[发明专利]可三自由度运动的螺栓装卸机械手

说明书

所属领域

本发明属于机器人应用领域，特别涉及一种可以实现三自由度运动、大扭矩装卸螺栓的机械手。

技术背景

核能是目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源，也是实现能源可持续发展的重要手段之一。然而核辐射对人体的致命伤害，使得可以进行远距离控制的自动化机械成为核电站不可缺少的工具。发明和设计各种具有一定自主能力的自动化机械，已为各国核工业界高度重视，对发展我国核环境机器人也大有裨益。

国外发达国家研制成功的某些核机器人，已在当地的核电站进行了验证，取得了一定的成果。其中具有代表性的机器人有：在美国，四十年代末阿贡实验室研制的第一台用于核工业的机械手，取名M1，后期研制出Odex系列核环境机器人；在欧洲，法国已研制出了用于核反应堆检查的机器人。更有一些机器人真正实现了远距离控制，如美国的SAMSIN型，德国的EMSM系列，法国的MA23-SD系列等。这些机器人在电脑的操控下，不仅可以行走，转弯，还可以爬梯子，甚至可以翻越45cm高的障碍物，主要用于放射性泄漏、系统零件失灵检测，以及去污和拆卸废弃的核装置等。

本发明在核环境的背景下，以螺栓装卸机械手的本体机械结构为侧重点，设计了一种可拆卸或拧紧螺栓的机械手。该机械手具有三个自由度，同时机械手的操作末端上装载了可拆卸或拧紧螺栓的液压螺栓扳手头。机械手通过自身的三个自由度可驱动液压螺栓扳手头在三维空间中实现左右、上下、前后的三自由度运动，以此完成指定的任务。

在现有公开的技术中，螺栓装卸主要涉及的内容基本上是电动或液压扳手驱动螺栓旋转运动以实现装卸的具体方法，或者是对电动或液压扳手系统本身的应用研究等。

但是用于核环境下装卸螺栓的机械手，在完成驱动螺栓旋转运动以实现装卸的任务之前，需要具有精确定位所需装卸螺栓位置的功能。而在定位所需装卸螺栓位置的过程中，螺栓装卸机械手与外部环境的联系最大，受到外部环境的影响也最大，其不仅需要依靠丝杆转化电机旋转运动到直线运动的方式将装卸螺栓的扳手头驱动到指定位置，更需要依靠连接电机和丝杆的联轴器补偿扳手头和螺栓之间的微小对接位置误差。其可装卸三维空间中三自由度位置内的任意螺栓和可以自动精确对准螺栓的两个主要特点，是相对于传统螺栓拆卸工具的主要区别，也是本发明的意义所在。本发明所解决的问题是螺栓装卸机械手应用于核环境作业中的一个主要难点，本发明根据螺栓作业要求，尽可能发明出具有足够自由度的机械手，以满足作业过程中对机械手关节自由度的要求，而又不存在过多的自由度，增加控制系统的负担。

在现有公开的技术中，经关键词“螺栓装卸”和“自动机械手”检索，比较相关的只有专利公开号CN1185199“快速装卸的螺栓及其制造方法和拆卸工具”(公开日1998.06.17，申请号96193859.5)，主要解决一种快速装卸的螺栓及其拆卸工具的问题，其需要人工的手动操作，并不是独立自主的自动化工具。而专利公开号CN1365876“机器人拟人手变抓取力机械手指装置”，其不能完成螺栓的装卸任务。

发明内容

本发明的目的是：针对核环境下人类难以接近任务场合的问题，发明和设计了一种可以实现三自由度运动、可装卸一定数量螺栓、具有一定自主能力的机械手装置。该发明具有结构紧凑、成本较低、适用范围广、可输出大扭矩装卸螺栓、对螺栓位置的定位精度要求低的特点。

本发明的技术方案是：设计了一种在核环境下装卸螺栓的机械手，其可实现三自由度运动。机械手通过自身的三个自由度驱动末端执行器运动，从而驱动末端执行器上的液压旋转马达和螺栓扳手头实现左右、上下、前后的三自由度运动。该机械手通过丝杆螺母结合滑块导轨将电机的旋转运动转化为各部件的直线运动，采用液压旋转马达用来驱动扳手头旋转，以安装和拆卸螺栓。

可三自由度运动的螺栓装卸机械手，包括支撑整个机械手的底座、躯干部件、肩部件、臂部件和拧螺栓的扳手头，所述底座、躯干部件、肩部件和臂部件之间均采用滑块导轨组合的方式依次连接，并通过各自的电机丝杠螺母机构实现各自运动。

所述装置中的躯干部件负责机械手的左右移动，同时作为下一级部件肩、臂和扳手头的承载体与上面的肩部件机械联接。其由两个长方块和一个L型钢块组成，每个长方块通过滑块导轨组合与下面的底座机械联接，并由电机驱动的丝杆螺母的方式驱动其运动。