一種帶電作業用輔助機械臂及機器人的製作方法

2023-09-19 07:01:35 2

本發明涉及配網帶電作業領域，具體的說，是一種涉及高壓帶電作業機器人的輔助機械臂，主要用於與主從式機械臂配合使用，完成配電帶電作業中的更換橫擔、變壓器等重載作業任務。
背景技術：
：為了提高帶電作業的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強度和強電磁場對操作人員的人身威脅，帶電作業機器人在配網帶電作業中的應用將越來越廣泛，並且作業項目將更全面、完全符合配電帶電作業要求。帶電作業機器人經過多年的研究與實踐，完成了實驗室樣機的研製，通過大量的現場試驗，驗證了機器人在配電網帶電作業中的需求與價值，同時也驗證了研究方案的可行性，設計的合理性。但由於現有機器人的主從式機械臂抓持重量有限，無法完成更換橫擔、變壓器等重載作業任務。為使帶電作業機器人能涵蓋全部配電網帶電作業項目，因此急需研製一款大持重/自重比的輔助機械臂，為機器人增加輔助大持重機械臂，從而完成更換橫擔、變壓器等重載作業任務。輔助機械臂研究一直也是機器人研究的熱點之一，目前國際上通常的工業機器人載荷比在1：10以下。受絕緣鬥臂車最大載荷的約束，要求頂部工作檯整體重量不能過大，目前一般在500～600Kg。因此要求輔助機械臂應達到大於3:1的高載荷比，並且保證系統具有足夠的剛度，以保證末端控制精度和穩定性。現有的輔助機械臂結構簡單，不帶有位置傳感器，所以不能進行位置精確控制，且現有輔助機械臂末端無手爪無法完成抓持等複雜工作。技術實現要素：為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種帶電作業用輔助機械臂。本發明所提供的輔助機械臂，前臂採用絕緣材料玻璃鋼製成，該輔助機械臂擁有可自由開合與抓緊的手爪，可以代替人工完成作業頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業任務，減輕作業人員的勞動強度，使作業人員與高壓電場完全隔離，最大限度的保證作業人員的安全。為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：一種帶電作業用輔助機械臂，包括底座、大臂、前臂和手爪，在所述的底座上設有一個液壓擺動油缸，液壓擺動油缸驅動大臂底座在水平面內180度旋轉，所述的大臂底座與大臂相連，且大臂底座上鉸接一個驅動大臂做俯仰運動的俯仰油缸I，所述的大臂的末端鉸接與其垂直的前臂，所述的前臂在俯仰油缸II的驅動下做俯仰運動；在前臂的末端連接一個手爪。進一步的，所述液壓擺動油缸上端與大臂連接，本發明採用的擺動油缸能在水平面內0～180度範圍內旋轉，且具有較大的輸出扭矩和承受大彎矩的能力；進一步的，所述大臂底座一端與液壓擺動油缸連接，另一端與大臂相連，且俯仰油缸I底座固定在大臂底座上；俯仰油缸I的活塞杆驅動大臂做俯仰運動。進一步的，所述前臂由高強度絕緣玻璃鋼製成，具有良好的絕緣性和耐腐蝕性，前臂的前端與手爪箱體連接；進一步的，所述俯仰油缸I帶有內置式磁致伸縮位移傳感器，其通過伺服閥精確控制大臂的俯仰運動。進一步的，所述俯仰油缸II帶有內置式磁致伸縮位移傳感器，其通過伺服閥精確控制前臂的俯仰運動。進一步的，所述手爪為本發明液壓小吊臂中最複雜的部件，它能通過手爪開合抓持重物，並可通過手爪旋轉提升重物；其包括：兩個開合手指，所述的開合手指安裝在一個手抓座上，所述的手爪座在旋轉馬達的驅動下旋轉，同時兩個開合手指在開合油缸的驅動下實現開合。進一步的，所述的旋轉馬達、開合油缸、俯仰油缸I、俯仰油缸II和液壓擺動油缸由液壓控制系統控制。進一步的，所述的液壓系統包括油箱，所述的油箱連接一個液壓泵，液壓泵與電磁換向閥相連，所述的電磁換向閥依次與並聯的大臂迴轉伺服閥、大臂俯仰伺服閥、前臂俯仰伺服閥、手爪開合伺服閥、手爪旋轉伺服閥相連；大臂迴轉伺服閥控制液壓擺動氣缸，大臂俯仰伺服閥控制俯仰油缸I、前臂俯仰伺服閥控制俯仰油缸II、手爪開合伺服閥控制開合油缸、手爪旋轉伺服閥控制旋轉馬達。一種機器人,包括前面所述的帶電作業用輔助機械臂。本發明的有益效果是：1、本發明的輔助機械臂經實驗驗證，代替人的手臂完成10kV配電帶電更換橫擔、變壓器重載任務。2、輔助機械臂的前端採用可自由開合及旋轉的手爪結構，並且採用液壓伺服系統閉環控制，因此該輔助機械臂具有操作靈活、具有定位精度高並可通過抓持帶電作業工具完成複雜作業項目。3、輔助機械臂的前臂採用絕緣性能良好的玻璃鋼製成，能保證操作人員安全及防止相間短路。4、輔助機械臂的持重/自重比較大，因此自身重量輕，抓持和起吊重量大。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明帶電作業用輔助機械臂的結構示意圖；圖2a、圖2b是本發明中大臂俯仰部分設計圖；圖3是本發明中手爪部分結構示意圖；圖4是本發明中液壓系統原理圖；圖5是本發明中總控系統原理圖；圖6是本發明活塞杆受力面積圖；圖7(1)、圖7(2)、圖7(3)、圖7(4)是主操縱杆的示意圖；其中：1底座，2擺動油缸，3大臂底座，4大臂油缸，5大臂，6前臂油缸，7前臂，8手爪，9開合油缸，10旋轉馬達，11馬達座，12手爪座，13手爪，14溢流閥，15液壓泵，16換向閥，17手爪旋轉伺服閥，18手爪開合伺服閥，19前臂俯仰伺服閥，20大臂俯仰伺服閥，21大臂迴轉伺服閥。具體實施方式下面將結合附圖對本發明進行詳細說明。如圖1所示，一種帶電作業用輔助機械臂，包括1底座，2擺動油缸，3大臂底座，4大臂油缸，5大臂，6前臂油缸，7前臂，8手爪。擺動油缸2通過螺釘連接到底座1上，大臂底座3通過螺釘一端連接和擺動油缸2連接在一起，另一端連接和大臂5相連接，大臂油缸4通過螺釘一端連接到大臂底座3，另一端連接在大臂5上，前臂7通過螺釘和大臂5連接在一起，前臂油缸6通過螺釘一端連接在大臂5上，另一端連接在前臂7上，手爪8通過螺釘連接，連接在前臂7上。各自由度的驅動情況如下，整個輔助機械臂的迴轉依附於擺動油缸2動作實現；大臂俯仰依附於液壓缸4動作實現；前臂俯仰依附於液壓缸6動作實現；手腕迴轉依附於液壓馬達動作實現；手爪開合依附於開合油缸9的活塞杆動作實現。如圖2a、圖2b所示，大臂俯仰關節設計根據力矩平衡求如圖2a、圖2b所示兩種極限情況的液壓油缸推力F：第一種情況(圖2a)：100×9.8×22250+50×9.8×1125IF×119＝0得F＝23161N；第二種情況圖(2b)：100×9.8×2783+50x9.8×1392IF×166＝0得F＝20539；因此大臂俯仰油缸最大推力23161F。選用工程用HSG標準液壓缸，連接方式：耳環帶關節軸承連接。其中：缸逕行程＝100；安裝距L4＝280+S＝380。進一步的，大臂油缸4帶有內置式磁致伸縮位移傳感器，其通過伺服閥精確控制大臂的俯仰運動。進一步的，前臂油缸6帶有內置式磁致伸縮位移傳感器，其通過伺服閥精確控制前臂的俯仰運動。進一步的，液壓擺動油缸上端與大臂連接，本發明採用的擺動油缸能在水平面內0～180度範圍內旋轉，且具有較大的輸出扭矩和承受大彎矩的能力；進一步的，大臂底座一端與液壓擺動油缸連接，另一端與大臂和俯仰油缸I底座分別通過銷軸鉸接；俯仰油缸I的活塞杆驅動大臂做俯仰運動。進一步的，前臂由高強度絕緣玻璃鋼製成，具有良好的絕緣性和耐腐蝕性，前臂的前端與手爪箱體連接，俯仰油缸Ⅱ的活塞運動驅動前臂俯仰運動，活塞杆在液壓油的壓力下左右移動，來帶動手爪完成抓取動作。如圖3所示，手爪包括開合油缸9，旋轉馬達10，馬達座11，手爪座12，手爪13。開合油缸9通過螺釘連接到馬達座11上，旋轉馬達10通過螺釘與馬達座11連接在一起，手爪座12通過螺釘連接，連接在馬達座11上，手爪13通過螺釘連接，和手爪座12連接在一起。如圖4所示，輔助機械臂液壓系統，包括油箱，溢流閥14，液壓泵15，換向閥16，手爪旋轉伺服閥17，手爪開合伺服閥18，前臂俯仰伺服閥19，大臂俯仰伺服閥20，大臂迴轉伺服閥21。油箱通過油路管與液壓泵15相連，液壓泵15與電磁換向閥16相連，所述的電磁換向閥16依次與並聯的大臂迴轉伺服閥21、大臂俯仰伺服閥20、前臂俯仰伺服閥19、手爪開合伺服閥18、手爪旋轉伺服閥17相連；大臂迴轉伺服閥21控制液壓擺動氣缸，大臂俯仰伺服閥19控制俯仰油缸I、前臂俯仰伺服閥19控制俯仰油缸II、手爪開合伺服閥18控制開合油缸、手爪旋轉伺服閥17控制旋轉馬達。液壓系統具體工作流程如下所述，液壓油經過濾油器進入液壓泵15，液壓油從液壓泵出來後進入換向閥16。同時液壓泵出口處連接溢流閥14進行液壓系統保護作用。換向閥16主要作用是對整個系統的液壓流向反轉。液壓油從換向閥16出來後，同時進入手腕迴轉伺服閥17、手爪開合伺服閥18、小臂俯仰伺服閥19、大臂俯仰伺服閥20、大臂迴轉伺服閥21。手腕迴轉伺服閥17控制手腕迴轉馬達順時針轉動，可以通過控制系統控制手腕迴轉伺服閥17實現手腕迴轉馬達反轉，加速、減速、勻速轉動。手爪開合伺服閥18通過控制系統可以實現手爪開與合，開合的力度都可以實現控制。小臂俯仰伺服閥19通過控制系統可以實現小臂快速、慢速俯仰，根據實際工作需求來調整。大臂俯仰伺服閥通20過控制系統可以實現大臂快速、慢速。大臂迴轉伺服閥21通過控制系統可以實現大臂順時針旋轉，也可以實現逆時針旋轉。如圖6所示，設置液壓力大小為20MPa，活塞杆受力面積，則，受力面積為：s=π×R2-π×r2=π×(12.5×10-3)2-π×(5×10-3)2=π×131.25×10-6(m2)]]>活塞杆所受力的大小為：F=P×s=20×106×π×131.25×10-6=8242.5(N)]]>因手爪夾緊的物體為線纜和工具等，線纜為橡膠材質，工具上有螺紋槽，鋼材與橡膠的摩擦係數為0.4～0.6，與螺紋槽接觸摩擦係數更大，取摩擦係數為0.3。則，手爪抓取重物的質量大小為：M=0.3×2601×29.8=159(kg)>100(kg)]]>液壓系統作業系統壓力1500PSI(連接2000～3000PSI的液壓源後減壓)，流量19L/min。由於系統寬度、速度較低，因此只進行靜態計算。(1)供油壓力選擇與Kraft機械臂相同，選取Ps＝10MPa(1500PSI)(2)伺服閥選擇選擇與Kraft相同的射流管閥，對油液汙染不敏感，各伺服閥型號相同。前臂油缸流量計算：油缸最大行程400，實際300(由圖測量305走完)則，Vmax=300mm30s=10mms=0.01ms]]>伺服閥壓力：因此所選取伺服閥參數為：壓力：6.3Mpa；流量1L/min。各伺服閥取相同型號。如圖5所示，本系統的工作方法如下：主操縱杆的模擬量數據輸出作為控制指令輸入給PLC控制器，PLC控制器控制各個伺服閥工作，各個伺服閥控制相應的油缸動作，氣缸驅動大臂、前臂和手爪工作；同時大臂、前臂和手爪的運動位移通過高精度直線傳感器反饋給PLC控制器，兩路模擬量進入主控制器後經過姿態解析算法計算出伺服閥驅動數據，主控制器通過控制伺服閥的流量來控制液壓執行器的動作位移，最終實現對機械臂的位置伺服控制。如圖7(1)、7(2)、7(3)、7(4)所示，主操縱杆有X、Y兩個運動自由度，能同時進行X、Y方向的運動控制信號輸出，數據信號為-10V～10V的模擬電壓。操縱杆X自由度控制輔助機械臂的基座關節左右旋轉；操縱杆Y自由度控制輔助機械臂大臂和前臂的兩軸聯動，從而確保機械臂末端的水平前後與垂直上下運動，具體運動形式由扳機開關S4控制。當扳機S4摁下時，Y自由度控制輔助機械臂末端作水平前後運動；當扳機S4鬆開時，Y自由度控制輔助機械臂末端作垂直上下運動。按鈕S1還可以控制機械臂的單軸運動，當選擇單軸運動時時，扳機開關S4摁下，則大臂作單軸旋轉運動，S4不摁下是，前臂作單軸旋轉運動。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現，未予以詳細說明的部分，為現有技術，在此不進行贅述。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和特點相一致的最寬的範圍。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp