CN100493855C - 两件式远程操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种远程操作臂，其包括主控臂(5)和从动臂(1)，该主控臂与从动臂(1)彼此之间机械地分开，并通过接合系统(6)相联，该接合系统包括控制部分(7)和用于驱动该从动臂的机械部分(8)。根据本发明，该机械部分(8)包括固定马达和传动装置，用于使从动臂的管状部分(3)旋转至少一整圈，从而增加了工作量。

Description

两件式远程操作臂

技术领域

本发明的主题是一种远程操作臂，其包括呈两个独立部分的形式的主控臂和从动臂。

背景技术

目前使用包括主控臂和从动臂的远程操作臂来在恶劣环境中工作，所述远程操作臂包括将主控臂的接头部分连接到从动臂接头部分的机械传动装置，从而使得由操作者施加的主控臂的运动由从动臂重现。主控臂的端部由操作者控制，从动臂的端部一般包括需要完成工作的操作工具。

远程操作臂一般为单体式，主控臂直接连接到从动臂上，从而机械传动装置是连续的；然而，在法国专利2 667 532中描述了一种设计，指出从动臂可不带有主控臂，而是由具有按钮或类似配置的装置控制，不用作出由从动臂重现的控制运动：该控制被转换成提供给控制系统的电信号，该控制系统根据这些信号来驱动马达而控制从动臂的传动装置。可以允许使用不同的、可能更为精确或更为有效的用于对从动臂进行控制的方法。另一特征在于，该臂中由于重力或所承担的工作而产生的力不再传送到操作者。然而，需要注意的是，若操作者较不疲劳，则常常会试图使他/她感受到一个力——该力与工具所受到的力成比例，用来提高控制的质量。增加所谓的力反馈装置以在主控臂中产生所期望的反作用力。不可能根据该专利2 667 532产生这样的反作用力。

远程操作臂的运动通常是受限的。由此，在实际中减少管状部分——所谓的贯穿部分，其贯穿过保护壁而接合并安装在滚动轴承上——的枢转运动，因为该枢转运动由主控臂向上枢转而产生，该向上的枢转运动仅可在小角度内进行，因为抬起太高将使得操作者不再能够合适地控制主控臂，并且从动臂伴随着主控臂的枢转而相同地枢转，该从动臂的重量产生了与抬起相反的反作用力矩，这对操作者造成阻碍。配重减少了枢转力矩，但是其作用在实际中仍然不完善。所以，虽然从动臂可以枢转，但是从动臂的工作空间减小，并且特别地，其重量减少。前面提及的专利未找到一种针对该不足的解决办法：其指出从动臂由横向设置的圆柱体枢转，这仅允许很小的运动角度。

发明内容

从而，本发明最重要的目的在于增加远程操作臂中运动的可能度——尤其是在于通过升高从动臂可放置的高度来增加远程操作臂中运动的可能度，并且这对于操作者而言是没有任何困难的。

新型远程操作臂所保留的设计意在使主控臂和从动臂分开，从而驱动从动臂使之转动很大，通过使操作者产生手动运动——该运动可与力的反馈相关联，所以不会失去控制的优点。

大致而言，本发明涉及到一种远程操作臂，其包括主控臂和从动臂，没有任何直接机械传动装置将二者连接到一起，而是设置有一个接合系统，该接合系统包括以电和计算机为基础的控制部分、和在信号控制下响应于主控臂所完成的运动指示对位于从动臂中的机械传动装置进行驱动的动力部分，所述信号由控制部分传递；该动力部分包括固定壳体、可转动地安装在该壳体中并附连到该从动臂的滚筒、和固定马达以及将该滚筒连接到该马达并允许该滚筒旋转一整圈的传动装置。

保持住该主控臂意味着：在通过接合系统将从动臂中的力转换成电信号之后，保持住施加到操作者的力的反馈。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的这些目的及其它目的：

图1示出了本发明的概况；

图2示出了用于驱动从动臂的系统；以及

图3、4和5示出了本发明的特定具体方面。

具体实施方式

下面开始描述图1。从动臂1包括：第一管状部分3，其贯穿保护壁2而接合，且接合到由其它部分形成的联动装置4，这些其它部分彼此联接并与该第一部分3联接且位于保护壁2之外处于恶劣工作环境中；主控臂5，其与该从动臂3有一定的距离；和接合系统6，其包括控制部分7和附连到该保护壁2并连接到从动臂3的动力部分8。电线9和10将控制部分7连接到主控臂5和动力部分8，以根据主动臂的运动而对该动力部分进行控制。最后，控制主控臂5的操作者可通过窗口11观察到他/她施加在从动臂1和工具12(通常为夹具)上的操作的效果。

图2涉及到本发明最关键部分——即动力部分8——的主视图。该部分基本上包括固定壳体13、在壳体13中旋转的滚筒14、用于驱动滚筒14的固定马达15、以及提供该驱动的齿轮传动装置16，该传动装置包括位于马达15输出轴杆上的小齿轮和滚筒14的冠部。小齿轮可啮合到该冠部或通过同步带或其它装置连接到该冠部。壳体13通过锚定装置17安装在保护壁2上。滚筒14借助轴承18由壳体13支撑，所述轴承使得该滚筒可以转动，并且该滚筒至少部分地在壳体13的圆筒形部分19中延伸。马达15在壳体13的另一部分20中延伸并固定在该部分中。传动装置16包括附连到该马达15输出轴杆的小齿轮21和与该小齿轮21啮合的冠部22，该冠部环绕该滚筒14的一部分。通过这个系统，可使滚筒14旋转一整圈，并且是围绕与第一部分3的轴线一致的轴线旋转，该第一部分与该滚筒14的端部相邻并位于其延长部分上。可通过拧紧属于所有这些部分的接触支架23而完成联接。从而，滚筒14的旋转使得第一部分3以及整个从动臂1旋转。

滚筒14包括一定数目的控制马达，其中，中央马达24可以是不同的，其它马达(数目为6个，但这里仅示出一个)为侧部马达25。这些控制马达24和25中的每一个都与在从动臂1中延伸的传动装置相联，以控制传动系统4的一个部分，所述传动装置一般还包括位于该管状部分3中的传动杆。与中央控制马达24相联的传动杆的附图标记为26，与其它控制马达25相联的传动杆的附图标记为27(这里，仅示出一个)。杆26通过马达24的输出轴杆28而延伸到滚筒14中，而杆27通过由侧部马达25通过同步传动带30驱动的轴杆29延伸到滚筒14中，所述传送带使得相应的侧部马达25可以更靠近滚筒14的周边设置、并且它们仅形成非常小的游隙。杆26和27由螺栓联接器31或其它联接装置连接到轴杆28和29。杆26用于使连接到管状部分3的部分、以及其它的联动装置4沿竖直方向倾斜，这可能会因为重量而产生相当大的反作用力矩，并且对控制马达24施加适当的力以及对机械传动装置施加适当的阻力，而施加到杆27、轴杆29和侧部马达25上的力则小得多，从而可使用较不结实的传动装置30。而且管状部分3的枢转要求其可以承受较大的力，这使得应该使用耐久的齿轮传动装置16。

电连接器31容纳电线10的金属丝并放置在壳体13上，通过线缆卷绕器32可对控制马达24和25适当地供电，下面将进一步解释电连接器31、线缆卷绕器32和行程终止装置33。现在将借助下面的附图解释线缆卷绕器32和行程终止装置33。

图3示出了线缆卷绕器32。该线缆卷绕器位于一个环形空间内，该环形空间处于包含有滚筒14的圆筒形部分19以及滚筒14自身之间，并且，所述线缆卷绕器主要包括自由地安装在该空间内的圆弧形部分34，并且至少该部分34的端部设置有辊子35。此外，连接到滚筒14的电缆36具有一个用于附连到滚筒14的点37和一个用于附连到壳体13的点38。线缆的长度略大滚筒14的周长。该设备的运行特征可总结为：从动臂1、尤其是管状部分3转动，从而可以位于所有的角度位置中；移动一圈足以使工具12可以设置在所有可能的位置中，但需要稍微大一点的角行程来吸收该从动臂的制动以及触发所述的行程终止装置。圆弧形部分34将线缆36分配在靠近圆筒形部分19的外股和靠近滚筒14的内股中，位于辊子35的两侧。在此，所述圆弧形部分放置在滚筒14的端部位置。通过顺时针地转动滚筒并转动圆弧形部分34，拉动线缆36的内股，同时减小外股的长度。可以继续地转动，直到外股消失。线缆36的适当位置仍可由圆弧形部分34确保，该部分34在任意位置都用作隔离件。滚筒14可转动一圈或更多，而不会出现错误并且摩擦力很小。实际中，线缆放置在曲率半径相近的防护链条中，从而使得线缆彼此间的摩擦力最小。

图4示出了行程终止装置33。在滚筒14的外周上设置有螺旋线39。两个行程终止接触件安装在壳体13上。滑板41也安装在壳体13上并支撑在其上滑动的托架42。该托架42包括凸轮43和一对辊子44，该凸轮可抵靠在行程终止接触件40上，而这一对辊子绕螺旋线39运动并形成有托架沟槽，所述螺旋线接合在该沟槽中。滚筒14的转动使得螺旋线39在两个辊子44之间移动同时使这两个辊子移动，也使得托架42的其余部分移动，滑板平行于滚筒14的转轴、且平行于螺旋线39的转轴。当凸轮43触到行程终止接触件40时，使得滚筒14的运动停止。行程终止接触件40由未示出的电线连接到控制部分7，用于告知这些状态。该方法为卷绕器提供了角度转动行程上的防护。

借助图5示出了一个特别的改进。其应用于特定的已知从动臂中，所述从动臂的特征在于：联动装置4的末端部分是滑动部分，用于改变从动臂1的长度，而不是转动部分。这里，该特征涉及到三个端部部分45、46和47。传动装置——中间部分46相对于前一部分45的伸出可通过该传动装置来调节——包括蜗杆48，该蜗杆穿过有内螺纹并附连到中间部分46的套管49而设置，该蜗杆48通过凸缘50而限定在先前部分45的固定位置中。该蜗杆由齿轮装置通过角度传动装置、传动杆等驱动而转动，该齿轮装置穿过所述的先前部分并终止于传动杆之一和控制马达25之一。由于该臂的结构是已知的，现在仅部分地介绍其结构和传动装置。对于控制端部部分47的运动的传动装置也同样如此。现在将仅指出：该传动装置包括双股线缆部件50，这些股分别终止于由同一控制杆27驱动的一对滑轮52。这些股的相对端终止于位于端部部分47上的附连件53上的共同点处，其中一股还经过附连到中间部分46底部的变向滑轮54。由于这两股沿相反方向卷绕到滑轮52上，所以，杆27的转动会松开其中一股并卷紧另一股，从而，这两股配合而使得端部部分47在中间部分46中伸出和缩回。需要注意的是，蜗杆48的转动不仅移动了中间部分46，而且还移动了端部部分47，因为线缆51的各股还经过另一个变向滑轮55，该变向滑轮与托架56成一体，所述托架56安装在先前部分45上并通过另一条线缆57连接到中间部分46。中间部分46例如向下的位移使得线缆57松弛，这使得托架56沿着先前部分45上升一半的位移，在变向滑轮55两侧，线缆51的各股松弛一半的位移，并且端部部分47与中间部分46向下移动相同的量。

蜗杆传动装置48是坚固耐用的，但线缆51的传动装置不是。联动装置4的各部分必须承受相当大的力，例如一个很重的负载。然后考虑阻止线缆51的运动、同时仅能通过蜗杆48而运动。这通过机械制动装置58阻止轴杆29的转动而实现，该轴杆29与线缆传动装置51相关联，该机械制动装置可包括摩擦盘或可移动的颚式离合器。控制杆27所受到的力不会影响到相关的马达25和传动装置30。

合适的主控臂5可以是Haption在参考Virtuose 6D 4040的情况下研发的那一种。其最大的力为4Kg。其摩擦力(相对于其最大力而言)可与从动臂1的摩擦力相当并与传统远程操作器的摩擦力相当。还需要注意的是，控制部分7还可通过力的反馈而操作，即通过控制马达所必须提供的力或者通过设置在马达或传动装置上的传感器来记录从动臂1所受到的力，并且通过在主控臂的马达中产生的力而使得操作者感受到这些力。然而，主控臂5与从动臂1的分离将使得主控臂5可更容易地控制，由于力的减少而使得操作者可以同时地使用两个臂，每只手一个臂，与当今已知的那些通常是累人的臂相比，这使得操作者的工作可能度明显地增加。另一控制模式可能是适用的，其中单个主控臂和操作者自身可控制工作站的两个从动臂，从而，特别地，最大的力可成倍增加，并且通过在一个部件上于两个隔开的点上反向地施加力而可得到相当大的扭矩。最后，要注意的是，从动臂1的平衡可有利地通过软件控制而精确地实现，该软件控制可计算由于重力而产生的扭矩和力。若需要，在没有与从动臂机械地相连的主控臂时，通过配重来实现平衡将是容易得多的。

Claims (6)

1.一种远程操作臂，包括：主控臂(5)，其由操作者操纵；从动臂(1)，其包括第一管状部分(3)，所述第一管状部分(3)贯穿壁(2)并且与从动臂(1)的其它部分接合，所述其它部分终止于操作构件(12)而形成联结的联动装置(4)，其特征在于：所述主控臂和从动臂没有任何连接它们的直接机械传动装置，而是设置有接合系统，该接合系统包括控制部分(7)和动力部分(8)，该动力部分连接于第一管状部分(3)，并包括用于控制包含于所述从动臂(1)中的机械传动装置(26、27)的第一控制马达(24)和第二控制马达(25)，所述机械传动装置(26、27)包括第一机械传动装置(26)，并且该控制部分(7)响应于该主控臂所完成的运动的指示而对所述第一控制马达(24)和第二控制马达(25)进行控制，该动力部分包括固定壳体(13)、以可转动的方式安装在该壳体中并附连到该第一管状部分(3)的滚筒(14)、固定马达(15)以及传动装置(16)，该传动装置包括围绕该滚筒(14)的冠部和用于接合该冠部的构件，所述构件将该滚筒连接到该固定马达。

2.如权利要求1所述的远程操作臂，其特征在于所述远程操作臂包括延伸到所述第一控制马达(24)和第二控制马达(25)的电缆的卷绕器。

3.如权利要求2所述的远程操作臂，其特征在于所述卷绕器(32)包括位于滚筒(14)和壳体(13)的圆筒形部分之间的自由圆弧形部分(34)，所述电缆(36)附连到该滚筒的一个点及所述圆筒形部分的一个点。

4.如权利要求1、2或3所述的远程操作臂，其特征在于所述远程操作臂包括滚筒的行程终止转换装置(33)，该转换装置包括固定部分和安装在滑动托架(42)上的可移动部分、以及附连到所述滚筒并接合在该托架的沟槽中的螺旋线(39)。

5.如权利要求1、2或3所述的远程操作臂，其特征在于包括在所述从动臂中的第一机械传动装置(26)以及第一控制马达(24)沿该第一管状部分的转轴而设置，其中该第一机械传动装置(26)驱动所述联动装置的各部分中与第一管状部分相邻的一个部分转动，而该第一控制马达(24)驱动所述第一机械传动装置。

6.如权利要求1、2或3所述的远程操作臂，其特征在于所述联动装置包括先前部分(45)、中间部分(46)和端部部分(47)，并且所述机械传动装置还包括具有线缆的机械传动装置和具有蜗杆的机械传动装置，其中所述中间部分(46)和端部部分(47)通过所述具有线缆的机械传动装置和具有蜗杆的机械传动装置而实现滑动运动，并且所述具有线缆的机械传动装置的机械制动器(58)设置在所述接合系统的动力部分中。

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