主动钢丝绳运动，由于二轴主动钢丝绳的两端分别固定在二轴转盘上，使二轴主动钢丝绳能带动二轴转盘旋转，二轴转盘旋转带动大臂同步摆动，大臂摆动实现第二关节的活动；

对于第三关节，由三轴电机带动三轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动三轴主动钢丝绳运动，由于三轴主动钢丝绳的两端分别固定在三轴转盘上，使三轴主动钢丝绳能带动三轴转盘旋转，三轴转盘旋转带动三轴中心轴同步旋转，由于三轴中心轴通过三轴传动钢丝绳与三轴输出轴传动连接，使三轴中心轴能带动三轴输出轴同步旋转，进而带动小臂同步摆动，小臂摆动实现第三关节的活动；

对于第四关节，四轴电机通过四轴减速器带动按钮盒绕小臂旋转，按钮盒绕小臂旋转实现第四关节的活动；

对于第五关节，五轴电机通过五轴减速器带动五轴第一摆臂摆动，由于小臂自旋管、五轴第一摆臂、五轴拉杆和五轴第二摆臂形成了平行四边形连杆结构，五轴第一摆臂摆动时能通过五轴拉杆带动五轴第二摆臂同步摆动，进而带动五轴输出杆同步摆动，五轴输出杆摆动实现第五关节的活动；

对于第六关节，六轴电机通过六轴减速器带动把手旋转，把手旋转实现第六关节的活动；夹钳电机带动滚轮旋转，使滚轮上的钢丝绳拉动夹钳运动。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的操作器，没有传统机械臂的距离限制和人力驱动限制，人员可在安全操作间内，在具有力反馈的真实操作感观下，对机械臂的姿态进行快速置位和调节，轻松省力，安全可靠。

本实用新型所公开的运行方法，无需特殊培训，不必学习指令、编程，任何操作员都能像使用自己的双手一样操作机械臂进行主从随动作业，非常方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所公开操作器六个关节的自由度分布示意图；

图2是本实用新型实施例1所公开操作器的结构布局示意图；

图3是本实用新型实施例1所公开操作器中第一关节的结构示意图；

图4是本实用新型实施例1所公开操作器中第一关节的内部结构示意图；

图5是本实用新型实施例1所公开操作器中第二关节的结构示意图；

图6是本实用新型实施例1所公开操作器中第二关节的内部结构示意图；

图7是本实用新型实施例1所公开操作器中第三关节的结构示意图；

图8是本实用新型实施例1所公开操作器中第三关节的内部结构示意图；

图9是本实用新型实施例1所公开操作器第三关节中三轴中心轴与三轴输出轴的位置关系图；

图10是本实用新型实施例1所公开操作器第三关节中三轴中心轴与三轴输出轴的传动关系图；

图11是本实用新型实施例1所公开操作器第三关节与小臂的位置关系图；

图12是本实用新型实施例1所公开操作器中第四关节的结构示意图；

图13是本实用新型实施例1所公开操作器中第五关节的结构示意图；

图14是本实用新型实施例1所公开操作器中第六关节的结构示意图。

附图标记：1—第一关节，11—底座，12—一轴转盘，13—轴承，14—一轴限位销，15—一轴电机，16—一轴钢丝绳驱动轴，17—一轴钢丝绳，18—一轴涨紧弹簧；

2—第二关节，21—第二关节支撑板，22—二轴空心轴，23—轴承，24—大臂，25—二轴转盘，26—二轴被动平衡盘，27—二轴限位销，28—二轴电机，29—二轴钢丝绳驱动轴，210—二轴主动钢丝绳，211—二轴涨紧弹簧，212—二轴被动钢丝绳，213—二轴被动弹簧；

3—第三关节，31—三轴中心轴，32—轴承，33—三轴输出轴，34—三轴传动钢丝绳，35—三轴转盘，36—三轴被动平衡盘，37—三轴电机，38—三轴钢丝绳驱动轴，39—三轴主动钢丝绳，310—三轴涨紧弹簧，311—三轴被动钢丝绳，312—三轴被动弹簧；

4—第四关节，41—按钮盒，42—轴承，43—小臂，44—小臂自旋管，45—四轴电机，46—四轴减速器；

5—第五关节，51—五轴第一摆臂，52—五轴第二摆臂，53—五轴输出杆，54—五轴拉杆，55—五轴电机，56—五轴减速器；

6—第六关节，61—六轴电机，62—六轴减速器，63—把手，64—夹钳电机，65—滚轮，66—带壳钢丝绳，67—夹钳。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，本实施例公开了一种远距离操作设备力反馈主端操作器，如图1，2所示，包括依次连接的第一关节1、第二关节2、第三关节3、第四关节4、第五关节5和第六关节6；

如图3，4所示，所述的第一关节包括底座11，底座起到支撑整个操作器（机械臂）作用，在底座下面安装有整个操作器（机械臂）的控制系统，控制系统包括嵌入式控制系统、电机驱动器和电源模块等。

一轴转盘12通过轴承13安装在底座顶部并能绕底座11旋转，旋转角度由固定在底座上的一轴限位销14限定，一轴电机15固定在底座11上，一轴电机15的动力输出轴竖向设置并在其上安装一轴钢丝绳驱动轴16，在一轴钢丝绳驱动轴16上缠绕一轴钢丝绳17，一轴钢丝绳17的两端分别固定在一轴转盘上12，并通过一轴涨紧弹簧18涨紧；

如图5，6所示，所述的第二关节2包括两块固定于一轴转盘上的第二关节支撑板21，二轴空心轴22通过轴承23安装在第二关节支撑板21上并能绕第二关节支撑板旋转，在二轴空心轴22上固定安装大臂24、二轴转盘25和二轴被动平衡盘26，二轴转盘通过键连接与二轴空心轴固连，二轴转盘25随二轴空心轴22的旋转角度由固定在第二关节支撑板21上的二轴限位销27限定，二轴电机28固定在第二关节支撑板21上，二轴电机28的动力输出轴水平设置并在其上安装二轴钢丝绳驱动轴29，在二轴钢丝绳驱动轴上缠绕二轴主动钢丝绳210，二轴主动钢丝绳210的两端分别固定在二轴转盘25上，并通过二轴涨紧弹簧211涨紧，二轴被动平衡盘26通过二轴被动钢丝绳212和二轴被动弹簧213与一轴转盘12连接，起到被动平衡作用，以克服部分大臂自重；

如图7—11所示，所述的第三关节3包括三轴中心轴31和三轴输出轴33，三轴中心轴31通过轴承32安装在二轴空心轴22上并能绕二轴空心轴旋转，三轴输出轴33通过轴承安装在大臂24顶部并能绕大臂旋转，三轴中心轴31通过三轴传动钢丝绳34与三轴输出轴33传动连接，在三轴中心轴31上固定安装三轴转盘35和三轴被动平衡盘36，三轴转盘通过键连接与三轴中心轴固连，三轴电机37固定在第二关节支撑板21上，三轴电机37的动力输出轴水平设置并在其上安装三轴钢丝绳驱动轴38，在三轴钢丝绳驱动轴38上缠绕三轴主动钢丝绳39，三轴主动钢丝绳39的两端分别固定在三轴转盘35上，并通过三轴涨紧弹簧310涨紧，三轴被动平衡盘36通过三轴被动钢丝绳311和三轴被动弹簧312与一轴转盘12连接，起到被动平衡作用，以克服部分下述小臂的自重，在三轴输出轴33上固定安装小臂43；

如图12所示，所述的第四关节4包括按钮盒41，在按钮盒上布置有多个按钮和开关，用于接收用户的输入。按钮盒的前端通过轴承42安装在小臂43上并能绕小臂旋转，在按钮盒41的后端上固定安装小臂自旋管44，四轴电机45和四轴减速器46固定安装在小臂43内，四轴电机45的动力输出轴通过四轴减速器46与按钮盒41连接；

如图13所示，所述的第五关节5包括五轴第一摆臂51、五轴第二摆臂52和五轴输出杆53，五轴第一摆臂51安装在按钮盒41外并能绕按钮盒41旋转，五轴第二摆臂52和五轴输出杆53分别安装在小臂自旋管44前端的两侧，五轴第二摆臂52能带动五轴输出杆53绕小臂自旋管44同步旋转，把手通过轴承安装在五轴输出杆上并能绕五轴输出杆旋转，五轴拉杆54的一端与五轴第一摆臂51铰接，另一端与五轴第二摆52臂铰接，使小臂自旋管44、五轴第一摆臂51、五轴拉杆54、五轴第二摆臂52形成平行四边形连杆结构，五轴电机55和五轴减速器56固定安装在按钮盒41内，五轴电机55的动力输出轴通过五轴减速器56与五轴第一摆臂51连接；

如图14所示，所述的第六关节6包括六轴电机61和六轴减速器62，六轴电机和六轴减速器固定安装在五轴输出杆53内，六轴电机的动力输出轴通过六轴减速器与把手63连接，夹钳电机64和滚轮65固定在把手63内部，夹钳电机64的动力输出轴与滚轮65连接，在滚轮65上缠绕带壳钢丝绳66，带壳钢丝绳66的一端伸出把手外与夹钳67固定连接。

对于传统机械式主从机械手，动力箱安装在热室外侧的穿墙管上，通过旋转穿墙管的轴以及整个穿墙管芯体，实现对从手的控制。对于电随动主从机械手和动力机械手，操作员可将操作器固定摆放在安装支架上，通过观察显示器上的视频监控画面，在显控台前进行远距离操作。

本实施例还公开了一种运行方法，适用于上述的远距离操作设备力反馈主端操作器：

对于第一关节，由一轴电机带动一轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动一轴钢丝绳运动，由于一轴钢丝绳的两端分别固定在一轴转盘上，可将力通过丝传动的方式由一轴电机传递至一轴转盘，使一轴钢丝绳能带动一轴转盘绕底座旋转，实现第一关节的活动；

对于第二关节，由二轴电机带动二轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动二轴主动钢丝绳运动，由于二轴主动钢丝绳的两端分别固定在二轴转盘上，使二轴主动钢丝绳能带动二轴转盘旋转，二轴转盘旋转带动大臂同步摆动，将力通过丝传动的方式由二轴电机传递至大臂，大臂摆动实现第二关节的活动；

对于第三关节，通过两级丝传动实现力和运动传递，由三轴电机带动三轴钢丝绳驱动轴旋转，从而带动三轴主动钢丝绳运动，由于三轴主动钢丝绳的两端分别固定在三轴转盘上，使三轴主动钢丝绳能带动三轴转盘旋转，三轴转盘旋转带动三轴中心轴同步旋转，由于三轴中心轴通过三轴传动钢丝绳与三轴输出轴传动连接，使三轴中心轴能带动三轴输出轴同步旋转，进而带动小臂同步摆动，小臂摆动实现第三关节的活动；

对于第四关节，四轴电机通过四轴减速器带动按钮盒绕小臂旋转，按钮盒绕小臂旋转实现第四关节的活动；

对于第五关节，五轴电机通过五轴减速器带动五轴第一摆臂摆动，由于小臂自旋管、五轴第一摆臂、五轴拉杆和五轴第二摆臂形成了平行四边形连杆结构，五轴第一摆臂摆动时能通过五轴拉杆带动五轴第二摆臂同步摆动，进而带动五轴输出杆同步摆动，并精确控制五轴输出杆的摆动角度，五轴输出杆摆动实现第五关节的活动；

对于第六关节，六轴电机通过六轴减速器带动把手旋转，把手旋转实现第六关节的活动；夹钳电机带动滚轮旋转，使滚轮上的钢丝绳拉动夹钳运动。

Claims (5)

1.一种远距离操作设备力反馈主端操作器，其特征在于：包括依次连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和第六关节；

所述的第一关节包括底座，一轴转盘通过轴承安装在底座顶部并能绕底座旋转，旋转角度由固定在底座上的一轴限位销限定，一轴电机固定在底座上，一轴电机的动力输出轴竖向设置并在其上安装一轴钢丝绳驱动轴，在一轴钢丝绳驱动轴上缠绕一轴钢丝绳，一轴钢丝绳的两端分别固定在一轴转盘上，并通过一轴涨紧弹簧涨紧；

所述的第二关节包括两块固定于一轴转盘上的第二关节支撑板，二轴空心轴通过轴承安装在第二关节支撑板上并能绕第二关节支撑板旋转，在二轴空心轴上固定安装大臂、二轴转盘和二轴被动平衡盘，二轴转盘随二轴空心轴的旋转角度由固定在第二关节支撑板上的二轴限位销限定，二轴电机固定在第二关节支撑板上，二轴电机的动力输出轴水平设置并在其上安装二轴钢丝绳驱动轴，在二轴钢丝绳驱动轴上缠绕二轴主动钢丝绳，二轴主动钢丝绳的两端分别固定在二轴转盘上，并通过二轴涨紧弹簧涨紧，二轴被动平衡盘通过二轴被动钢丝绳和二轴被动弹簧与一轴转盘连接；

所述的第三关节包括三轴中心轴和三轴输出轴，三轴中心轴通过轴承安装在二轴空心轴上并能绕二轴空心轴旋转，三轴输出轴通过轴承安装在大臂顶部并能绕大臂旋转，三轴中心轴通过三轴传动钢丝绳与三轴输出轴传动连接，在三轴中心轴上固定安装三轴转盘和三轴被动平衡盘，三轴电机固定在第二关节支撑板上，三轴电机的动力输出轴水平设置并在其上安装三轴钢丝绳驱动轴，在三轴钢丝绳驱动轴上缠绕三轴主动钢丝绳，三轴主动钢丝绳的两端分别固定在三轴转盘上，并通过三轴涨紧弹簧涨紧，三轴被动平衡盘通过三轴被动钢丝绳和三轴被动弹簧与一轴转盘连接，在三轴输出轴上固定安装小臂；

所述的第四关节包括按钮盒，在按钮盒上布置按钮和开关，按钮盒的前端通过轴承安装在小臂上并能绕小臂旋转，在按钮盒的后端上固定安装小臂自旋管，四轴电机和四轴减速器固定安装在小臂内，四轴电机的动力输出轴通过四轴减速器与按钮盒连接；

所述的第五关节包括五轴第一摆臂、五轴第二摆臂和五轴输出杆，五轴第一摆臂安装在按钮盒外并能绕按钮盒旋转，五轴第二摆臂和五轴输出杆分别安装在小臂自旋管前端的两侧，五轴第二摆臂能带动五轴输出杆绕小臂自旋管同步旋转，把手通过轴承安装在五轴输出杆上并能绕五轴输出杆旋转，五轴拉杆的一端与五轴第一摆臂铰接，另一端与五轴第二摆臂铰接，使小臂自旋管、五轴第一摆臂、五轴拉杆、五轴第二摆臂形成平行四边形连杆结构，五轴电机和五轴减速器固定安装在按钮盒内，五轴电机的动力输出轴通过五轴减速器与五轴第一摆臂连接；

所述的第六关节包括六轴电机和六轴减速器，六轴电机和六轴减速器固定安装在五轴输出杆内，六轴电机的动力输出轴通过六轴减速器与把手连接，夹钳电机和滚轮固定在把手内部，夹钳电机的动力输出轴与滚轮连接，在滚轮上缠绕钢丝绳，钢丝绳的一端伸出把手外与夹钳固定连接。

2.根据权利要求1所述远距离操作设备力反馈主端操作器，其特征在于：在底座下面安装有整个操作器的控制系统，控制系统包括嵌入式控制系统、电机驱动器和电源模块。

3.根据权利要求1所述远距离操作设备力反馈主端操作器，其特征在于：二轴转盘通过键连接与二轴空心轴固连。

4.根据权利要求1所述远距离操作设备力反馈主端操作器，其特征在于：三轴转盘通过键连接与三轴中心轴固连。

5.根据权利要求1所述远距离操作设备力反馈主端操作器，其特征在于：滚轮上缠绕的钢丝绳为带壳钢丝绳。