CN108016585B - 一种水下机器人用宏微机械臂 - Google Patents
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Abstract
一种水下机器人用宏微机械臂。主要目的在于优化轻型水下机械臂，提高其工作精度和增大其工作空间。其特征在于：由宏机械臂与微机械臂串联形成；宏机械臂采用5自由度的串联机械臂，其自由度分别为腰部的一个左右摆动自由度、大臂的两个上下摆动自由度、腕部的一个旋转自由度、手爪的一个张合自由度；微机械臂采用菱形并联机器人结构，通过菱形机构的虚拟轴代替传递链的实轴的方法来获得较大的伸缩比，微机械臂有3个自由度，两个旋转自由度和一个移动自由度。本种宏微机械臂可以提高水下机器人的工作性能，结构紧凑，在占用同等空间的情况下，其工作空间比常规的机械臂要大的多并且其工作精度也比常规的机械臂要高。
Description
技术领域：
本发明涉及一种应用于水下机器人领域中的宏微双重驱动机械臂。
背景技术：
目前水下机器人虽然能够完成一些基本操作，但水下机器人的工作空间完全由潜水器的大小所决定，往往小型的水下的机器人的工作空间不足以达到一些操作要求。宏微双重驱动机械臂现在已经成为了机器人领域一个重要的研究课题，但是目前宏微双重驱动机械臂还没有进入水下机器人领域。如果在轻型水下机械臂的基础上添加一个用来位姿补偿的微机械臂从而形成宏微机械臂系统，那么必然会优化轻型水下机械臂，提高其工作精度以及增大其工作空间。
发明内容：
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种水下机器人用宏微机械臂，该种宏微机械臂可以极大程度地提高水下机器人的工作性能，结构紧凑，所占用的空间与常规的机械臂的空间差不多，但其工作空间却要比常规的机械臂要大得多，并且其工作精度也比常规的机械臂要高。
本发明的技术方案是：该种水下机器人用宏微机械臂，包括宏机械臂，其独特之处在于：在所述宏机械臂上连接有腕部液压马达、微机械臂和手爪，其中，宏机械臂和腕部液压马达连接，腕部液压马达和微机械臂连接，微机械臂和手爪连接。
宏机械臂包括机械臂基座、大臂横摆液压缸、大臂旋转关节、大臂俯仰液压缸、腕部俯仰液压缸和腕部连接关节。其中，机械臂基座由两个横板和立板组成，立板上有固定孔，用于将本种宏微机械臂固定在机器人的本体上。大臂旋转关节通过轴与机械臂基座连接；大臂横摆液压缸一端与立板连接，另一端与大臂旋转关节连接，通过控制大臂横摆液压缸的收缩与伸长，实现宏机械臂的左右摆动；大臂俯仰液压缸安装在两块侧板内部，大臂俯仰液压缸的一端与大臂旋转关节的上孔以一根轴连接，另一端与侧板上部的孔以轴连接；两块侧板与大臂旋转关节下孔以轴连接；腕部俯仰液压缸一端与侧板上的孔以轴连接，另一端与腕部连接关节连接，两侧板以轴连接；控制大臂俯仰液压缸收缩与伸长，可实现宏机械臂的俯仰动作，控制腕部俯仰液压缸的收缩与伸长，可控制腕部液压马达的仰俯动作；
腕部液压马达为MZ摆线液压马达，腕部液压马达的马达机座以螺栓与腕部连接关节连接，腕部液压马达旋转端通过螺栓连接在微机械臂的定平台上，从而使得可以通过对腕部液压马达液压系统的控制来实现微机械臂的顺时针、逆时针360度转动。
微机械臂包括由四个相同的第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸、第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆、连接件组成的四组菱形连接机构以及带有活塞筒的动平台和定平台；所述四组相同结构菱形连接机构将定平台与动平台连接起来；每一组菱形机构由两根第一连杆与第一液压缸的液压杆以轴连接在定平台上，由两根第二连杆的一端与第一连杆上的孔以轴连接，两根第二连杆的另一端与第一液压缸的液压筒、第三连杆用轴配合的方式连接，第一连杆与第四连杆用轴连接，第三连杆与第四连杆上的孔用轴连接，第四连杆与连接件用轴与动平台连接。
第二液压缸与第四液压缸的伸缩量相同且固定，第一液压缸收缩，第三液压缸伸长，以实现动平台的转动；第一液压缸与第三液压缸的伸缩量相同且固定，第二液压缸收缩，第四液压缸伸长，以实现动平台的另一个方向的转动；第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸同时收缩或伸长即可实现微机械臂的收缩或伸长，从而实现所述微机械臂3个自由度的运动。
手爪包括手爪基座、活塞杆、滑块、爪根组件、垫块以及爪；活塞杆的一端与动平台上液压筒结构配合，同时动平台与手爪基座之间加密封垫圈用螺栓密封，使活塞杆、动平台和手爪基座构成液压缸，活塞杆的另一端用螺栓固定连接呈长方体状的滑块；两个爪根组件安装在手爪基座对称的两个孔上，同时滑块镶嵌在爪根组件的凹槽内；两个爪用螺栓固定在一个爪根组件的两侧，另外两个爪与爪根组件间加垫块，用螺栓分别固定于根组件的两侧；活塞杆与动平台构成液压缸；液压油进入动平台内后使得活塞杆伸长，滑块通过与爪根组件的凹槽配合实现手爪的张开，当活塞杆收缩时，滑块带动爪根组件，实现手爪的闭合。
本发明具有如下有益效果：采取上述方案后，首先，宏微机械臂可以极大程度上提高水下机器人的工作性能，宏微机械臂结构紧凑所占用的非工作状态所占空间比常规的机械臂的空间小，但其工作空间却要比常规的机械臂要大，宏机械臂的运动将手爪靠近作业目标，微机械臂具有三个自由度，同时控制宏机械臂和微机械臂，可提升手臂的作业空间。
其次，宏微机械臂与传统机械臂相比，其作业的精度更高。微机械臂将采用菱形并联机器人结构，平行四边形的良好缩放特性，四个菱形机构通过液压缸与定平台连接，机构的另一侧与动平台连接，四个液压缸的相互配合使微机械臂可实现三个自由度的运动，连同宏机械臂的三个自由度，腕部的一个旋转自由度，手爪张合的一个自由度，整个宏微机械臂有八个自由度，使得整个手臂具有较高的工作精度。
最后，机械臂结构较为简单，部分零件采用的是通用件，无需特殊加工，便于维修保养，同时机械手自重要比较小，约为20Kg，能夹持的载荷质量能达到10Kg。
本发明能够搭载在水下机器人上，代替人工作业到达人类无法到达的极端海洋环境下工作。宏微机械臂工作延伸空间大，作业执行精度高，维修维护方便，有较大的推广前景。
附图说明：
图1是本发明的总装图。
图2是本发明所述宏机械臂主视图。
图3是本发明所述宏机械臂俯视图。
图4是本发明所述宏机械臂仰视图。
图5是本发明所述宏机械臂的横摆机构示意图。
图6是本发明所述宏机械臂基座示意图。
图7是本发明所述宏机械臂的大臂横摆液压缸结构示意图。
图8是本发明所述宏机械臂的大臂旋转关节示意图。
图9是本发明所述宏机械臂的主体结构示意图。
图10是本发明所述宏机械臂的主体侧板示意图。
图11是本发明所述宏机械臂的大臂俯仰液压缸示意图。
图12是本发明所述宏机械臂的腕部俯仰液压缸示意图。
图13是本发明所述宏机械臂的腕部连接关节示意图。
图14是本发明所述腕部液压马达示意图。
图15是本发明所述腕部液压马达与微机械臂结构示意图。
图16是本发明所述微机械臂示意图。
图17是本发明所述微机械臂的菱形结构意图。
图18是本发明所述微机械臂的定平台示意图。
图19是本发明所述微机械臂的液压缸1、液压缸2、液压缸3和液压缸4示意图。
图20是本发明所述微机械臂的连接件示意图。
图21是本发明所述微机械臂的动平台示意图。
图22是本发明所述手爪与动平台机构主视图。
图23是本发明所述手爪与动平台机构俯视图。
图24是本发明所述手爪机构示意图。
图25是本发明所述手爪机构的活塞杆与滑块示意图。
图26是本发明所述手爪机构的手爪基座示意图。
图27是本发明所述手爪机构的爪根组件示意图。
图28是本发明所述手爪机构的手爪示意图。
图29是本发明所述手爪机构的垫块示意图。
图中1-宏机械臂，2-微机械臂，3-腕部液压马达，4-手爪，5-机械臂基座，6-大臂横摆液压缸，7-大臂旋转关节，8-大臂俯仰液压缸，9-腕部俯仰液压缸，10-腕部连接关节，11-横板，12-立板，13-固定孔，14-侧板，15-定平台，16-第一液压缸，17-第二液压缸，18-第三液压缸，19-第四液压缸，20-第一连杆，21-第二连杆，22-第三连杆，23-第四连杆，24-连接件，25-动平台，26-液压杆，27-液压筒，28-手爪基座，29-活塞杆，30-滑块，31-爪根组件，32-垫块，33-爪。
具体实施方式：
下面对本发明作进一步说明：
本种水下机器人用宏微机械臂，包括宏机械臂1，其独特之处在于：在所述宏机械臂1上连接有腕部液压马达3、微机械臂2和手爪4。其中，宏机械臂1和腕部液压马达3连接，腕部液压马达3和微机械臂2连接，微机械臂2和手爪4连接。
宏机械臂1包括机械臂基座5、大臂横摆液压缸6、大臂旋转关节7、大臂俯仰液压缸8、腕部俯仰液压缸9和腕部连接关节10。其中，机械臂基座5由两个横板11和立板12组成，立板12上有固定孔13，用于将本种宏微机械臂固定在机器人的本体上；大臂旋转关节7通过轴与机械臂基座5连接；大臂横摆液压缸6一端与立板12连接，另一端与大臂旋转关节7连接，通过控制大臂横摆液压缸6的收缩与伸长，实现宏机械臂1的左右摆动；大臂俯仰液压缸8安装在两块侧板14内部，大臂俯仰液压缸8的一端与大臂旋转关节7的上孔以一根轴连接，另一端与侧板14上部的孔以轴连接；两块侧板14与大臂旋转关节7下孔以轴连接；腕部俯仰液压缸9一端与侧板14上的孔以轴连接，另一端与腕部连接关节10连接，两块侧板14以轴连接；控制大臂俯仰液压缸8收缩与伸长，可实现宏机械臂的俯仰动作，控制腕部俯仰液压缸9的收缩与伸长，可控制腕部液压马达3的仰俯动作。
腕部液压马达3为MZ摆线液压马达，腕部液压马达3的马达机座以螺栓与腕部连接关节10连接，腕部液压马达3旋转端通过螺栓连接在微机械臂2的定平台15上，从而使得可以通过对腕部液压马达3液压系统的控制来实现微机械臂2的顺时针、逆时针360度转动。
微机械臂2包括由四个相同的第一液压缸16、第二液压缸17、第三液压缸18和第四液压缸19、第一连杆20、第二连杆21、第三连杆22和第四连杆23、连接件24组成的四组菱形连接机构以及带有活塞筒的动平台25和定平台15。四组结构相同的菱形连接机构将定平台15与动平台25连接起来。每组菱形机构由两根第一连杆20与第一液压缸16的液压杆26以轴连接在定平台上，由两根第二连杆21的一端与第一连杆20上的孔以轴连接，两根第二连杆21的另一端与第一液压缸16的液压筒27、第三连杆22用轴配合的方式连接，第一连杆20与第四连杆23用轴连接，第三连杆22与第四连杆23上的孔用轴连接，第四连杆23与连接件24用轴与动平台25连接。
第二液压缸17与第四液压缸19的伸缩量相同且固定，第一液压缸16收缩，第三液压缸18伸长，以实现动平台25的转动；第一液压缸16与第三液压缸18的伸缩量相同且固定，第二液压17缸收缩，第四液压缸19伸长，以实现动平台25的另一个方向的转动。第一液压缸16、第二液压缸17、第三液压缸18和第四液压缸19同时收缩或伸长即可实现微机械臂2的收缩或伸长，从而实现所述微机械臂2三个自由度的运动。
手爪4包括手爪基座28、活塞杆29、滑块30、爪根组件31、垫块32以及爪33。活塞杆29的一端与动平台25上液压筒结构配合，同时动平台25与手爪基座28之间加密封垫圈用螺栓密封，使活塞杆29、动平台25和手爪基座28构成液压缸，活塞杆29的另一端用螺栓固定连接呈长方体状的滑块30；两个爪根组件31安装在手爪基座对称的两个孔上，同时滑块30镶嵌在爪根组件的凹槽内；两个爪33用螺栓固定在一个爪根组件31的两侧，另外两个爪33与爪根组件31间加垫块32，用螺栓分别固定于根组件31的两侧；活塞杆29与动平台25构成液压缸；液压油进入动平台25内后使得活塞杆29伸长，滑块30通过与爪根组件31上的凹槽配合实现手爪的张开，当活塞杆29收缩时，滑块30带动爪根组件31，实现手爪的闭合。
下面结合附图对本发明予以更进一步的详细阐述。
由图1所示，本种宏微机械臂搭载在水下机器人上，水下机器人从母船下放至海里，靠其重力下潜至海底，通过螺旋桨提供动力，水下机器人到达目标附近，宏机械臂展开使手爪靠近目标，微机械臂开始运动，通过微机械臂微调使手爪精确夹取目标物体。作业结束后，手爪张开，宏微机械臂回到原位置。
由图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13所示，宏机械臂由机械臂基座5、大臂横摆液压缸6、大臂旋转关节7、大臂俯仰液压缸8、腕部俯仰液压缸9、腕部连接关节10和两个侧板14组成。
宏机械臂基座5、大臂横摆液压缸6和大臂旋转关节7构成宏机械臂的腰部，其设计时需要考虑的因素包括摆动角度、承载能力、工作空间和工艺设计要求。宏机械臂腰部的摆动角度是整个宏微双重机械臂工作空间大小的重要因素之一，在具体实施时，宏机械臂的腰部摆动角度可以达到150度。本发明是基于轻型水下机器人的宏微双重驱动机械臂，因此液压缸所需的推力小，通过计算可知，大臂横摆液压缸的最小推力为F＝527N(考虑到管边阻力损失和机构中损失应将计算加10Kg即100N)，本发明选择液压缸型号为HYG型液压缸。
宏机械臂设计为3个自由度，宏机械臂大臂设计与腰部设计一样也要考虑摆动角度、承载能力、工作空间和工艺设计要求，大臂的摆动角度也对宏微机械臂的运动空间有着重要的影响且能够进行更好的工作，故本次设计大臂的俯仰角度为130度，腕部的俯仰角为140度，两个手臂摆动的角度越大，宏微机械臂的灵活度就越高。
由图14所示，宏机械臂1的腕部结构要求腕部能够旋转360度，故具体实施时可采用液压马达作为宏机械臂的腕部液压马达，当基于轻型水下机械臂进行优化构造时，宏机械臂的腕部结构的空间体积较小，因此采用体积小转矩大的MZ摆线液压马达。
由图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21所示，微机械臂2的定平台15安装在腕部液压马达3另一端，由定平台、液压缸1、液压缸2、液压缸3、液压缸4、连杆1、连杆2、连杆3、连杆4、四个连接件和动平台组成。
微机械臂2采用菱形的并联机构，菱形在变形过程中菱形顶点通过四个转动副来实现4个菱形的运动，从而实现4条菱形运动链满足微机械对宏机械臂的位姿补偿。通过螺旋系对并联机构进行自由度分析是非常有效的手段，分析微机械臂的自由度得出微机械臂有两个旋转自由度和一个移动自由度共3个自由度。微机械臂需要4个相同的液压缸，由于微机械臂体积小，工作空间较小，最终确定液压缸的型号为DG—J20C—L。
由图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29所示，手爪机构由手爪基座28、活塞杆29、滑块30、爪根组件31、垫块32和爪33组成。
机械手爪通过液压缸的伸缩运动来使机械手爪进行张合运动，机械手爪结构设计要求是保证机械手在运动过程中，夹持物不脱落，且手爪的强度足够。经计算可得手爪夹持力约为54N，活塞29杆与动平台25组成的液压缸推力约为150N，最终确定手爪的驱动液压缸。考虑机械手爪夹持需要较高的稳定性，本发明最终采用四爪机械手的模式。
为保证宏微机械臂的重量足够轻，因此在保证强度足够的情况下，尽量选择轻质材料。对于受力较小的部件宜采用铝合金材料，其他部分采用合金钢、45钢、Q345、Q235等材料，最终的宏微机械臂的总质量可以为18Kg，满足小于20Kg的要求。
下面给出本种水下机器人用宏微机械臂作业过程：
步骤1：宏微机械臂搭载在水下机器人上，水下机器人从母船下放至海里，靠其重力下潜至水下，通过螺旋桨提供动力，水下机器人到达制定目标附近。
步骤2：水下机器人本体上的液压系统为宏微机械臂提供动力，通过控制大臂横摆液压缸和大臂俯仰液压缸，使宏微机械臂的手爪靠近制定作业目标。
步骤3：控制腕部液压马达，调整手爪的位置，通过微机械臂的四个液压马达实现动平台的旋转、平移的微调整，控制手爪机构液压缸，张开手爪夹持住指定目标开始作业。
步骤4：作业结束，手爪张开，收回宏微机械臂,水下机器人回收至母船。
Claims (1)
1.一种水下机器人用宏微机械臂，包括宏机械臂(1)，其特征在于：在所述宏机械臂(1)上连接有腕部液压马达(3)、微机械臂(2)和手爪(4)，其中，宏机械臂(1)和腕部液压马达(3)连接，腕部液压马达(3)和微机械臂(2)连接，微机械臂(2)和手爪(4)连接；
宏机械臂(1)包括机械臂基座(5)、大臂横摆液压缸(6)、大臂旋转关节(7)、大臂俯仰液压缸(8)、腕部俯仰液压缸(9)和腕部连接关节(10)；其中，机械臂基座(5)由两个横板(11)和立板(12)组成，横板(11)上有固定孔(13)，用于将本种宏微机械臂固定在机器人的本体上；大臂旋转关节(7)通过轴与机械臂基座(5)连接；大臂横摆液压缸(6)一端与立板(12)连接，另一端与大臂旋转关节(7)连接，通过控制大臂横摆液压缸(6)的收缩与伸长，实现宏机械臂(1)的左右摆动；大臂俯仰液压缸(8)安装在两块侧板(14)内部，大臂俯仰液压缸(8)的一端与大臂旋转关节(7)的上孔以一根轴连接，另一端与侧板(14)上部的孔以轴连接；两块侧板(14)与大臂旋转关节(7)下孔以轴连接；腕部俯仰液压缸(9)一端与侧板(14)上的孔以轴连接，另一端与腕部连接关节(10)连接，两侧板(14)以轴连接；控制大臂俯仰液压缸(8)收缩与伸长，可实现宏机械臂的俯仰动作，控制腕部俯仰液压缸(9)的收缩与伸长，可控制腕部液压马达(3)的仰俯动作；
腕部液压马达(3)为MZ摆线液压马达，腕部液压马达(3)的马达机座以螺栓与腕部连接关节(10)连接，腕部液压马达(3)旋转端通过螺栓连接在微机械臂(2)的定平台(15)上，从而使得可以通过对腕部液压马达(3)液压系统的控制来实现微机械臂(2)的顺时针、逆时针360度转动；
微机械臂(2)包括由四个相同的第一液压缸(16)、第二液压缸(17)、第三液压缸(18)和第四液压缸(19)、第一连杆(20)、第二连杆(21)、第三连杆(22)和第四连杆(23)、连接件(24)组成的四组菱形连接机构以及带有活塞筒的动平台(25)和定平台(15)；所述四组相同结构菱形连接机构将定平台(15)与动平台(25)连接起来；每一组菱形机构由两根第一连杆(20)与第一液压缸(16)的液压杆(26)以轴连接在定平台(15)上，由两根第二连杆(21)的一端与第一连杆(20)上的孔以轴连接，两根第二连杆(21)的另一端与第一液压缸(16)的液压筒(27)、第三连杆(22)用轴配合的方式连接，第一连杆(20)与第四连杆(23)用轴连接，第三连杆(22)与第四连杆(23)上的孔用轴连接，第四连杆(23)与连接件(24)用轴与动平台(25)连接；
第二液压缸(17)与第四液压缸(19)的伸缩量相同且固定，第一液压缸(16)收缩，第三液压缸(18)伸长，以实现动平台(25)的转动；第一液压缸(16)与第三液压缸(18)的伸缩量相同且固定，第二液压缸(17)收缩，第四液压缸(19)伸长，以实现动平台(25)的另一个方向的转动；第一液压缸(16)、第二液压缸(17)、第三液压缸(18)和第四液压缸(19)同时收缩或伸长即可实现微机械臂(2)的收缩或伸长，从而实现所述微机械臂3个自由度的运动；
手爪(4)包括手爪基座(28)、活塞杆(29)、滑块(30)、爪根组件(31)、垫块(32)以及爪(33)；活塞杆(29)的一端与动平台(25)上液压筒结构配合，同时动平台(25)与手爪基座(28)之间加密封垫圈用螺栓密封，使活塞杆(29)、动平台(25)和手爪基座(28)构成液压缸，活塞杆(29)的另一端用螺栓固定连接呈长方体状的滑块(30)；两个爪根组件(31)安装在手爪基座(28)对称的两个孔上，滑块(30)镶嵌在爪根组件(31)的凹槽内；两个爪(33)用螺栓固定在一个爪根组件(31)的两侧，另外两个爪(33)与爪根组件(31)间加垫块(32)，用螺栓分别固定于根组件(31)的两侧；活塞杆(29)与动平台(25)构成液压缸；液压油进入动平台(25)内后使得活塞杆(29)伸长，滑块(30)通过与爪根组件(31)上的凹槽配合实现手爪的张开，当活塞杆(29)收缩时，滑块(30)带动爪根组件(31)，实现手爪的闭合。
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