一种手柄操作装置及机器人

技术领域

本发明涉及一种手柄操作装置，尤其涉及一种机器人的手柄操作装置。

背景技术

多功能机械手例如抓件、打磨、码垛等对机械手末端的定位精度相对于工程机械而言要求较高，并且机械结构通常由回转底座、垂直臂和水平臂构成。操作人员通过操作手柄就可以实现将重型货物抓取或堆放，从而极大的降低人工的劳动强度。通常多功能机械手会采用双手柄操作方式，把各个运动轴的控制分布到两个手柄不同的电位器和开关按键上。双手操作需要操作人员的两只手一直握着手柄，操作不够简便而且也不利于在紧急状态下采取急停措施。另外，这种双手柄操作方式大都应用于速度控制模式，机械臂末端的定位精度无法保证。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中双手柄操作不便、不利于紧急情况制动的问题，提供一种单手柄操作装置。

一种手柄操作装置，包括：手柄、手臂放置座、第一连动机构、第二连动机构、第三连动机构和支架，所述第二连动机构与所述第三连动机构设置在所述支架上；所述第一连动机构包括连接轴和第一编码器；所述第二连动机构包括第一连杆、第一转盘和第二编码器；所述第三连动机构包括第二连杆、第二转盘和第三编码器；所述连接轴转动设于所述手臂放置座上，所述手臂放置座在长度方向设有贯通空腔，所述连接轴一端与所述手柄连接，另一端穿过所述空腔与所述第一编码器连接；所述第一连杆的第一端和所述第二连杆的第一端分别与所述手臂放置座铰接；所述第一连杆的第二端与所述第一转盘的边缘连接；所述第二编码器与所述第一转盘转动连接；所述第二连杆的第二端与所述第二转盘的中心固定连接，所述第三编码器与所述第二转盘转动连接；所述手柄沿所述连接轴轴线转动时驱动所述第一编码器转动；所述手柄驱动所述手臂放置座沿所述第二连杆和所述手臂放置座的铰接点转动时带动所述第二编码器转动；所述手柄驱动所述手臂放置座前后动作时带动所述第三编码器和/或所述第二编码器转动。

在其中一实施例中，所述第一转盘与所述第二转盘外轮廓尺寸相同且同轴设置。

在其中一实施例中，所述第一连动机构还包括复位组件，所述复位组件设置于所述手臂放置座空腔内且所述连接轴穿过所述复位组件与所述第一编码器连接；当所述手柄旋转到位，第一编码器执行命令结束后，松手后手柄通过复位组件可自动复位。

在其中一实施例中，所述手柄上设有按钮组件。

在其中一实施例中，所述第二连动机构还包括第一伺服电机和第一齿轮片，所述第一伺服电机固定安装在所述支架上，所述第一伺服电机的输出轴通过传送带与所述第一转盘驱动连接；所述按钮组件与所述第一伺服电机电连接；所述第一齿轮片固定安装在所述第一转盘上且轮齿凸出所述第一转盘的边缘，所述第二编码器与所述第一齿轮片啮合连接。

在其中一实施例中，所述第二连动机构还包括张紧轮，所述张紧轮位于所述第一伺服电机与所述第二转盘之间，所述张紧轮匹配所述传送带且安装在所述安装支架上，用于所述传送带的张紧。

在其中一实施例中，所述第三连动机构还包括第二伺服电机和第二齿轮片，所述第二伺服电机固定安装在所述支架上，所述第二伺服电机的输出轴通过传送带与所述第二转盘驱动连接；所述按钮组件与所述第二伺服电机电连接；所述第三连动机构还设置有第二齿轮片，所述第二齿轮片固定安装在所述第二转盘上且轮齿凸出所述第二转盘的边缘，所述第三编码器与所述第二齿轮片啮合连接。

在其中一实施例中，所述第三连动机构还包括张紧轮，所述张紧轮位于所述第二伺服电机与所述第二转盘之间，所述张紧轮匹配所述传送带且安装在所述支架上，用于所述传送带的张紧；最优的，所述第二转盘和所述张紧轮是带轮或链轮；所述传送带是皮带或链条。

在其中一实施例中，所述第一连杆与所述第二连杆长度相同。

一种机器人，包括上述所述的手柄操作装置。

一种手柄操作装置，通过单手操作手柄就可实现三个维度的动作，进而实现三个编码器的动作，操作简单且准确性高。不仅解决了双手操作的问题，而且通过编码器传输信号进一步提供数据传输的准确性，有利于提高机器人操作的准确性。

附图说明

图1为手柄操作机构的整体结构示意图；

图2为手柄操作机构的两转盘同轴设置的结构示意图；

图3为第二连动机构的结构示意图；

图4为第三连动机构的结构示意图；

图5为手柄操作机构初始位置的结构示意图；

图6为图5运动状态下的机器人运动示意图；

图7为手柄操作机构前后运动的结构示意图；

图8为图7运动状态下的机器人运动示意图；

图9为手柄操作机构沿铰接点上下运动的结构示意图；

图10为图9运动状态下的机器人运动示意图；

附图中：

10-手柄，20-手臂放置座，30-第一连动机构，40-第二连动机构，5-第三连动机构，60-支架；

101-操作钮，301-连接轴，302-第一编码器，303-复位组件，401-第一连杆，402-第一转盘，403-第二编码器，404-第一伺服电机，405-第一齿轮片，406-第一传送带，407-第一张紧轮，501-第二连杆，502-第二转盘，503-第三编码器，504-第二伺服电机，505-第二齿轮片，506-第二传送带，507-第二张紧轮；

100-机器人旋转底座，200-第一机械臂，300-第二机械臂。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“底端”、“顶端”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一实施方式中，一种手柄操作装置，包括：手柄、手臂放置座、第一连动机构、第二连动机构、第三连动机构和支架，所述第二连动机构与所述第三连动机构设置在所述支架上；所述第一连动机构包括连接轴和第一编码器；所述第二连动机构包括第一连杆、第一转盘和第二编码器；所述第三连动机构包括第二连杆、第二转盘和第三编码器；所述连接轴转动设于所述手臂放置座上，所述手臂放置座在长度方向设有贯通空腔，所述连接轴一端与所述手柄连接，另一端穿过所述空腔与所述第一编码器连接；所述第一连杆的第一端和所述第二连杆的第一端分别与所述手臂放置座铰接；所述第一连杆的第二端与所述第一转盘的边缘连接；所述第二编码器与所述第一转盘转动连接；所述第二连杆的第二端与所述第二转盘的中心固定连接，所述第三编码器与所述第二转盘转动连接；所述手柄沿所述连接轴轴线转动时驱动所述第一编码器转动；所述手柄驱动所述手臂放置座沿所述第二连杆和所述手臂放置座的铰接点转动时带动所述第二编码器转动；所述手柄驱动所述手臂放置座前后动作时带动所述第三编码器和/或所述第二编码器转动。

上述操作手柄装置，通过旋转手柄可以实现第一编码器的旋转；通过前后运动可实现第二编码器的旋转；通过沿第二连杆与手臂放置座的铰接点上下摆动实现第三编码器的旋转。单手操作单个手柄，实现3个维度的动作，不仅可活动的自由度多，而且操作简单方便。解决了双手操作出现紧急情况下不能及时制动或急停的问题，安全性更高。

下面结合具体实施例对所述操作手柄装置和机器人进行说明，以进一步理解所述操作手柄装置和机器人的构思，请参阅图1，一种手柄操作装置，包括：手柄10、手臂放置座20、第一连动机构30、第二连动机构40、第三连动机构50和支架60，第二连动机构和第三连动机构平行设置且安装在支架上。第一连动机构包括连接轴301和第一编码器302；第二连动机构包括第一连杆401、第一转盘402和第二编码器403；第三连动机构包括第二连杆501、第二转盘502和第三编码器503。连接轴转动设于手臂放置座上。具体的，手臂放置座20在其长度方向设有贯通的空腔，连接轴301一端与手柄10固定连接，另一端穿过手臂放置座的空腔与第一编码器连接。这样，沿连接轴轴线方向旋转手柄就可带动第一编码器转动。进一步的，第一连杆401的第一端和第二连杆501的第一端分别与手臂放置座20的底部铰接。第一连杆401的第二端与第一转盘402的边缘连接；第二编码器与第一转盘转动连接。第二连杆501的第二端与第二转盘502的中心固定连接，第三编码器与第二转盘转动连接。需要说明的是，第一转盘与第二转盘的中心与支架转动连接，可采用轴承与轴进行连接。第二编码器和第三编码器也固定安装在支架上。

这样，手臂放置在手臂放置座上，右手握住手柄驱动手臂放置座沿靠近手柄一端的铰接点(第二连杆和手臂放置座的铰接点)上下摆动时，由于第二连杆与第二转盘的中心连接，所以此时只有第一连杆会带动第一转盘转动，随之第二编码器转动。当手柄驱动手臂放置座前后动作时，此时由于第二连杆与第二转盘固定连接，此时第二连杆会在手臂放置座的带动第三编码器转动。需要说明的是，如果第一连杆与第一转盘铰接，手臂放置座前后运行时，第一转盘不会随第一连杆的运动而转动，第二编码器也不会转动。如果第一连杆与所述第一转盘固定连接，手臂放置座前后运行时，第一转盘就会随第一连杆的运动而转动，随之第二编码器会转动。

需要说明的是，编码器和其对应的转盘的转动方式可以采用齿轮啮合转动，链轮、链条传动，或皮带、带轮传动。最优的，采用齿轮啮合传动。

在一实施例中，第一编码器可以与机器人的旋转底座通过程序控制电连接；第二编码器与机器人的一个操作臂通过程序控制电连接；第三编码器与机器人的另一个操作臂通过程序控制电连接，这样当编码器转动时将对应的数据信息传递到控制程序中，就可以控制机器人的底座以及机械臂进行转动。为了提高操作人员的手壁在手臂放置座上舒适度，在手臂放置座的上表面可铺设一层柔性材料，如海绵垫、橡胶垫等。

为了减小手柄操作装置的整体体积，使得结构更为紧凑，安装更为简单，第一转盘与第二转盘外轮廓尺寸相同且同轴设置。

请参照附图2，一实施例中，为了使得手柄转动后可以自动回到初始位置，第一连动机构30还包括复位组件303。复位组件固定安装在手臂放置座的空腔内，连接轴一端与手柄连接，另一端穿过复位组件与第一编码器连接。复位组件内可设扭簧，当手柄转动时，扭簧受到扭力产生反弹力，当所述手柄旋转到位，第一编码器执行命令结束后，松手后手柄通过复位组件的反弹力可使手柄连同连接轴回复原位，无需人工再次操作，简化步骤且提高操作效率。

再参照附图2，一实施例中，手柄10上设置按钮组件。按钮组件包括功能按钮和操作钮101。具体的，在手柄面对操作人员的位置上设置功能按钮，这些按钮通过电气系统进行连接控制。当机器人的机械臂移动至指定后，可通过按压对应的功能按钮进行工件的夹持、打磨或搬运。在功能按钮的背面上设置操作钮101。

在一实施例中，由于手工操作可能会出现用力过猛或用力太小的情况，出现运行速度不稳定的问题。为了使得手柄驱动连杆时，第二编码器的转动平稳匀速。参照附图3所示，第二连动机构40还包括第一伺服电机404和第一齿轮片405。第一伺服电机固定安装在支架上，其输出轴上安装驱动轮。驱动轮与第一转盘通过传送带406连接，即驱动轮与第一转盘通过传送带联动。进一步的，第一齿轮片405匹配第二编码器并固定安装在第一转盘上且其轮齿凸出第二转盘的边缘，第二编码器通过其编码器齿轮与第一齿轮片啮合。手柄上操作钮101与第一伺服电机电连接，操作钮作为第一伺服电机的使能键，即作为伺服电机通电、断电的开关。

具体工作如下：手柄驱动手臂放置座沿第二连杆与手臂放置座的铰接点上下摆动的同时按压操作钮101，第一伺服电机进入使能状态(可以理解为通电状态)。此时第一连杆在手臂放置座的运动下带动第一转盘转动，第二编码器也随之转动。由于第一伺服电机与第一转盘采用传送带连接是软连接，而第二编码器与第一转盘是齿啮合的硬连接，所以当手柄驱动第一连杆运动时，第二编码器先于第一伺服电机动作，此时第二编码器可输出一定量的位置增量信号，该信号作为第一伺服电机的位置增量给定(驱动第一伺服电机转动)，此时第一伺服电机会带动第一转盘转动。当手臂驱动力很大时，第一伺服电机可以起到反作用力，即相对第一转盘的转动做出相反的转向，通过反向扭矩防止第一转盘转动过快。当编码器执行命令结束后，松开手柄上的操作钮101，此时连杆及转盘保持当前位置、姿态不动，如要继续操作，则继续操作手柄及操作钮即可。伺服电机的使用既能保证第二编码器的转动匀速，避免与第二编码器连接的部件出现动作过快的问题；又可以保持连杆的姿态。需要说明的是，第一转盘可以是带轮或链轮；传送带对应可以设置为皮带或链条。第一齿轮片可以设置为扇形，避免大面积设置，实现编码器转动的同时成本较低、安装空间小。

在一实施例中，为了避免传送带长时间运转出现松弛影响传动效率，第二连动机构还包括第一张紧轮407。第一张紧轮位于第一伺服电机与第一转盘之间，且其匹配传送带转动安装在支架上，用于传送带的张紧。进一步的，第一张紧轮可以位于传送带内侧往外拉伸传送带张紧，也可以设置在传送带外侧往内压紧进行传送带的张紧。需要说明的是，张紧轮匹配传送带进行设置，可以设置为转辊、带轮或链轮。

参照附图4，在一实施例中，由于手工操作可能会出现用力过猛或用力太小的情况，出现运行速度不稳定的问题。为了使得手柄驱动连杆时，第三编码器的转动平稳匀速，第三连动机构还包括第二伺服电机504和第二齿轮片505，第二伺服电机固定安装在支架上，其输出轴安装驱动轮，然后通过传送带506与第二转盘驱动连接。第二齿轮片505匹配第三编码器并固定安装在第三转盘上且其轮齿凸出第三转盘的边缘，第三编码器通过其编码器齿轮与第二齿轮片啮合。在手柄上设置操作钮101，操作钮与第二伺服电机电连接。手柄驱动手臂放置座前后运行的同时按压操作钮，第二伺服电机进入使能状。第二连杆在手臂放置座的动作下带动第二转盘转动，第三编码器也随之转动。具体的，第二伺服电机的作用以及操作与第二连动机构相同，此处不再详细描述。

需要说明的是，第二转盘可以是带轮或链轮；传送带对应可以设置为皮带或链条。第二齿轮片和第一齿轮片可设置为相同尺寸。优选的，设置为扇形，实现编码器转动的同时成本较低、占用空间小。

在一实施例中，为了避免传送带长时间运转出现松弛影响传动效率，第三连动机构还包括第二张紧轮507。第二张紧轮位于第二伺服电机与第二转盘之间，且其匹配传送带安装在支架上，用于传送带的张紧。进一步的，第二张紧轮可以位于传送带内侧往外拉伸传送带张紧，也可以设置在传送带外侧往内压紧进行传送带的张紧。需要说明的是，第二张紧轮与第一张紧轮可以设置为相同尺寸或样式。

在一实施例中，最优的，第一连杆与第二连杆等长。这样，当手柄和手臂放置座处于初始位置时，第一连杆与第一转盘的连接点与第二转盘中心之间的连线与手臂放置座平行。此时，连杆的尺寸可以设置最短，手臂放置座动作时，连杆带动转盘的行程最大(转动角度最大)。

在一实施例中，一种机器人，包括上述所有实施例中的手柄操作装置。具体的，参照附图6-10所示，机器人包括依次连接的底座100、第一机械臂200和第二机械臂300。底座和第一编码器电通过程序控制电连接；第一机械臂和第二编码器通过程序控制电连接；第二机械臂和第三编码器通过程序控制电连接。

参照附图5-10所示，分别是手柄处于中位、手柄前推位置及手柄上仰位置的示意图以及对应的机器人手臂动作示意图。

具体操作过程为：操作人员将右手手肘放于手臂放置座上，右手抓手柄，大拇指控制手柄上的操作钮。手柄的回转带动第一编码器转动，第一编码器信号作为机械手底座回转的位置给定信号，与机器人本体的位置反馈信号构成闭环系统，实现机械手底座回转跟随手柄回转转动。

参照附图7-8所示，手柄带动手臂放置座在水平方向上前推或后拉，相应的机器人的第二机械臂实现其与底座连接的部位的左右摆动。具体的，右手抓取手柄带动手臂放置座在水平方向上前推或后拉的同时按压操作钮，此时伺服电机进入使能状态。由于转盘与第二伺服电机通过传送带连接，第三编码器与第二转盘齿轮连接。所以手柄前后动作带动第二连杆转动时，第三编码器先于第二伺服电机转动，这样第三编码器可输出一定量的位置增量信号，该信号作为第二伺服电机的位置增量给定，此时第二伺服电机带动连杆运动。并且第三编码器的输出信号同时作为第二机械臂运动的位置给定信号。实现的效果是当操作人员的手臂向前推或向后拉手柄，第二机械臂跟随手柄的运动而运动。当操作人员目测机械臂的末端到达目标位置时控制手柄停止，此时第三编码器输出的位置信号不再增加，第二伺服电机随之停转，手柄保持当前姿态，第二机械臂即停止在当前姿态。当需要调整第二机械臂的姿态时，继续操作手柄运动即可。若不需要第二机械臂再次动作，松开手柄上的操作钮，伺服电机失能(相当于断电)，连杆的姿态一直保持。需要说明的是，此图中，第一连杆与第一转盘的连接方式为铰接，所以在水平运动过程中，第一转盘不动，即只有第二机械臂运动。

进一步的，参照附图9-10所示，操作手柄沿靠近手柄的铰接点上下摆动时第一机械臂沿其和第二机械臂的连接点上下摆动。具体的，手柄沿靠近其一端的铰接点上下摆动时，由于第二连杆与第二转盘的中心连接，所以此时第二转盘与第三编码器不动，即第二连接臂不动作。第一转盘和第二编码器转动，工作原理与操作手柄前推或后拉的原理相同，此处不再详细描述。

操作手柄回转、前后和上下运动分别对应机器人的底座回转、第二机械臂和第一机械臂的运动。整个操作过程可以连续进行，机器人的机械臂转动跟随操作人员的手臂的动，更符合人机工程学且操作简单。不但人机配合协调，而且只需操作手柄沿三个维度的动作就能实现机器人底座、第一机械臂和第二机械臂的联动。通过底座回转、第一机械臂和第二机械臂的动作，就完全可以实现机器人的功能。并且机器人末端执行装置集成的功能用手柄上的功能按钮进行控制，使得操作更为简单便捷。

本申请中的单手柄操作装置，通过单手操作手柄就可以带动机器人底座和机械臂的运动，从而实现机器人的抓取、打磨、焊接等动作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。