一种水压人工肌肉驱动的机械臂模块及模块化机械臂

本发明涉及模块化机器人，具体而言，尤其涉及一种水压人工肌肉驱动的机械臂模块及模块化机械臂。

背景技术：

1、水面漂浮物的打捞是海上应急救援保障的一项重要举措。传统水面打捞作业机械臂通常采用的驱动方式是液压驱动和电机驱动。液压驱动方式的输出力/输出力矩远远大于相同体积下的电机驱动方式，具有高功率重量比、易实现过载保护、不易腐蚀等优点，但液压驱动的工作介质一般为液压油，与海洋环境不兼容，易发生泄漏污染海洋环境，同时也存在液压装置重量大、不容易实现小型化等缺点。电机驱动方式整体结构简单，具有精确的运动控制和力/力矩控制能力等优点，但该方式容易受到海水侵入，需要良好的密封处理，同时也存在功率密度低、体积庞大、可靠性较差等缺点。

2、作为新型驱动方式的水压人工肌肉是由气动人工肌肉发展而来，采用纯水作为驱动介质，与气动人工肌肉相比具有高输出力重量比，响应更快，噪音更小等特点，最重要的是水压人工肌肉与海洋环境兼容，因此是作为作业机械臂驱动器的重要发展方向之一。目前，人工肌肉领域比较常见的关节形式为拮抗式人工肌肉关节，其优点在于结构紧凑、可实现正反两个方向的转动，缺点是控制精度差、抗干扰能力弱以及关节力矩输出低。

技术实现思路

1、根据上述提出传统打捞作业机械臂和拮抗式关节存在的技术问题，而提供一种水压人工肌肉驱动的机械臂模块及模块化机械臂，具有模块化程度高、结构紧凑、控制简单、关节力矩输出大、柔性承载等显著优点。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种水压人工肌肉驱动的机械臂模块，所述机械臂模块一端为根部，另一端为端部；所述机械臂模块包括关节连杆、根部肌肉连接件、水压人工肌肉、关节连接件、端部肌肉连接件和拉簧；

4、所述关节连杆包括四根连杆，所述连杆上设置有位于两端的端部通孔和根部通孔以及两个中间通孔；四根所述连杆分别为组成第一连杆组的根部第一关节连杆和端部第一关节连杆，以及组成第二连杆组的根部第二关节连杆和端部第二关节连杆；

5、所述关节连接件包括关节轴，所述关节轴位于所述第一连杆组和所述第二连杆组之间，且两侧分别通过轴承组件转动安装于所述第一连杆组件和所述第二连杆组件；同轴设置的所述根部第一关节连杆的端部通孔和所述端部第一关节连杆的根部通孔通过所述关节轴转动连接；同轴设置的所述根部第二关节连杆的端部通孔和所述端部第二关节连杆的根部通孔通过所述关节轴转动连接；

6、所述水压人工肌肉包括水压人工肌肉本体，所述水压人工肌肉本体的进水端和封闭端分别设置有根部关节轴承和端部关节轴承；

7、所述根部肌肉连接件包括根部第一连接块、根部第二连接块、根部支撑块、连接轴、根部肌肉紧固螺柱和根部肌肉紧固螺母；所述根部第一连接块和所述根部第二连接块分别设置有三个通孔，所述根部支撑块设置有一个通孔；所述根部第一连接块、所述根部支撑块和所述根部第二连接块依次设置于所述根部第一关节连杆和所述根部第二关节连杆之间，且所述根部第一连接块和所述根部第二连接块上位于中间的通孔以及所述根部支撑块的通孔与所述根部第一关节连杆和所述根部第二关节连杆上处于同轴的两个中间通孔同轴设置，形成连接轴安装通道；所述连接轴穿过并固定安装于所述连接轴安装通道，连接所述根部第一关节连杆与所述根部第二关节连杆；所述根部第一连接块和所述根部第二连接块上位于一端且处于同轴的两个通孔与所述根部关节轴承的轴孔同轴设置，并通过所述根部肌肉紧固螺柱和所述根部肌肉紧固螺母紧固；

8、所述端部肌肉连接件包括端部第一连接块、长连接轴、端部支撑块、端部第二连接块、端部肌肉紧固螺柱和端部第二紧固螺母；所述端部第一连接块和所述端部第二连接块分别设置有三个通孔，所述端部支撑块设置有一个通孔；所述端部第一连接块、所述端部支撑块和所述端部第二连接块依次设置于所述端部第一关节连杆和所述端部第二关节连杆之间，且所述端部第一连接块和所述端部第二连接块上位于中间的通孔以及所述端部支撑块的通孔与所述端部第一关节连杆和所述端部第二关节连杆上处于同轴的两个中间通孔同轴设置，形成长连接轴安装通道；所述长连接轴穿过并固定安装于所述长连接轴安装通道，连接所述端部第一关节连杆与所述端部第二关节连杆；所述端部第一连接块和所述端部第二连接块上所述端部第一连接块和所述端部第二连接块与所述端部关节轴承的轴孔同轴设置，并通过所述端部肌肉紧固螺柱和所述端部第二紧固螺母紧固；

9、所述拉簧包括第一拉簧和第二拉簧；所述第一拉簧和所述第二拉簧两端分别设置有吊耳；所述第一拉簧一端通过安装于所述吊耳的第一卸扣连接至所述端部第一连接块另一端的通孔，另一端通过所述吊耳连接至所述根部第一连接块另一端的通孔；所述第二拉簧一端通过安装于所述吊耳的第二卸扣连接至所述根部第二连接块另一端的通孔，另一端通过所述吊耳连接至所述端部第二连接块另一端的通孔。

10、进一步地，所述关节连接件还包括关节轴第一紧固螺母、垫片和关节轴第二紧固螺母；所述关节轴一端依次穿过所述根部第一关节连杆的端部通孔和所述端部第一关节连杆的根部通孔并安装有所述垫片和所述关节轴第一紧固螺母，另一端依次穿过所述根部第二关节连杆的端部通孔和所述端部第二关节连杆的根部通孔并安装有所述垫片和关节轴第二紧固螺母；所述关节轴第一紧固螺母和所述关节轴第二紧固螺母与通过垫片。

11、进一步地，所述轴承组件包括连杆轴承和关节轴轴承，所述关节轴两侧分别安装有所述关节轴轴承；

12、位于所述关节轴一侧的所述关节轴轴承插装于所述根部第一关节连杆的端部通孔和所述端部第一关节连杆的根部通孔内，另一侧插装于所述根部第二关节连杆的端部通孔和所述端部第二关节连杆的根部通孔内；

13、所述根部第一关节连杆的端部通孔表面、所述端部第一关节连杆的根部通孔表面以及所述根部第一关节连杆的端部通孔与所述端部第一关节连杆的根部通孔之间分别设置有所述连杆轴承；

14、所述根部第二关节连杆的端部通孔表面、所述端部第二关节连杆的根部通孔表面以及所述根部第二关节连杆的端部通孔与所述端部第二关节连杆的根部通孔之间分别设置有所述连杆轴承。

15、进一步地，所述根部第一关节连杆与所述根部第一连接块相互垂直；所述根部第二关节连杆与所述根部第二连接块相互垂直；所述根部第二关节连杆与所述端部第一连接块相互垂直；所述端部第二关节连杆与所述端部第二连接块相互垂直。

16、进一步地，所述根部第一关节连杆与所述根部第一连接块之间、所述根部第二关节连杆与所述根部第二连接块之间以及所述根部第一连接块和所述根部第二连接块与所述根部支撑块之间分别紧密贴合。

17、进一步地，所述连接轴两端分别通过根部第一紧固螺母和根部第二紧固螺母与所述根部第一关节连杆和所述根部第二关节连杆固定；

18、所述长连接轴两端分别通过端部第一紧固螺母和端部肌肉紧固螺母与所述端部第一关节连杆和所述端部第二关节连杆固定。

19、进一步地，所述连杆位于中间的两个通孔设置有键槽ⅰ；所述根部第一连接块和所述根部第二连接块位于中间的通孔设置有键槽ⅱ；所述根部支撑块的通孔设置有键槽ⅲ；所述连接轴设置有一个键槽ⅳ；所述根部第一关节连杆和所述根部第二关节连杆上处于同轴的两个中间通孔的所述键槽ⅰ与所述键槽ⅱ、所述键槽ⅲ和所述键槽ⅳ同轴设置且均能够与根部长平键相匹配；所述连接轴通过所述根部长平键与所述键槽ⅰ、所述键槽ⅱ、所述键槽ⅲ和所述键槽ⅳ相互配合固定安装于所述连接轴安装通道。

20、进一步地，所述端部第一关节连杆与所述端部第一连接块之间还设置有端部第一垫块；所述端部第二关节连杆与所述端部第二连接块之间还设置有端部第二垫块；所述端部第一垫块两侧与所述端部第一关节连杆和所述端部第一连接块紧密贴合，所述端部第二垫块两侧与所述端部第二连接块和所述端部第二关节连杆紧密贴合，所述端部支撑块两侧与所述端部第一连接块和所述端部第二连接块紧密贴合。

21、进一步地，所述连杆位于中间的两个通孔设置有键槽ⅰ；所述端部第一连接块和所述端部第二连接块位于中间的通孔设置有键槽ⅴ；所述端部第一垫块和所述端部第二垫块分别设置有能够形成所述长连接轴安装通道的通孔，所述端部第一垫块和所述端部第二垫块的通孔设置有键槽ⅵ；所述端部支撑块的通孔设置有键槽ⅶ；所述长连接轴设置有一个键槽ⅷ；

22、所述端部第一关节连杆和所述端部第二关节连杆上处于同轴的两个中间通孔的所述键槽ⅰ与所述键槽ⅴ、所述键槽ⅵ、所述键槽ⅶ和所述键槽ⅷ同轴设置；所述长连接轴两端分别通过与所述键槽ⅰ和所述键槽ⅷ相匹配的端部第一短平键和端部第二短平键固定安装于所述端部第一关节连杆和所述端部第二关节连杆上处于同轴的两个中间通孔，中部通过与所述键槽ⅴ、所述键槽ⅵ、所述键槽ⅶ和所述键槽ⅷ相匹配的端部长平键相配合固定安装于所述长连接轴安装通道。

23、本发明还提供了一种采用了所述的水压人工肌肉驱动的机械臂模块的模块化机械臂，包括若干所述机械臂模块；相互连接的两个所述机械臂模块共用一根所述连杆。

24、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、1、本发明提供的水压人工肌肉驱动的机械臂模块，采用单根水压人工肌肉形式或两根及以上的水压人工肌肉串联形式驱动，以纯水为介质，绿色环保、液压控制系统简单，输出力大。

26、2、本发明提供的水压人工肌肉驱动的机械臂模块及模块化机械臂，可根据负载需求进行串联或并联布置模块，模块化程度高，作业适应性好。

27、3、本发明提供的模块化机械臂，若干机械臂模块交叉布置，利用水压人工肌肉径向力可实现柔性承载，保护负载；模块上的拉簧可以提供初始预紧力以及平衡水压人工肌肉收缩后产生的力矩。

28、基于上述理由本发明可在模块化机器人领域广泛推广。