一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的在于提供本發(fā)明一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)，包括手爪、腕、第一-第五關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)包括底座、第一液壓缸，第二關(guān)節(jié)包括第一連桿、第二液壓缸，第三關(guān)節(jié)包括第二連桿、第三液壓缸，第四關(guān)節(jié)包括第三連桿、第四液壓缸，第五關(guān)節(jié)包括第四連桿、第五液壓缸；手爪包括腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主連桿、第一-第二輔助連桿、第六液壓缸，腕包括連接件、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、第五連接桿。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，負(fù)載能力強(qiáng)，機(jī)械手爪可進(jìn)行拆卸更換，具有七個(gè)自由度，在深海探測(cè)以及相應(yīng)的海底作業(yè)中，具有比較大的適用性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種水下機(jī)器人，具體地說(shuō)是一種水下機(jī)械臂。

【背景技術(shù)】
[0002] 海洋是目前尚未被大范圍開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域，尤其是海底復(fù)雜的環(huán)境以及深海中豐富多 樣的的自然資源，這些因素促使世界各個(gè)國(guó)家投入大量的人力、物力、財(cái)力在海洋探測(cè)，尤 其是深海探測(cè)和深海作業(yè)研究中。盡管海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)尚未完全成熟，但是目前水下機(jī)器人 在深海作業(yè)方面還是取得了廣泛的科研價(jià)值、工程經(jīng)驗(yàn)以及經(jīng)濟(jì)效益，水下機(jī)器人的研究 也為國(guó)防建設(shè)海洋版塊提供了一個(gè)重要研究方向。作為水下機(jī)器人的重要組成部分，水下 機(jī)械臂系統(tǒng)是其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接決定深海作業(yè)機(jī)器人完成任務(wù)的水平與質(zhì)量。
[0003] 目前關(guān)于水下機(jī)械手臂的研究的進(jìn)展列舉如下，《六自由度水下機(jī)械手臂的設(shè)計(jì) 與研究》（液壓與氣動(dòng)，2014 (1) : 10 -12, 17)，該文獻(xiàn)雖然設(shè)計(jì)出六自由度的水下機(jī)械手臂， 但是機(jī)械手臂的部分關(guān)節(jié)連接處強(qiáng)度不能保證，結(jié)構(gòu)布局不夠緊湊，機(jī)械手爪不可以拆卸 更換，這些因素會(huì)在實(shí)際運(yùn)用中埋下作業(yè)隱患?！端聶C(jī)械手的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)》（機(jī) 電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2012(3) :25- 26, 29)提出現(xiàn)階段水下機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在向高 性能，高可靠性，以及更高程度的自動(dòng)化發(fā)展。《水下機(jī)械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)了水下三 指機(jī)械手，雖然一定程度上提高了動(dòng)作精度，但是它在深海探測(cè)以及深海作業(yè)中，沒(méi)有機(jī)械 手爪技術(shù)成熟和穩(wěn)定。"水下機(jī)械卡爪機(jī)構(gòu)（200810063944. 8)"該專(zhuān)利設(shè)計(jì)了一種水下水 下卡爪機(jī)構(gòu)，但是卡爪的合并，依靠的是主連桿通過(guò)銷(xiāo)軸與液壓缸活塞桿之間的連接，這種 連接的負(fù)載能力較小，且手爪夾持物體的穩(wěn)定程度也不是很高，抵抗意外沖擊力性能較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供能保證機(jī)械臂各個(gè)功能的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)的一種七功能水下機(jī) 械臂系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本發(fā)明一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是：包括手爪、腕、第一關(guān)節(jié)、第二關(guān) 節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)包括底座、第一液壓缸，第二關(guān)節(jié)包括第一連 桿、第二液壓缸，第三關(guān)節(jié)包括第二連桿、第三液壓缸，第四關(guān)節(jié)包括第三連桿、第四液壓 缸，第五關(guān)節(jié)包括第四連桿、第五液壓缸；第一液壓缸安裝在底座上，第一液壓缸的單出桿 活塞與第一連接桿相連，第二液壓缸安裝在第一連接桿上，第二液壓缸的單出桿活塞與第 二連接桿相連，第三液壓缸安裝在第二連桿上，第三液壓缸單出桿活塞與第三連接桿相連， 第四液壓缸安裝在第三連桿上，第四液壓缸的單出桿活塞與第四連接桿相連，第五液壓缸 安裝在第四連桿上，腕包括連接件、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、第五連接桿，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)固定在第五連接桿上， 連接件與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出端相連，第五液壓缸的單出桿活塞與第五連接桿相連，手爪包括 腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主連桿、第一-第二輔助連桿、第六液壓缸，第 一指端和第二指端相對(duì)布置，相對(duì)布置的面上均設(shè)置鋸齒結(jié)構(gòu)，第一主連桿和第一輔助連 桿的上端與第一指端的下端相連，第二主連桿和第二輔助連桿的上端與第二指端的下端 相連，第一主連桿、第二主連桿、第一輔助連桿、第二輔助連桿的下端均與腕前端相連，第 一-第二主連桿上均設(shè)置有鋸齒結(jié)構(gòu)，第六液壓缸安裝在腕前端里，第六液壓缸的兩側(cè)均 設(shè)置鋸齒結(jié)構(gòu)，第一-第二主連桿的鋸齒結(jié)構(gòu)分別與第六液壓缸兩側(cè)的鋸齒結(jié)構(gòu)相配合， 連接件與腕前端相連。
[0007] 本發(fā)明還可以包括：
[0008] 1、第二液壓缸與第三液壓缸錯(cuò)位布置，第二液壓缸與第三液壓缸的單出桿活塞背 對(duì)背布置；第四液壓缸與第五液壓缸錯(cuò)位布置，第四液壓缸與第五液壓缸的單出桿活塞背 對(duì)背布置。
[0009] 2、第一主連桿與第一輔助連桿構(gòu)成平行結(jié)構(gòu)、同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第一主連桿位于第一輔 助連桿的外側(cè)，第二主連桿與第二輔助連桿構(gòu)成平行結(jié)構(gòu)、同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第二主連桿位于第二 輔助連桿的外側(cè)。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：（1)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔與緊湊，通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)以及其單出桿伸 縮的具體形式，實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的緊密連接，并且大多數(shù)的兩兩關(guān)節(jié)之間連接桿進(jìn)行了挖槽 處理，使得液壓缸的放置更加方便合理，進(jìn)而使整體布局更加簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)更加緊湊，使得整 個(gè)系統(tǒng)的防水難度有所下降；(2)深海環(huán)境作業(yè)負(fù)載能力增強(qiáng)，本發(fā)明各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)動(dòng) 力都使用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)力較大，使得機(jī)械臂系統(tǒng)更適合于進(jìn)行在深海條件下的相關(guān) 作業(yè)；（3)機(jī)械手爪可進(jìn)行更換，基于手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，該水下機(jī)械臂系統(tǒng)可以較方便的 在手爪指端磨損或毀壞時(shí)于非工作狀態(tài)下進(jìn)行手爪替換，降低設(shè)備的維護(hù)成本；(4)建立 模型，易于分析各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)取值范圍，便于根據(jù)相應(yīng)功能規(guī)劃各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分量。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)三維圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明手爪部分的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖3是本發(fā)明手爪部分指端101的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0014] 圖4是本發(fā)明手爪部分主連桿102的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0015] 圖5是本發(fā)明手爪部分輔助連桿103的的主視圖；
[0016] 圖6是本發(fā)明手爪部分腕前端104的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖7是本發(fā)明腕關(guān)節(jié)部分的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖8是本發(fā)明腕關(guān)節(jié)連接件201的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖9是本發(fā)明腕關(guān)節(jié)連接桿203的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖10是本發(fā)明關(guān)節(jié)5的連桿301三維結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖11是本發(fā)明關(guān)節(jié)4的連桿401三維結(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖12是本發(fā)明關(guān)節(jié)3的連桿501三維結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖13是本發(fā)明關(guān)節(jié)2的連桿601三維結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖14是本發(fā)明底座8的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖15是液壓部分組成圖；
[0026] 圖16是控制部分組成圖；
[0027] 圖17是系統(tǒng)整體建模圖；
[0028] 圖18是關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化模型圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述：
[0030] 結(jié)合圖1?18,底座8和液壓缸701均固定在機(jī)械臂系統(tǒng)的作業(yè)本體上，這里通 過(guò)控制信號(hào)控制液壓缸701的伺服閥，進(jìn)而決定液壓缸701內(nèi)的油量，通過(guò)液壓缸701的單 出桿推動(dòng)關(guān)節(jié)26的連桿601實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)26的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)35由控制信號(hào)作用于液壓缸 602的伺服閥，從而控制其內(nèi)油量，并通過(guò)其單出桿的推動(dòng)以及與連桿601的銷(xiāo)軸，實(shí)現(xiàn)關(guān) 節(jié)35繞該銷(xiāo)軸的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；關(guān)節(jié)44由控制信號(hào)作用于液壓缸502的伺服閥，從而控制其內(nèi) 油量，并通過(guò)其單出桿的推動(dòng)以及與連桿501的銷(xiāo)軸，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)44繞該銷(xiāo)軸的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；關(guān) 節(jié)53由控制信號(hào)作用于液壓缸402的伺服閥，從而控制其內(nèi)油量，并通過(guò)其單出桿的推動(dòng) 以及與連桿401的銷(xiāo)軸，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)53繞該銷(xiāo)軸的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；腕2由控制信號(hào)作用于液壓缸 302的伺服閥，從而控制其內(nèi)油量，腕2的連接桿203與連桿301通過(guò)聯(lián)接銷(xiāo)軸，液壓缸302 單出桿的運(yùn)動(dòng)推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)腕2繞該銷(xiāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)；腕2中的 旋轉(zhuǎn)馬達(dá)202也是液壓驅(qū)動(dòng)，同樣是通過(guò)控制信號(hào)對(duì)伺服閥的控制，實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)腕2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；手爪1中指端101通過(guò)主連桿102以及銷(xiāo)軸與腕前端104相聯(lián) 接，主連桿102由位于腕前端104內(nèi)的液壓缸105提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，該驅(qū)動(dòng)力源于液壓缸105 末端的帶有齒輪結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)主連桿104的齒輪與其嚙合將該液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為實(shí) 現(xiàn)手爪1夾持動(dòng)作的齒輪驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)主連桿104與輔助連桿103所構(gòu)成的平行機(jī)構(gòu)將 該齒輪驅(qū)動(dòng)傳遞給指端實(shí)現(xiàn)手爪張開(kāi)與夾持動(dòng)作。
[0031] 如圖15所示，液壓部分由液壓泵、溢流閥、伺服閥箱、單向閥、液壓油箱、液壓缸、 液壓馬達(dá)和管路組成。液壓泵是整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，提供和保持液壓系統(tǒng)油壓；溢流 閥保護(hù)液壓系統(tǒng)，防止液壓系統(tǒng)壓力過(guò)大出現(xiàn)事故；單向閥防止負(fù)載過(guò)大、液壓油逆流；伺 服閥箱用來(lái)控制各關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的液壓缸和液壓馬達(dá)運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方向；液壓油箱用于貯存液壓 油，為系統(tǒng)提供液壓油源和回收返回的液壓油；管路用于連接各液壓器件，傳送液壓油，提 供動(dòng)力轉(zhuǎn)移。
[0032] 如圖16所示，控制部分由控制器、通信接口電路、數(shù)字轉(zhuǎn)模擬電路、模擬信號(hào)放大 電路、伺服閥箱電路組成。上位機(jī)通過(guò)通信接口電路向機(jī)械臂控制器發(fā)送機(jī)械臂控制命令， 控制器根據(jù)命令進(jìn)行計(jì)算分解，輸出相應(yīng)的數(shù)字形式的控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)模擬 電路輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路后傳入到伺服閥箱，伺服閥箱根據(jù)信號(hào)控制相應(yīng) 的液壓執(zhí)行元件動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制。
[0033] 如圖17所示，在該機(jī)械臂系統(tǒng)的底座，關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)5,以及腕關(guān)節(jié)分別相應(yīng)建立 坐標(biāo)系XciyciZAyAXAZAyAXAZAyAXjjyjjZj；。依據(jù)相應(yīng)的變換矩陣，可以求得機(jī)械手各 個(gè)功能依靠關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)行為，進(jìn)而對(duì)該機(jī)械臂系統(tǒng)七個(gè)功能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制提供基礎(chǔ)。坐標(biāo) 變換矩陣如下，其中令 Si = sin θ ρ Ci = cos θ ρ屯為相應(yīng)的距離，且進(jìn)行簡(jiǎn)化表示。

【權(quán)利要求】
1. 一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是：包括手爪（1)、腕（2)、第一關(guān)節(jié)（7)、第二 關(guān)節(jié)（6)、第三關(guān)節(jié)（5)、第四關(guān)節(jié)（4)、第五關(guān)節(jié)（3)，第一關(guān)節(jié)（7)包括底座（8)、第一液 壓缸（701)，第二關(guān)節(jié)（6)包括第一連桿（601)、第二液壓缸（602)，第三關(guān)節(jié)（5)包括第二 連桿（501)、第三液壓缸（502)，第四關(guān)節(jié)（4)包括第三連桿（401)、第四液壓缸（402)，第五 關(guān)節(jié)（3)包括第四連桿（301)、第五液壓缸（302);第一液壓缸（701)安裝在底座（8)上， 第一液壓缸（701)的單出桿活塞與第一連接桿（601)相連，第二液壓缸（602)安裝在第一 連接桿（601)上，第二液壓缸（602)的單出桿活塞與第二連接桿（501)相連，第三液壓缸 (502)安裝在第二連桿（501)上，第三液壓缸（502)單出桿活塞與第三連接桿（401)相連， 第四液壓缸（402)安裝在第三連桿（401)上，第四液壓缸（402)的單出桿活塞與第四連接 桿（301)相連，第五液壓缸（302)安裝在第四連桿（301)上，腕（2)包括連接件（201)、旋轉(zhuǎn) 馬達(dá)（202)、第五連接桿（203)，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)（202)固定在第五連接桿（203)上，連接件（201) 與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)（202)的輸出端相連，第五液壓缸（302)的單出桿活塞與第五連接桿（203)相 連，手爪（1)包括腕前端（104)、第一指端-第二指端、第一-第二主連桿、第一-第二輔助 連桿、第六液壓缸（105)，第一指端和第二指端相對(duì)布置，相對(duì)布置的面上均設(shè)置鋸齒結(jié)構(gòu)， 第一主連桿和第一輔助連桿的上端與第一指端的下端相連，第二主連桿和第二輔助連桿的 上端與第二指端的下端相連，第一主連桿、第二主連桿、第一輔助連桿、第二輔助連桿的下 端均與腕前端（104)相連，第一-第二主連桿上均設(shè)置有鋸齒結(jié)構(gòu)，第六液壓缸（105)安裝 在腕前端（104)里，第六液壓缸（105)的兩側(cè)均設(shè)置鋸齒結(jié)構(gòu)，第一-第二主連桿的鋸齒結(jié) 構(gòu)分別與第六液壓缸（105)兩側(cè)的鋸齒結(jié)構(gòu)相配合，連接件（201)與腕前端（104)相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是：第二液壓缸（602) 與第三液壓缸（502)錯(cuò)位布置，第二液壓缸（602)與第三液壓缸（502)的單出桿活塞背對(duì) 背布置；第四液壓缸（402)與第五液壓缸（302)錯(cuò)位布置，第四液壓缸（402)與第五液壓缸 (302)的單出桿活塞背對(duì)背布置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種七功能水下機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是：第一主連桿與 第一輔助連桿構(gòu)成平行結(jié)構(gòu)、同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第一主連桿位于第一輔助連桿的外側(cè)，第二主連桿 與第二輔助連桿構(gòu)成平行結(jié)構(gòu)、同步轉(zhuǎn)動(dòng)，第二主連桿位于第二輔助連桿的外側(cè)。
【文檔編號(hào)】B63C11/52GK104084947SQ201410201327
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】魏延輝, 陳巍, 高延濱, 王澤鵬, 韓寒, 劉鑫, 胡佳興, 賈獻(xiàn)強(qiáng), 周衛(wèi)祥, 何爽 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)