一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统的制作方法

本实用新型涉及机械手技术领域，具体涉及一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统。

背景技术：

传统的核工业上使用的主从机械手主要分为主手、穿墙组件和从手。由于传统的纯机械式主从机械手，必须安装在热室(辐照、有毒等高污染房间)的外墙，设备通过墙上的穿墙管来实现对热室内从手的操控，因此该类设备的安装位置和操作方式非常局限、操作人员只能在紧邻热室的区域进行操作，对于整体生产工艺的操作位布置、控制室规划，以及突发事故下操作员人身安全等方面都产生了制约。对于在辐照、有毒等高污染房间的动力臂产品，虽然能够实现远程控制，但动力臂的每个活动关节，都是由安装在手臂上的电机，通过接收来自控制室命令而驱动的，因此整套动力臂中会有很多机电类设备和传感器等电子器件。由于电机、传感器等电子器件与同动力臂整体，将长期处于辐照、腐蚀等高污染环境下，对于电子器件的耐久、耐辐照、耐腐蚀性，对设备外壳防护性、密封性等指标都提出了极高的要求。此类设备部件成本高、检修和更换困难，需要改进。

目前操控辐照、有毒等高污染房间内的机械臂时，都是通过安装在热室内的摄像头画面来远距离操作设备或者通过墙体上的铅玻璃窥视窗，近距离观察并操作纯机械式的主从机械手。通过窥视窗的形式，观察者将距离热室非常近，限定了工作位置；通过窥视窗的形式，采用的纯机械式的主从机械手，屏蔽墙的贯穿件为机械贯穿，其密封性很难达到i级密封热室的密封要求；采用纯机械式的主从机械手，并不能实现手臂的全重力补偿，并且操作的动力全部依靠人力输出，劳动量大、能力范围有限。操作人员在力反馈主手端操作，热室内从机械手通过穿墙总成中的钢丝、钢带等传丝机构可实现与主手相同的运动和位移。这种结构虽然保证了操作的时效性和力反馈性，无法提供给操作者临场操作的感觉，且能保持操作的轻巧灵活性，保证对负载力反馈的准确性。

技术实现要素：

为此，本实用新型提供一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统，以解决现有技术中在辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统无法提供给操作者临场操作的感觉，且能保持操作的轻巧灵活性，保证对负载力反馈的准确性的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

根据本实用新型，提供了一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统，包括一体式操作台、力反馈主手、穿墙组件、动力箱和热室内从机械手；其中，所述一体式操作台为系统运算核心，其与所述力反馈主手以及所述动力箱通过线缆连接；所述力反馈主手通过所述穿墙组件与所述热室内从机械手连接，所述动力箱安装在热室墙体的外侧。

进一步地，所述热室内从机械手包括从内到外的内层管、中层管和外层管，其中，所述内层管的长度大于所述中层管的长度，所述中层管的长度大于所述外层管的长度。

进一步地，所述热室内从机械手还包括传动组件，所述传动组件与所述内层管的底部连接。

进一步地，所述穿墙组件包括穿墙管和滚轮组件，其中，所述滚轮组件安装于所述穿墙管朝向热室的一端。

进一步地，所述穿墙组件还包括密封圈，所述密封圈设置于所述穿墙管和墙体之间，且所述密封圈设置于所述穿墙管靠近所述力反馈主手的一侧。

进一步地，所述一体式操作台包括运动控制器、伺服驱动器和台式机，其中，所述运动控制器和所述伺服驱动器用于控制电机，所述台式机包括显示屏，用于显示所述热室内从机械手的图像。

进一步地，所述一体式操作台还包括端子、继电器、电源及配电装置，用于电路连接和电路控制。

进一步地，所述动力箱的内部配置有伺服电机及扭矩传感器，所述扭矩传感器用于检测扭矩的大小。

进一步地，所述力反馈主手包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座、旋转平台、机械臂、手柄、第一连接关节和第二连接关节，其中，所述旋转平台可旋转地固定于所述固定底座上，所述旋转平台的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄通过所述第二连接关节实现连接。

进一步地，所述力反馈主手还包括第一电机和第一支架，所述第一支架和所述旋转平台均安装于所述固定底座上，所述第一电机安装在所述第一支架上，所述第一电机的输出齿轮与所述旋转平台啮合连接。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型在保留机械式主反馈手成本低、维护简单的优点下，实现手臂动力及控制的自动化，既实现机械臂的远距离操控，也遵循没有电子器件在核辐射、毒害环境内，从而提升产品寿命、提高可维护性；另外，通过力觉临场技术，实现热室内从机械手能够将手臂的负载实时发送至控制系统，经过特殊算法计算后，将对应的力通过力反馈主手输出给操作员，从而达到临场操作的模拟，提供真实的力感知；通过伺服驱动和运动学控制技术，实现力反馈主手与热室内从机械手的随动控制，实现热室内从机械手的位置与姿态的变化量能够与力反馈主手或保持一致，或成固定比例的关系；通过力学分析及控制器算法调节，实现对系统中热室内从机械手的手臂以及主反馈力手的手臂的重力计算及补偿，使得力反馈主手在空载时可自保持在任意姿态，并且操作时不需施加除负载以外的力，既保持了操作的轻巧灵活性，也保证了对负载力反馈的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为根据一示范性实施例示出的一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统的结构示意图；

图2为根据一示范性实施例示出的一种主从机械手的力反馈主手的整体结构示意图；

图3为根据一示范性实施例示出的一种主从机械手的力反馈主手的另一视角的结构示意图；

图4为根据一示范性实施例示出的一种热室内从机械手的结构示意图；

图中：100、一体式操作台；200、力反馈主手；300、穿墙管；301、滚轮支架；400、动力箱；500、热室内从机械手；501、内层管；502、中层管；503、外层管；504、传动组件；600、墙体；11、电机壳体；12、固定底座；13、外壳；14、大臂；15、第三连接关节；16、小臂；17、按钮盒；18、连杆；19、手柄；20、第二小臂；21、第一连接关节电机；22、主动齿轮；23、从动齿轮；24、连接轴；25、旋转平台；26、输出齿轮；27、第一电机；28、第一支架；29、第二连接关节；30、握把。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型实施例，提供了一种辐照环境下安装的力反馈主从随动机械手系统，如图1所示，包括一体式操作台100、力反馈主手200、穿墙组件、动力箱400和热室内从机械手500；其中，所述一体式操作台100为系统运算核心，其与所述力反馈主手200以及所述动力箱400通过线缆连接；所述力反馈主手200通过所述穿墙组件与所述热室内从机械手500连接，所述动力箱400安装在热室墙体的外侧。

在一些可选实施例中，所述热室内从机械手500包括从内到外的内层管501、中层管502和外层管503，其中，所述内层管501的长度大于所述中层管502的长度，所述中层管502的长度大于所述外层管503的长度，其中，内层管501、中层管502和外层管503的材质为铝合金，均呈圆筒形。

在一些可选实施例中，所述热室内从机械手500还包括传动组件504，所述传动组件504与所述内层管501的底部连接，传动组件504的底部为夹取部，实现对物品的夹取。

在一些可选实施例中，所述穿墙组件包括穿墙管300和滚轮组件，其中，所述滚轮组件安装于所述穿墙管朝向热室的一端，滚轮组件可采用现有技术中的结构，使得穿墙管300容易进行转动。穿墙组件一般在房屋建设阶段，预埋进墙体600中。

在一些可选实施例中，所述穿墙组件还包括密封圈，所述密封圈设置于所述穿墙管300和墙体600之间，且所述密封圈设置于所述穿墙管靠近所述力反馈主手200的一侧，增强密封性，防止辐射外露。

在一些可选实施例中，所述一体式操作台100包括运动控制器、伺服驱动器和台式机，其中，所述运动控制器和所述伺服驱动器用于控制电机，所述台式机包括显示屏，用于显示所述热室内从机械手的图像，所述一体式操作台100还包括端子、继电器、电源及配电装置，用于电路连接和电路控制，一体式操作台100的外观为传统的多屏监控操作台样式，台面布置有机械手控制摇杆手柄，以及多块显示屏幕，用于显示系统上位机、现场监控画面等，这里对其具体的结构和布置方式不再进行赘述。

在一些可选实施例中，所述动力箱400的内部配置有伺服电机及扭矩传感器，所述扭矩传感器用于检测扭矩的大小，通过力反馈主手的电机的转动，带动穿墙组件中的传动轴转动，使得热室内的转动轴也转动，从而使得热室内从手500进行转动，达到对热室内从手500的控制目的。扭矩传感器用于检测每根转动轴上的扭矩大小，从而根据机械手的姿态、位置和自身重量，反推阻力的大小，并将这种负载力施加在主手上，达到力反馈的控制效果。

本实用新型还提供了一种主从机械手的力反馈主手，如图2和图3所示，包括力觉主手，所述力觉主手包括固定底座12、旋转平台25、机械臂、手柄19、第一连接关节和第二连接关节29，其中，所述旋转平台25可旋转地固定于所述固定底座12上，所述旋转平台25的上方安装有所述第一连接关节，所述第一连接关节与所述机械臂的一端连接，所述机械臂的另一端与所述手柄19通过所述第二连接关节29实现连接。

本实用新型通过旋转平台25可使得手柄19进行转动，且机械臂可带着手柄19围绕所述第一连接关节转动，手柄19可绕着第二连接关节29进行旋转，使得手柄19转动和移动的自由度较多，可通过整个力反馈主手反馈操作者的手部运动，给操作者提供临场操作的感觉。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括第一电机27和第一支架28，所述第一支架28和所述旋转平台25均安装于所述固定底座12上，所述第一电机27安装在所述第一支架28上，所述第一电机27的输出齿轮26与所述旋转平台25啮合连接。所述旋转平台25呈圆盘形，其在所述第一电机27的驱动作用下，可绕着所述旋转平台25的轴向旋转。其中，旋转平台25可进行任意角度的转动，从而使得位于旋转平台25上的机械臂进行转动，其中，第一电机27的外侧设有电机壳体11，旋转平台25的外侧设有外壳13，分别对第一电机27和旋转平台25形成保护。

在一些可选实施例中，所述第一连接关节设置于所述旋转平台25上，并可随着所述旋转平台25进行旋转。所述第一连接关节包括第一连接关节电机21、主动齿轮22、从动齿轮23和连接轴24，其中，所述主动齿轮22设置于所述第一连接关节电机21的输出轴上，所述从动齿轮23与所述主动齿轮22啮合连接，所述从动齿轮22安装于连接轴24上，所述连接轴24与所述机械臂连接，通过所述主动齿轮22带动所述从动齿轮23转动，从而带动所述连接轴24和所述机械臂转动。所述机械臂包括大臂14、小臂16和第三连接关节15，所述大臂14的一端与所述连接轴24连接，所述大臂14的另一端和所述小臂16通过所述第三连接关节15连接，通过第三连接关节15可实现小臂16和大臂14之间的相对转动。所述从动齿轮22为扇形齿轮，所述扇形齿轮的夹角为130度。其中，第一连接关节是对称的结构，即第一连接关节电机21、主动齿轮22和从动齿轮23的数量均为两个，分别设置于连接轴24长度方向的两端，从而实现机械臂相对于固定底座12的转动。当操作员操作手柄19时，带动机械臂运动时，大臂14的上下运动会带动两个从动齿轮22旋转，扇形的从动齿轮22旋转带动第一连接关节电机21的输出轴的主动齿轮22转动。控制器通过采集两个连接轴24和两个第一连接关节电机21的编码器值(旋转角度值)，反推得到大臂14的姿态位置。同样，控制系统控制第一连接关节电机21的输出转矩(扭力)，力通过从动齿轮23、大臂14和小臂16传递到手柄19上，实现力的大小反馈调节。

所述扇形齿轮的夹角为130度是为了限制大臂14的运动行程，大臂14在规定的运动范围转动，不会与力反馈主手的外壳13、电机壳体11、固定底座12碰撞，其中扇形齿轮的齿合面上，首末两端的齿牙是缺失的，因此转动到2个极限位置时，从动齿轮23和主动齿轮22就不能继续齿合并转动了，从而实现机械限位的效果。

主从机械手的力反馈主手还包括第三连接关节电机和连杆，所述第三连接关节电机与所述连杆连接，所述连杆与所述第三连接关节15连接。所述第三连接关节包括相互啮合的第一减速齿轮和第二减速齿轮，所述第一减速齿轮设置于所述连杆的末端；所述第二减速齿轮与所述小臂16连接，其中，第一减速齿轮和第二减速齿轮为一对直角减速齿轮，第三连接关节电机设置于大臂14的内部，连杆也位于大臂14的内部，并和第三连接关节电机连接，从而实现大臂14和小臂16之间的转动。操作员控制力反馈主手的手柄19时，会带动第三连接关节15转动，从而使得第二减速齿轮驱动第一减速齿轮齿轮，从而转动第三连接关节电机，使得采集信号的控制系统能够获取第三连接关节15的旋转角度。

所述小臂包括第一小臂和第二小臂，所述第一小臂的内部安装有小臂电机，所述小臂电机的输出端与所述第二小臂20固定，所述第一小臂和所述第二小臂20通过第四连接关节连接，其中，第四连接关节中设有机械限位，使得第二小臂20能够相对第一小臂进行正负90度以内的旋转。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括按钮盒17，按钮盒17上配用控制力反馈主手的启动、停止、故障复位所用的按钮，按钮盒17的内部设有连杆电机，连杆电机的输出端与连杆18的一端连接，连杆18的另一端连接在第二连接关节29的转动轴上，第二连接关节29的旋转运动，在连杆18的带动下，会实时旋动连杆电机，手柄电机输出的扭矩和扭力，也通过连杆18实时作用在第二连接关节29上，其中，第二连接关节29上也设有机械限位结构，使得第二连接关节29在正负90度的范围内旋转。

在一些可选实施例中，主从机械手的力反馈主手还包括手柄电机，手柄电机安装在手柄的内部，与握把30垂直，手柄电机的输出端穿过第二小臂20的末端的圆孔，与握把30相互固定，此处的结构为第六连接关节，实现对握把30旋转角度的测量以及对握把30旋转阻力的控制，手柄19上还配有按钮，用于控制机械手的从手的旋转、锁定，夹钳夹持动作。

本实用新型实施例中共设置了六个关节，即第一电机控制的关节，第一连接关节电机21控制的关节、连杆电机控制的第二连接关节29、第三连接关节电机控制的第三连接关节、小臂电机控制的第四连接关节和手柄电机控制的第六连接关节，每个关节处均采用电机来实现转动，可实现六个自由度的调整和反馈，更加容易实现对操作员的力反馈。

每个关节都装有位置编码器或电位计。控制器根据主手中每个轴的实时位置，推算手柄19的空间坐标及状态，从而将变化量经过一体式操作台的系统运算，进一步控制动力箱的伺服电机旋转特定的角度，从而保持热室内机械从手500与力反馈主手200姿态的一致。

此外，一体式操作台中的控制系统，通过对从手实时操作的力的监测和计算，控制力反馈主手200的关节电机进行转矩输出，电机堵转或是反向制动，抵抗手柄的运动趋势，从而提供操作者临场操作的感觉。

本实用新型在保留机械式的主反馈手成本低、维护简单的优点下，实现手臂动力及控制的自动化，既实现机械臂的远距离操控，也遵循没有电子器件在核辐射、毒害环境内，从而提升产品寿命、提高可维护性；另外，通过力觉临场技术，实现热室内从机械手500能够将手臂的负载实时发送至控制系统，经过特殊算法计算后，将对应的力通过力反馈主手200输出给操作员，从而达到临场操作的模拟，提供真实的力感知；通过伺服驱动和运动学控制技术，实现力反馈主手200与热室内从机械手500的随动控制，实现热室内从机械手500的位置与姿态的变化量能够与力反馈主手200或保持一致，或成固定比例的关系；通过力学分析及控制器算法调节，实现对系统中热室内从机械手的手臂以及主反馈力手的手臂的重力计算及补偿，使得力反馈主手200在空载时可自保持在任意姿态，并且操作时不需施加除负载以外的力，既保持了操作的轻巧灵活性，也保证了对负载力反馈的准确性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

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