CN1038964A - 可重新组合的标准遥控机械手 - Google Patents

Abstract

一种由若干个各具有一个自由度的致动器组成的可重新组合的机械手。机械元件将若干个致动器连接在一起，控制回路接收用于控制多个致动器工作的各个指令，致动器的数目和与之相应的自由度的数目大于执行不同任务所需的自由度，根据执行的任务选择至少一个致动器在执行该项任务期间加以固定，或分别加以控制，借此构制成用于该项任务的机械手，并简化了实现机械手适时控制的几何构形。

Description

本发明一般地说是涉及各种机械手，具体地说是涉及遥控机械手。

近年来，机械手的使用明显增多，使用增多的一个领域是自动制造业。在这类应用中，机械手可用于执行危险任务或各种单调重复的工作。

美国专利US-4，089，427公开了一种机械手，用于把物体从一点运输或传送至另一点、点焊或电弧焊待装配的零件，或者把元件装成组件，在该项专利中，机械手由可组装的标准模件组成。这些模件具有各种基本功能，包括一个平移模件，几个旋转模件和一个由具有几个轴线的头部构成的部件，在装配机械手的元件之前，这些标准模件用一些被截制成所需长度的杆件连接在一起。

另一个机械手的例子是威斯汀豪斯电气公司的遥控机械手（ROSA）。ROSA可用于核防护外围建筑内对工作人员有危险的区域。

尽管在研制工业用机械手方面已经作了许多工作，但把机械手用于宇宙空间尚存在一系列的设计难题。例如，在空间失重状态下，並不需要机械手平衡，然而，机械手的重量还是很关键的，因为机械手的重量减少了运载有效载荷，增加了微观重量的运动效应。正如从美国专利US-4，585，388中能看到的那样，在设计用于宇宙空间的机械手时，已经考虑了这些条件。该专利公开了一种自动移位操作装置，它由具有第一和第二部操作装置的转臂组成，每一操作装置都适于固定到某一固定装置上而又可与之脱开。第一和第二接合关节用于分别把第一和第二端部操作装置固定在转臂的第一和第二端上。第一和第二接合关节在端部操作装置和转臂之间提供了足够的活动程度，以允许一端部操作装置移向或离开一个固定装置，同时另一端部操作装置仍然装在一个固定装置上。动力传输系统与每一接合关节相连，用于铰接转臂与相关的任一端部操作装置，借此，自动移位操作装置可通过依次固定和脱开一个端部操作装置而自动移位，然后把另一个端部操作装置固定到固定装置上。

研制空间机械手时，要求机械手尽可能通用。这意味着机械手应尽可能完成许多任务。机械手必须长到足以到达所有工作区域，或必须能够靠近执行任务处的终接机。机械手的重量要轻，以防降低有效运载能力。

本发明涉及一种标准的、可重新组合的遥控机械手，它包括若干个致动器，每个致动器都使机械手具有一个自由度，各构件与若干个致动器相连。装在各构件上的控制回路接收控制多个致动器的指令。设置多个致动器，因而有多个自由度，其数量多于机械手执行任务所需的数目。因此，在执行任务期间可根据执行的任务有选择地将某些致动器加以固定，或者对它们分别加以控制，从而，可根据具体任务确定机械手的构成，和简化实时控制的几何构形。

本发明的一个特征是致动器装在托架上，虽然所有致动器並非是同一尺寸，但所有托架的外部尺寸却是相同的。因此，若某一致动器失灵，即可用任何一个带有致动器的托架加以替换，甚至所更换致动器的尺寸也可以不同于失灵致动器的尺寸。结构模件化给维修提供了方便。

本发明的另一特征是各托架与机械手相连或彼此相连，并设置简单的滑动接头，滑动接头在一端上受止动凸片而在另一端上受接片和锁紧螺钉的限制，因此，只要卸下一个螺钉就可使二个元件彼此分开，这就使维修更为容易。

本发明的另一特征是托架的外形设计可使与托架相连的元件绕俯仰和偏转轴线转动约+135°。机械手致动器的端部只因受接线旋转器性能限制，可转动+270°。

可以设想机械手具有8个自由度。二个致动器可以固定在某一需要的角度上或分别加以控制，从而取消二个自由度，构成用以执行规定任务的机械手。把所需控制的自由度限制为6，就能使用已知的控制软件操纵本发明的机械手，用于使致动器定位的指令可来自空间站的计算机、本机信号或地面。

本发明的另一个特征是机械手以对称方式构制，因此机械手的任何一端都能用作基座端;另一端则用作终端操纵装置，或作为第二基座，使机械手以从一端到另一端或从一端绕到另一端的模式运行。

本发明的又一特征是：如果机械手长度达不到某一区域，那么可把几个机械手连接在一起，组成一加长的机械手。

本发明也考虑了根据执行的任务重新组合机械手的方法，该方法包括提供比执行各种任务为多的自由度轴线，根据执行的某一任务选择某几个轴线，然后将这几个轴线加以固定或分别加以控制，以组成执行这一任务的机械手。

为了易于理解和实施本发明，下面将结合相应的附图说明本发明的最佳实施例，其中：

图1是按照本发明内容构制的一种可重新组合的标准遥控机械手的透视图;

图2表示机械手的一端;

图3是图2所示机械手端部的另一视图;

图4是用于连接托架的滑动接头;

图5是机械手和托架之间的电器连接机构;

图6是几个连接在一起的机械手。

图1所示是按照本发明内容构制的一种标准，可重新组合的遥控机械手10。机械手10绕中点11对称，中点11相反两侧上的执行相同职能的元件用同一参考数字表示，撇号“'”用于区分机械手的一端与另一端。

图1所示的机械手由8个致动器12、12′、14、14′、16、16′和18、18′组成。每个致动器使机械手10具有一个自由度，致动器12和12′各具有一个转轴，有时称作机械手致动器的端头。如图1所示，致动器12可称作基座致动器，致动器12′称作机械手的终端。致动器14和14′各有一个偏转轴，其中执行机构14有一个肩部偏转轴，致动器14′则有一个腕部偏转轴。致动器16和16′各有一个俯仰轴;其中致动器16为肩部俯仰轴，16′为腕部俯仰轴，致动器18和18′各有一个俯仰轴。这些致动器可以是任一型式的具有标准空间的致动器。步进式致动器可用作致动器12、12′、14    14′、16、16′、18和18′，整个机械手10都可使用同一尺寸的致动器，但如果需要，在某些铰接部位也可使用大的致动器。

除机械手致动器12和12′的端部以外用同一种托架20支承各个致动器，托架20的设计要使它们的外形尺寸全都相同，而与用托架支承的致动器的尺寸无关。这是因为一旦一个致动器失灵，即可用其它任何托架-致动器组件代替失灵的致动器，这种互换性可使机械手10易于维修。下文将结合附图2、3、4对托架20加以详细说明。

机械手致动器12、12′的端头分别支承联轴节22和22′，这二个联轴节可以是相同的，可用于把机械手10连到提供动力和程序指令的基座上，或者连接到诸如与联轴节22′相连的夹具24的操纵装置上。在图1所示的结构中，由于夹具24由联轴节22′支承，所以联轴节22或者与基座连接，或者为把夹具24置于要执行任务的区域需要增加长度时与另一机械手10相连。但是，因为机械手10是对称的，所以读者应理解为：夹具24可由联轴节22支承而联轴节22′可与基座相连或者与另一机械手10相连。

机械手致动器12和12′的端头分别与支承致动器14、14′的托架20、20′相连。支承致动器14和14′的托架20和20′与支承致动器16和16′的托架20和20′相连。支承致动器16和18的托架20通过杆件26连接在一起;支承致动器16′和18′的托架20′通过杆件26′连接在一起。分别支承致动器18和18′的托架20和20′通过杆件28连接在一起。杆件26、26′和28可以用商业上销售的铝管制造。尺寸合适的矩形铝管适于制造本发明的一个实施例用的杆件。杆件的设计要使机械手的长度近似于10英尺（3m）。根据机械手需要加长的长度，可以往图1所示的机械手接辅助杆件（未示出）。

致动器12、14和16分别由各马达驱动回路-也就是电子控制装置32、34和36驱动。致动器18由装在杆件28上的马达驱动装置38驱动。致动器12′、14′、16′和18′同样由马达驱动回路驱动。这种马达驱动回路是商用的，可向提供致动器的制造厂购买。所有致动器，不论大小，都由可互换的马达驱动回路驱动，这样易于维修机械手10。

每个马达驱动回路都备有接口装置，用于同控制机械手10的计算机（未示出）相接。马达驱动回路32、34和36分别备有接口装置42、44和46。接口装置42、44和46装在杆件26上。马达驱动装置38备有接口装置48，接口48装在杆件28上，其余马达驱动回路也各备有接口装置。

这些接口装置能用计算机分别编址，编址后能够接收相应指令。当收到相应的指令时，接口装置驱动与之相连的马达驱动回路，该回路又以已知的方式驱动与其相连的致动器。

微处理机（未示出）可以有利地嵌装在杆件28内，用以补充遥控计算机，以便把高级指令分解为低级指令，这就需把控制回路的某一重要部分设在靠近致动器的地方。

此外，机械手上还装有若干个传感器，以便把有关机械手位置的信息提供给控制机械手的计算机。例如，每个致动器可带一个轴件绝对编码器50或50′，用来指示每个致动器轴的方位。力矩传感器（未示出）可以装在机械手致动器12和12′的一端，其它型式的传感器，包括电视摄象机等可根据计算机或操作员控制机械手10所需的信息量来设置。

图1所示的机械手10称作标准组件式机械手，因为制作机械手的基本元件托架和致动器组件是完全可以互换的，因而减少了备件的库存量，使机械手易于维修。

机械手10称作“可重新组合的”，因为它可根据执行的任务加以调整。每一个机械手的致动器都使机械手具有一个自由度。图1所示的机械手有8个自由度，但可以构成具有或多或少的自由度的机械手。完成任何特定的任务至多需要包括3个平移轴线和3个回转轴线的6个自由度，但6个运动轴线全都可由回转致动器来提供。因此，机械手10提供了8个自由度轴线，对于某一给定任务而言只需6个，根据执行的任务，可选择2个致动器固定在给定的位置上。例如，可以固定致动器18′而使杆件28和26′之间成90°角，也可选择致动器12而将其固定在某一预定的角度位置上，此后，在执行任务期间，致动器12和18′的方向是不能变化的，机械手10在工作中使用6个自由度。具有6个自由度的机械手的工作是已知的，因此，选择几个轴线加以固定，就能具体构成执行某项任务的机械手。

机械手10称作遥控机械手，因为它可由装在空间站或其它设备上的计算机来控制，或由地面上的操作员或计算机来操纵。

机械手10结构的细节绘于图2、3和4。图2和3表示机械手的一端，图3是使图2所示视图旋转90°后取得的，图2和3表示支承致动器14′和16′的托架20′。

各托架20′与各杆件相连，并通过各滑动接头（参看图4）相互连接。每个托架20′都备有一个大致成T形的元件52，与大致成C形的元件54作滑动接合。当托架20′的T形件52完全与C形件54相接合时，由止动凸片56阻止托架继续滑动。用接片58、锁紧螺钉60或其它合适的紧固件使托架20′保持在顶靠止动凸片56的位置上。采用这种结构型式，只要拆卸一个锁紧螺钉10並滑动托架和致动器组合件就能将此组合件从机械手10上卸下。

将元件52和54倒圆以防止应力集中。虽然可以用有尖角的较普通的T形槽或燕尾槽接头代替图4的圆角接头，但这在强度和重量上不是最有效的。

托架20′的设计要使机械手的活动范围最大。例如如图2所示，致动器14′能把臂移向致动器的右侧约达135°（从参考线62开始计算），从而提供了这种灵活度很大的机械手。

在图2和图3所示的机械手的端部还可给致动器设置一个金属网罩64。

图5表示在杆件26′和托架20′之间有一个电气连接器。可以理解：其它托架也备有类似的电气连接器。图5表示与杆件26′滑动接合的托架20′，止动凸片56具有一个凸出的电气接头66，当具有滑动接头的上述元件完全接合在一起时，凸出的电气接头66即与装在托架20′内的凹进的电气接头68相配合。当凹、凸电气接头66和68接合后，电导体70与托架20′上的对应电导体（未示出）接触，这样，当托架和机械手作机械连接时，就自动形成了电气连接。

当需几个机械手10执行任务时，可使用图6所示的连接装置72把几个机械手10连接在一起。

本发明涉及对称的机械手，它们能用联轴节22或22′与基座相连进行工作，因此机械手能以从一端到另一端或从一端绕到另一端的模式运行，机械手也能够用联轴节22或22′与终端操纵装置相配。

本机械手能够在工业空间实验室内在类似于地球海平面的大气条件下工作，也能够在工业空间实验室外表面上在空间高真空、辐射线、原子氧、陨尘轰击的环境内工作和在极限温度下工作。本机械手能够在从工业空间实验室内或地面站的遥控下工作。本发明的机械手尽管其性能由于重力的原因略有降低，但仍能在地面上工作。

由于机械手是用可互换的标准元件构制而成，因而减少了备件库存量，使机械手易于维修。在托架与机械手的连接结构中只需拆掉一个螺钉就可卸下托架。托架和机械手之间的电气连接与托架和机械手之间的机械连接可同时形成，不再需要额外的工序。

Claims (15)

1、一种可重新组合的活节式机械手，机械手具有若干相互连接的构件(20、22、26、28、20′、22′、26′、28′)用以使活节式机械手具有充分活动自由度的致动系统(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)和用以操纵致动系统动作的控制器(32、34、36、38、42、44、46、48、32′、34′、36′、38′、42′、44′、46′、48′)。机械手的特征是：致动系统具有若干致动器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)，各致动器由各构件(20、22、26、28、22′、26′、28′)连接，各致动器具有一个自由度，各致动器(32、34、36、38、42、44、46、48、32′、34′、36′、38′、42′、44′、46′、48′)装在各构件(26、28、26′、28′)中，用以控制各制动器的动作，并对至少一个根据操作任务选定的致动器分别进行控制，从而构成适用于该项任务的机械手。

2、权利要求1所述机械手，其特征是：致动系统具有8个致动器（12、14、16、18、12′、14′、16′、18′），对至少两个根据操作任务选定的致动器分别进行控制，从而构成适用于该项任务的机械手。

3、权利要求1或2所述机械手，其特征是：在各构件中包括用以设置各致动器（12、14、16、18、12′、14′、16′、18′）的托架（20、20′）。

4、权利要求3所述机械手，其特征是：各托架（20、20′）都具有相同的外形尺寸，使任一托架可用任一其它托架替换。

5、权利要求3或4所述机械手，其特征是：在各构件中包括与托架（20、20′）连接的杆件（26、28、26′、28′、）。

6、权利要求5所述机械手，其特征是：各托架（20、20′）借助于只需一个紧固件的接头与杆件（26、28、26′、28′）相连接。

7、权利要求6所述机械手，其特征是：接头使托架（20、20′）和杆件（26、28、26′、28′）彼此作滑动接合，并用止动凸片（56）和紧固件（60）锁住滑动接合。

8、权利要求5～7中任一项所述机械手，其特征是：托架（20、20′）可使杆件（26、28、26′、28′）转动135°。

9、以上任一权利要求所述机械手，其特征是：各致动器（12、14、16、18、12′、14′、16′、18′）装有轴件绝对编码器（50、50′）用以指示相应致动器轴件的方位。

10、以上任一权利要求所述机械手，其特征是：各致动器（12、14、16、18、12′、14′、16′、18′）为步进式致动器。

11、以上任一权利要求所述机械手，其特征是：各控制器具有用以接收控制指今的若干接口装置（42、44、46、48、42′、44′、46′、48′）和若干驱动装置（32、34、36、38、32′、34′、36′、38′），各驱动装置对相应接口装置作出响应而发出操作相应致动器（12、14、16、18、12′、14′、16′、18′）的信号。

12、权利要求11所述机械手，其特征是：对各接口装置（42、44、46、48、42′、44′、46′、48′）可分别进行编址，使驱动装置（32、34、36、38、32′、34′、36′、38′）对各接口装置作出响应而分别受到控制。

13、以上任一权利要求所述机械手，其特征是：具有两个联轴节（22、22′），装在机械手的两端。

14、权利要求13所述机械手，其特征是：两个联轴节（22、22′）基本上是相同的。

15、权利要求13或14所述机械手，其特征是：具有一连接装置（72），用以将一机械手的一个联轴节（22）连接到另一机械手的一个联轴节（22）上，此连接装置（72）使连接后两机械手的控制器也相互连接起来。

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