2024年5月16日发(作者：御英光)
(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
CN 108789419 A
(43)申请公布日
2018.11.13
(21)申请号 2.8
(22)申请日 2018.08.06
(71)申请人 王晋
地址 100089 北京市海淀区北京大学中关
园49公寓208号
(72)发明人 王晋 刘祖伦 魏丽
(74)专利代理机构 北京知呱呱知识产权代理有
限公司 11577
代理人 武媛 吕学文
(51).
B25J
9/16
(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
三维视觉智能机械手系统
(57)摘要
本发明公开了一种三维视觉智能机械手系
统，涉及智能机械手技术领域，包括控制室、屏蔽
墙、热室和三维摄像装置，控制室内设置有第一
机械手、用于启闭第一机械手的触发装置、与第
一机械手相连接的控制系统和用于接收三维摄
像装置数据的三维显示装置，屏蔽墙朝向热室的
一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的
云台，热室内设置有第二机械手，第二机械手与
第一机械手通过控制系统相连接以实现远距离
操控，通过三维摄像装置可使操作员获取热室内
的三维立体图像，视觉感受接近人眼直接观察的
效果，使执行操作更准确，通过控制第一机械手，
将第一机械手的动作通过控制系统传递到第二
机械手上，可实现远距离操作，解除了工作位置
的限定。
C
N
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A
CN 108789419 A
权 利 要 求 书
1/1页
1.一种三维视觉智能机械手系统，其特征在于，包括控制室、屏蔽墙、热室和三维摄像
装置；
所述控制室内设置有第一机械手、用于启闭所述第一机械手的触发装置、与所述第一
机械手相连接的控制系统和用于接收所述三维摄像装置数据的三维显示装置；
所述屏蔽墙朝向所述热室的一侧设置有窥视窗和用于放置所述三维摄像装置的云台；
所述热室内设置有第二机械手；
所述第二机械手与所述第一机械手通过所述控制系统相连接以实现远距离操控。
2.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第一机械手包括
第一旋转套件、第一伸缩套筒、手柄和第一伺服电机；
所述第一旋转套件固定于支架上；
所述第一伸缩套筒的一端与所述第一旋转套件相连接，另一端与所述手柄相连接。
3.根据权利要求2所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第二机械手包括
第二旋转套件、第二伸缩套筒、爪具和第二伺服电机；
所述第二旋转套件与穿墙管相连接；
所述第二伸缩套筒的一端与所述第二旋转套件相连接，另一端与所述爪具相连接；
所述第二伺服电机与所述第一伺服电机通过所述控制系统相连接。
4.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述三维显示装置包
括穿戴式显示器、显示屏幕和显示器驱动主机；
所述穿戴式显示器用于接收所述三维摄像装置数据；
所述显示屏幕设置于所述支架上，且与所述穿戴式显示器相连接用于接收并显示所述
穿戴式显示器的数据；
所述显示器驱动主机与所述三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
5.根据权利要求2所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述触发装置设置于
所述第一机械手的下方，包括踏板、触发开关和复位装置；
所述触发开关和所述复位装置均设置于所述踏板的下方。
6.根据权利要求4所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述穿戴式显示器包
括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄像头、陀螺仪和麦克风；
所述第一显示屏和所述第二显示屏分别与所述显示器驱动主机相连接用于接收所述
三维摄像装置的数据；
所述单目摄像头设置于所述穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
所述陀螺仪和所述麦克风设置于所述穿戴式框架上。
7.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述控制系统包括控
制面板和与所述控制面板相连接的伺服控制柜。
8.根据权利要求3所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述爪具上设置有与
所述伺服控制柜相连接的力矩传感器。
9.根据权利要求7所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述伺服控制柜包括
电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺服驱动模块、散热模块和照明模块。
10.根据权利要求7所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第一伺服电机
和所述第二伺服电机通过硬线与所述伺服驱动模块和所述伺服控制模块相连接。
2
CN 108789419 A
说 明 书
三维视觉智能机械手系统
1/6页
技术领域
[0001]
本发明涉及智能机械手技术领域，具体涉及一种三维视觉智能机械手系统。
背景技术
[0002]
由于传统的纯机械式主从机械手，需安装在热室的外墙，设备通过墙上的穿墙管
来实现对热室内从手的操控，因此该类设备的安装位置和操作方式非常局限、固定，操作人
员只能在紧邻热室的区域进行操作，对于整体生产工艺的操作位布置、控制室规划，以及突
发事故下操作员人身安全等方面都产生了制约。
[0003]
而对于在辐照、有毒等高污染房间的动力臂产品，虽然能够实现远程控制，但动力
臂的每个活动关节，都是由安装在手臂上的电机，通过接收来自控制室命令而驱动的，因此
整套动力臂中会有很多机电类设备和传感器等电子器件。由于电机、传感器等电子器件与
同动力臂整体，将长期处于辐照、腐蚀等高污染环境下，对于电子器件的耐久、耐辐照、耐腐
蚀性，对设备外壳防护性、密封性等指标都提出了极高的要求。此类设备部件成本高、检修
和更换困难，需要改进。
[0004]
目前操控辐照、有毒等高污染房间内的机械臂时，都是通过安装在热室内的摄像
头画面，或者通过墙体上的窥视窗来观察和操作的。通过窥视窗的形式，操作员将距离热室
非常近，限定了工作位置，通过摄像头的形式，画面为二维展现形式，没有三维的空间感知，
且视角人为操作转动摄像头，实地操控感不足。
[0005]
因此，急需一种能够远距离操作且具有立体图像呈现的三维视觉智能机械手系
统。
发明内容
[0006]
本发明实施例的目的在于提供一种三维视觉智能机械手系统，用以缓解现有技术
中的操作员将距离热室近，限定了工作位置，画面为二维展现形式，没有三维的空间感知，
实地操控感不足等问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明实施例提供的一种三维视觉智能机械手系统，包括控制
室、屏蔽墙、热室和三维摄像装置；
[0008]
所述控制室内设置有第一机械手、用于启闭所述第一机械手的触发装置、与所述
第一机械手相连接的控制系统和用于接收所述三维摄像装置数据的三维显示装置；
[0009]
所述屏蔽墙朝向所述热室的一侧设置有窥视窗和用于放置所述三维摄像装置的
云台；
[0010]
所述热室内设置有第二机械手；
[0011]
所述第二机械手与所述第一机械手通过所述控制系统相连接以实现远距离操控。
[0012]
进一步的，所述第一机械手包括第一旋转套件、第一伸缩套筒、手柄和第一伺服电
机；
[0013]
所述第一旋转套件固定于支架上；
3
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[0014]
说 明 书
2/6页
所述第一伸缩套筒的一端与所述第一旋转套件相连接，另一端与所述手柄相连
进一步的，所述第二机械手包括第二旋转套件、第二伸缩套筒、爪具和第二伺服电
所述第二旋转套件与穿墙管相连接；
所述第二伸缩套筒的一端与所述第二旋转套件相连接，另一端与所述爪具相连
接。
[0015]
机；
[0016]
[0017]
接；
所述第二伺服电机与所述第一伺服电机通过所述控制系统相连接。
[0019]
进一步的，所述三维显示装置包括穿戴式显示器、显示屏幕和显示器驱动主机；
[0020]
所述穿戴式显示器用于接收所述三维摄像装置数据；
[0021]
所述显示屏幕设置于所述支架上，且与所述穿戴式显示器相连接用于接收并显示
所述穿戴式显示器的数据；
[0022]
所述显示器驱动主机与所述三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
[0023]
进一步的，所述触发装置设置于所述第一机械手的下方，包括踏板、触发开关和复
位装置；
[0024]
所述触发开关和所述复位装置均设置于所述踏板的下方。
[0025]
进一步的，所述穿戴式显示器包括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄
像头、陀螺仪和麦克风；
[0026]
所述第一显示屏和所述第二显示屏分别与所述显示器驱动主机相连接用于接收
所述三维摄像装置的数据；
[0027]
所述单目摄像头设置于所述穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
[0028]
所述陀螺仪和所述麦克风设置于所述穿戴式框架上。
[0029]
进一步的，所述控制系统包括控制面板和与所述控制面板相连接的伺服控制柜。
[0030]
进一步的，所述爪具上设置有与所述伺服控制柜相连接的力矩传感器。
[0031]
进一步的，所述伺服控制柜包括电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模
块、伺服驱动模块、散热模块和照明模块。
[0032]
进一步的，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机通过硬线与所述伺服驱动模块
和所述伺服控制模块相连接。
[0033]
本发明实施例的有益效果为：
[0034]
该装置包括控制室、屏蔽墙、热室和三维摄像装置，控制室内设置有第一机械手、
用于启闭第一机械手的触发装置、与第一机械手相连接的控制系统和用于接收三维摄像装
置数据的三维显示装置，屏蔽墙朝向热室的一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的
云台，热室内设置有第二机械手，第二机械手与第一机械手通过控制系统相连接以实现远
距离操控，通过三维摄像装置获取热室内的三维立体图像，将图像传递给三维显示装置供
操作员查看，视觉感受接近人眼直接观察的效果，使执行操作更准确，采用了耐辐照设计，
将控制系统设置于控制室内，与热室隔离，只有第二机械手处于辐射环境中，并且中间还采
用屏蔽墙进行隔离，通过控制第一机械手，将第一机械手的动作通过控制系统传递到第二
机械手上，可实现远距离操作，解除了工作位置的限定，通过遥操作技术能够对放射性废物
进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物的情况，可以代
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[0018]
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说 明 书
3/6页
替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，对于核工业的发展具有积极的
推动作用。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的三维视觉智能机械手系统的立体结构示意图；
[0036]
图2为图1所示的三维视觉智能机械手系统的另一方向的立体结构示意图；
[0037]
图3为图1所示的三维视觉智能机械手系统的另一方向的立体结构示意图；
[0038]
图4为图1所示的三维视觉智能机械手系统的第一机械手的立体结构示意图；
[0039]
图5为图1所示的三维视觉智能机械手系统的的第二机械手的立体结构示意图。
[0040]
图标：1-控制室；2-屏蔽墙；3-热室；4-控制系统；11-第一机械手；12-触发装置；
13-显示屏幕；31-第二机械手；111-第一旋转套件；112-第一伸缩套筒；113-手柄；114-支
架；311-第二旋转套件；312-第二伸缩套筒；313-爪具；314-第二伺服电机。
具体实施方式
[0041]
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0042]
如图1至图5所示，本实施例提供的一种三维视觉智能机械手系统，包括控制室1、
屏蔽墙2、热室3和三维摄像装置；
[0043]
控制室1内设置有第一机械手11、用于启闭第一机械手11的触发装置12、与第一机
械手11相连接的控制系统4和用于接收三维摄像装置数据的三维显示装置；
[0044]
屏蔽墙2朝向热室3的一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的云台；
[0045]
热室3内设置有第二机械手31；
[0046]
第二机械手31与第一机械手11通过控制系统4相连接以实现远距离操控。
[0047]
通过三维摄像装置获取热室3内的三维立体图像，将图像传递给三维显示装置供
操作员查看，视觉感受接近人眼直接观察的效果，使执行操作更准确，采用了耐辐照设计，
将控制系统4设置于控制室1内，与热室3隔离，只有第二机械手31处于辐射环境中，并且中
间还采用屏蔽墙2进行隔离，通过控制第一机械手11，将第一机械手11的动作通过控制系统
4传递到第二机械手31上，可实现远距离操作，解除了工作位置的限定，通过遥操作技术能
够对放射性废物进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物
的情况，可以代替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，对于核工业的发
展具有积极的推动作用。
[0048]
请继续参照图1至图4，其中，第一机械手11包括第一旋转套件111、第一伸缩套筒
112、手柄113和第一伺服电机；
[0049]
第一旋转套件111固定于支架114上；
[0050]
第一伸缩套筒112的一端与第一旋转套件111相连接，另一端与手柄113相连接。
[0051]
在该实施例中，支架114设置于第一机械手11的顶部，作为第一机械手11的安装
点，其中装有若干转轴，每根转轴上装有电位计，通过电位计获得第一旋转套件111、第一伸
缩套筒112和手柄113的位置数据，并发送给控制系统4，使控制系统4驱动第二机械手31做
出相同的动作，第一伸缩套筒112上部与第一旋转套件111相连，纵向垂放，第一伸缩套筒
112能够围绕旋转轴的轴心进行回转运动，第一伸缩套筒112的内部设置有链条和转轴，当
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说 明 书
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操作员操作第一伸缩套筒112伸缩时，链条会带动转轴进行转动，转轴会通过齿轮驱动第一
旋转套件111中的转轴转动，手柄113安装在第一伸缩套筒112的下端，手柄113能够实现局
部的精确运动和抓取指令发出，从而使第二机械手31的末端跟随第一机械手11的手柄113
的动作，手柄113还带有力反馈功能，能够接收第二机械手31在操作过程中的力矩信息，通
过手柄113来反馈给操作者。
[0052]
请继续参照图1、图2、图3和图5，其中，第二机械手31包括第二旋转套件311、第二
伸缩套筒312、爪具313和第二伺服电机314；
[0053]
第二旋转套件311与穿墙管相连接；
[0054]
第二伸缩套筒312的一端与第二旋转套件311相连接，另一端与爪具313相连接；
[0055]
第二伺服电机314与第一伺服电机通过控制系统4相连接。
[0056]
进一步的，爪具313上设置有与伺服控制柜相连接的力矩传感器。
[0057]
在该实施例中，第二机械手31的结构与第一机械手11的结构基本一致，在此不再
赘述，与第一机械手11不同的有两点，第一，第二机械手31不包括手柄113，与手柄113相对
应的设置有爪具313，操作员操作第一机械手11实现爪具313的运动，爪具313可设为一组
件，放置于热室3内，包括多个大小、功能不同的爪具313，可对应实现不同的功能，操作员可
根据操作的实际情况选择不同的爪具313进行更换，在爪具313上设置有力矩传感器，可将
第二机械手31在实际操作受到的力矩信息反馈到第一机械手11的手柄113上，第二，第二机
械手31的第二旋转套件311不是固定于支架114上，是通过穿墙管穿过屏蔽墙2设置，外部与
多个第二伺服电机314相连接，在控制室1内设置有用于放置第二伺服电机314的支架114，
每一个第二伺服电机314接受来自控制系统4的信号，在穿墙管内设置有多个转轴，第二伺
服电机314控制穿墙管内的转轴转动，来带动第一旋转套件111上的转轴，进而经过传动齿
轮等部件，使第二伸缩套筒312内部的链条和转轴发生运动，使爪具313产生动作。
[0058]
请继续参照图1至图4，其中，三维显示装置包括穿戴式显示器、显示屏幕13和显示
器驱动主机；
[0059]
穿戴式显示器用于接收三维摄像装置数据；
[0060]
显示屏幕13设置于支架114上，且与穿戴式显示器相连接用于接收并显示穿戴式
显示器的数据；
[0061]
显示器驱动主机与三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
[0062]
在该实施例中，显示器驱动主机通过硬线与三维摄像装置相连接，具有MODBUS数
据通讯接口，通过总线线缆或网线，与热室3的工艺控制系统4或DCS等仪控系统进行数据通
讯，并能够根据操作员发出的手势或语音指令，将指定的数据进行整合和处理，而后叠加到
穿戴式显示器的画面中供操作员查看，显示屏幕13安装在支架114上，通过连接到显示器驱
动主机的数据线，接收来自热室3内三维摄像装置的视频数据，并以三维或二维的形式显示
在显示屏幕13上，通过穿戴式显示器与显示器驱动主机相连接，接收来自热室3内三维摄像
装置的视频流数据，叠加上来自显示器驱动主机的生产信息数据，使操作员产生三维立体
操作感。
[0063]
请继续参照图1至图4，其中，触发装置12设置于第一机械手11的下方，包括踏板、
触发开关和复位装置；
[0064]
触发开关和复位装置均设置于踏板的下方。
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[0065]
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进一步的，所述复位装置为弹簧。
[0066]
在该实施例中，踏板突出于地面，踏板内置触发开关和复位开关，开关信号通过线
缆发送至控制系统4，当操作员需要操作第一机械手11时，必须踩在踏板上，将踏板踩下，使
踏板内的触发开关处于触发状态，控制系统4检测到踏板开关处于触发状态后，解除第一机
械手11上的锁定装置，操作员一旦离开操作位或因其他原因松开踏板，在复位开关的作用
下踏板弹起，触发开关恢复为未触发状态，第一机械手11随即被锁定不可进行操作，保证工
程进行的安全性。
[0067]
其中，穿戴式显示器包括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄像头、陀螺
仪和麦克风；
[0068]
第一显示屏和第二显示屏分别与显示器驱动主机相连接用于接收三维摄像装置
的数据；
[0069]
单目摄像头设置于穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
[0070]
陀螺仪和麦克风设置于穿戴式框架上。
[0071]
在该实施例中，第一显示屏和第二显示屏连接到显示器驱动主机的数据线，接收
来自热室3内三维摄像装置的双目视频流数据，叠加上来自显示器驱动主机的生产信息数
据，在第一显示屏和第二显示屏上分别显示操作员左眼、右眼所应看到的有差异的画面，从
而使操作员产生三维立体操作感，单目摄像头朝向操作员的正前方、略微向下，用于捕捉操
作员的特定手势动作，从而转化为特定的操作指令，并通过数据线将指令发送给显示器驱
动主机，麦克风，用于采集操作员发出的特定语音指令信息，从而转化为特定的操作指令，
并通过数据线将指令发送给显示器驱动主机，陀螺仪能够感应操作员头部的运动，包括左
右向的转头动作，以及向上、向下的抬头和低头动作，通过数据线将动作信息传送给显示器
驱动主机，显示器驱动主机通过硬线驱动热室3内的云台，进行左右转，或者上下转的动作，
使得三维摄像装置所拍摄的视角跟随操作员头部的动作同步移动，使操作员产生身临其境
的感觉。
[0072]
其中，控制系统4包括控制面板和与控制面板相连接的伺服控制柜。
[0073]
进一步的，伺服控制柜包括电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺
服驱动模块、散热模块和照明模块。
[0074]
进一步的，第一伺服电机和第二伺服电机314通过硬线与伺服驱动模块和伺服控
制模块相连接。
[0075]
在该实施例中，伺服控制柜是该装置的控制核心，伺服控制柜位于控制室1内，内
部设置有电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺服驱动模块、散热模块和照
明模块等。伺服控制柜通过硬线，作为第一伺服电机和第二伺服电机314的电源，以及与电
机上的电位计、力矩传感器等相连接，接收来自第一机械手11每个转轴上电位计的信号，通
过将该信号与第二机械手31相对应轴上的电位计信号进行比较和运算，输出脉冲控制指令
至伺服驱动模块，伺服驱动模块通过硬线与第二伺服电机314相连接，驱使第二伺服电机
314按照伺服控制模块的要求，以一定的速度和力矩，旋转特定的角度，从而使得第一机械
手11和第二机械手31上每组对应转轴的位置保持相同，且由于第一机械手11和第二机械手
31的机械结构和尺寸相同，实现了动作和位置的同步。
[0076]
当操作员通过语音或手势指令，要求系统进行“学习模式”时，穿戴式显示器将操
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作员命令下发到显示器驱动主机，显示器驱动主机通过硬线或网络，向伺服控制模块发出
“学习模式”的指令，进入“学习模式”，当第一机械手11手进行任何操作时，第二机械手31正
常跟随第一机械手11的动作，但整个流程中伺服控制模块会全程记录第二机械手31的位
置、第二伺服电机314的控制输出信号。当“学习模式”结束后，操作员下达“重复模式”的指
令，伺服控制模块将按照前一次学习所记录的内容，自动控制第二机械手31重复执行此前
所学习并记录的动作，直至操作员结束“重复模式”。
[0077]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本
发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，
在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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(12)发明专利申请
(10)申请公布号
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(43)申请公布日
2018.11.13
(21)申请号 2.8
(22)申请日 2018.08.06
(71)申请人 王晋
地址 100089 北京市海淀区北京大学中关
园49公寓208号
(72)发明人 王晋 刘祖伦 魏丽
(74)专利代理机构 北京知呱呱知识产权代理有
限公司 11577
代理人 武媛 吕学文
(51).
B25J
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权利要求书1页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
三维视觉智能机械手系统
(57)摘要
本发明公开了一种三维视觉智能机械手系
统，涉及智能机械手技术领域，包括控制室、屏蔽
墙、热室和三维摄像装置，控制室内设置有第一
机械手、用于启闭第一机械手的触发装置、与第
一机械手相连接的控制系统和用于接收三维摄
像装置数据的三维显示装置，屏蔽墙朝向热室的
一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的
云台，热室内设置有第二机械手，第二机械手与
第一机械手通过控制系统相连接以实现远距离
操控，通过三维摄像装置可使操作员获取热室内
的三维立体图像，视觉感受接近人眼直接观察的
效果，使执行操作更准确，通过控制第一机械手，
将第一机械手的动作通过控制系统传递到第二
机械手上，可实现远距离操作，解除了工作位置
的限定。
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权 利 要 求 书
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1.一种三维视觉智能机械手系统，其特征在于，包括控制室、屏蔽墙、热室和三维摄像
装置；
所述控制室内设置有第一机械手、用于启闭所述第一机械手的触发装置、与所述第一
机械手相连接的控制系统和用于接收所述三维摄像装置数据的三维显示装置；
所述屏蔽墙朝向所述热室的一侧设置有窥视窗和用于放置所述三维摄像装置的云台；
所述热室内设置有第二机械手；
所述第二机械手与所述第一机械手通过所述控制系统相连接以实现远距离操控。
2.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第一机械手包括
第一旋转套件、第一伸缩套筒、手柄和第一伺服电机；
所述第一旋转套件固定于支架上；
所述第一伸缩套筒的一端与所述第一旋转套件相连接，另一端与所述手柄相连接。
3.根据权利要求2所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第二机械手包括
第二旋转套件、第二伸缩套筒、爪具和第二伺服电机；
所述第二旋转套件与穿墙管相连接；
所述第二伸缩套筒的一端与所述第二旋转套件相连接，另一端与所述爪具相连接；
所述第二伺服电机与所述第一伺服电机通过所述控制系统相连接。
4.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述三维显示装置包
括穿戴式显示器、显示屏幕和显示器驱动主机；
所述穿戴式显示器用于接收所述三维摄像装置数据；
所述显示屏幕设置于所述支架上，且与所述穿戴式显示器相连接用于接收并显示所述
穿戴式显示器的数据；
所述显示器驱动主机与所述三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
5.根据权利要求2所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述触发装置设置于
所述第一机械手的下方，包括踏板、触发开关和复位装置；
所述触发开关和所述复位装置均设置于所述踏板的下方。
6.根据权利要求4所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述穿戴式显示器包
括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄像头、陀螺仪和麦克风；
所述第一显示屏和所述第二显示屏分别与所述显示器驱动主机相连接用于接收所述
三维摄像装置的数据；
所述单目摄像头设置于所述穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
所述陀螺仪和所述麦克风设置于所述穿戴式框架上。
7.根据权利要求1所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述控制系统包括控
制面板和与所述控制面板相连接的伺服控制柜。
8.根据权利要求3所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述爪具上设置有与
所述伺服控制柜相连接的力矩传感器。
9.根据权利要求7所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述伺服控制柜包括
电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺服驱动模块、散热模块和照明模块。
10.根据权利要求7所述的三维视觉智能机械手系统，其特征在于，所述第一伺服电机
和所述第二伺服电机通过硬线与所述伺服驱动模块和所述伺服控制模块相连接。
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说 明 书
三维视觉智能机械手系统
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技术领域
[0001]
本发明涉及智能机械手技术领域，具体涉及一种三维视觉智能机械手系统。
背景技术
[0002]
由于传统的纯机械式主从机械手，需安装在热室的外墙，设备通过墙上的穿墙管
来实现对热室内从手的操控，因此该类设备的安装位置和操作方式非常局限、固定，操作人
员只能在紧邻热室的区域进行操作，对于整体生产工艺的操作位布置、控制室规划，以及突
发事故下操作员人身安全等方面都产生了制约。
[0003]
而对于在辐照、有毒等高污染房间的动力臂产品，虽然能够实现远程控制，但动力
臂的每个活动关节，都是由安装在手臂上的电机，通过接收来自控制室命令而驱动的，因此
整套动力臂中会有很多机电类设备和传感器等电子器件。由于电机、传感器等电子器件与
同动力臂整体，将长期处于辐照、腐蚀等高污染环境下，对于电子器件的耐久、耐辐照、耐腐
蚀性，对设备外壳防护性、密封性等指标都提出了极高的要求。此类设备部件成本高、检修
和更换困难，需要改进。
[0004]
目前操控辐照、有毒等高污染房间内的机械臂时，都是通过安装在热室内的摄像
头画面，或者通过墙体上的窥视窗来观察和操作的。通过窥视窗的形式，操作员将距离热室
非常近，限定了工作位置，通过摄像头的形式，画面为二维展现形式，没有三维的空间感知，
且视角人为操作转动摄像头，实地操控感不足。
[0005]
因此，急需一种能够远距离操作且具有立体图像呈现的三维视觉智能机械手系
统。
发明内容
[0006]
本发明实施例的目的在于提供一种三维视觉智能机械手系统，用以缓解现有技术
中的操作员将距离热室近，限定了工作位置，画面为二维展现形式，没有三维的空间感知，
实地操控感不足等问题。
[0007]
为实现上述目的，本发明实施例提供的一种三维视觉智能机械手系统，包括控制
室、屏蔽墙、热室和三维摄像装置；
[0008]
所述控制室内设置有第一机械手、用于启闭所述第一机械手的触发装置、与所述
第一机械手相连接的控制系统和用于接收所述三维摄像装置数据的三维显示装置；
[0009]
所述屏蔽墙朝向所述热室的一侧设置有窥视窗和用于放置所述三维摄像装置的
云台；
[0010]
所述热室内设置有第二机械手；
[0011]
所述第二机械手与所述第一机械手通过所述控制系统相连接以实现远距离操控。
[0012]
进一步的，所述第一机械手包括第一旋转套件、第一伸缩套筒、手柄和第一伺服电
机；
[0013]
所述第一旋转套件固定于支架上；
3
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[0014]
说 明 书
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所述第一伸缩套筒的一端与所述第一旋转套件相连接，另一端与所述手柄相连
进一步的，所述第二机械手包括第二旋转套件、第二伸缩套筒、爪具和第二伺服电
所述第二旋转套件与穿墙管相连接；
所述第二伸缩套筒的一端与所述第二旋转套件相连接，另一端与所述爪具相连
接。
[0015]
机；
[0016]
[0017]
接；
所述第二伺服电机与所述第一伺服电机通过所述控制系统相连接。
[0019]
进一步的，所述三维显示装置包括穿戴式显示器、显示屏幕和显示器驱动主机；
[0020]
所述穿戴式显示器用于接收所述三维摄像装置数据；
[0021]
所述显示屏幕设置于所述支架上，且与所述穿戴式显示器相连接用于接收并显示
所述穿戴式显示器的数据；
[0022]
所述显示器驱动主机与所述三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
[0023]
进一步的，所述触发装置设置于所述第一机械手的下方，包括踏板、触发开关和复
位装置；
[0024]
所述触发开关和所述复位装置均设置于所述踏板的下方。
[0025]
进一步的，所述穿戴式显示器包括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄
像头、陀螺仪和麦克风；
[0026]
所述第一显示屏和所述第二显示屏分别与所述显示器驱动主机相连接用于接收
所述三维摄像装置的数据；
[0027]
所述单目摄像头设置于所述穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
[0028]
所述陀螺仪和所述麦克风设置于所述穿戴式框架上。
[0029]
进一步的，所述控制系统包括控制面板和与所述控制面板相连接的伺服控制柜。
[0030]
进一步的，所述爪具上设置有与所述伺服控制柜相连接的力矩传感器。
[0031]
进一步的，所述伺服控制柜包括电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模
块、伺服驱动模块、散热模块和照明模块。
[0032]
进一步的，所述第一伺服电机和所述第二伺服电机通过硬线与所述伺服驱动模块
和所述伺服控制模块相连接。
[0033]
本发明实施例的有益效果为：
[0034]
该装置包括控制室、屏蔽墙、热室和三维摄像装置，控制室内设置有第一机械手、
用于启闭第一机械手的触发装置、与第一机械手相连接的控制系统和用于接收三维摄像装
置数据的三维显示装置，屏蔽墙朝向热室的一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的
云台，热室内设置有第二机械手，第二机械手与第一机械手通过控制系统相连接以实现远
距离操控，通过三维摄像装置获取热室内的三维立体图像，将图像传递给三维显示装置供
操作员查看，视觉感受接近人眼直接观察的效果，使执行操作更准确，采用了耐辐照设计，
将控制系统设置于控制室内，与热室隔离，只有第二机械手处于辐射环境中，并且中间还采
用屏蔽墙进行隔离，通过控制第一机械手，将第一机械手的动作通过控制系统传递到第二
机械手上，可实现远距离操作，解除了工作位置的限定，通过遥操作技术能够对放射性废物
进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物的情况，可以代
4
[0018]
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替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，对于核工业的发展具有积极的
推动作用。
附图说明
[0035]
图1为本发明提供的三维视觉智能机械手系统的立体结构示意图；
[0036]
图2为图1所示的三维视觉智能机械手系统的另一方向的立体结构示意图；
[0037]
图3为图1所示的三维视觉智能机械手系统的另一方向的立体结构示意图；
[0038]
图4为图1所示的三维视觉智能机械手系统的第一机械手的立体结构示意图；
[0039]
图5为图1所示的三维视觉智能机械手系统的的第二机械手的立体结构示意图。
[0040]
图标：1-控制室；2-屏蔽墙；3-热室；4-控制系统；11-第一机械手；12-触发装置；
13-显示屏幕；31-第二机械手；111-第一旋转套件；112-第一伸缩套筒；113-手柄；114-支
架；311-第二旋转套件；312-第二伸缩套筒；313-爪具；314-第二伺服电机。
具体实施方式
[0041]
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0042]
如图1至图5所示，本实施例提供的一种三维视觉智能机械手系统，包括控制室1、
屏蔽墙2、热室3和三维摄像装置；
[0043]
控制室1内设置有第一机械手11、用于启闭第一机械手11的触发装置12、与第一机
械手11相连接的控制系统4和用于接收三维摄像装置数据的三维显示装置；
[0044]
屏蔽墙2朝向热室3的一侧设置有窥视窗和用于放置三维摄像装置的云台；
[0045]
热室3内设置有第二机械手31；
[0046]
第二机械手31与第一机械手11通过控制系统4相连接以实现远距离操控。
[0047]
通过三维摄像装置获取热室3内的三维立体图像，将图像传递给三维显示装置供
操作员查看，视觉感受接近人眼直接观察的效果，使执行操作更准确，采用了耐辐照设计，
将控制系统4设置于控制室1内，与热室3隔离，只有第二机械手31处于辐射环境中，并且中
间还采用屏蔽墙2进行隔离，通过控制第一机械手11，将第一机械手11的动作通过控制系统
4传递到第二机械手31上，可实现远距离操作，解除了工作位置的限定，通过遥操作技术能
够对放射性废物进行夹取、搬运、切割等作业，减少了工作人员直接或间接接触放射性废物
的情况，可以代替人工进行放射性废物的处理，提高了核废料处理的效率，对于核工业的发
展具有积极的推动作用。
[0048]
请继续参照图1至图4，其中，第一机械手11包括第一旋转套件111、第一伸缩套筒
112、手柄113和第一伺服电机；
[0049]
第一旋转套件111固定于支架114上；
[0050]
第一伸缩套筒112的一端与第一旋转套件111相连接，另一端与手柄113相连接。
[0051]
在该实施例中，支架114设置于第一机械手11的顶部，作为第一机械手11的安装
点，其中装有若干转轴，每根转轴上装有电位计，通过电位计获得第一旋转套件111、第一伸
缩套筒112和手柄113的位置数据，并发送给控制系统4，使控制系统4驱动第二机械手31做
出相同的动作，第一伸缩套筒112上部与第一旋转套件111相连，纵向垂放，第一伸缩套筒
112能够围绕旋转轴的轴心进行回转运动，第一伸缩套筒112的内部设置有链条和转轴，当
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操作员操作第一伸缩套筒112伸缩时，链条会带动转轴进行转动，转轴会通过齿轮驱动第一
旋转套件111中的转轴转动，手柄113安装在第一伸缩套筒112的下端，手柄113能够实现局
部的精确运动和抓取指令发出，从而使第二机械手31的末端跟随第一机械手11的手柄113
的动作，手柄113还带有力反馈功能，能够接收第二机械手31在操作过程中的力矩信息，通
过手柄113来反馈给操作者。
[0052]
请继续参照图1、图2、图3和图5，其中，第二机械手31包括第二旋转套件311、第二
伸缩套筒312、爪具313和第二伺服电机314；
[0053]
第二旋转套件311与穿墙管相连接；
[0054]
第二伸缩套筒312的一端与第二旋转套件311相连接，另一端与爪具313相连接；
[0055]
第二伺服电机314与第一伺服电机通过控制系统4相连接。
[0056]
进一步的，爪具313上设置有与伺服控制柜相连接的力矩传感器。
[0057]
在该实施例中，第二机械手31的结构与第一机械手11的结构基本一致，在此不再
赘述，与第一机械手11不同的有两点，第一，第二机械手31不包括手柄113，与手柄113相对
应的设置有爪具313，操作员操作第一机械手11实现爪具313的运动，爪具313可设为一组
件，放置于热室3内，包括多个大小、功能不同的爪具313，可对应实现不同的功能，操作员可
根据操作的实际情况选择不同的爪具313进行更换，在爪具313上设置有力矩传感器，可将
第二机械手31在实际操作受到的力矩信息反馈到第一机械手11的手柄113上，第二，第二机
械手31的第二旋转套件311不是固定于支架114上，是通过穿墙管穿过屏蔽墙2设置，外部与
多个第二伺服电机314相连接，在控制室1内设置有用于放置第二伺服电机314的支架114，
每一个第二伺服电机314接受来自控制系统4的信号，在穿墙管内设置有多个转轴，第二伺
服电机314控制穿墙管内的转轴转动，来带动第一旋转套件111上的转轴，进而经过传动齿
轮等部件，使第二伸缩套筒312内部的链条和转轴发生运动，使爪具313产生动作。
[0058]
请继续参照图1至图4，其中，三维显示装置包括穿戴式显示器、显示屏幕13和显示
器驱动主机；
[0059]
穿戴式显示器用于接收三维摄像装置数据；
[0060]
显示屏幕13设置于支架114上，且与穿戴式显示器相连接用于接收并显示穿戴式
显示器的数据；
[0061]
显示器驱动主机与三维摄像装置相连接用于数据的接收、发送和处理。
[0062]
在该实施例中，显示器驱动主机通过硬线与三维摄像装置相连接，具有MODBUS数
据通讯接口，通过总线线缆或网线，与热室3的工艺控制系统4或DCS等仪控系统进行数据通
讯，并能够根据操作员发出的手势或语音指令，将指定的数据进行整合和处理，而后叠加到
穿戴式显示器的画面中供操作员查看，显示屏幕13安装在支架114上，通过连接到显示器驱
动主机的数据线，接收来自热室3内三维摄像装置的视频数据，并以三维或二维的形式显示
在显示屏幕13上，通过穿戴式显示器与显示器驱动主机相连接，接收来自热室3内三维摄像
装置的视频流数据，叠加上来自显示器驱动主机的生产信息数据，使操作员产生三维立体
操作感。
[0063]
请继续参照图1至图4，其中，触发装置12设置于第一机械手11的下方，包括踏板、
触发开关和复位装置；
[0064]
触发开关和复位装置均设置于踏板的下方。
6
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进一步的，所述复位装置为弹簧。
[0066]
在该实施例中，踏板突出于地面，踏板内置触发开关和复位开关，开关信号通过线
缆发送至控制系统4，当操作员需要操作第一机械手11时，必须踩在踏板上，将踏板踩下，使
踏板内的触发开关处于触发状态，控制系统4检测到踏板开关处于触发状态后，解除第一机
械手11上的锁定装置，操作员一旦离开操作位或因其他原因松开踏板，在复位开关的作用
下踏板弹起，触发开关恢复为未触发状态，第一机械手11随即被锁定不可进行操作，保证工
程进行的安全性。
[0067]
其中，穿戴式显示器包括穿戴式框架、第一显示屏、第二显示屏、单目摄像头、陀螺
仪和麦克风；
[0068]
第一显示屏和第二显示屏分别与显示器驱动主机相连接用于接收三维摄像装置
的数据；
[0069]
单目摄像头设置于穿戴式框架的下方用于捕捉操作员的手势；
[0070]
陀螺仪和麦克风设置于穿戴式框架上。
[0071]
在该实施例中，第一显示屏和第二显示屏连接到显示器驱动主机的数据线，接收
来自热室3内三维摄像装置的双目视频流数据，叠加上来自显示器驱动主机的生产信息数
据，在第一显示屏和第二显示屏上分别显示操作员左眼、右眼所应看到的有差异的画面，从
而使操作员产生三维立体操作感，单目摄像头朝向操作员的正前方、略微向下，用于捕捉操
作员的特定手势动作，从而转化为特定的操作指令，并通过数据线将指令发送给显示器驱
动主机，麦克风，用于采集操作员发出的特定语音指令信息，从而转化为特定的操作指令，
并通过数据线将指令发送给显示器驱动主机，陀螺仪能够感应操作员头部的运动，包括左
右向的转头动作，以及向上、向下的抬头和低头动作，通过数据线将动作信息传送给显示器
驱动主机，显示器驱动主机通过硬线驱动热室3内的云台，进行左右转，或者上下转的动作，
使得三维摄像装置所拍摄的视角跟随操作员头部的动作同步移动，使操作员产生身临其境
的感觉。
[0072]
其中，控制系统4包括控制面板和与控制面板相连接的伺服控制柜。
[0073]
进一步的，伺服控制柜包括电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺
服驱动模块、散热模块和照明模块。
[0074]
进一步的，第一伺服电机和第二伺服电机314通过硬线与伺服驱动模块和伺服控
制模块相连接。
[0075]
在该实施例中，伺服控制柜是该装置的控制核心，伺服控制柜位于控制室1内，内
部设置有电源模块、浪涌保护模块、滤波模块、伺服控制模块、伺服驱动模块、散热模块和照
明模块等。伺服控制柜通过硬线，作为第一伺服电机和第二伺服电机314的电源，以及与电
机上的电位计、力矩传感器等相连接，接收来自第一机械手11每个转轴上电位计的信号，通
过将该信号与第二机械手31相对应轴上的电位计信号进行比较和运算，输出脉冲控制指令
至伺服驱动模块，伺服驱动模块通过硬线与第二伺服电机314相连接，驱使第二伺服电机
314按照伺服控制模块的要求，以一定的速度和力矩，旋转特定的角度，从而使得第一机械
手11和第二机械手31上每组对应转轴的位置保持相同，且由于第一机械手11和第二机械手
31的机械结构和尺寸相同，实现了动作和位置的同步。
[0076]
当操作员通过语音或手势指令，要求系统进行“学习模式”时，穿戴式显示器将操
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作员命令下发到显示器驱动主机，显示器驱动主机通过硬线或网络，向伺服控制模块发出
“学习模式”的指令，进入“学习模式”，当第一机械手11手进行任何操作时，第二机械手31正
常跟随第一机械手11的动作，但整个流程中伺服控制模块会全程记录第二机械手31的位
置、第二伺服电机314的控制输出信号。当“学习模式”结束后，操作员下达“重复模式”的指
令，伺服控制模块将按照前一次学习所记录的内容，自动控制第二机械手31重复执行此前
所学习并记录的动作，直至操作员结束“重复模式”。
[0077]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本
发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，
在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
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