CN106393172A - 多关节柔性水下机械臂 - Google Patents

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宋伟
姜红建
王彬
朱世强
李剑鹏
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Abstract

本发明涉及一种多关节柔性水下作业机械臂，该机械臂的结构主要由几个重复的手臂关节单元、用于安装手臂的底座、臂体末端的手爪以及末端传感器等组成。安装在底座的电机驱动柔性绳，通过改变柔性绳的长度来实现对机械臂臂体偏转、俯仰运动的控制，臂体到达指定位置后，手爪张合来实现对目标物的抓取。末端传感器主要用来检测机械臂位置，实现闭环控制的要求。该种机械臂主要用做深海ROV末端作业工具，相较于典型的6自由度+手爪的结构，具有结构轻巧、质量小以及冗余自由度大的优点。

Description

多关节柔性水下机械臂
技术领域
本发明涉及一种水下水下机械臂，具体是一种多关节柔性水下机械臂。
背景技术
目前，ROV(Remotely Operated Vechicle)是当前海洋探索研究的主要工具之一。ROV上面的作业工具更是整个系统的重要组成，而作为ROV上面的作业工具，其组成主要包括机械臂以及安装在机械臂上面的末端执行工具。
由于深海ROV特殊的工作环境，传统的刚性工业机械臂由于其尺寸结构以及自由度的限制，往往不能完全满足很多工况下ROV的工作要求。
多关节柔性水下机械臂优势在于其柔性好、质量小、冗余自由度多，灵活性以及避障性远远强于传统的工业机械臂，因此在深海探测研究中更有明显的优势。机械臂搭载在ROV上到达指定工作区域，配合机械臂末端安装的传感器，机械臂便能自主规划路径完成指定动作。
发明内容
本发明主要是针对现有技术的不足，提供一种质量轻、体积小、自由度多、灵活性好的多关节柔性水下机械臂。
本发明技术方案的具体内容如下：
本发明包括数个由万向节连接而成的关节，末端关节和底座连接在一起，所述的关节包括关节盘和关节筒。
所述的关节盘的上表面为平面，下表面铣有圆台，该圆台用于关节盘和关节筒的安装定位，关节盘端面沿中轴线均匀开有3n个通孔，通孔用于安装柔性绳，1≤n≤12。关节盘中间加工为通孔结构。关节盘侧壁均匀开有螺纹孔，用于安装和关节筒连接的螺钉。关节盘上表面沿中性面对称加工有两个耳板，耳板用来安装轴套，轴套和轴向安装在轴套内部的螺钉可以相对运动。
所述的关节筒整体结构为薄壁圆筒，端面沿轴线均匀分布3n个通孔，对应关节盘上的孔，用于安装柔性绳。关节筒在两端面侧壁都开有均匀分布的螺纹孔，用于安装与关节盘连接的螺钉。
所述的万向节中间开有通孔。万向节四个侧面对应开有螺纹孔，螺纹孔和关节盘耳板里面的轴套通过螺钉连接在一起，螺钉和万向节螺纹连接在一起，没有相对运动。
所述的底座的前盖板加工成凸台结构，凸台中间加工出通孔，通孔直径和关节筒外径相同，关节筒刚好能够和该通孔配合，同时电机端引出的钢丝绳能够从通孔出引至各关节。前盖板侧面开有螺纹孔，用于安装前盖板和关节筒连接的螺钉。
进一步说，所述的关节和万向节采用浮力材料。
本发明的有益效果：
1.零部件材料采用非常适合水下作业的浮力材料，针对水下作业这一特殊工况，浮力材料的减重特点得到很好的体现。
2.水下工作空间狭小，使得该发明的高冗余自由度得到充分的发挥，灵活性强、避障性好的特点使得这种结构具有更大的优势。
3.相邻关节之间的可转角大，单个关节的工作空间大。
4.关节盘端面开有36个通孔，每个关节靠3根柔性绳实现转动，关节可以往上递增，最多可以达到12个关节。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是关节盘连接的结构示意图；
图3a和图3b是关节盘的结构示意图；
图4是关节筒的结构示意图；
图5是万向节的结构示意图；
图6是底座前盖板的结构示意图；
图中：1-关节盘，2-关节筒，3-前盖板，4-底座筒，5-后盖板，6-轴套，7-万向节，8-螺钉，9-关节盘侧面孔，10-关节盘耳板，11-关节盘耳板孔，12-关节盘中空孔，13-关节盘通线孔，14-关节筒侧面孔，15-关节筒通线孔，16-关节筒中空孔，17-万向节螺纹孔，18-万向节中空孔，19-前盖板孔，20-前盖板侧面孔，21-前盖板中空孔，22-通线孔台阶，23-柔性绳。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明中的本体主要有数个相同的关节连接而成，末端关节和底座通过螺钉连接在一起，关节盘1的上表面为平面，下表面部分实体切除形成凹形结构，该种结构有利于关节筒2和关节盘1安装定位，关节盘1端面沿中轴线均匀开有3n(1≤n≤12)个关节盘通线孔13，关节盘通线孔13用于安装柔性绳23。关节盘1中间加工有关节盘中空孔12，其主要用于减轻机械臂的质量。关节盘1侧壁均匀开有4个关节盘侧面孔9，用于安装和关节筒2连接的螺钉。关节盘1上表面沿中性面对称加工有两个关节盘耳板10，关节盘耳板10用来安装轴套6，轴套6和轴向安装在轴套6内部的螺钉8可以相对运动。
关节筒2整体结构为薄壁圆筒，中间的关节筒中空孔16主要是用于减轻机械臂质量。端面沿轴线均匀分布3n个关节筒通线孔15，对应关节盘1上的关节盘通线孔13，也是用于安装柔性绳23。同样，关节筒2在两端面侧壁都开有4个均匀分布的关节筒侧面孔14，用于安装连接螺钉。
万向节7中间开有万向节中空孔18，主要是用于减轻机械臂的质量。万向节7四个侧面对应开有万向节螺纹孔17，万向节螺纹孔17和关节盘耳板10里面的轴套6通过螺钉8连接在一起，螺钉8和万向节7固接在一起，两者之间没有相对运动。
前盖板3加工成凸台结构，凸台中间加工出前盖板中空孔21，前盖板中空孔21直径和关节筒2外径相同，关节筒2刚好能够和前盖板中空孔21配合连接在一起，同时电机端引出的柔性绳23能够从前盖板中空孔21出引至各关节。前盖板3侧面开有6个前盖板侧面孔20，用于安装前盖板3和关节筒2连接的螺钉。前盖板3开有前盖板孔19，其用来安装连接前盖板3和底座筒4的螺钉。
本发明为多关节柔性水下机械臂，数个关节盘1、关节筒2串联构成该机械臂臂体，机械臂底座由前盖板3、后盖板5以及底座筒4组成，由于电机等零部件本身结构十分紧凑，因此这种拆分式底座结构对电机等零部件安装比较便利。前盖板3和底座筒4、后盖板5和底座筒4之间通过外部螺钉连接固定。
工作过程：安装在底座的电机驱动柔性绳，通过改变柔性绳的长度来实现对机械臂臂体偏转、俯仰运动的控制，臂体到达指定位置后，手爪张合来实现对目标物的抓取。末端传感器主要用来检测机械臂位置，实现闭环控制的要求。
实施例：
如图1所示，机械臂安装过程中，柔性绳23的安装比较复杂，柔性绳23在安装过程中必须张紧，才能保证不会因为柔性绳23安装过程中的间隙造成控制的精度下降。如图3a和图3b所示，关节盘通线孔13加工出通线孔台阶22所示结构。优点是不但能够避免关节筒2和关节盘1安装时候柔性绳23末端头造成的干涉，同时通线孔台阶22也能保证柔性绳23末端头的固定，从而避免柔性绳23未张紧造成的控制误差。
如图3a和图3b、4所示，关节筒2和端面两个关节盘1之间侧面都开有关节盘侧面孔9、关节筒侧面孔14，安装时通过关节盘侧面孔9、关节筒侧面孔14拧入螺钉实现连接。
关节盘1的结构如图3a和图3b所示，每个关节盘1上端面都加工有两个对称的关节盘耳板10，关节盘耳板10上都会开有关节盘耳板孔11。关节之间连接如图2所示，轴套6和关节盘耳板孔11过盈连接，关节盘耳板孔11靠近关节盘耳板10内表面加工有台阶，用于轴套6轴向定位。关节盘耳板10中间放入万向节7后，轴套6两侧拧入连接螺钉8，螺钉8和万向节7通过螺纹固连，和轴套6之间存在间隙，利于减轻时轴套6和螺钉8光杆之间摩损。这样便可以实现关节之间两个自由度的转动。相比现有铰接连接形式，本发明采用的万向节7加螺钉8的连接结构上更简单灵活，不会出现铰接旋转失灵的情况。
该机械臂臂体相较于传统的机械臂，主要优点在于零部件材料采用浮力材料，对于深海ROV末端作业工具，优势十分明显，在材料的机械强度、耐磨性、耐冲击性、耐水解性满足要求的情况下，浮力材料的浮力特性很好的减少了结构本体质量带来的功率损耗，控制比较灵活。
该机械臂臂体相较于现有典型的6自由度+手爪的深海ROV末端作业工具，很大的特点在于具有很大的冗余自由度，对于深海作业来说，机械臂的灵活性得到很明显的提升。
相邻两个关节之间的转角α为22.5°，复合关节达到10个时，机械臂的最大转角αmax能够到225°。
臂体每个关节由三根柔性绳呈120°均匀分布在关节盘圆周面上，其中一根柔性绳在电机作用下收缩，另外两根柔性绳在这跟柔性绳作用下自由伸长,从而实现臂体一个方向的转动。
臂体关节与关节之间通过万向节连接，万向节与关节盘之间通过螺钉固连在一起。
每个关节的关节筒放在两个关节盘凸台内部，然后通过在关节盘与关节筒壁面对应的孔内拧入连接螺钉实现关节筒与关节盘的固定。
底座与机械臂臂体之间的连接主要通过底座以及靠近底座的关节侧面上的螺钉直接连接。

Claims (2)

1.多关节柔性水下机械臂，包括数个由万向节连接而成的关节，末端关节和底座连接在一起，其特征在于：
所述的关节包括关节盘和关节筒；
所述的关节盘的上表面为平面，下表面铣有圆台，该圆台用于关节盘和关节筒的安装定位，关节盘端面沿中轴线均匀开有3n个通孔，通孔用于安装柔性绳，1≤n≤12；关节盘中间加工为通孔结构；关节盘侧壁均匀开有螺纹孔，用于安装和关节筒连接的螺钉；关节盘上表面沿中性面对称加工有两个耳板，耳板用来安装轴套，轴套和轴向安装在轴套内部的螺钉可以相对运动；
所述的关节筒整体结构为薄壁圆筒，端面沿轴线均匀分布3n个通孔，对应关节盘上的孔，用于安装柔性绳；关节筒在两端面侧壁都开有均匀分布的螺纹孔，用于安装与关节盘连接的螺钉；
所述的万向节中间开有通孔；万向节四个侧面对应开有螺纹孔，螺纹孔和关节盘耳板里面的轴套通过螺钉连接在一起，螺钉和万向节螺纹连接在一起，没有相对运动；
所述的底座的前盖板加工成凸台结构，凸台中间加工出通孔，通孔直径和关节筒外径相同，关节筒刚好能够和该通孔配合，同时电机端引出的钢丝绳能够从通孔出引至各关节；前盖板侧面开有螺纹孔，用于安装前盖板和关节筒连接的螺钉。
2.根据权利要求1所述的多关节柔性水下机械臂，其特征在于：所述的关节和万向节采用浮力材料。
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