CN104029219B - 一种支撑式可折叠机械手手臂结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支撑式可折叠机械手手臂结构。中间关节包括：上下两个连接板、U型连接板、驱动部件，U型连接板铰接在上下两个连接板之间，驱动部件安装在U型连接板内；载体连接件与首端关节的上下两个连接板连接，首端关节的U型连接板与第一级手臂的一端连接，第一级手臂的另一端与中间关节的上下两个连接板连接；手腕安装在末端关节的U型连接板上；第二级手臂的一端与中间关节的U型连接板连接，第二级手臂的另一端与末端关节的上下两个连接板连接。利用中空支撑杆形成的内部空间来容纳机械手的下一关节，使机械手展开时满足作业范围广、回收时满足收纳体积小的特点，本发明结构简单、易于实现。

Description

一种支撑式可折叠机械手手臂结构

技术领域

本发明属于一种机械手手臂结构，尤其涉及一种框架式可折叠的支撑式可折叠机械手手臂结构。

背景技术

水下机器人是现代海洋环境监测及资源开发的重要工具，随着其工作范围，作业要求的不断提高，对其作业工具也提出了更高的要求。目前，无人无缆水下机器人由于其工作范围大等优点，成为了研究的热点，对其作业工具的改进和作业能力的完善也将进一步提升其工作效率、扩大应用领域。而由于体积、重量、能源等条件的限制，适用于无人无缆水下机器人的作业机械手很少，特别是现有的水下机械手大多采用“圆筒式”手臂结构，不能满足水下机械手大范围作业空间的要求，同时也不能满足机械手在无人无缆水下机械手收纳空间小的要求；而且现有的水下机械手大多结构较为复杂，不利于整体小型化。

目前，国内水下机械手手臂结构主要为下面两种形式，水下液压机械手手臂主要为“U型板框架式”结构，水下电动机械手手臂主要为“圆筒式”结构；如中国专利申请号为201220635024.9名称为一种机械手手臂结构，采用电机驱动，手臂结构不能满足机械手展开作业空间广、回收占用体积小的要求，而且该种机械手手臂结构只适用于陆地机械手，不能满足水下作业的要求；如中国专利申请号为201120550880.1名称为一种手臂摆动结构，采用气压驱动，该专利主要针对的是单个关节手臂摆动结构，而且其整体结构采用“板状框架式”，此类结构也同样不能满足机械手展开作业空间广、回收占用体积小的要求。

发明内容

本发明的目地是提供具有作业空间广、回收占用体积小的一种支撑式可折叠机械手手臂结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种支撑式可折叠机械手手臂结构，包括首端关节、中间关节、末端关节、第一级手臂、第二级手臂、手腕、载体连接件，

中间关节包括：上下两个连接板、U型连接板、驱动部件，U型连接板铰接在上下两个连接板之间，驱动部件安装在U型连接板内；

首端关节与中间关节的结构相同，载体连接件与首端关节的上下两个连接板连接，首端关节的U型连接板与第一级手臂的一端连接，第一级手臂的另一端与中间关节的上下两个连接板连接；

末端关节与中间关节的结构相同，手腕安装在末端关节的U型连接板上；第二级手臂的一端与中间关节的U型连接板连接，第二级手臂的另一端与末端关节的上下两个连接板连接。

本发明一种支撑式可折叠机械手手臂结构还可以包括：

1、中间关节有N个，第二级手臂有N个，Ｎ≥1，相邻两个中间关节之间通过一个第二级手臂连接。

2、驱动部件为液压摆缸。

3、驱动部件包括水液压驱动部分、位置检测部分、转动关节外壳，水液压驱动部分和位置检测部分安装在转动关节外壳里，水液压驱动部分包括驱动转轴、驱动定子、驱动转子，驱动定子固定在转动关节外壳内壁上，驱动转子与驱动转轴相固连，驱动转轴设置在驱动定子旁，转动关节外壳安装在U型连接板内，驱动转轴分别通过左滚动轴承和右滑动轴承与U型连接板和转动关节外壳相配合，位置检测部分包括旋转变压器、卡簧，旋转变压器包括旋转变压器定子、旋转变压器转子，旋转变压器转子过盈安装在驱动转轴上，旋转变压器定子位于旋转变压器转子外部，卡簧卡在旋转变压器定子和转动关节外壳上，旋转变压器定子通过卡簧螺钉固定在转动关节外壳上，卡簧螺钉中部穿过卡簧，转动关节外壳上安装水液压管接头、电缆水密连接头，水液压管接头设置通孔，通孔连通至转动关节外壳内部，从水液压管接头进入的液体驱动驱动转子和驱动转轴相对于驱动定子旋转，电缆水密连接头通过电缆线连接旋转变压器定子。

4、第一级手臂包括四个支撑杆，四个支撑杆成上下两行排列，每行有两个支撑杆，四个支撑杆为的中空结构，第二级手臂结构与第一级手臂的结构相同。

5、首端关节、N个中间关节、末端关节的安装角度不同。

本发明中包括的中间关节个数为N个，第一级手臂的个数也为N个，N＝(1，2，···5)。本发明的有益效果：

1.通过四根中空的支撑杆组成的机械手手臂结构可以满足水下机械手在展开作业时机械手作业空间广，回收于载体水下机器人时机械手占用体较小。

2.通过中空密封支撑杆组成的机械手手臂提供浮力，可以减少机械手水中重量，同时减少水下机械手运动作业时对其载体水下机器人纵倾和横倾的影响。

3.机械手四杆支撑结构组成的关节手臂满足模块化设计，可通过各关节之间组合变换改变机械手的组成形式或者改变机械手的自由度安排。

4.通过四根支撑杆内部中空的结构形式可以满足水下机械手位置检测线路以及液压油路的线路规划。

附图说明

图1为本发明的结构简图1。

图2为本发明的结构简图2。

图3为本发明的手臂收纳示意图。

图4为第四级手腕关节的结构简图。

图5为第四级手腕关节的A-A剖视图。

图6为四杆支撑式结构的支撑杆排列组合图。

图7为第四级手腕关节的B-B剖视图。

图8为驱动部件实施例2的结构简图；

图9为驱动部件实施例2的轴向剖视图1；

图10为驱动部件实施例2的轴向剖视图2；

图11为驱动转子组件的轴向剖视图；

图12为驱动转子组件的A-A剖视图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

该手臂结构可以适用于搭载在无人无缆水下机器人上的小型化水下液压机械手以及水下电动机械手；本发明以小型化水下液压机械手手臂结构为主体，采用四个支撑杆排列组成的手臂结构替代传统的水下机械手“圆筒式”或“框架式”手臂结构，利用支撑杆形成的内部空间来收纳机械手隐藏关节。该种手臂结构形式可满足展开作业时，下一关节从上一关节中伸展直至机械手完全展开后进行作业任务，载体水下机器人航行状态时，将下一关节收纳隐藏于上一关节四根支撑杆形成的收纳空间内部；并且在支撑杆内部可形成密闭空间，为提供机械手浮力以减少机械手的水中重量，同时机械手关节的信号线路以及液压油路可规划于中空的支撑杆内部，以优化机械手外观结构。

本发明阐述的机械手手臂结构主要由第一级俯仰关节、第二级俯仰关节、第三级摆动关节、第四级手腕关节组成，并且机械手手臂结构采用模块化设计，机械手每个关节手臂具有相同的结构形式。以机械手第四级手腕关节为例，它包括四杆支撑结构、第四级手腕俯仰驱动部件、手腕、支撑板、信号线路接头、水密连接头、液压管接头和连接板；水密连接头、液压管接头与第四级手腕俯仰驱动部件螺纹连接，分别用于传递反馈控制信号以及连接液压油管传输驱动液压介质；控制信号线路另一端与信号线路接头连接，信号线路接头与连接板内螺纹连接并且采用O型密封圈密封，关节上部支撑杆两端密封以保证支撑杆为机械手提供浮力，减少机械手水中重量，液压油管规划于下部中空支撑杆内部；支撑杆两端带有外螺纹与相邻两级关节的支撑杆连接件、连接板连接；驱动关节输出轴一端与连接板通过平键连接，另一端与安装在连接板的轴承过盈配合；驱动部件连接件与驱动关节螺钉连接后同连接板配合安装，并且通过螺钉与支撑板紧固连接，手腕通过支撑板与第四级手腕俯仰关节整体配合连接。机械手展开时，驱动部件通过驱动部件连接件、支撑连接件带动其驱动关节与连接板、四杆支撑结构之间发生相对运动，将收纳于后一级四杆支撑结构内部空间的该级机械手手臂展开；同理，机械手回收时，将该级机械手手臂收纳于后一级四杆支撑结构组合形成内部空间。

本发明主要包括的部件有：

载体连接件1、支撑杆连接件A2、支撑杆A3、连接板B4、驱动部件B5、驱动部件连接B6、信号线路接头B7、支撑杆连接件B8、连接螺钉B9、支撑杆B10、连接板C11、驱动部件C12、信号线路接头C13、连接螺钉C14、驱动部件连接C15、支撑杆连接件C16、支撑杆C17、信号线路接头18、连接板D19、手腕20、支撑板21、驱动部件连接件D22、水密连接头23、液压油管24、液压管接头25、驱动部件D26、驱动部件连接A27、连接板A28、驱动部件A29、控制信号线路30、O型密封圈31、深沟球轴承32、平键33。

如图1和图2所示，本发明阐述的水下机械手手臂结构主要由第一级俯仰关节、第二级俯仰关节、第三级摆动关节、第四级手腕关节组成，并且机械手手臂结构采用模块化设计，机械手每个关节手臂具有相同的结构形式。

如图1、图2和图3所示，机械手第一俯仰关节其特征为载体连接件1将机械手安装在其载体水下机器人上，驱动关节A29为机械手提供驱动转矩，并通过两端连接板A28、驱动部件连接A27将驱动关节A29与载体连接件1、支撑杆连接件A2配合安装；第一级俯仰机构通过四根支撑杆A3组成的四杆支撑结构手臂与第二级俯仰机构连接。

如图4、图5、图6和图7所示，机械手每个关节手臂具有相同的结构形式，以机械手第四级手腕关节为例，其特征为水密连接头23、液压管接头25与第四级手腕俯仰关节的驱动部件D26通过螺纹连接，并且分别用于反馈控制信号的传递以及通过连接液压油管24传输驱动介质；控制信号线路30用于传递反馈信号，分别与信号线路接头18、水密连接头23连接；信号线路接头18与连接板D19连接并且采用O型密封圈31密封，图6中的关节上部两支撑杆C17两端通过O型密封圈31密封以保证支撑杆C17为机械手提供浮力，减少机械手水中重量，而液压油管24规划于下部中空支撑杆C17内部；支撑杆D17两端带有外螺纹与相邻关节的支撑连接件C16、连接板D19螺纹连接；驱动部件连接件D22与驱动关节D26螺钉连接后同连接板D19配合安装，并且通过螺钉与支撑板21紧固连接；手腕20通过支撑板21同第四级手腕俯仰关节整体配合连接。驱动关节D26的输出轴一端与连接板D19通过平键33连接，另一端通过与驱动部件连接件D22连接后再与过盈安装连接板D19上的深沟球轴承32过盈配合安装。

其中驱动部件可以有多种结构：

实施例1：驱动部件可以选择液压摆缸。

实施列2：如图8和图9所示，主要由水液压驱动部分46、位置检测部分45组成；将水液压驱动部分46和位置检测部分45集成在转动关节外壳51内部，通过水液压驱动转轴48以及驱动部件连接件的转轴与机械手相邻关节连接。转动关节外壳51上装配锥螺纹连接的水液压管接头41以及电缆水密连接头43分别实现与外部液压油路和位置检测装置通信线路的连接。

如图8、图9所示，驱动部件连接件通过左固定螺钉50安装在转动关节外壳51，驱动部件连接件通过右固定螺钉56固定在转动关节外壳51上，并通过端盖O型密封圈57实现密封；驱动部件连接件与机械手相邻后关节通过平键连接固定，驱动部件连接件转动轴通过滚动轴承过盈配合后与连接板关节连接；支撑杆连接件通过螺钉和定位销安装在驱动部件连接件上，再与连接板的连接固定。

如图8、图9所示，水液压驱动部分46通过驱动转子组件和驱动定子52之间相对运动实现其功能，驱动转子组件和定子52之间转角为180°，可通过调节驱动定子52和驱动转子62的大小用以改变转角的大小，最大转角能达到270°；驱动定子52用定位销42定位后，通过定子螺钉47安装在转动关节外壳51上，安装驱动定子52时将图3所示的密封组合71、72安装在定子圆弧面沟槽内，减少液压介质的内泄漏；驱动转子组件通过左右滑动轴承53、64支撑定位；将中部密封格莱圈64安装在转动关节外壳51开式密封沟槽内部，并将其与右滑动轴承53过盈配合后形成闭式沟槽实现驱动转轴48动密封，防止驱动部分46的液压介质泄漏到位置检测部分45，造成传感器短路损坏。

如图10所示，旋转变压器转子68过盈安装在驱动转轴48上，定子67通过两个半圆形卡簧66卡紧后用卡簧螺钉58安装在转动关节外壳51上；水下电缆与水密头固定基体连接后，并与固定基体进行硫化密封形成电缆水密连接头43，电缆水密连接头43通过固定基体螺纹连接压紧在转动关节外壳51上，在电缆水密连接头43与转动关节外壳51之间通过水密头O型密封圈65实现端面静密封。

如图11、图12所示，驱动转子62通过转子安装螺钉69和转子定位销70安装在驱动转轴48上，安装时将驱动转子62与驱动转轴48和转子右端盖60接触的表面涂抹密封胶；将转子O型密封圈61安装在转子右端盖60的密封槽内，安装时将右端盖60内孔涂抹密封胶后安装固定，并通过转子预紧螺钉59将驱动转轴48、驱动转子62、转子右端盖60锁紧，构成驱动转子组件；将转子密封格莱圈63安装在驱动转轴48和转子右端盖60沟槽内，防止液压介质与外部环境发生外泄漏；驱动转子密封组件由提供弹性的丁腈橡胶圈71和方形PTFE聚四氟乙烯密封环72组成，安装时将密封组件和与其配合的转动关节外壳51压紧完成密封效果，用以防止液压驱动部分46的内泄漏。

这种实施方式的工作原理为：

由支撑杆组成的四杆支撑式机械手手臂结构，可以通过机械手的关节驱动部件的转动将前一级关节的机械手手臂回收到手臂结构中；每级关节通过巧妙的自由度分配以及手臂本体的设计以实现机械手的回收，从而使机械手满足展开时作业范围广、回收时收纳体积小的主要特点；以机械手第二级俯仰关节为例，机械手展开时，该关节驱动部件B(5)通过驱动部件连接件B(6)、支撑连接件B(8)与连接板B(4)、支撑杆A(3)之间发生相对运动，将回收于第一级四杆支撑结构内部空间中的第二级俯仰关节机械手手臂展开；同理，机械手回收时，将第二级俯仰关节机械手手臂收纳于第一级四杆支撑结构形成的内部空间中。由于机械手四杆支撑结构组成的关节手臂满足模块化设计，所以每级关节展开、回收的工作原理相同。

Claims (5)

1.一种支撑式可折叠机械手手臂结构，其特征在于：包括首端关节、中间关节、末端关节、第一级手臂、第二级手臂、手腕、载体连接件，

中间关节包括：上下两个连接板、U型连接板、驱动部件，U型连接板铰接在上下两个连接板之间，驱动部件安装在U型连接板内；

首端关节与中间关节的结构相同，载体连接件与首端关节的上下两个连接板连接，首端关节的U型连接板与第一级手臂的一端连接，第一级手臂的另一端与中间关节的上下两个连接板连接；

末端关节与中间关节的结构相同，手腕安装在末端关节的U型连接板上；第二级手臂的一端与中间关节的U型连接板连接，第二级手臂的另一端与末端关节的上下两个连接板连接，

驱动部件包括水液压驱动部分、位置检测部分、转动关节外壳，水液压驱动部分和位置检测部分安装在转动关节外壳里，水液压驱动部分包括驱动转轴、驱动定子、驱动转子，驱动定子固定在转动关节外壳内壁上，驱动转子与驱动转轴相固连，驱动转轴设置在驱动定子旁，转动关节外壳安装在U型连接板内，驱动转轴分别通过左滚动轴承和右滑动轴承与U型连接板和转动关节外壳相配合，位置检测部分包括旋转变压器、卡簧，旋转变压器包括旋转变压器定子、旋转变压器转子，旋转变压器转子过盈安装在驱动转轴上，旋转变压器定子位于旋转变压器转子外部，卡簧卡在旋转变压器定子和转动关节外壳上，旋转变压器定子通过卡簧螺钉固定在转动关节外壳上，卡簧螺钉中部穿过卡簧，转动关节外壳上安装水液压管接头、电缆水密连接头，水液压管接头设置通孔，通孔连通至转动关节外壳内部，从水液压管接头进入的液体驱动驱动转子和驱动转轴相对于驱动定子旋转，电缆水密连接头通过电缆线连接旋转变压器定子。

2.根据权利要求1所述的一种支撑式可折叠机械手手臂结构，其特征在于：所述的中间关节有N个，第二级手臂有N个，N≥1，相邻两个中间关节之间通过一个第二级手臂连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种支撑式可折叠机械手手臂结构，其特征在于：所述的第一级手臂包括四个支撑杆，四个支撑杆成上下两行排列，每行有两个支撑杆，四个支撑杆为的中空结构，第二级手臂结构与第一级手臂的结构相同。

4.根据权利要求1或2所述的一种支撑式可折叠机械手手臂结构，其特征在于：所述的首端关节、中间关节、末端关节的安装角度不同。

5.根据权利要求3所述的一种支撑式可折叠机械手手臂结构，其特征在于：所述的首端关节、中间关节、末端关节的安装角度不同。