CN103317524B - 水下机械手的腕关节结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水下机械手的腕关节结构，该腕关节结构包括外筒、尾盖、凸轮筒、销钉盘、第一液压缸与第二液压缸；其中，外筒与尾盖间构成筒状腕关节外壳；内部安装有第一液压缸与凸轮筒；凸轮筒内部安装有第二液压缸。第一液压缸活塞杆上套接销钉盘，销钉盘上下连接有销钉，分别置于凸轮筒上开设的螺旋凸轮槽以及外筒上沿轴向开设的导向槽内；由此在导向槽的导向作用下，第一液压缸驱动销钉盘及销钉直线运动，通过凸轮槽转化为凸轮筒的旋转运动，带动凸轮筒上安装的末端执行机构与第二液压缸转动。本发明的优点为：能很好地实现360°以内的有限角度旋转运动，并能向外提供一个直线驱动力；且结构简单、紧凑，体积小、重量轻，制造和生产成本低。

Description

水下机械手的腕关节结构

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体来说，是一种用于水下机械手的腕关节结构。 

背景技术

海洋中蕴藏着丰富的资源，人类开发和利用海洋的速度正在逐渐加快，所涉及的海洋工程日益增多。具有作业能力的水下机器人在海洋工程领域得到了广泛的应用。水下机器人的作业能力主要是靠搭载于其上的水下机械手来完成的。为了有效地进行多样的水下作业，水下机械手一般应具有5或6个自由度并外加一个末端执行器，在这5或6个自由度中，腕关节转动自由度一般是必不可少的。 

腕关节主要用于调整末端执行器的位姿，以便末端执行器能以合适的角度来执行任务。在这种情况下，腕关节不需要连续转动，180°或360°等有限角度的摆动范围就能满足调整夹持器位姿的需求；腕关节需要具备良好的低速转动性能，以利于转角的调整；并应能长时间保持转角位置的稳定。水下机械手工作于海水环境下，其驱动器通常采用液压驱动元件。目前，用于实现腕关节转动的液压驱动元件有：叶片式摆动马达，螺旋摆动缸和齿轮齿条式摆动缸。 

叶片式摆动马达由于结构上的缺陷，存在较大的内部泄露。它用于腕关节需要通过伺服控制来实时补偿，维持腕关节转角的稳定，否则，在内部泄露的影响下，转角无法长时间保持稳定。这无疑会增加液压系统和控制系统的复杂程度。 

螺旋摆动缸通过独特的螺旋结构和高精密的加工来保证内部泄露很小。它能在不外加控制的前提下长时间保持转角的稳定，其制造成本很高，对液压油中的杂质等因素较敏感性，维护成本高。 

齿轮齿条式摆动缸充分利用做直线往复运动的液压缸的密封性较好，内部泄露小的特点，采用齿轮齿条传动，由液压缸来推动齿条运动，进而带动齿轮转动的方式将直线运动转化为转动。它能长时间保持转角的稳定，制造和维护成本很低，但由于要横向布置液压缸，导致摆动缸横向方向上的尺寸很大，会影响水下 机械手的运动。 

腕关节一方面要保证定位功能和安装方便，另一方面又要尽量地简化液压系统，降低制造成本和维护成本。因此，必须要提供一种简单可靠、便于安装以及具备转角保持功能的腕关节结构。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用于水下机械手的腕关节结构，包括外筒、尾盖、凸轮筒、销钉盘、第一液压缸与第二液压缸。 

其中，外筒后端与尾盖固连，形成整体筒状腕关节外壳；尾盖端面上设计有铰接架，用来连接水下机械手的臂关节。外筒内部同轴设置有凸轮筒，凸轮筒的两端均通过轴承与外筒相连。第一液压缸固定设置于腕关节外壳内，且第一液压缸的活塞杆位于凸轮筒内部，朝向凸轮筒前端；第一液压缸的活塞杆上螺纹安装有销钉盘，销钉盘的上下两端分别竖直安装有上销钉与下销钉，上销钉与下销钉的末端分别穿过凸轮筒外壁上开设的凸轮槽A与凸轮槽B后，置于外筒外壁上下位置开设的导向槽A与导向槽B内；其中，凸轮槽A与凸轮槽B为凸轮筒圆周上对称设计的螺旋结构的通槽；导向槽A与导向槽B为沿外筒轴向设计的通槽；由此使销钉直线运动将带动凸轮筒转动。 

凸轮筒内部安装有第二液压缸，第二液压缸活塞杆所在一端与凸轮筒前端螺纹连接，使第二液压缸活塞杆位于外筒外部；外筒前端安装有轴承端盖，通过轴承端盖实现凸轮轴承的定位。凸轮筒前端面上具有螺纹孔，用来安装水下机械手的末端执行机构。第二液压缸的活塞杆用来为末端执行机构提供直线的驱动力。 

上述腕关节外壳与凸轮筒外壁上开有安装口，且腕关节外壳外壁上还开有泄流槽与引线口。 

由此通过上述结构，在导向槽A与导向槽B的导向作用下，第一液压缸驱动销钉盘及上、下销钉直线运动；而由于上销钉与下销钉位于凸轮筒圆周上螺旋结构的凸轮槽A与凸轮槽B内，上销钉与下销钉相对于凸轮筒分别沿凸轮槽A与凸轮槽B运动；为此，凸轮筒将转动，从而实现水下机械手的末端执行机构转动。 

本发明的优点在于： 

1、本发明用于水下机械手的腕关节结构，能很好地实现360°以内的有限角度旋转运动，并能向外提供一个直线驱动力； 

2、本发明用于水下机械手的腕关节结构，结构简单、紧凑，体积小、重量 轻，制造和生产成本低。 

附图说明

图1为本发明腕关节结构整体结构爆炸图； 

图2为本发明腕关节结构整体结构示意图； 

图3为本发明腕关节结构整体结构剖视示意图； 

图4为本发明腕关节结构中凸轮筒结构示意图； 

图5为本发明腕关节结构中套圈、弹簧、预紧螺母以及套筒的安装位置示意图； 

图6为本发明腕关节结构中角度A下外筒结构示意图； 

图7为本发明腕关节结构中角度B下外筒结构示意图。 

图中： 

1-外筒       2-尾盖       3-凸轮筒 

4-销钉盘     5-第一液压缸 6-第二液压缸 

7-法兰       8-铰接架     9-轴承 

10-上销钉    11-下销钉    12-凸轮槽A 

13-凸轮槽B   14-导向槽A   15-导向槽B 

16-橡胶圈    17-套圈      18-弹簧 

19-预紧螺母  20-套筒      21-轴承端盖 

22-安装口    23-泄流槽    24-引线口 

25-网罩 

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步说明。 

本发明腕关节结构，包括外筒1、尾盖2、凸轮筒3、销钉盘4、第一液压缸5与第二液压缸6，如图1、图2、图3所示。 

其中，外筒1后端通过第一液压缸5轴向上具有的法兰7与尾盖2固连，由此形成整体筒状腕关节外壳；由此使第一液压缸5固定于腕关节外壳内部，且第一液压缸5的活塞杆朝向凸轮筒3前端。尾盖2端面上设计有铰接架8，用来实现本发明腕关节结构与水下机械手臂关节的连接。外筒1内部同轴设置有凸轮筒3，凸轮筒3的两端均通过轴承9与外筒1相连，由此使凸轮筒3可相对于外筒1转动。上述第一液压缸5用来为腕关节结构提供直线驱动力，第一液压缸5的活塞杆位于凸轮筒3内，且第一液压缸5的活塞杆上螺纹固连有 销钉盘4，销钉盘4与活塞杆连接处涂有螺纹紧固胶，防止销钉盘4从活塞杆上松脱。所述销钉盘4的上下两端分别竖直安装有上销钉10与下销钉11，上销钉10与下销钉11的末端分别穿过凸轮筒3外壁上开设的凸轮槽A12与凸轮槽B13后，置于外筒1外壁上下位置开设的导向槽A14与导向槽B15内；其中，凸轮槽A12与凸轮槽B13为凸轮筒3圆周上对称设计的螺旋结构的通槽，如图4所示；导向槽A14与导向槽B15为沿外筒1轴向开设的通槽；由此在导向槽A14与导向槽B15的导向作用下，第一液压缸5驱动销钉盘4及上销钉10与下销钉11直线运动；而由于上销钉10与下销钉11位于凸轮筒3圆周上螺旋结构的凸轮槽A12与凸轮槽A13内，上销钉10与下销钉11相对于凸轮筒3分别沿凸轮槽A12与凸轮槽A13运动；为此，凸轮筒3必须转动，从而实现了腕关节的转动功能。因此只要第一液压缸5的行程和凸轮槽A12和凸轮槽B13的螺旋角度足够，则凸轮筒3可以实现任意有限角度的转动；但考虑到腕关节结构的体积以及实际功能需求，该腕关节结构用于360°以内的旋转角度转动较好。 

上述在凸轮槽A12与凸轮槽B13的两个端点处均安装有橡胶圈16，起到缓冲作用。上销钉10与下销钉11上均套有套圈17、弹簧18与预紧螺母19，如图5所示；上销钉10上的套圈17与凸轮槽A12贴合，弹簧18与套圈17接触，通过拧紧预紧螺母19使弹簧18处于压缩状态，保证套圈17和凸轮槽A12始终接触；同样，下销钉11上的套圈17与凸轮槽B13贴合，弹簧18与套圈17接触，通过拧紧预紧螺母19使弹簧18处于压缩状态，保证套圈17和凸轮槽B13始终接触；由此通过套圈17可防止上销钉10、下销钉11与凸轮槽A12、凸轮槽B13间的磨损；且通过弹簧18与预紧螺母19将套圈17压紧的方式，使上销钉10与下销钉11上的套圈17始终保持与凸轮槽A12与凸轮槽B13接触。上销钉10与下销钉11末端还套接有套筒20，通过套筒20防止上销钉10、下销钉11与导向槽A14、导向槽B15间产生磨损。 

上述凸轮筒3内部安装有第二液压缸6，第二液压缸6活塞杆所在一端与凸轮筒3前端螺纹固定，使第二液压缸6活塞杆位于外筒1外部；凸轮筒3与液压缸的连接处涂抹有螺纹紧固胶，防止液压缸与凸轮筒3松脱。外筒1前端通过安装轴承端盖21与垫片，实现凸轮轴承9的定位。凸轮筒前端面上具有螺纹孔，用来安装水下机械手的末端执行机构（例如:手爪等），由此通过凸轮筒3的转动可带动末端执行机构转动；第二液压缸的活塞杆用来为末端执行机构提供 直线驱动力。 

如图4、图6、图7所示，本发明中腕关节外壳与凸轮筒外壁上开有安装口22，腕关节外壳外壁上还开有泄流槽23与引线口24；其中，腕关节外壳外壁上的安装口22用于第一液压缸5油管的安装；泄流槽23用来泄出进入到腕关节结构中的泥沙与海水，防止淤积；引线口24用来引出第二液压缸6的供油管线。凸轮筒3外壁上的安装口22用来安装第二液压缸6的油管；因此要保证安装口22的位置要与第二液压缸6的油管接口位置对应，否则将导致无法安装；因此为克服第二液压缸6与凸轮筒3间通过螺纹连接造成的位置不易调整问题，可在凸轮筒3前端面与第二液压缸6前端面间设置垫片，通过调整垫片的厚度，实现第二液压缸6的油管管口位置的调整。上述安装口22、泄流槽23与引线口24处均通过网罩25封闭，以防止水草等杂物进入腕关节结构。 

同时，为了减小水下机械手腕关节结构的体积和重量，本发明中腕关节结构的大部分零件选用耐海水腐蚀和强度高的铝材，如6061T6；为了减小摩擦，提高凸轮筒3的传动机构工作效率，套圈17和套筒20采用聚四氟乙烯等摩擦系数小、具有水润滑等特性的工程塑料制成。 

Claims (10)

1.水下机械手的腕关节结构，其特征在于：包括外筒、尾盖、凸轮筒、销钉盘、第一液压缸与第二液压缸；

其中，外筒后端与尾盖固连，形成整体筒状腕关节外壳；尾盖端面上设计有铰接架，用来连接水下机械手的臂关节；外筒内部同轴设置有凸轮筒，凸轮筒的两端均通过轴承与外筒相连；第一液压缸固定设置于腕关节外壳内，且第一液压缸的活塞杆位于凸轮筒内部，朝向凸轮筒前端；第一液压缸的活塞杆上螺纹固连有销钉盘，销钉盘的上下两端分别竖直安装有上销钉与下销钉，上销钉与下销钉的末端分别穿过凸轮筒外壁上开设的凸轮槽A与凸轮槽B后，置于外筒外壁上下位置开设的导向槽A与导向槽B内；其中，凸轮槽A与凸轮槽B为凸轮筒圆周上对称设计的螺旋结构的通槽；导向槽A与导向槽B为沿外筒轴向设计的通槽；由此使销钉直线运动将带动凸轮筒转动；

凸轮筒内部安装有第二液压缸，第二液压缸活塞杆所在一端与凸轮筒前端螺纹连接，使第二液压缸活塞杆位于外筒外部；外筒前端安装有轴承端盖，通过轴承端盖实现轴承的定位；凸轮筒前端面上具有螺纹孔，用来安装水下机械手的末端执行机构；第二液压缸的活塞杆用来为末端执行机构提供直线的驱动力；

上述腕关节外壳外壁与凸轮筒外壁上开有安装口，且腕关节外壳外壁上还开有泄流槽与引线口。

2.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述外筒通过第一液压缸周向上具有的法兰与尾盖固连。

3.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述销钉盘与活塞杆连接处涂有螺纹紧固胶；凸轮筒与第二液压缸的连接处涂抹有螺纹紧固胶。

4.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述凸轮槽A与凸轮槽B中的两个端点处均安装有橡胶圈。

5.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述上销钉与下销钉上均套有套圈、弹簧与预紧螺母；上销钉上的套圈与凸轮槽A贴合，弹簧与套圈接触，通过拧紧预紧螺母使弹簧处于压缩状态；同样，下销钉上的套圈与凸轮槽B贴合，弹簧与套圈接触，通过拧紧预紧螺母使弹簧处于压缩状态。

6.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述上销钉与下销钉末端还套接有套筒。

7.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述安装口、泄流槽与引线口处均通过网罩封闭。

8.如权利要求1所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：整体腕关节结构采用6061T6材料。

9.如权利要求5所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述套圈采用聚四氟乙烯材料。

10.如权利要求6所述水下机械手的腕关节结构，其特征在于：所述套筒采用聚四氟乙烯材料。