用于模拟机作动筒更换的机械手臂车.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010756757.9 (22)申请日 2020.07.31 (71)申请人 中航大(天津)模拟机工程技术有限 公司 地址 300384 天津市滨海新区华苑产业区 华天道3号综合楼A区516单元 （入驻创 新服务公司） (72)发明人 吴斯迈 (74)专利代理机构 天津盛理知识产权代理有限 公司 12209 代理人 李晶 (51)Int.Cl. B25J 5/00(2006.01) (54)发明名称 一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车 (57)摘要 本发明涉及一种用于模拟。

2、机作动筒更换的 机械手臂车， 其特征在于： 由手臂车本体及控制 单元构成， 所述的手臂车本体包括底盘以及安装 于底盘上端的机械臂， 所述的控制单元包括遥控 手柄， 安装于底盘上的底盘控制机构以及安装于 机械臂上的机械臂控制机构。 本发明具有方便装 卸、 安全可靠、 提高更换效率、 省时省力、 优化工 作环境、 降低更换成本、 易于实现的优点。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 111775135 A 2020.10.16 CN 111775135 A 1.一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 由手臂车本体及控制单元 构成， 所述的手臂车本体包括底盘以及安装于底盘上端的。

3、机械臂， 所述的控制单元包括遥 控手柄， 安装于底盘上的底盘控制机构以及安装于机械臂上的机械臂控制机构； 所述的遥控手柄由主控制板、 电池组、 LCD显示屏、 手柄按键及红外信号发射模块构成， 在主控板的输入端上分别连接有手柄按键及电池组， 在主控板的输出端上分别连接有LCD 显示屏及红外信号发射模块； 所述的底盘控制机构由红外信号接收模块、 PC控制模块、 运动执行模块、 限位器、 安全 控制模块、 PCR雷达、 驱动电源模块及电源转换模块构成， 所述的红外信号接收模块与遥控 手柄的红外信号发射模块信号连接， 红外信号接收模块的输出端与PC控制模块的输入端连 接， 驱动电源模块的输出端分别连。

4、接红外信号接收模块、 运动执行模块、 PC控制模块、 安全 控制模块、 PCR雷达以及电源转换模块， 所述的PC控制模块分别与运动执行模块及安全控制 模块双向连接， 在运动执行模块上连接有限位器， 在安全控制模块上连接有PCR雷达； 所述的机械臂控制机构由PLC控制模块、 编码器、 伺服电机、 减速器、 安全控制模块、 限 位器、 压力传感器、 超声波传感器、 双线圈二位电磁阀及驱动电源模块构成， 所述的PLC控制 模块与底盘控制机构的PC控制模块连接， 在PLC控制模块的输入端上分别连接有压力传感 器、 超声波传感器及驱动电源模块， 该驱动电源模块与底盘控制机构内的电源转换模块连 接， 在驱。

5、动电源模块的输出端上分别连接编码器、 减速器、 伺服电机、 安全控制模块、 压力传 感器及超声波传感器， 所述的安全控制模块、 编码器、 减速器及双线圈二位电磁阀均与PLC 控制模块双向连接， 在编码器的输入端上连接有伺服电机， 该伺服电机与减速器相连， 在所 述的安全控制模块上连接有限位器。 2.根据权利要求1所述的一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 所述 的机械臂为七个自由度的机械臂。 3.根据权利要求1所述的一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 所述 的手臂车本体还包括液压支撑柱， 在所述底盘的底部四角处安装有液压支撑柱。 4.根据权利要求1所述的一种用。

6、于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 在所 述的红外信号发射模块为波长为940nm的红外发射管。 5.根据权利要求1所述的一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 所述 的红外信号接收模块为红外信号接收器， 在该红外信号接收器上设置有滤光片， 在滤光片 的外部设置有遮光罩。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111775135 A 2 一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车 技术领域 0001 本发明属于航空航天技术领域， 涉及一种用于模拟机作动筒的安装和拆卸装置， 特别是一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车。 背景技术 0002 模拟机作动筒是模拟机极其重要的组成部分， 。

7、它是模拟机的基座， 支撑着整台模 拟机的重量， 更是运动系统模拟真实飞行中各种姿态、 各种颠簸和震动必不可少的配件。 重 达十几吨的模拟机全部由六根作动筒支撑， 通俗地讲这就是模拟机的六条腿， 它们驱动着 驾驶舱完成六个自由度的运动。 任意一根作动筒发生故障都会影响正常的飞行训练， 造成 不适航， 严重的话就会直接导致模拟机停飞。 0003 作动筒出现故障时， 往往会在第一时间对其进行更换， 完成更换工作的效率影响 着公司的效益和机组必要的飞行训练， 而更换模拟机作动筒却并非想象中的那么容易。 长 达3米， 重量近1吨的作动筒并不是三两个人就能轻易拆卸或安装的， 而且由于模拟机由六 根作动筒同。

8、时支撑， 在拆卸前要先安装辅助作动筒进行支撑。 此外， 在更换作动筒的操作 中， 最困难的是将模拟机和作动筒之间的定位销精准地装入连接处， 如果稍有偏差， 那么就 无法安装到指定位置， 而且其中的垫片在安装中稍有滑动发生错位， 那么销子更是无法安 装到位的。 0004 在更换作动筒的工作中， 一般都是叉车用吊装带吊装作动筒。 为了防止作动筒的 滑落和移动造成设备的损坏和人员的伤害， 吊装带的捆绑方式和作动筒重心的把控显得尤 为重要， 而且叉车很容易在起吊过程中碰撞模拟机底部， 所以吊装过程费时费力。 既需要叉 车司机的精准操控， 又需要有人员从多角度进行观察并给出正确的指挥， 同时还要有人员 。

9、去拉住作动筒使其不发生大的位移。 此外， 工作过程中叉车作为工程车辆有很大的噪音和 尾气污染， 而且由于叉车只能进行垂直方向的运动且叉车司机视线不好， 作动筒很容易发 生的滑落和侧移， 从而导致设备的损坏和人员的伤害， 每次雇佣叉车和叉车司机的成本也 高达数千元。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种结构设计科学合理， 方便装卸、 安全可靠、 提高更换效 率、 省时省力、 优化工作环境、 降低更换成本、 易于实现的用于模拟机作动筒更换的机械手 臂车。 0006 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的： 0007 一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其特征在于： 由手臂车本体及。

10、控制单 元构成， 所述的手臂车本体包括底盘以及安装于底盘上端的机械臂， 所述的控制单元包括 遥控手柄， 安装于底盘上的底盘控制机构以及安装于机械臂上的机械臂控制机构； 0008 所述的遥控手柄由主控制板、 电池组、 LCD显示屏、 手柄按键及红外信号发射模块 构成， 在主控板的输入端上分别连接有手柄按键及电池组， 在主控板的输出端上分别连接 说明书 1/5 页 3 CN 111775135 A 3 有LCD显示屏及红外信号发射模块； 0009 所述的底盘控制机构由红外信号接收模块、 PC控制模块、 运动执行模块、 限位器、 安全控制模块、 PCR雷达、 驱动电源模块及电源转换模块构成， 所述的。

11、红外信号接收模块与 遥控手柄的红外信号发射模块信号连接， 红外信号接收模块的输出端与PC控制模块的输入 端连接， 驱动电源模块的输出端分别连接红外信号接收模块、 运动执行模块、 PC控制模块、 安全控制模块、 PCR雷达以及电源转换模块， 所述的PC控制模块分别与运动执行模块及安全 控制模块双向连接， 在运动执行模块上连接有限位器， 在安全控制模块上连接有PCR雷达； 0010 所述的机械臂控制机构由PLC控制模块、 编码器、 伺服电机、 减速器、 安全控制模 块、 限位器、 压力传感器、 超声波传感器、 双线圈二位电磁阀及驱动电源模块构成， 所述的 PLC控制模块与底盘控制机构的PC控制模块。

12、连接， 在PLC控制模块的输入端上分别连接有压 力传感器、 超声波传感器及驱动电源模块， 该驱动电源模块与底盘控制机构内的电源转换 模块连接， 在驱动电源模块的输出端上分别连接编码器、 减速器、 伺服电机、 安全控制模块、 压力传感器及超声波传感器， 所述的安全控制模块、 编码器、 减速器及双线圈二位电磁阀均 与PLC控制模块双向连接， 在编码器的输入端上连接有伺服电机， 该伺服电机与减速器相 连， 在所述的安全控制模块上连接有限位器。 0011 而且， 所述的机械臂为七个自由度的机械臂。 0012 而且， 所述的手臂车本体还包括液压支撑柱， 在所述底盘的底部四角处安装有液 压支撑柱。 001。

13、3 而且， 在所述的红外信号发射模块为波长为940nm的红外发射管， 0014 而且， 所述的红外信号接收模块为红外信号接收器， 在该红外信号接收器上设置 有滤光片， 在滤光片的外部设置有遮光罩。 0015 本发明的优点和有益效果为： 0016 1、 本用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 利用机械手臂车对作动筒实现抓取和 转动， 可以更快捷方便地完成模拟机作动筒的搬运、 入位和定位销安装等工作， 以更高效的 方式使作动筒准确入位， 从而大大缩短更换时间。 既降低了叉车的噪声损害和尾气污染， 又 降低了人员发生意外的概率。 在降低现有模拟机维护成本的同时， 增加了作动筒更换的可 靠性、 安全性和。

14、快速性。 0017 2、 本用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 通过采用具有7个自由度的机械臂， 使 其在工作时具有很高的灵活性， 在更换作动筒的工作中， 能够在较为狭窄的空间内进行作 业， 同时可以很高效地抓取和放置作动筒， 而且其灵活性使得作动筒的位置调整变得容易， 从而使模拟机和作动筒之间的定位销能够更精准快速地装入连接处， 并与垫片相结合， 这 使得作动筒安装到位的效率大大提升。 与此同时， 本发明能够在故障作动筒的拆卸、 转移和 新作动筒的拿取， 以及辅助作动筒的安装、 搬移、 拆卸等过程中大大减少无用功， 很大程度 上节省了人力成本和时间成本， 降低了对飞行训练的影响， 减少了企业。

15、的必要成本。 0018 3、 本用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 解决了叉车司机因视线不好影响吊装 效率和安全的问题， 机械手臂车的操控人员拥有更开阔的视野， 同时若干的传感器模块也 使得作动筒的更换工作具有更高的安全性。 此外， 由于机械手臂车使用电力为驱动能源， 更 加的符合当下国家所提倡的环保理念， 也减少了对维护人员身体上的伤害。 0019 4、 本发明通过摇杆遥控机械手臂车， 大大降低了人员对设备的操控难度， 使得维 说明书 2/5 页 4 CN 111775135 A 4 护人员更容易学习和掌握具体的操作方法， 而且更易于大家普遍掌握该项技能， 以达到不 会因为缺少专业性人才而影。

16、响工作进程的效果。 附图说明 0020 图1是本发明的结构示意图(省略液压驱动机构及液压支撑柱)； 0021 图2是本发明的电路原理方框图； 0022 图3是本发明机械手臂的七自由度的原理示意图( 1 7代表各相应关节的旋转 角度， 0表示机械臂的基座位置， 7表示机械臂的末端位置)。 0023 附图标记说明： 0024 1-机械臂、 2-底盘。 具体实施方式 0025 下面通过具体实施例对本发明作进一步详述， 以下实施例只是描述性的， 不是限 定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。 0026 一种用于模拟机作动筒更换的机械手臂车， 其创新之处在于： 由手臂车本体及控 制单元构成， 所述的手。

17、臂车本体包括底盘2以及安装于底盘上端的机械臂1， 所述的控制单 元包括遥控手柄， 安装于底盘上的底盘控制机构以及安装于机械臂上的机械臂控制机构； 0027 所述的遥控手柄由主控制板、 电池组、 LCD显示屏、 手柄按键及红外信号发射模块 构成， 在主控板的输入端上分别连接有手柄按键及电池组， 在主控板的输出端上分别连接 有LCD显示屏及红外信号发射模块； 0028 所述的底盘控制机构由红外信号接收模块、 PC控制模块、 运动执行模块、 限位器、 安全控制模块、 PCR雷达、 驱动电源模块及电源转换模块构成， 所述的红外信号接收模块与 遥控手柄的红外信号发射模块信号连接， 红外信号接收模块的输出。

18、端与PC控制模块的输入 端连接， 驱动电源模块的输出端分别连接红外信号接收模块、 运动执行模块、 PC控制模块、 安全控制模块、 PCR雷达以及电源转换模块， 所述的PC控制模块分别与运动执行模块及安全 控制模块双向连接， 在运动执行模块上连接有限位器， 在安全控制模块上连接有PCR雷达； 0029 所述的机械臂控制机构由PLC控制模块、 编码器、 伺服电机、 减速器、 安全控制模 块、 限位器、 压力传感器、 超声波传感器、 双线圈二位电磁阀及驱动电源模块构成， 所述的 PLC控制模块与底盘控制机构的PC控制模块连接， 在PLC控制模块的输入端上分别连接有压 力传感器、 超声波传感器及驱动电。

19、源模块， 该驱动电源模块与底盘控制机构内的电源转换 模块连接， 在驱动电源模块的输出端上分别连接编码器、 减速器、 伺服电机、 安全控制模块、 压力传感器及超声波传感器， 所述的安全控制模块、 编码器、 减速器及双线圈二位电磁阀均 与PLC控制模块双向连接， 在编码器的输入端上连接有伺服电机， 该伺服电机与减速器相 连， 在所述的安全控制模块上连接有限位器。 0030 本用于更换模拟机作动筒的机械手臂车的机械手臂采用现有的7个自由度的机械 臂， 它模仿了人的手臂， 不但提供了空间x、 y、 z三个直角坐标轴方向的直线运动自由度(三 维位置)和绕坐标轴的转动自由度(三维旋转)这6个自由度， 而且。

20、增加了一个自由度以解决 空间中无法在保持末端机构的三维位置不变的情况下从一个构型变换到另一个构型的问 题。 说明书 3/5 页 5 CN 111775135 A 5 0031 为了使机械手臂能够灵活转动， 这里的机械臂关节采用由现有的动力型旋转关节 组成的结构， 类似于人类的手臂， 将每一个关节处用转轴和齿轮组合而成， 通过无刷直流伺 服电机驱动减速器再驱动转轴和齿轮进行运动， 从而实现关节的转动， 臂部各相邻部件的 相对角位移为运动坐标。 而关节与关节之间的协同运动则是通过链条进行传动， 由机械手 臂底部关节处的伺服电机最先接收驱动信号开始运动， 进而带动其他关节上齿轮和转轴进 行转动， 各。

21、关节中的无刷直流伺服电机在接收到各自的控制信号后， 将控制结果再实时反 馈给其他关节， 从而实现整体的协调运动。 此外， 考虑到机械手臂抓取作动筒时仅靠电力驱 动会造成驱动力不足的情况， 可以参考现有作业车的机械臂， 在各关节之间增加液压驱动 机构， 该液压驱动机构由液动机(油缸、 油马达)、 伺服阀、 油泵、 油箱等组成驱动系统， 以电 液混动的方式驱动执行机构进行工作。 0032 机械手臂的夹紧、 松开和转动通过PLC控制模块进行控制。 PLC控制模块接收来自 外部的输入信号(包括启动、 停机、 限位指令、 传感器信号指令等)， 并控制双线圈二位电磁 阀来控制机械手臂的夹紧和松开， 控制无。

22、刷直流伺服电机来控制机械手臂的转动。 在机械 手臂的末端执行机构安装有压力传感器和超声波传感器， 压力传感器模块实时监测当前机 械手臂末端执行机构的压力并向PLC控制模块反馈压力信号， 超声波传感器实时测定末端 执行机构到物体距离的变化量并向PLC控制模块反馈距离信号， 此时PLC控制模块根据接收 的两种信号进行处理， 而后对机械手发出夹紧或松开的相应控制信号。 当物体出现被挤压 和滑落的情况时， 末端执行机构的传感器在及时反馈信号后， PLC控制模块发出控制指令， 限位器会立即对机械手臂的动作进行限制， 同时传感器发出报警提示操作人员当前运动已 经超限， 存在安全隐患。 此外， 机械手臂的外。

23、部也安装了多组传感器探测模块， 目的是实时 监测机械手臂当前的位置， 以免在工作中与模拟机发生磕碰， 造成不必要的经济损失。 0033 机械手臂以小车底盘为载体， 小车底盘具有足够的配重以防止发生机械手臂在抓 取重物时造成重心偏移的情况， 车轮采用工程用车辆车轮， 以重型工程车辆的车桥为连接 杆， 以足够承受机械手臂车和作动筒的总重量， 避免在抓取重物时出现车桥断裂的情况。 为 了保持好底盘的重心， 底盘四周共装有四个液压支撑柱(左右对称放置各两个)， 它们可以 增大底盘整体的受力面积， 更利于底盘的稳定。 出于安全考虑， 底盘四周装有PCR雷达传感 器和红外传感器， 这两种传感器实际监测小车。

24、周围环境情况， 当出现障碍物或人员经过时， 传感器将会第一时间发出报警并将信号反馈给安全控制模块， 从而停止当前存在危害的运 动。 用于更换作动筒的机械手臂车以交流电为动力来源， 一方面直接为小车底盘驱动进行 供能， 另一方面利用驱动电源模块将输入的交流电转换成直流电提供给机械手臂的无刷直 流伺服电机。 以清洁能源和可再生能源的电力为驱动源， 既利于环境保护， 又防止了在场工 作人员对有害气体吸入和传统柴油机严重噪音对其造成的损伤。 0034 用于更换模拟机作动筒的机械手臂车由操作人员通过手柄进行遥控， 通过手柄上 的红外发射器发出控制信号， 而后由小车底盘上的红外接收器接收控制信号， 从而实。

25、现遥 控。 同时小车上也安装有红外发射器， 这样设计是为了小车底盘和机械手臂的超限等安全 警告信号能够在操作手柄上得以显示， 从而第一时间对操作人员发出警告提示。 0035 尽管模拟机作动筒的更换一般安排在飞行训练较少的夜间， 但考虑到白天更换作 动筒时日光的影响， 特使用抗光干扰能力强的红外接收头。 由于红外接收头的最佳接收波 长是940nm， 这里使用940nm波长的红外发射管作为小车和遥控手柄的红外发射器， 同时在 说明书 4/5 页 6 CN 111775135 A 6 发射端加载38kHz的载波频率。 为了红外接收器能够更好地接收红外信号而不因强烈的日 光造成饱和， 故在红外接收器加。

26、装遮光罩， 避免阳光直射红外接收头， 以及加装滤光片以滤 除多余光线， 从而实现只接收波长在940nm左右的光波。 这样大大增加了遥控手柄与机械手 臂车之间控制信号和反馈信号传递和交互的可靠性。 0036 为防止非专业人员误触遥控手柄， 特在遥控手柄上设置密码激活的运行方式， 当 且仅当密码录入正确后方可操纵机械手臂车， 同时在进入密码输入界面前也会发出非专业 人员请勿操作的安全提示， 以此进一步确保模拟机作动筒更换工作中的安全性。 0037 遥控机械手臂车的遥控手柄分成左中右三个区域， 左边区域有一个独立的摇杆， 它负责对小车底盘的运动方向进行控制， 在其下方还分别设置了一个黄色的锁定按钮和。

27、一 个红色的急停按钮。 锁定按钮是用来锁定小车底盘运动的， 当操控人员将小车底盘遥控至 指定位置后， 将不需要小车底盘再移动， 为了防止误操作碰到摇杆所以要设置锁定键来锁 定小车底盘的当前状态。 急停按钮是用来紧急停止小车底盘当前运动的， 这是出于在紧急 情况下小车底盘未能准确探知或反馈危险信号的考虑， 为了安全， 操作人员可以在第一时 间停止小车的一切运动， 以免发生事故。 遥控手柄的中间区域是显示屏和数字按键， 通过显 示屏可以显示机械手臂车的当前状态， 以及与传感器模块同步的报警信号， 这样可以更好 的帮助操控人员把控对机械手臂和小车底盘的实时控制。 数字键不仅用来输入激活手柄工 作的密。

28、码， 还可以选择其中的预设指令， 这样能够方便操控人员的操纵， 降低操作难度。 中 间区域还设置有遥控手柄的开关， 它可以一键启动遥控手柄， 并同时激活遥控手柄与机械 手臂车之间的通信， 进入初始工作状态； 在工作结束后， 它也可以断开遥控手柄与机械手臂 车的通信， 关闭遥控手柄。 右边区域的设计与左边区域类似， 有一个独立的摇杆， 它负责对 机械手臂的运动方向进行控制， 在其下方同样分别设置了一个黄色的锁定按钮和一个红色 的急停按钮。 锁定按钮是用来锁定机械手臂运动的， 当操控人员将机械手臂遥控至指定位 置后， 将不需要其再移动， 为了防止误操作碰到摇杆所以要设置锁定键来锁定机械手臂的 当前。

29、状态。 急停按钮是用来紧急停止机械手臂当前运动的， 这是出于在紧急情况下机械手 臂上的传感器模块未能准确探知或反馈危险信号的考虑， 为了安全， 操作人员可以在第一 时间停止机械手臂的一切运动， 以免发生事故。 0038 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图， 但是本领域的技术人员可以理 解： 在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内， 各种替换、 变化和修改都是可能的， 因此， 本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。 说明书 5/5 页 7 CN 111775135 A 7 图1 说明书附图 1/2 页 8 CN 111775135 A 8 图2 图3 说明书附图 2/2 页 9 CN 111775135 A 9 。