CN108656101A - 一种液压驱动的深海机械臂及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压驱动的深海机械臂及其控制方法，深海机械臂由若干关节铰接而成，铰接处通过硅橡胶片密封形成腔体。关节包含两个预压力顶板、两个压电振子、两个硅橡胶层和基板，其中，两个硅橡胶层分别放置在基板的两侧；硅橡胶层的外侧分别放置两个压电振子；压电振子的外侧分别放置两个预压力顶板；螺栓将所述结构固定并对压电振子施加一定预压力。硅橡胶层和基板上有相互对应的若干缝隙，缝隙位置与两压电振子驻波的波峰和波谷位置对应。通过激励两个压电振子上的压电陶瓷片，使振子与硅橡胶层之间产生特定时序的容积变化和缝隙开、闭，压迫腔体内液体实现定向流动，通过调整各个关节连接处腔体中的液压来调整各个关节之间的弯曲程度。

Description

一种液压驱动的深海机械臂及其控制方法

技术领域

本发明涉及压电作动器、压电泵及机器人领域，尤其涉及一种液压驱动的深海机械臂及其控制方法。

背景技术

现有的液压式水下机器手结构复杂、功率要求高，难以适应AUV微型化的发展趋势；近年来发展出来的充油平衡深海水压、无刷直流电机驱动的方式，在密封和压力补偿方面还需要进一步研究，以降低能量消耗和油液泄漏、海水入侵的风险，在对深海水压适应性方面仍存在不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种液压驱动的深海机械臂及其控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种液压驱动的深海机械臂，包含若干关节；

所述关节包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层均为矩形片状结构；

所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，所述若干压电陶瓷片设置在承载板上、用于激发承载板的弯曲振动模态；

所述基板一个端面上由内至外依次设有第一硅橡胶层、第一压电振子和第一预压力顶板，基板在该端面的一条短边和两条长边上均设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口的长方体状的第一腔体；

所述第一硅橡胶层对应基板在该端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和所述第一腔体对应过盈配合，形成侧面开口的长方体状的第二腔体；

所述第一压电振子的承载板设置在所述第二腔体中、其一条短边和两条长边分别所述第二腔体对应过盈配合；

所述第一预压力顶板靠近第一压电振子的端面上设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述基板的另一个端面上由内至外依次设有第二硅橡胶层、第二压电振子和第二预压力顶板，基板在另一个端面的一条短边和两条长边上设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口和第一腔体相反的、长方体状的第三腔体；

所述第二硅橡胶层对应基板在另一个端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和所述第二腔体对应过盈配合，形成侧面开口和第二腔体相反的、长方体状的第四腔体；

所述第二压电振子的承载板设置在所述第四腔体中、其一条短边和两条长边分别所述第四腔体对应过盈配合；

所述第二预压力顶板靠近第二压电振子的端面上设有若干用于压住所述第二压电振子承载板的长条状压块，所述第二预压力顶板的压块均设置在所述第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第二预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第一预压力顶板两侧侧板上的固定板和所述第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固连；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述第一压电振子产生驻波和所述第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长；

第一硅橡胶层的侧面开口处形成第一进出口，第二硅橡胶层的侧面开口处形成第二进出口；

所述若干关节中，任一关节的第一进出口处基板的一端均和相邻关节第二进出口基板的一端铰接，且该关节的第一进出口和相邻关节的第二出口处于该关节基板的同一侧，该关节第一进出口处的第一硅橡胶层、第一硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片和相邻关节第二出口处的第二硅橡胶层、第二硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片对应相连，该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间采用硅橡胶片相连，使得该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间形成密闭空间。

作为本发明一种液压驱动的深海机械臂进一步的优化方案，所述基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱；

所述第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和所述基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔；

所述第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和所述基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

作为本发明一种液压驱动的深海机械臂进一步的优化方案，所述基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽；

所述第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和所述基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止所述基板相对第一、第二预压力顶板移动。

本发明还公开了一种该液压驱动的深海机械臂的控制方法，包含如下步骤：

在所述第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭；腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口；

通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向；

通过调整各个关节连接处密闭空间中的液压来调整各个关节之间的弯曲程度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 压电泵结构简单，功率要求低，压电振子振幅小，可实现极小流量泵出，进而可以精确控制臂运动；

2. 工作是内部腔体和流道充满海水，满足深海水作业所要求的抗高水压要求。

附图说明

图1为本发明液压驱动的深海机械臂的等轴侧视图；

图2为本发明中关节的等轴测视图；

图3为本发明中关节的结构爆炸图；

图4为本发明中关节的剖视图；

图5为本发明中基板的结构示意图；

图6为本发明中硅橡胶层的结构示意图；

图7为本发明中压电振子的结构示意图；

图8为本发明中预压力顶板的结构示意图；

图9为本发明中关节的工作部分的工作原理图；

图10为本发明中两关节之间装配方式的示意图；

图11为本发明液压驱动的深海机械臂运动变形的示意图。

图中，1-关节；2-基板；2-1-定位柱；2-2-基板上的缝隙；2-3-挡板；2-4-基板长边处包板外壁上的凹槽；2-5-基板一端用于铰接的联接头；2-6-基板另一端用于铰接的联接头；2-7-第一腔体；3-第一硅橡胶层；3-1-第一硅橡胶层上的定位柱；3-2-第一硅橡胶层上的缝隙；3-3-硅橡胶片；3-4-第二腔体；4-第一压电振子；4-1-第一压电振子承载板上的定位孔；4-2-压电陶瓷片；5-第二预压力顶板；5-1-第二预压力顶板两侧侧板上的凸起；5-2-螺栓孔；5-3-压块；6-螺栓；7-关节之间的硅橡胶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明一种液压驱动的深海机械臂，由若干关节串联组成，如图1所示。

关节包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板，如图2，3，4所示。

如图5，6所示，基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层均为矩形片状结构。

第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，若干压电陶瓷片设置在承载板上、用于激发承载板的弯曲振动模态，如图7所示。

如图3，4所示基板一个端面上由内至外依次设有第一硅橡胶层、第一压电振子和第一预压力顶板，基板在该端面的一条短边和两条长边上均设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口的长方体状的第一腔体。 第一硅橡胶层对应基板在该端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和第一腔体对应过盈配合，形成侧面开口的长方体状的第二腔体。 第一压电振子的承载板设置在第二腔体中、其一条短边和两条长边分别第二腔体对应过盈配合。

第一预压力顶板靠近第一压电振子的端面上设有若干用于压住第一压电振子承载板的长条状压块，压块均设置在第一压电振子承载板上驻波的节线位置处。第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板，如图8所示。

如图3，4所示，基板的另一个端面上由内至外依次设有第二硅橡胶层、第二压电振子和第二预压力顶板，基板在另一个端面的一条短边和两条长边上设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口和第一腔体相反的、长方体状的第三腔体。第二硅橡胶层对应基板在另一个端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和第二腔体对应过盈配合，形成侧面开口和第二腔体相反的、长方体状的第四腔体。 第二压电振子的承载板设置在第四腔体中、其一条短边和两条长边分别第四腔体对应过盈配合。第二预压力顶板靠近第二压电振子的端面上设有若干用于压住第二压电振子承载板的长条状压块，第二预压力顶板的压块均设置在第二压电振子承载板上驻波的节线位置处。第二预压力顶板在其两侧均设有用于包住基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板。第一预压力顶板两侧侧板上的固定板和第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固连。

如图3，4所示，基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙。

基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙。

第一压电振子产生驻波和第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长。

第一硅橡胶层的侧面开口处形成第一进出口，第二硅橡胶层的侧面开口处形成第二进出口。

关节的联接方式如图10所示，若干关节中，任一关节的第一进出口处基板的一端均和相邻关节第二进出口基板的一端铰接，且该关节的第一进出口和相邻关节的第二出口处于该关节基板的同一侧，该关节第一进出口处的第一硅橡胶层、第一硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片和相邻关节第二出口处的第二硅橡胶层、第二硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片对应相连，该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间采用硅橡胶片相连，使得该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间形成密闭空间。

作为本发明一种液压驱动的深海机械臂进一步的优化方案，基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱。

第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

作为本发明一种液压驱动的深海机械臂进一步的优化方案，基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽。

第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止基板相对第一、第二预压力顶板移动。

关节的工作原理是：在第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭。腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口。

具体结合图9进行说明：在第一压电振子与第二压电振子的一个振动周期内，将第一压电振子靠近入口一端位置为位移最大的时刻，定义为两压电振子运动周期的0时刻，此时第二压电振子无形变；此后，第一压电振子形变变小，第二压电振子开始形变，入口处缝隙A打开，液体进入空腔a；t=T/4时，第一压电振子无形变，第二压电振子形变达到最大值，此时空腔a内液体体积达到最大值；此后，第一压电振子的形变使缝隙A和缝隙B同时打开，空腔a体积变小，空腔b体积变大，液体经过缝隙A和缝隙B从空腔a进入空腔b；t=T/2时，第二压电振子无形变，第一压电振子形变达到最大值, 此时空腔b内液体体积达到最大值；此后，第二压电振子的形变使缝隙B和缝隙C打开，同时缝隙A处于关闭状态，空腔b体积变小，空腔c体积变大，液体经过缝隙B和缝隙C从空腔b进入空腔c；t=3T/4时，第一压电振子无形变，第二压电振子形变达到最大值，此时空腔c内液体体积达到最大值；此后，第一压电振子的形变使缝隙C和缝隙D打开，同时缝隙B处于关闭状态，空腔c体积变小，空腔d体积变大，液体经过缝隙C和缝隙D从空腔c进入空腔d；t=T时，第二压电振子无形变，第一压电振子形变达到最大值, 此时空腔d内液体体积达到最大值；此时，液体已经从入口处沿单一方向运动到空腔d，继续第一压电振子与第二压电振子的振动周期，液体将继续运动，直至从出口处流出。

通过改变第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向。

如图11所示，通过调整各个关节连接处密闭空间中的液压来调整各个关节之间的弯曲程度。工作时所述结构均处于海水环境中，关节及关节联接处的腔体e中充满海水，驱动关节将腔体e中的海水泵出，在腔体e内负压的作用下腔体e收缩，两臂节随之产生偏向腔体e方向的转动。驱动关节将海水泵入腔体e，在腔体e内正压的作用下腔体e膨胀，两关节随之产生背离腔体e方向的转动。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液压驱动的深海机械臂，其特征在于，包含若干关节；

所述关节包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层均为矩形片状结构；

所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，所述若干压电陶瓷片设置在承载板上、用于激发承载板的弯曲振动模态；

所述基板一个端面上由内至外依次设有第一硅橡胶层、第一压电振子和第一预压力顶板，基板在该端面的一条短边和两条长边上均设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口的长方体状的第一腔体；

所述第一硅橡胶层对应基板在该端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和所述第一腔体对应过盈配合，形成侧面开口的长方体状的第二腔体；

所述第一压电振子的承载板设置在所述第二腔体中、其一条短边和两条长边分别所述第二腔体对应过盈配合；

所述第一预压力顶板靠近第一压电振子的端面上设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述基板的另一个端面上由内至外依次设有第二硅橡胶层、第二压电振子和第二预压力顶板，基板在另一个端面的一条短边和两条长边上设有和基板垂直的挡板，形成侧面开口和第一腔体相反的、长方体状的第三腔体；

所述第二硅橡胶层对应基板在另一个端面上的挡板在其一条短边和两条长边上设有和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片、和所述第二腔体对应过盈配合，形成侧面开口和第二腔体相反的、长方体状的第四腔体；

所述第二压电振子的承载板设置在所述第四腔体中、其一条短边和两条长边分别所述第四腔体对应过盈配合；

所述第二预压力顶板靠近第二压电振子的端面上设有若干用于压住所述第二压电振子承载板的长条状压块，所述第二预压力顶板的压块均设置在所述第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第二预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；

所述第一预压力顶板两侧侧板上的固定板和所述第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固连；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；

所述第一压电振子产生驻波和所述第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长；

第一硅橡胶层的侧面开口处形成第一进出口，第二硅橡胶层的侧面开口处形成第二进出口；

所述若干关节中，任一关节的第一进出口处基板的一端均和相邻关节第二进出口基板的一端铰接，且该关节的第一进出口和相邻关节的第二出口处于该关节基板的同一侧，该关节第一进出口处的第一硅橡胶层、第一硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片和相邻关节第二出口处的第二硅橡胶层、第二硅橡胶层两条长边上的硅橡胶片对应相连，该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间采用硅橡胶片相连，使得该关节第一出口处第一压电振子的承载板和相邻关节第二出口处第一压电振子的承载板之间形成密闭空间。

2.根据权利要求1所述的液压驱动的深海机械臂，其特征在于，所述基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱；

所述第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和所述基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔；

所述第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和所述基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。

3.根据权利要求1所述的液压驱动的深海机械臂，其特征在于，所述基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽；

所述第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和所述基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止所述基板相对第一、第二预压力顶板移动。

4.基于权利要求1所述的液压驱动的深海机械臂的控制方法，其特征在于，包含如下步骤：

在所述第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭；腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口；

通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向；

通过调整各个关节连接处密闭空间中的液压来调整各个关节之间的弯曲程度。