專利名稱：可重新組合的標準遙控機械手的制作方法
技術領域：
本發明一般地說是涉及各種機械手，具體地說是涉及遙控機械手。
近年來，機械手的使用明顯增多，使用增多的一個領域是自動制造業。在這類應用中，機械手可用于執行危險任務或各種單調重復的工作。
美國專利US-4，089，427公開了一種機械手，用于把物體從一點運輸或傳送至另一點、點焊或電弧焊待裝配的零件，或者把元件裝成組件，在該項專利中，機械手由可組裝的標準模件組成。這些模件具有各種基本功能，包括一個平移模件，幾個旋轉模件和一個由具有幾個軸線的頭部構成的部件，在裝配機械手的元件之前，這些標準模件用一些被截制成所需長度的桿件連接在一起。
另一個機械手的例子是威斯汀豪斯電氣公司的遙控機械手(ROSA)。ROSA可用于核防護外圍建筑內對工作人員有危險的區域。
盡管在研制工業用機械手方面已經作了許多工作，但把機械手用于宇宙空間尚存在一系列的設計難題。例如，在空間失重狀態下，並不需要機械手平衡，然而，機械手的重量還是很關鍵的，因為機械手的重量減少了運載有效載荷，增加了微觀重量的運動效應。正如從美國專利US-4，585，388中能看到的那樣，在設計用于宇宙空間的機械手時，已經考慮了這些條件。該專利公開了一種自動移位操作裝置，它由具有第一和第二部操作裝置的轉臂組成，每一操作裝置都適于固定到某一固定裝置上而又可與之脫開。第一和第二接合關節用于分別把第一和第二端部操作裝置固定在轉臂的第一和第二端上。第一和第二接合關節在端部操作裝置和轉臂之間提供了足夠的活動程度，以允許一端部操作裝置移向或離開一個固定裝置，同時另一端部操作裝置仍然裝在一個固定裝置上。動力傳輸系統與每一接合關節相連，用于鉸接轉臂與相關的任一端部操作裝置，借此，自動移位操作裝置可通過依次固定和脫開一個端部操作裝置而自動移位，然后把另一個端部操作裝置固定到固定裝置上。
研制空間機械手時，要求機械手盡可能通用。這意味著機械手應盡可能完成許多任務。機械手必須長到足以到達所有工作區域，或必須能夠靠近執行任務處的終接機。機械手的重量要輕，以防降低有效運載能力。
本發明涉及一種標準的、可重新組合的遙控機械手，它包括若干個致動器，每個致動器都使機械手具有一個自由度，各構件與若干個致動器相連。裝在各構件上的控制回路接收控制多個致動器的指令。設置多個致動器，因而有多個自由度，其數量多于機械手執行任務所需的數目。因此，在執行任務期間可根據執行的任務有選擇地將某些致動器加以固定，或者對它們分別加以控制，從而，可根據具體任務確定機械手的構成，和簡化實時控制的幾何構形。
本發明的一個特征是致動器裝在托架上，雖然所有致動器並非是同一尺寸，但所有托架的外部尺寸卻是相同的。因此，若某一致動器失靈，即可用任何一個帶有致動器的托架加以替換，甚至所更換致動器的尺寸也可以不同于失靈致動器的尺寸。結構模件化給維修提供了方便。
本發明的另一特征是各托架與機械手相連或彼此相連，并設置簡單的滑動接頭，滑動接頭在一端上受止動凸片而在另一端上受接片和鎖緊螺釘的限制，因此，只要卸下一個螺釘就可使二個元件彼此分開，這就使維修更為容易。
本發明的另一特征是托架的外形設計可使與托架相連的元件繞俯仰和偏轉軸線轉動約+135°。機械手致動器的端部只因受接線旋轉器性能限制，可轉動+270°。
可以設想機械手具有8個自由度。二個致動器可以固定在某一需要的角度上或分別加以控制，從而取消二個自由度，構成用以執行規定任務的機械手。把所需控制的自由度限制為6，就能使用已知的控制軟件操縱本發明的機械手，用于使致動器定位的指令可來自空間站的計算機、本機信號或地面。
本發明的另一個特征是機械手以對稱方式構制，因此機械手的任何一端都能用作基座端;另一端則用作終端操縱裝置，或作為第二基座，使機械手以從一端到另一端或從一端繞到另一端的模式運行。
本發明的又一特征是如果機械手長度達不到某一區域，那么可把幾個機械手連接在一起，組成一加長的機械手。
本發明也考慮了根據執行的任務重新組合機械手的方法，該方法包括提供比執行各種任務為多的自由度軸線，根據執行的某一任務選擇某幾個軸線，然后將這幾個軸線加以固定或分別加以控制，以組成執行這一任務的機械手。
為了易于理解和實施本發明，下面將結合相應的
本發明的最佳實施例，其中圖1是按照本發明內容構制的一種可重新組合的標準遙控機械手的透視圖;
圖2表示機械手的一端;
圖3是圖2所示機械手端部的另一視圖;
圖4是用于連接托架的滑動接頭;
圖5是機械手和托架之間的電器連接機構;
圖6是幾個連接在一起的機械手。
圖1所示是按照本發明內容構制的一種標準，可重新組合的遙控機械手10。機械手10繞中點11對稱，中點11相反兩側上的執行相同職能的元件用同一參考數字表示，撇號“'”用于區分機械手的一端與另一端。
圖1所示的機械手由8個致動器12、12′、14、14′、16、16′和18、18′組成。每個致動器使機械手10具有一個自由度，致動器12和12′各具有一個轉軸，有時稱作機械手致動器的端頭。如圖1所示，致動器12可稱作基座致動器，致動器12′稱作機械手的終端。致動器14和14′各有一個偏轉軸，其中執行機構14有一個肩部偏轉軸，致動器14′則有一個腕部偏轉軸。致動器16和16′各有一個俯仰軸;其中致動器16為肩部俯仰軸，16′為腕部俯仰軸，致動器18和18′各有一個俯仰軸。這些致動器可以是任一型式的具有標準空間的致動器。步進式致動器可用作致動器12、12′、1414′、16、16′、18和18′，整個機械手10都可使用同一尺寸的致動器，但如果需要，在某些鉸接部位也可使用大的致動器。
除機械手致動器12和12′的端部以外用同一種托架20支承各個致動器，托架20的設計要使它們的外形尺寸全都相同，而與用托架支承的致動器的尺寸無關。這是因為一旦一個致動器失靈，即可用其它任何托架-致動器組件代替失靈的致動器，這種互換性可使機械手10易于維修。下文將結合附圖2、3、4對托架20加以詳細說明。
機械手致動器12、12′的端頭分別支承聯軸節22和22′，這二個聯軸節可以是相同的，可用于把機械手10連到提供動力和程序指令的基座上，或者連接到諸如與聯軸節22′相連的夾具24的操縱裝置上。在圖1所示的結構中，由于夾具24由聯軸節22′支承，所以聯軸節22或者與基座連接，或者為把夾具24置于要執行任務的區域需要增加長度時與另一機械手10相連。但是，因為機械手10是對稱的，所以讀者應理解為夾具24可由聯軸節22支承而聯軸節22′可與基座相連或者與另一機械手10相連。
機械手致動器12和12′的端頭分別與支承致動器14、14′的托架20、20′相連。支承致動器14和14′的托架20和20′與支承致動器16和16′的托架20和20′相連。支承致動器16和18的托架20通過桿件26連接在一起;支承致動器16′和18′的托架20′通過桿件26′連接在一起。分別支承致動器18和18′的托架20和20′通過桿件28連接在一起。桿件26、26′和28可以用商業上銷售的鋁管制造。尺寸合適的矩形鋁管適于制造本發明的一個實施例用的桿件。桿件的設計要使機械手的長度近似于10英尺(3m)。根據機械手需要加長的長度，可以往圖1所示的機械手接輔助桿件(未示出)。
致動器12、14和16分別由各馬達驅動回路-也就是電子控制裝置32、34和36驅動。致動器18由裝在桿件28上的馬達驅動裝置38驅動。致動器12′、14′、16′和18′同樣由馬達驅動回路驅動。這種馬達驅動回路是商用的，可向提供致動器的制造廠購買。所有致動器，不論大小，都由可互換的馬達驅動回路驅動，這樣易于維修機械手10。
每個馬達驅動回路都備有接口裝置，用于同控制機械手10的計算機(未示出)相接。馬達驅動回路32、34和36分別備有接口裝置42、44和46。接口裝置42、44和46裝在桿件26上。馬達驅動裝置38備有接口裝置48，接口48裝在桿件28上，其余馬達驅動回路也各備有接口裝置。
這些接口裝置能用計算機分別編址，編址后能夠接收相應指令。當收到相應的指令時，接口裝置驅動與之相連的馬達驅動回路，該回路又以已知的方式驅動與其相連的致動器。
微處理機(未示出)可以有利地嵌裝在桿件28內，用以補充遙控計算機，以便把高級指令分解為低級指令，這就需把控制回路的某一重要部分設在靠近致動器的地方。
此外，機械手上還裝有若干個傳感器，以便把有關機械手位置的信息提供給控制機械手的計算機。例如，每個致動器可帶一個軸件絕對編碼器50或50′，用來指示每個致動器軸的方位。力矩傳感器(未示出)可以裝在機械手致動器12和12′的一端，其它型式的傳感器，包括電視攝象機等可根據計算機或操作員控制機械手10所需的信息量來設置。
圖1所示的機械手10稱作標準組件式機械手，因為制作機械手的基本元件托架和致動器組件是完全可以互換的，因而減少了備件的庫存量，使機械手易于維修。
機械手10稱作“可重新組合的”，因為它可根據執行的任務加以調整。每一個機械手的致動器都使機械手具有一個自由度。圖1所示的機械手有8個自由度，但可以構成具有或多或少的自由度的機械手。完成任何特定的任務至多需要包括3個平移軸線和3個回轉軸線的6個自由度，但6個運動軸線全都可由回轉致動器來提供。因此，機械手10提供了8個自由度軸線，對于某一給定任務而言只需6個，根據執行的任務，可選擇2個致動器固定在給定的位置上。例如，可以固定致動器18′而使桿件28和26′之間成90°角，也可選擇致動器12而將其固定在某一預定的角度位置上，此后，在執行任務期間，致動器12和18′的方向是不能變化的，機械手10在工作中使用6個自由度。具有6個自由度的機械手的工作是已知的，因此，選擇幾個軸線加以固定，就能具體構成執行某項任務的機械手。
機械手10稱作遙控機械手，因為它可由裝在空間站或其它設備上的計算機來控制，或由地面上的操作員或計算機來操縱。
機械手10結構的細節繪于圖2、3和4。圖2和3表示機械手的一端，圖3是使圖2所示視圖旋轉90°后取得的，圖2和3表示支承致動器14′和16′的托架20′。
各托架20′與各桿件相連，并通過各滑動接頭(參看圖4)相互連接。每個托架20′都備有一個大致成T形的元件52，與大致成C形的元件54作滑動接合。當托架20′的T形件52完全與C形件54相接合時，由止動凸片56阻止托架繼續滑動。用接片58、鎖緊螺釘60或其它合適的緊固件使托架20′保持在頂靠止動凸片56的位置上。采用這種結構型式，只要拆卸一個鎖緊螺釘10並滑動托架和致動器組合件就能將此組合件從機械手10上卸下。
將元件52和54倒圓以防止應力集中。雖然可以用有尖角的較普通的T形槽或燕尾槽接頭代替圖4的圓角接頭，但這在強度和重量上不是最有效的。
托架20′的設計要使機械手的活動范圍最大。例如如圖2所示，致動器14′能把臂移向致動器的右側約達135°(從參考線62開始計算)，從而提供了這種靈活度很大的機械手。
在圖2和圖3所示的機械手的端部還可給致動器設置一個金屬網罩64。
圖5表示在桿件26′和托架20′之間有一個電氣連接器。可以理解其它托架也備有類似的電氣連接器。圖5表示與桿件26′滑動接合的托架20′，止動凸片56具有一個凸出的電氣接頭66，當具有滑動接頭的上述元件完全接合在一起時，凸出的電氣接頭66即與裝在托架20′內的凹進的電氣接頭68相配合。當凹、凸電氣接頭66和68接合后，電導體70與托架20′上的對應電導體(未示出)接觸，這樣，當托架和機械手作機械連接時，就自動形成了電氣連接。
當需幾個機械手10執行任務時，可使用圖6所示的連接裝置72把幾個機械手10連接在一起。
本發明涉及對稱的機械手，它們能用聯軸節22或22′與基座相連進行工作，因此機械手能以從一端到另一端或從一端繞到另一端的模式運行，機械手也能夠用聯軸節22或22′與終端操縱裝置相配。
本機械手能夠在工業空間實驗室內在類似于地球海平面的大氣條件下工作，也能夠在工業空間實驗室外表面上在空間高真空、輻射線、原子氧、隕塵轟擊的環境內工作和在極限溫度下工作。本機械手能夠在從工業空間實驗室內或地面站的遙控下工作。本發明的機械手盡管其性能由于重力的原因略有降低，但仍能在地面上工作。
由于機械手是用可互換的標準元件構制而成，因而減少了備件庫存量，使機械手易于維修。在托架與機械手的連接結構中只需拆掉一個螺釘就可卸下托架。托架和機械手之間的電氣連接與托架和機械手之間的機械連接可同時形成，不再需要額外的工序。
權利要求
1.一種可重新組合的活節式機械手，機械手具有若干相互連接的構件(20、22、26、28、20′、22′、26′、28′)用以使活節式機械手具有充分活動自由度的致動系統(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)和用以操縱致動系統動作的控制器(32、34、36、38、42、44、46、48、32′、34′、36′、38′、42′、44′、46′、48′)。機械手的特征是致動系統具有若干致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)，各致動器由各構件(20、22、26、28、22′、26′、28′)連接，各致動器具有一個自由度，各致動器(32、34、36、38、42、44、46、48、32′、34′、36′、38′、42′、44′、46′、48′)裝在各構件(26、28、26′、28′)中，用以控制各制動器的動作，并對至少一個根據操作任務選定的致動器分別進行控制，從而構成適用于該項任務的機械手。
2.權利要求1所述機械手，其特征是致動系統具有8個致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)，對至少兩個根據操作任務選定的致動器分別進行控制，從而構成適用于該項任務的機械手。
3.權利要求1或2所述機械手，其特征是在各構件中包括用以設置各致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)的托架(20、20′)。
4.權利要求3所述機械手，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換。
5.權利要求3或4所述機械手，其特征是在各構件中包括與托架(20、20′)連接的桿件(26、28、26′、28′、)。
6.權利要求5所述機械手，其特征是各托架(20、20′)借助于只需一個緊固件的接頭與桿件(26、28、26′、28′)相連接。
7.權利要求6所述機械手，其特征是接頭使托架(20、20′)和桿件(26、28、26′、28′)彼此作滑動接合，并用止動凸片(56)和緊固件(60)鎖住滑動接合。
8.權利要求5～7中任一項所述機械手，其特征是托架(20、20′)可使桿件(26、28、26′、28′)轉動135°。
9.以上任一權利要求所述機械手，其特征是各致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)裝有軸件絕對編碼器(50、50′)用以指示相應致動器軸件的方位。
10.以上任一權利要求所述機械手，其特征是各致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)為步進式致動器。
11.以上任一權利要求所述機械手，其特征是各控制器具有用以接收控制指今的若干接口裝置(42、44、46、48、42′、44′、46′、48′)和若干驅動裝置(32、34、36、38、32′、34′、36′、38′)，各驅動裝置對相應接口裝置作出響應而發出操作相應致動器(12、14、16、18、12′、14′、16′、18′)的信號。
12.權利要求11所述機械手，其特征是對各接口裝置(42、44、46、48、42′、44′、46′、48′)可分別進行編址，使驅動裝置(32、34、36、38、32′、34′、36′、38′)對各接口裝置作出響應而分別受到控制。
13.以上任一權利要求所述機械手，其特征是具有兩個聯軸節(22、22′)，裝在機械手的兩端。
14.權利要求13所述機械手，其特征是兩個聯軸節(22、22′)基本上是相同的。
15.權利要求13或14所述機械手，其特征是具有一連接裝置(72)，用以將一機械手的一個聯軸節(22)連接到另一機械手的一個聯軸節(22)上，此連接裝置(72)使連接后兩機械手的控制器也相互連接起來。
全文摘要
一種由若干個各具有一個自由度的致動器組成的可重新組合的機械手。機械元件將若干個致動器連接在一起，控制回路接收用于控制多個致動器工作的各個指令，致動器的數目和與之相應的自由度的數目大于執行不同任務所需的自由度，根據執行的任務選擇至少一個致動器在執行該項任務期間加以固定，或分別加以控制，借此構制成用于該項任務的機械手，并簡化了實現機械手適時控制的幾何構形。
文檔編號B25J9/06GK1038964SQ8910426
公開日1990年1月24日 申請日期1989年6月12日 優先權日1988年6月13日
發明者哈伯特·艾瓦得·弗里, 弗朗克·維廉姆·考波, 哈雷·尼克萊斯·安德維思, 吉斯費·里查德·哈伯格 申請人:西屋電氣公司