一种七功能水下机械臂系统的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供本发明一种七功能水下机械臂系统，包括手爪、腕、第一-第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连杆、第二液压缸，第三关节包括第二连杆、第三液压缸，第四关节包括第三连杆、第四液压缸，第五关节包括第四连杆、第五液压缸；手爪包括腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助连杆、第六液压缸，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆。本发明结构简洁紧凑，负载能力强，机械手爪可进行拆卸更换，具有七个自由度，在深海探测以及相应的海底作业中，具有比较大的适用性。
【专利说明】一种七功能水下机械臂系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种水下机器人，具体地说是一种水下机械臂。
【背景技术】
[0002] 海洋是目前尚未被大范围开发的领域，尤其是海底复杂的环境以及深海中丰富多 样的的自然资源，这些因素促使世界各个国家投入大量的人力、物力、财力在海洋探测，尤 其是深海探测和深海作业研究中。尽管海洋开发技术尚未完全成熟，但是目前水下机器人 在深海作业方面还是取得了广泛的科研价值、工程经验以及经济效益，水下机器人的研究 也为国防建设海洋版块提供了一个重要研究方向。作为水下机器人的重要组成部分，水下 机械臂系统是其执行机构，直接决定深海作业机器人完成任务的水平与质量。
[0003] 目前关于水下机械手臂的研究的进展列举如下，《六自由度水下机械手臂的设计 与研究》（液压与气动，2014 (1) : 10 -12, 17)，该文献虽然设计出六自由度的水下机械手臂， 但是机械手臂的部分关节连接处强度不能保证，结构布局不够紧凑，机械手爪不可以拆卸 更换，这些因素会在实际运用中埋下作业隐患。《水下机械手的研发现状及发展趋势》（机 电产品开发与创新，2012(3) :25- 26, 29)提出现阶段水下机械手的发展趋势体现在向高 性能，高可靠性，以及更高程度的自动化发展。《水下机械手的结构优化设计》设计了水下三 指机械手，虽然一定程度上提高了动作精度，但是它在深海探测以及深海作业中，没有机械 手爪技术成熟和稳定。"水下机械卡爪机构（200810063944. 8)"该专利设计了一种水下水 下卡爪机构，但是卡爪的合并，依靠的是主连杆通过销轴与液压缸活塞杆之间的连接，这种 连接的负载能力较小，且手爪夹持物体的稳定程度也不是很高，抵抗意外冲击力性能较差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供能保证机械臂各个功能的协调实现的一种七功能水下机 械臂系统。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 本发明一种七功能水下机械臂系统，其特征是：包括手爪、腕、第一关节、第二关 节、第三关节、第四关节、第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连 杆、第二液压缸，第三关节包括第二连杆、第三液压缸，第四关节包括第三连杆、第四液压 缸，第五关节包括第四连杆、第五液压缸；第一液压缸安装在底座上，第一液压缸的单出杆 活塞与第一连接杆相连，第二液压缸安装在第一连接杆上，第二液压缸的单出杆活塞与第 二连接杆相连，第三液压缸安装在第二连杆上，第三液压缸单出杆活塞与第三连接杆相连， 第四液压缸安装在第三连杆上，第四液压缸的单出杆活塞与第四连接杆相连，第五液压缸 安装在第四连杆上，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆，旋转马达固定在第五连接杆上， 连接件与旋转马达的输出端相连，第五液压缸的单出杆活塞与第五连接杆相连，手爪包括 腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助连杆、第六液压缸，第 一指端和第二指端相对布置，相对布置的面上均设置锯齿结构，第一主连杆和第一辅助连 杆的上端与第一指端的下端相连，第二主连杆和第二辅助连杆的上端与第二指端的下端 相连，第一主连杆、第二主连杆、第一辅助连杆、第二辅助连杆的下端均与腕前端相连，第 一-第二主连杆上均设置有锯齿结构，第六液压缸安装在腕前端里，第六液压缸的两侧均 设置锯齿结构，第一-第二主连杆的锯齿结构分别与第六液压缸两侧的锯齿结构相配合， 连接件与腕前端相连。
[0007] 本发明还可以包括：
[0008] 1、第二液压缸与第三液压缸错位布置，第二液压缸与第三液压缸的单出杆活塞背 对背布置；第四液压缸与第五液压缸错位布置，第四液压缸与第五液压缸的单出杆活塞背 对背布置。
[0009] 2、第一主连杆与第一辅助连杆构成平行结构、同步转动，第一主连杆位于第一辅 助连杆的外侧，第二主连杆与第二辅助连杆构成平行结构、同步转动，第二主连杆位于第二 辅助连杆的外侧。
[0010] 本发明的优势在于：（1)结构更加简洁与紧凑，通过液压缸驱动以及其单出杆伸 缩的具体形式，实现各个关节的紧密连接，并且大多数的两两关节之间连接杆进行了挖槽 处理，使得液压缸的放置更加方便合理，进而使整体布局更加简洁，结构更加紧凑，使得整 个系统的防水难度有所下降；(2)深海环境作业负载能力增强，本发明各个关节的驱动动 力都使用液压驱动，液压驱动力较大，使得机械臂系统更适合于进行在深海条件下的相关 作业；（3)机械手爪可进行更换，基于手爪结构设计特点，该水下机械臂系统可以较方便的 在手爪指端磨损或毁坏时于非工作状态下进行手爪替换，降低设备的维护成本；(4)建立 模型，易于分析各个关节的运动参数取值范围，便于根据相应功能规划各关节运动分量。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本发明整体结构三维图；
[0012] 图2是本发明手爪部分的三维结构图；
[0013] 图3是本发明手爪部分指端101的三维结构图；
[0014] 图4是本发明手爪部分主连杆102的三维结构图；
[0015] 图5是本发明手爪部分辅助连杆103的的主视图；
[0016] 图6是本发明手爪部分腕前端104的三维结构图；
[0017] 图7是本发明腕关节部分的三维结构图；
[0018] 图8是本发明腕关节连接件201的三维结构图；
[0019] 图9是本发明腕关节连接杆203的三维结构图；
[0020] 图10是本发明关节5的连杆301三维结构图；
[0021] 图11是本发明关节4的连杆401三维结构图；
[0022] 图12是本发明关节3的连杆501三维结构图；
[0023] 图13是本发明关节2的连杆601三维结构图；
[0024] 图14是本发明底座8的三维结构图；
[0025] 图15是液压部分组成图；
[0026] 图16是控制部分组成图；
[0027] 图17是系统整体建模图；
[0028] 图18是关节简化模型图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0030] 结合图1?18,底座8和液压缸701均固定在机械臂系统的作业本体上，这里通 过控制信号控制液压缸701的伺服阀，进而决定液压缸701内的油量，通过液压缸701的单 出杆推动关节26的连杆601实现关节26的旋转运动；关节35由控制信号作用于液压缸 602的伺服阀，从而控制其内油量，并通过其单出杆的推动以及与连杆601的销轴，实现关 节35绕该销轴的摆动运动；关节44由控制信号作用于液压缸502的伺服阀，从而控制其内 油量，并通过其单出杆的推动以及与连杆501的销轴，实现关节44绕该销轴的摆动运动；关 节53由控制信号作用于液压缸402的伺服阀，从而控制其内油量，并通过其单出杆的推动 以及与连杆401的销轴，实现关节53绕该销轴的摆动运动；腕2由控制信号作用于液压缸 302的伺服阀，从而控制其内油量，腕2的连接杆203与连杆301通过联接销轴，液压缸302 单出杆的运动推动，实现腕2绕该销轴的旋转运动，进而实现腕关节的摆动运动；腕2中的 旋转马达202也是液压驱动，同样是通过控制信号对伺服阀的控制，实现马达的转动运动， 进而实现腕2的旋转运动；手爪1中指端101通过主连杆102以及销轴与腕前端104相联 接，主连杆102由位于腕前端104内的液压缸105提供驱动动力，该驱动力源于液压缸105 末端的带有齿轮结构的运动部件，通过主连杆104的齿轮与其啮合将该液压驱动转换为实 现手爪1夹持动作的齿轮驱动，进而通过主连杆104与辅助连杆103所构成的平行机构将 该齿轮驱动传递给指端实现手爪张开与夹持动作。
[0031] 如图15所示，液压部分由液压泵、溢流阀、伺服阀箱、单向阀、液压油箱、液压缸、 液压马达和管路组成。液压泵是整个液压系统的动力源，提供和保持液压系统油压；溢流 阀保护液压系统，防止液压系统压力过大出现事故；单向阀防止负载过大、液压油逆流；伺 服阀箱用来控制各关节对应的液压缸和液压马达运动和运动方向；液压油箱用于贮存液压 油，为系统提供液压油源和回收返回的液压油；管路用于连接各液压器件，传送液压油，提 供动力转移。
[0032] 如图16所示，控制部分由控制器、通信接口电路、数字转模拟电路、模拟信号放大 电路、伺服阀箱电路组成。上位机通过通信接口电路向机械臂控制器发送机械臂控制命令， 控制器根据命令进行计算分解，输出相应的数字形式的控制信号，该信号经过数字转模拟 电路输出相应的模拟信号，经过放大电路后传入到伺服阀箱，伺服阀箱根据信号控制相应 的液压执行元件动作，实现机械臂的控制。
[0033] 如图17所示，在该机械臂系统的底座，关节1至关节5,以及腕关节分别相应建立 坐标系XciyciZAyAXAZAyAXAZAyAXjjyjjZj；。依据相应的变换矩阵，可以求得机械手各 个功能依靠关节的运动行为，进而对该机械臂系统七个功能实现相应控制提供基础。坐标 变换矩阵如下，其中令 Si = sin θ ρ Ci = cos θ ρ屯为相应的距离，且进行简化表示。
【权利要求】
1. 一种七功能水下机械臂系统，其特征是：包括手爪（1)、腕（2)、第一关节（7)、第二 关节（6)、第三关节（5)、第四关节（4)、第五关节（3)，第一关节（7)包括底座（8)、第一液 压缸（701)，第二关节（6)包括第一连杆（601)、第二液压缸（602)，第三关节（5)包括第二 连杆（501)、第三液压缸（502)，第四关节（4)包括第三连杆（401)、第四液压缸（402)，第五 关节（3)包括第四连杆（301)、第五液压缸（302);第一液压缸（701)安装在底座（8)上， 第一液压缸（701)的单出杆活塞与第一连接杆（601)相连，第二液压缸（602)安装在第一 连接杆（601)上，第二液压缸（602)的单出杆活塞与第二连接杆（501)相连，第三液压缸 (502)安装在第二连杆（501)上，第三液压缸（502)单出杆活塞与第三连接杆（401)相连， 第四液压缸（402)安装在第三连杆（401)上，第四液压缸（402)的单出杆活塞与第四连接 杆（301)相连，第五液压缸（302)安装在第四连杆（301)上，腕（2)包括连接件（201)、旋转 马达（202)、第五连接杆（203)，旋转马达（202)固定在第五连接杆（203)上，连接件（201) 与旋转马达（202)的输出端相连，第五液压缸（302)的单出杆活塞与第五连接杆（203)相 连，手爪（1)包括腕前端（104)、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助 连杆、第六液压缸（105)，第一指端和第二指端相对布置，相对布置的面上均设置锯齿结构， 第一主连杆和第一辅助连杆的上端与第一指端的下端相连，第二主连杆和第二辅助连杆的 上端与第二指端的下端相连，第一主连杆、第二主连杆、第一辅助连杆、第二辅助连杆的下 端均与腕前端（104)相连，第一-第二主连杆上均设置有锯齿结构，第六液压缸（105)安装 在腕前端（104)里，第六液压缸（105)的两侧均设置锯齿结构，第一-第二主连杆的锯齿结 构分别与第六液压缸（105)两侧的锯齿结构相配合，连接件（201)与腕前端（104)相连。
2. 根据权利要求1所述的一种七功能水下机械臂系统，其特征是：第二液压缸（602) 与第三液压缸（502)错位布置，第二液压缸（602)与第三液压缸（502)的单出杆活塞背对 背布置；第四液压缸（402)与第五液压缸（302)错位布置，第四液压缸（402)与第五液压缸 (302)的单出杆活塞背对背布置。
3. 根据权利要求1或2所述的一种七功能水下机械臂系统，其特征是：第一主连杆与 第一辅助连杆构成平行结构、同步转动，第一主连杆位于第一辅助连杆的外侧，第二主连杆 与第二辅助连杆构成平行结构、同步转动，第二主连杆位于第二辅助连杆的外侧。
【文档编号】B63C11/52GK104084947SQ201410201327
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】魏延辉, 陈巍, 高延滨, 王泽鹏, 韩寒, 刘鑫, 胡佳兴, 贾献强, 周卫祥, 何爽 申请人:哈尔滨工程大学