CN103921277A - 一种吸取式水下机械手及其吸取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吸取式水下机械手及其吸取方法，该装置通过多级柔性液压油管由机器人艇体主油泵为机械手各级液压油缸和液压马达提供液压油，机械手臂底座通过顶端的万向球与艇体连接，并连接三个液压油缸对其进行控制，机械手臂底座下部固定有单级液压油缸，单级液压油缸伸缩轴通过套轴连接基座，套轴上安装有液压马达，用于带动机械手基座转动，在基座上安装有八只由液压缸操控的机械腕，机械腕底面安装有一定数量的吸盘杆组。该装置抓取和吸附物体的方法类似于海底生活的章鱼，依靠机械腕对物体的作用力来挤压吸盘并排出吸盘容腔内的液体，使吸盘吸附在物体表面。在机械腕抓力和吸盘吸附力的共同作用下，使机械手具有更强的抓取物体的能力。

Description

一种吸取式水下机械手及其吸取方法

技术领域：

本发明涉及一种吸取式水下机械手装置及其吸附物体的方法。这种具有八爪机械腕结构的装置，在海底打捞、海底探测等工作领域将表现出良好的吸附和抓取能力。这种海底吸附、抓取物体机械手装置的设计灵感来源于海底生活的章鱼，它与现在水下机械手普遍采用的抓取方法有着明显区别，它为新型水下机械手的研究提供了新的参考内容。

技术背景：

21世纪人类发展将走向海洋，因此占全球面积近3/4的海洋将成为人类赖以生存发展的关键因素。随着世界各国对海洋经济发展的需求愈加旺盛，海洋资源开发和利用成为许多国家发展战略的重点。在这场意义深远的海洋资源争夺战中，水下机器人将在海洋资源开发利用、海底探测、水下工程、水下救助乃至水下生产等领域发挥出巨大作用。作为水下机器人的基本抓取部件---水下机械手则是其必不可少的水下装备之一,如果没有水下机械手，水下机器人也就变成了一个水下观察平台，极大降低了它的使用价值。

虽然近年来水下机械手在研发方面发展较为迅速，但从水下机械手的总体类型、总体作业水平和作业效率等方面综合评价，现有的水下机械手设备还存在着一些不足。现在普遍使用的水下机械手型式上主要是指夹式，结构上通常为关节式。一方面，这样结构的机械手作业范围有限，特别是在海底打捞、抓取海底沉积物体等方面，现有机械手的作业效果不理想，容易出现物体中途脱落现象。另一方面，由于海底复杂的环境和海水中存在的水动力影响，水下机械人在作业过程中，依靠指夹式机械手很难牢固抓取旁边的物体而实现水下定位。当被抓取物体的大小、形状和类型改变时，现有机械手的抓取效果也会出现很大变化，工作稳定性较差。

本发明所提及的这种新型吸取式水下机械手的设计理念来源于海底生活的章鱼，它将原来机械手在抓取物体时所采用的夹取式抓取方式设计为类似于章鱼活动的抓取式和吸取式。它通过液压油缸来驱动和操控安装在基座上的八个机械腕，实现八爪抓取和吸附物体的作用。这种新型吸取式水下机械手既增大了海底作业范围，又提高了抓取物体的牢固性，并且具有操作灵活和工作可靠的特点。

发明内容：

本发明提供一种吸取式水下机械手装置及其吸取方法，该机械手在水下作业抓取物体时，由于具有较大的工作面积，能保证抓取物体的牢固性，克服了现有机械手在此方面的不足。这种机械手的工作方法类似于海底章鱼抓取物体的原理，在抓和吸的共同作用下提高机械手在海里作业的效率，为新型水下机械手的研制提供了宝贵的理论知识。

下面接合附图进一步说明本发明的具体内容及实施方式：

一种吸取式水下机械手，主要由机械手臂底座、液压油缸、液压马达、套轴、机械手基座、机械腕、吸盘杆组组成，所述机械手臂底座45一端的万向球1与艇体万向球座连接，另一端与具有定位卡槽的单级液压油缸33连接，单级液压油缸伸缩轴46与机械手套轴32连接，所述机械手基座8通过密封轴承31与机械手套轴32配合连接，机械手套轴32中部的液压马达支座30上安装液压马达28，所述液压马达28上的齿轮27与机械手基座8端部齿槽9相互啮合，所述机械手基座8上均匀排布有多只分段组成的机械腕，所述各段机械腕之间分别通过液压油缸连接，安装有吸盘22的吸盘杆组20按序安装在机械手腕的底面上。

所述万向连接是指机械手臂底座的万向球1与艇体万向球座连接，同时三个一级液压油缸（3）一端的万向球结构（2）与艇体其它三个万向球座连接，另一端与一级液压缸座（4）连接。

所述多只分段机械腕为C级八只分为三段的机械腕，所述的三段机械腕为依次交接的A级机械腕13、B级机械腕16和机械腕18，所述A级机械腕13的一端与机械手基座8上的机械腕座26连接，所述液压油缸由二级液压油缸11、三级液压油缸15和四级液压油缸17组成。

所述二级液压油缸11与基座二级液压缸座10和A级机械腕液压缸座12连接；所述三级液压油缸15与B级机械腕16上缸座和A级机械腕13上缸座连接；所述四级液压油缸17与C级机械腕18上缸座和B级机械腕16上缸座连接；所述吸盘杆组20按序安装在机械手腕底面的吸盘杆组安装孔25上，T型杆21连接处为铰接，T型杆件横杆24两端各安装一个吸盘22。

所述单级液压油缸伸缩轴46的正常恢复位置47不是单级液压油缸伸缩轴46的最大收缩位置，机械手套轴32上的单级液压缸连接端37与单级液压油缸伸缩轴46端部凹孔配合，固定机械手套轴32和单级液压油缸伸缩轴46的连接销6具有特定的刚性，使单级液压油缸33在紧急情况下，通过单级液压油缸伸缩轴46向最大收缩位置的运动来剪断连接销6，保证机械手的自动应急解脱性能。

所述吸盘杆组20有一个T型杆21和两个软体吸盘22组成，T型杆横杆24两端各安装一个软体吸盘22，软体吸盘22和T型杆横杆24连接处装有吸盘减震弹簧23，吸盘杆组20和机械腕连接处也加有吸盘杆组减震弹簧19，T型杆21的连接方式为铰接。

所述机械手轴套32上端单级液压油缸连接端37与单级液压油缸伸缩轴46端部凹孔内侧结合，下部轴承安装端38配合有密封轴承31，机械手套轴32上设有套轴上端连接孔34和轴承下定位孔35，机械手套轴32中心为套轴通孔36，中间端部有液压马达支座30。

所述机械腕分为ABC三级，A级机械腕13长度长于B级机械腕16长度，B级机械腕16长度大于C级机械腕18长度，且宽度依次减小，每相邻两段之间的连接方式为铰接。

一种如上述吸取式水下机械手的吸取方法按以下步骤进行：

第一步：三个一级液压油缸3配合作业，调整机械手臂底座45及所属机构运动方位；

第二步：根据被抓物体所处位置，分别调节二级液压油缸11、三级液压油缸15、四级液压油缸17，展开各级机械腕并对物体进行初步抓取；

第三步：根据物体与机械腕的位置关系调节液压马达28，液压马达带动机械手基座8和机械腕旋转，使机械手基座和机械腕位于待抓取物体的恰当位置；

第四步：调节机械手单级液压油缸33，单级液压油缸伸缩轴46伸长，使机械腕靠近待抓取物体；

第五步：再次调节二、三、四级机械手液压油缸使机械腕对物体进行紧密贴附；

第六步：吸盘22变形排出容腔内液体并贴附在物体表面，完成吸附和抓紧工作。

本发明的技术效果：

本发明涉及一种吸取式水下机械手装置及其吸取物体的方法。这种装置与水下机器人主体配合，主要应用于物体抓取、海底打捞、海底探测等领域。这种装置抓取和吸附物体的方法类似于海底生活的章鱼，依靠机械腕对物体的作用力来挤压吸盘并排出吸盘容腔内的液体，使吸盘吸附在物体表面，实现对物体的牢固抓取和吸附。该机械手在水下作业抓取物体时，由于具有较大的工作面积，能保证抓取物体的牢固性，克服了现有机械手在此方面的不足。本发明采用液压油缸作为主要动力源，设计原理简单，操作灵活，伸缩运动明显，抓取物体牢固，能显著提高水下机械手在海底打捞、抓取物体等作业时的效率。

附图说明：

图1是本发明所设计的新型吸取式机械手装置装配示意图，为了简明只画出了两只机械腕结构。

图2是机械手套轴32的示意图。

图3是机械手臂底座45与一级液压油缸3连接示意图。

图4是基座8上八只机械腕的分布示意图。

图5是机械手机械腕上吸盘22分布的放大图。

图6是吸盘杆组20的放大图。

附图中1.手臂底座万向球；2.一级液压油缸底座万向球；3一级液压油缸；4.一级液压缸座；5.连接螺钉；6.特定刚性连接销；7.轴承上端定位销；8.机械手基座；9.基座齿槽；10.基座二级液压缸座；11.二级液压油缸；12.A级机械腕液压缸座；13.A级机械腕；14.吸盘杆组销孔；15.三级液压油缸；16.B级机械腕；17.四级液压油缸；18.C级机械腕；19.吸盘杆组减震弹簧；20.吸盘杆组；21.T型杆；22.吸盘；23.吸盘减震弹簧；24.T型杆横杆；25.吸盘杆组安装孔；26.机械腕座；27.齿轮；28.液压马达；29.轴承下端定位销；30.液压马达支座；31.密封轴承；32.机械手套轴；33.单级液压油缸；34.套轴上端连接孔；35.轴承下定位孔；36.套轴通孔；37.单级液压缸连接端；38.轴承安装端；39.液压马达安装孔；40.一级液压缸连接销；41.机械腕链接销；42.基座通孔；43.吸盘杆组链接销；44.单级油缸液压油进口；45.机械手臂底座；46.单级液压油缸伸缩轴；47.单级液压油缸伸缩轴正常恢复位置线。

具体实施方式：

本发明可以通过以下技术方案来实现，结合附图说明如下：

如图1所示：一种新型水下吸取式机械手装置由机械手臂底座45、单级液压油缸33、机械手套轴32、液压马达28、密封轴承31、各级液压油缸、机械手基座8、各级机械腕、吸盘杆组20组成。装置连接方式：机械手臂底座45顶部的万向球1与艇体万向球座连接；三个底座具有万向球结构2的一级液压油缸3连接在一级液压缸座4和艇体万向球座上；通过连接螺钉5将具有定位卡槽的单级液压油缸33与机械手臂底座45连接；通过具有特定刚性的连接销6将液压油缸伸缩轴46与机械手套轴32连接；通过密封轴轴承31连接机械手套轴32与机械手基座8；在套轴液压马达支座30上安装带有齿轮27的液压马达28，使齿轮27与机械手基座8的齿槽9啮合；通过二级液压油缸11将A级机械腕13与基座8连接；通过三级液压油缸15将B级机械腕16与A级机械腕13连接；通过四级液压油缸17将C级机械腕18与B级机械腕16连接；将吸盘杆组20按序安置在机械手腕底面吸盘杆组25上，T型杆21连接为铰接。

如图2所示：机械手套轴32一端为与单级液压油缸伸缩轴46内侧结合的单级液压缸连接端37，一端为安装轴承的轴承安装端38，中端有液压马达支座30，机械手套轴32中心有通孔36，以减轻重量。

如图3所示：机械手臂底座下端的定位卡槽用于定位单级液压油缸33；顶端的万向球结构1用于和艇体连接；在机械手臂底座45中端均匀分布三个一级液压油缸座4用于安装一级液压油缸3；为便于调节机械手臂的转动方向，一级液压油缸底端的万向球结构2也和艇体其它三个万向球座连接；机械手臂底座45下端分布有四个螺钉孔用于安装连接螺钉5，上端有一液压油进口44。

如图4所示：基座8底端均匀分布有八对座槽，每对对应排列，基座8底端周边八个液压油缸座用于安装机械手的二级液压油缸11底端，基座8底面上的八个机械腕座26用于安装A级机械腕13，机械腕分为三级，A级机械腕13长度长于B级机械腕16长度，B级机械腕16长度大于C级机械腕18长度，且宽度依次减小，每相邻两段之间的连接方式为铰接。

如图5、6所示：在每段机械腕底部都均匀排布有吸盘杆组20，单个吸盘杆组20有一个T型杆21和两个软体吸盘22组成，T型杆件横杆24两端各安装一个软体吸盘22，吸盘杆组20的排布方式与机械腕平行，软体吸盘22和T型杆横杆24处加有吸盘减震弹簧23，吸盘杆组20和机械腕连接处也加有吸盘杆组减震弹簧19，T型杆21的连接方式为铰接。

一种新型吸取式水下机械手吸附物体的工作方法按以下步骤进行：

第一步：三个一级液压油缸3配合作业，调整机械手臂底座45及所属机构运动方位；

第二步：根据被抓物体所处位置，分别调节二级液压油缸11、三级液压油缸15、四级液压油缸17，展开各级机械腕并对物体进行初步抓取；

第三步：根据物体与机械腕的位置关系调节液压马达28，液压马达带动机械手基座8和机械腕旋转，使机械手基座和机械腕位于待抓取物体的恰当位置；

第四步：调节机械手单级液压油缸33，单级液压油缸伸缩轴46伸长，使机械腕靠近待抓取物体；

第五步：再次调节二、三、四级机械手液压油缸使机械腕对物体进行紧密贴附；

第六步：吸盘22变形排出容腔内液体并贴附在物体表面，完成吸附和抓紧工作。

Claims (9)

1.一种吸取式水下机械手，主要由机械手臂底座、液压油缸、液压马达、套轴、机械手基座、机械腕和吸盘杆组组成，其特征在于：

所述机械手臂底座（45）一端的万向球（1）与艇体万向球座连接，另一端与具有定位卡槽的单级液压油缸（33）连接，单级液压油缸伸缩轴（46）与机械手套轴（32）连接，所述机械手基座（8）通过密封轴承（31）与机械手套轴（32）配合连接，机械手套轴（32）中端的液压马达支座（30）上安装液压马达（28），所述液压马达（28）上的齿轮（27）与机械手基座（8）端部齿槽（9）相互啮合，所述机械手基座（8）上均匀排布有多只分段组成的机械腕，所述各段机械腕之间分别通过液压油缸连接，安装有吸盘（22）的吸盘杆组（20）按序安装在机械手腕的底面上。

2.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述万向连接是指机械手臂底座的万向球（1）与艇体万向球座连接，同时三个一级液压油缸（3）一端的万向球结构（2）与艇体其它三个万向球座连接，另一端与机械手臂底座(45)上的一级液压缸座（4）连接。

3.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述多只分段机械腕为八只分为三段的机械腕，所述的三段机械腕为依次交接的A级机械腕（13）、B级机械腕（16）和C级机械腕（18），所述A级机械腕（13）的一端与机械手基座（8）上的机械腕座（26）铰接，所述液压油缸由二级液压油缸（11）、三级液压油缸（15）和四级液压油缸（17）组成。

4.根据权利要求3所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述二级液压油缸（11）与基座二级液压缸座（10）和A级机械腕液压缸座（12）连接；所述三级液压油缸（15）与B级机械腕（16）上的缸座和A级机械腕(13)上的缸座连接；所述四级液压油缸（17）与C级机械腕（18）上的缸座和B级机械腕（16）上的缸座连接；所述吸盘杆组（20）按序安装在机械手腕底面的吸盘杆组安装孔（25）上,T型杆（21）连接处为铰接，T型杆件横杆（24）两端各安装一个吸盘（22）。

5.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述单级液压油缸伸缩轴（46）的正常恢复位置（47）不是单级液压油缸伸缩轴（46）的最大收缩位置，机械手套轴（32）上的单级液压缸连接端（37）与单级液压油缸伸缩轴（46）连接，单级液压缸连接端（37）在单级液压油缸伸缩轴（46）端部凹孔内与之配合，固定机械手套轴（32）和单级液压油缸伸缩轴（46）的连接销（6）具有特定的刚性，使单级液压油缸（33）在紧急情况下，通过单级液压油缸伸缩轴（46）向最大收缩位置的运动来剪断连接销（6），保证机械手的自动应急解脱性能。

6.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述吸盘杆组（20）有一个T型杆（21）和两个软体吸盘（22）组成，T型杆件横杆（24）两端各安装一个软体吸盘（22），软体吸盘（22）和T型杆件横杆（24）连接处装有吸盘减震弹簧（23），吸盘杆组（20）和机械腕连接处也加有吸盘杆组减震弹簧（19），T型杆（21）的连接方式为铰接。

7.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述机械手轴套（32）上端单级液压油缸连接端（37）与单级液压油缸伸缩轴（46）端部凹孔内侧结合，下部轴承安装端（38）配合有密封轴承（31），机械手套轴（32）上设有套轴上端连接孔（34）和轴承下定位孔（35），机械手套轴（32）中心为套轴通孔（36），中间端部有液压马达支座（30）。

8.根据权利要求1所述的一种吸取式水下机械手，其特征在于：

所述机械腕分为ABC三级，A级机械腕（13）长度长于B级机械腕（16）长度，B级机械腕（16）长度大于C级机械腕（18）长度，且宽度依次减小，每相邻两段之间的连接方式为铰接。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的吸取式水下机械手的吸取方法按以下步骤进行：

第一步：三个一级液压油缸（3）配合作业，调整机械手臂底座（45）及所属机构运动方位；

第二步：根据被抓物体所处位置，分别调节二级液压油缸（11）、三级液压油缸（15）、四级液压油缸（17），展开各级机械腕并对物体进行初步抓取；

第三步：根据物体与机械腕的位置关系调节液压马达（28），液压马达带动机械手基座（8）和机械腕旋转，使机械手基座和机械腕位于待抓取物体的恰当位置；

第四步：调节机械手单级液压油缸（33），单级液压油缸伸缩轴（46）伸长，使机械腕靠近待抓取物体；

第五步：再次调节二、三、四级机械手液压油缸使机械腕对物体进行紧密贴附；

第六步：吸盘（22）变形排出容腔内液体并贴附在物体表面，完成吸附和抓紧工作。