刚柔操作一体化多功能工程救援属具

本发明涉及机械设计、液压控制、抗震减灾技术领域，具体属于多功能工程属具。

背景技术：

近年来，地震灾害频发，国家经济建设和人民生命财产安全遭到破坏和损失。故使用高效的震后救灾设备进行灾区的抢险救灾工作有着重要意义。参考目前抗震救灾救援可以看出，营救人员主要应用的破拆工具以及部署的通用工程大型机械包括液压钳、抓石机、液压剪、岩石锯、破碎锤等。对其中不同功能的救援属具进行作用分析并分类，可以确定钢筋混凝土墙体的破碎和搬运为工程救援属具的主要工作目标，且工作方式均是刚性操作，因此这类大型工程救援属具在工作过程中可能会造成二次坍塌危及被困人员的生命，并且在刚性操作过后并不能保证救援现场可以直接进行后续救援，需要救援队员人力清理小型混凝土碎石，但在人力清理过程中可能发生的余震和二次坍塌会对救援人员的生命造成危害。除此之外，在目前的救援设备上，同一台设备实现多功能操作采用的结构多为双臂结构，具体实现为单一机械臂装有单一属具进行工作。这种方案存在操作不便、制造困难、造价高昂等缺点。所以实现一机多用对于灾后的破拆工作或者经济建设都具有极其重要的现实意义。现需要设计一种新型多功能属具，同时具备刚性操作和柔性操作。

技术实现要素：

本发明目的是实现一种属具同时具有抱抓混凝土石块的刚性操作和清扫碎石瓦砾的柔性操作。克服技术障碍，实现在一种属具上具备多种功能，并设计合理。

刚柔操作一体化多功能工程救援属具，其特征在于，包括一个机架(1)、两个工作液压缸(2)、八个抱抓装置连杆(3)、两个抱爪(4)、一个柔性清扫装置基座(5)、一个移动导向套筒(6)、一个导向滑块(7)、一个导向滑块导轨(8)、一个旋转导向套筒(9)、八个扫刷(13)、一个功能液压缸(15)、工作液压马达(17)；工作液压缸(2)、功能液压缸(15)、工作液压马达(17)通过控制设备进行控制运动。

机架(1)为是一个长方体，垂直于长方体的方向称为x轴方向，与长方体中心对称轴平行的轴为z轴，与x轴和z轴垂直的轴为y轴，z轴方向为上下方向；长方体中心位置设计有两个柱状的空腔,两个柱状空腔的方向均沿z轴方向，其中上半部柱状空腔用于布置工作液压马达(17)，该空腔上方未贯穿机架，但留有通孔用于工作液压马达(17)接通油路，该空腔下方与下半部分柱状空腔贯通，并留有一凸台同于安装固定液压马达(17)；下半部分柱状空腔用于布置柔性清扫装置基座(5)以及其他柔性清扫装置零件，该空腔上方与上半部分空腔相连以保证柔性清扫装置基座(5)与工作液压马达(17)的连接，该空腔下方贯穿机架(1)以保证扫刷(13)可从机架(1)中推出，该空腔在y轴方向上相背的两侧设计有凸台用于安装导向滑块导轨(8)与功能液压缸(15)；长方体顶部设计有两个凸台，两个凸台之间由两根沿x方向用于与快速转换接头连接的横杆相连；长方体两侧设计有两个沿y轴方向的凸台，该凸台中心留有保证工作液压缸(2)活动空间的长方形凹槽，凸台两侧设计有沿x轴方向贯穿凸台的通孔用于安装工作液压缸(2)。

柔性清扫装置基座(5)由三个直径和高度不同的圆柱体构成，三个圆柱体的中心线在沿z轴的同一直线上；上部的圆柱体为柔性清扫装置基座(5)与工作液压马达(17)连接的转轴(51)，该转轴上设计有花键(53)；中间的圆柱体上方设计有八个通孔(52)用于固定旋转导向套筒(9)的柱状连杆(92)，该圆柱体内部设计有一个z轴方向投影为正八边形的柱状空腔，空腔贯穿方向与z轴平行，该空腔用于放置收回的扫刷(13)；下部的圆柱体为柱状空腔结构，底部设计有八个长方形凹槽(54)用于固定清扫工作开始后伸出的扫刷(13)，凹槽(54)与内部空腔交界处设计安装有柱状滚子(12)。

移动导向套筒(6)为柱状环形结构，圆柱中心设计有沿z轴方向的圆形通孔，圆形通孔内侧设计有环形凹槽(62)，该凹槽所在平面与z轴垂直；套筒沿y轴方向相背的两侧分别设计有两个凸台；凸台(63)沿y轴正方向从移动导向套筒(6)的右侧向外延伸，并设计有凹槽用于与功能液压缸(15)相连接；凸台(61)沿z轴负方向从移动导向套筒(6)的左侧向下方延伸，并设计有通孔用于与导向滑块(7)相连接。

旋转导向套筒(9)为柱状环形结构，圆柱中心设计有沿z轴方向的圆形通孔；圆柱外侧设计有环形凹槽(91)用以安装轴承，该环形凹槽(91)所在平面与z轴垂直；圆柱体底部设计有沿z轴方向的八个柱状连杆(92)用于连接扫刷(13)，八个柱状连杆(92)以圆周均匀分布旋转导向套筒(9)的圆形底部；每个柱状连杆(92)底部设计有圆形通孔(93)用以安装扫刷(13)。

箱体底部端盖(11)为片状长方体，长方体中心设计有沿z轴方向的圆形通孔，长方体上表面设计有环形凸台用以安装固定轴承；防尘盖(14)为正八边形柱状体，其正八边形每个边缘的中心设计有长方形凹槽(141)用以固定工作时从腔内伸出的扫刷(13)，凹槽(141)内部边缘设计有圆形通孔；扫刷(13)为长方体，其表面覆盖有柔性钢丝毛刷。

刚性抱抓系统包括一个机架(1)、两个工作液压缸(2)、八个抱抓装置连杆(3)、两个抱爪(4)等；抱爪(4)的每个爪子是截面为镰刀的块状结构，所述的截面垂直x轴，每个爪子的镰刀状截面的尖端朝下，宽端在上；其中一个抱爪由三个镰刀状截面的爪子沿x轴方向排列构成，三爪子之间由柱状结构连接；与之抓合的另一个抱爪由两个镰刀状截面的爪子沿x轴方向排列构成，同对侧抱爪相同，两个爪子之间由柱状结构连接；两个抱爪(4)工作时每个镰刀状截面的爪子交错抓合；每一个抱爪(4)上部垂直镰刀面的侧面即垂直x轴的一个侧面设计有一与之固定连接的连杆，连杆的长度方向沿y轴方向，该连杆的一端与机架(1)进行转动副a连接，转动副a转动轴平行于x轴，该连杆只能进行周向转动；抱爪(4)的每个镰刀状爪子沿x轴方向的中心处设计有一凸台，该凸台在z轴方向上位于宽端与尖端之间，凸台中心设计有一圆形通孔与沿y轴方向的连接轴a进行转动副b连接，此转动副b的转动轴与上述转动副a的转动轴平行；该连接轴a两端与抱抓装置连杆(3)进行转动副b连接；一端与抱爪(4)构成转动副b的抱抓装置连杆的另一端与连杆和连接轴b进行转动副c连接，转动副c的转动轴平行于x轴；连接轴b的中心位置通过套筒与工作液压缸(2)进行转动副c连接；一端与抱抓装置连杆(3)构成转动副c的连杆另一端与机架(1)进行转动副d连接，转动副d的转动轴平行于x轴；工作液压缸(2)与机架(1)两侧凸台通过销轴进行转动副e连接，转动副e的转动轴平行于x轴；工作液压缸(2)运动时带动连接轴b运动，从而推动由抱爪(4)和抱抓装置连杆(3)构成的四杆机构运动，从而改变抱爪(4)的位置实现抱抓功能。

柔性清扫系统包括一个柔性清扫装置基座(5)，一个移动导向套筒(6)，一个导向滑块(7)，一个导向滑块导轨(8)，一个旋转导向套筒(9)，一个旋转基座轴承(10)，一个机架箱体端盖(11)，八个柱状滚子(12)，八个扫刷(13)，一个防尘盖(14)，一个功能液压缸(15)，一个旋转套筒轴承(16)，一个工作液压马达(17)等；柔性清扫装置基座(5)下端通过一个机架箱体端盖(11)和轴承(10)与机架(1)相连接，机架箱体端盖(11)与轴承(10)外圈固定，轴承(10)内圈与基座(5)下端外侧固定，机架箱体端盖(11)下方通过螺栓固定于机架(1)；柔性清扫装置基座(5)的转轴(51)穿过旋转导向套筒(9)中心的通孔，通过转轴花键(51)与工作液压马达(17)连接；柱状滚子(12)与柔性清扫装置基座(5)下端长方形凹槽(54)进行转动副连接，滚子成圆周曲线排列；旋转导向套筒(9)下端的柱状连杆(92)穿过圆孔(52)与扫刷(13)连接，连杆通孔(93)通过销轴与扫刷连接构成转动副，并且在连接处设计有扭簧，通过扭簧施加外力使扫刷(13)压紧在柱状滚子(12)表面上，以保证扫刷(13)从腔内推出后展开；轴承(16)安装在移动导向套筒(6)与旋转导向套筒(9)之间，轴承(16)外圈固定安装于移动导向套筒(6)的环形凹槽(62)，轴承(16)内圈固定安装于旋转导向套筒(9)的环形凹槽(91)，故移动导向套筒(6)与旋转导向套筒(9)二者可以相对转动；凸台(61)通过螺钉与导向滑块(7)固定；导向滑块导轨(8)通过螺栓固定于机架(1)的腔体壁上；导向滑块(7)与导向滑块导轨(8)进行移动副连接；凸台(63)与功能液压缸(15)的活塞杆固定连接；防尘盖(14)通过表面圆形通孔与旋转导向套筒(9)下端的柱状连杆(92)固定连接；功能液压缸(15)通过螺栓固定安装在机架(1)的腔体内侧；工作液压马达(17)通过螺栓固定安装于机架(1)上部腔体与下部腔体之间的凸台；功能液压缸(15)活塞推出时推动移动导向套筒(6)向上即沿z轴正方向移动，从而带动旋转导向套筒(9)同步向上运动，从而带动扫刷(13)收入腔内；功能液压缸(15)活塞收回时带动移动导向套筒(6)向下即沿z轴负方向移动，从而带动旋转导向套筒(9)同步向下运动，从而带动扫刷(13)从腔内推出展开；工作液压马达(17)工作时带动柔性清扫装置基座(5)转动，从而带动位于长方形凹槽(54)中的扫刷(13)旋转，由于基座转动带动旋转导向套筒(9)同步转动，此时移动导向套筒(6)固定静止，旋转导向套筒(9)对其相对转动。

本发明具有刚性抱抓装置a、柔性清扫装置b；

作为刚性抱抓装置a工作时，功能液压缸(15)活塞推出锁死，扫刷(13)收回隐藏于柔性清扫装置基座(5)的空腔中，工作液压缸(2)活塞推出提供动力，推动连接轴运动从而带动由抱爪(4)和抱抓装置连杆(3)构成的四杆机构运动，抱爪(4)进行不与柔性清扫装置基座(5)底部凸出部分相交的曲线运动直至两个抱爪抓合，实现刚性的石块抱抓功能。

作为柔性清扫装置b工作时，功能液压缸(15)活塞缩回锁死，扫刷(13)从柔性清扫装置基座(5)的空腔中推出并展开；工作液压缸(2)活塞缩回并锁死，此时抱爪(4)不再进行任何工作，两个抱爪(4)间距保持最大静止固定于机架(1)两侧；工作液压马达(17)工作带动柔性清扫装置基座(5)转动，从而带动此时已推出并展开的位于长方形凹槽(54)中的扫刷(13)旋转，实现柔性的碎石清扫功能。

本发明的有益效果如下：

本发明集成度高，结构简单，通过只采用一个工程属具的基础上，实现碎石清扫功能与石块抱抓功能，并不同于传统工程属具的刚性运动集成，该属具具有刚柔操作一体化的特点。

本发明的功能转换基于刚性抱抓系统与柔性清扫系统分别布置于机架(1)外部与机架(1)腔体内实现，通过功能液压缸(15)活塞的推出与缩回，扫刷(13)实现从腔体内推出工作与收回隐藏，进而快速完成抱抓功能与清扫功能间的转换，并且在各工作状态下满足工作要求，没有发生运动干涉。

本发明的柔性清扫功能实现基于扫刷折展机构的变化，功能液压缸(15)活塞缩回时带动移动导向套筒(6)向下沿导向滑块导轨进行直线运动(8)即沿z轴负方向移动，从而带动旋转导向套筒(9)同步向下运动，从而带动扫刷(13)从腔内推出展开并定位卡入长方形凹槽(54)；工作液压马达(17)工作时带动柔性清扫装置基座(5)转动，从而带动位于长方形凹槽(54)中的扫刷(13)旋转，此时基座转动带动旋转导向套筒(9)同步转动，移动导向套筒(6)保持静止，旋转导向套筒(9)对其相对转动；防尘盖(14)与移动导向套筒(6)底端固定，在套筒向下移动时同步移动，并且设计有长方形凹槽(141)保证扫刷(13)与其定位，可防止工作时灰尘进入腔体内同时增加扫刷(13)工作稳固性，加强属具实用性和可靠性。

附图说明

图1整体装配主视图；

图2整体装配断面图；

图3导向套筒连接处局部视图；

图4扫刷连接处局部视图；

图5柔性清扫装置爆炸视图；

图6抱抓时属具主视图；

图7抱抓时属具轴测图；

图8清扫时属具主视图；

图9清扫时属具轴测图；

图10清扫时属具下视图；

图11扫刷收回时清扫装置主视图；

图12扫刷收回时清扫装置轴测图；

图13扫刷伸出时清扫装置主视图；

图14扫刷伸出时清扫装置轴测图。

图中：1—机架，2—工作液压缸，3—抱抓装置连杆，4—抱爪，5—柔性清扫装置基座，6—移动导向套筒，7—导向滑块，8—导向滑块导轨，9—旋转导向套筒，10-旋转基座轴承，11-机架箱体端盖，12-柱状滚子，13-扫刷，14-防尘盖，15-功能液压缸，16-旋转套筒轴承，17-工作液压马达，51-转轴，52-圆孔，53-转轴花键，54-长方形凹槽，61-滑块连接凸台，62-环形凹槽，63-液压缸连接凸台，91-环形凹槽，92-柱状连杆，93-圆形通孔，94-销轴，141-长方形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图说明下具体实施方式：

对废墟表面首先进行大型混凝土石块的搬运，属具工作模式为：从图1的初始状态至图6的抱抓工作状态，工作液压缸(2)活塞推出抱爪(4)抓合进行刚性的抱抓工作，如图6、图7所示，属具抱爪(4)在抱抓状态时的构型；内部柔性清扫装置如图11、图12所示，功能液压缸(15)活塞推至最大行程处并锁死，导向滑块(7)此时位于导向滑块导轨(8)上端，扫刷(13)收回于柔性清扫装置基座(5)腔体内避免与抱抓工作产生干涉。

在对大型石块搬运结束后，对刚性抱抓工作无法处理的碎石瓦砾进行清理，属具工作模式为：

工作液压缸(2)处于收缩状态并锁死恢复至初始状态图1，抱爪(4)以图1中的构型张开静止于机架(1)两侧；

从图12扫刷收回状态至图14扫刷推出状态，功能液压缸(15)活塞缩回至最大行程处并锁死，导向滑块(7)沿导向滑块导轨(8)移动至底端，移动导向套筒(6)沿导轨方向同步向下移动，与移动导向套筒(6)嵌套的旋转导向套筒(9)同步下移；

如图4所示，扫刷(13)与旋转导向套筒(9)下端柱状连杆连接处安装有扭簧，扫刷(13)与旋转导向套筒(9)同步下移的同时，在扭簧作用力下压紧滚子(12)并在其表面滚动从而展开；最终如图10所示，扫刷(13)推出展开定位于柔性清扫装置基座(5)底部长方形凹槽(54)；

在扫刷(13)展开定位完成后，工作液压马达(17)启动，柔性清扫装置基座(5)转动从而带动位于凹槽内的扫刷(13)运动，扫刷表面的柔性钢丝毛刷对碎石瓦砾进行清扫工作，工作状态如图8、图9所示。