CN109159104A - 一种水下机器人的多自由度机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人的多自由度机械手。本发明包括用于在水下工作的从动机械手和用于在水上操作的主动机械手，主动机械手和从动机械手均包括依次连接的基座、肩部、大臂、小臂、腕部和夹持臂，且依次通过第一、第二、第三、第四、第五关节连接；从动机械手的肩部可以相对基座做水平摆动，大臂和小臂可以做俯仰摆动，小臂可伸缩，腕部可转动；主动机械手的各个关节上设有电位器；主、从动机械手均设有控制器，且两个控制器之间可通讯，以实现主动机械手上的电位变化来控制从动机械手上的各关节的运动。本发明的机械手具有多个自由度，灵活度高，可有效减小收缩状态下的体积，通过主从控制，操作方便。

Description

一种水下机器人的多自由度机械手

技术领域

本发明涉及一种水下工作设备，尤其涉及一种水下机器人的多自由度机械手。

背景技术

目前，随着社会的不断发展以及科技水平的不断进步，人类对于资源、能源的需求也在日益增加，随着陆地上的不可再生资源不断减少，越来越多的国家开始把关注的焦点转向蕴含丰富的能源、资源的海洋空间，人类已经进入海洋开发的阶段。作为代替人们进入恶劣的海洋环境，水下机器人于水下测量、海底采矿和水下设备的维护方面发挥了无可替代的作用。在执行水下作业任务时，水下机械手是水下机器人必不可少的装备。水下作业机械手的功能是以水下机器人为载体，配合视觉等定位技术，完成水下自主作业任务。

但是，现有的水下机械手存在以下缺陷：

(1)作业空间小、回收体积大；

(2)通过陆上(或船上)的操作面板来控制水下机械手进行水下作业。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种作业空间较大，但回收体积也较小的水下机器人的多自由度机械手。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

本发明一种水下机器人的多自由度机械手，包括从动机械手和主动机械手；所述从动机械手和主动机械手均包括依次连接的基座、肩部、大臂、小臂、腕部和夹持臂，还均包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节和第五关节；

所述基座与所述肩部之间设有所述第一关节，所述大臂与所述肩部之间设有所述第二关节，所述小臂与所述大臂之间设有所述第三关节，所述腕部与所述小臂之间设有所述第四关节，所述腕部与所述夹持臂之间设有所述第五关节；

所述从动机械手的第一关节内设有第一液压模块，带动所述肩部做水平摆动；所述从动机械手的第二关节内设有第二液压模块，带动所述大臂做俯仰摆动；所述从动机械手的第三关节内设有第三液压模块，带动所述小臂做俯仰摆动；所述从动机械手的第四关节内设有第四液压模块，带动所述小臂伸长或缩短；所述从动机械手的第五关节内设有设有第五液压模块，驱动腕部与所述夹持臂发生相对转动；

所述主动机械手的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节内依次设有肩移电位器、大臂摆动电位器、小臂摆动电位器、小臂伸缩电位器和腕转电位器；所述主动机械手的夹持臂上还设有夹持开关；

所述主动机械手设有第一控制器，所述从动机械手设有与所述第一控制器连接通讯的第二控制器，所述第一控制器与所述主动机械手内的各个电位器分别连接，所述第二控制器与所述从动机械手内的各个液压模块分别连接，所述第二控制器还与所述从动机械手内的液压马达连接。

进一步地，所述从动机械手的肩部、大臂、小臂和腕部均设有位置检测传感器，每个所述位置检测传感器均与所述第二控制器连接，所述第二控制器用于接收由所述位置检测传感器发送的位置数据，并将所述位置数据发送给所述第一控制器。

进一步地，所述从动机械手的基座上设有与所述第二控制器连接的位置检测传感器。

进一步地，所述第一液压模块、第二液压模块、第三液压模块、第四液压模块内均包括依次连接的直线液压缸和液压锁，所述第五液压模块内包括依次连接的液压马达和液压锁，任一液压锁均与所述油缸连通。

进一步地，所述从动机械手内设有液压系统，所述液压系统包括出油油路和回油油路，所述出油油路包括相互连连通的出油干路和出油支路，所述回油油路包括相互连通的回油干路和回油支路；

所述第一液压模块、第二液压模块、第三液压模块、第四液压模块、第五液压模块均包括电磁换向阀，任一电磁换向阀一端与所述液压锁连接，另一端分别与所述出油支路、所述回油支路连接；

所述液压系统还包括油缸、液压泵、驱动电机，所述出油干路、回油干路分别与油缸连通；所述出油干路上设有液压泵，所述驱动电机驱动液压泵。

进一步地，所述液压系统还包括第一比例流量阀和第二比例流量阀；

所述出油干路上还并联有第一并联油路，所述第一并联油路一端与所述油缸连接，另一端与所述出油干路连接，所述第一并联油路与所述出油干路连接处为第一节点；在所述出油干路上，所述液压泵与所述第一节点之间设有第一比例流量阀；在所述第一并联油路上设有第二比例流量阀。

进一步地，所述液压系统还包括第一溢流阀和第二溢流阀；

所述出油干路上还并联有第二并联油路，所述第二并联油路一端与所述油缸连接，另一端与所述出油干路连接，所述第一并联油路与所述出油干路连接处为第二节点；所述第二节点位于所述第一比例流量阀与所述液压泵之间；

在所述出油干路上，所述第一节点与所述出油支路之间设有所述第一溢流阀；在所述第二并联油路上设有第二溢流阀。

进一步地，所述出油干路和回油干路接近油缸处分别设有过滤器。

进一步地，所述液压系统还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀设于所述出油干路上，且所述第一单向阀设于所述出油支路与所述第一溢流阀之间，所述第一单向阀的通过方向为由所述油缸往所述出油支路的方向；

所述第二单向阀设于所述回油干路上，且所述第二单向阀设于所述回油支路与所述过滤器之间，所述第二单向阀的通过方向为由所述回油支路往所述油缸方向。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)通过主动机械手操作从动机械手，以控制从动机械手的作业动作，操作方便，整体系统具有很好的稳定性和可行性；

(2)通过从动机械手的第二关节和第三关节的设置，使得大臂和小臂均可以做俯仰运动，可以灵活地根据海底环境的变化，灵活地调整机械手相对于目标作业物的位置；还可以有效减小收缩状态下的体积；

(3)通过第一关节至第五关节的配合，由于从动机械手的自由度较大，可以一定程度上优化从动机械手的运动路径，减少运动距离。

附图说明

图1为本发明机械手的结构示意简图；

图2为本发明机械手的液压系统连接关系示意图；

图中：10、基座；12、肩部；13、大臂；14、小臂；15、腕部；16、夹持臂；21、第一关节；22、第二关节；23、第三关节；24、第四关节；25、第五关节；31、直线液压缸；32、液压马达；33、液压锁；34、电磁换向阀；41、油缸；42、液压泵；43、第一比例流量阀；44、第二比例流量阀；45、第一溢流阀；46、第二溢流阀；47、过滤器；48、第一单向阀；49、第二单向阀；51、第一液压模块；52、第二液压模块；53、第三液压模块；54、第四液压模块；55、第五液压模块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。

如图1和2所示，一种水下机器人的多自由度机械手，包括用于在水下工作的从动机械手和用于在水上操作的主动机械手；从动机械手、主动机械手均包括依次连接的基座10、肩部12、大臂13、小臂14、腕部15和夹持臂16，还均包括第一关节21、第二关节22、第三关节23、第四关节24和第五关节25；基座10与肩部12之间设有第一关节21，大臂13与肩部12之间设有第二关节22，小臂14与大臂13之间设有第三关节23，腕部15与小臂14之间设有第四关节24，腕部15与夹持臂16之间设有第五关节25；从动机械手的第一关节21内设有第一液压模块51，以带动肩部12做水平摆动；从动机械手的第二关节22内设有第二液压模块52，以带动大臂13做俯仰摆动；从动机械手的第三关节23内设有第三液压模块53，以带动小臂14做俯仰摆动；从动机械手的第四关节24内设有第四液压模块54，以带动小臂14伸长或缩短；从动机械手的第五关节25内设有第五液压模块55，以驱动腕部15与夹持臂16发生相对转动；主动机械手的第一关节21、第二关节22、第三关节23、第四关节24、第五关节25内依次设有肩移电位器、大臂摆动电位器、小臂摆动电位器、小臂伸缩电位器和腕转电位器；主动机械手的夹持臂16上还设有夹持开关；主动机械手设有第一控制器，从动机械手设有与第一控制器连接通讯的第二控制器，第一控制器分别与主动机械手内的各个电位器连接，第二控制器分别与从动机械手内的各个液压模块连接，第二控制器还与从动机械手内的液压马达32连接。其中，主动机械手的实际尺寸按从动机械手的比例设计，便于操作员在水上(岸上或船上)进行操作。

具体地，通过基座10的设置，使得从动机械手可以稳定地固定于水下机器人机体上；通过第一关节21的设置，使得肩部12可相对于机器人机体做沿机器人机体长度方向上的水平位移运动，与现有技术中的肩部12相对于机器人做绕轴旋转运动相比，在相同的机械手体积上，机械手的运动范围增大；通过第二关节22和第三关节23的设置，使得大臂13和小臂14均可以做俯仰运动，通过大臂13和小臂14的俯仰运动，可以优化机器人的运动路径(水下机械手的驱动采用液压驱动较佳，因为采用电驱动时，启动元件所能承受的压力较低，机械手负载能力较低；采用液压驱动较为安全且负载力较好；设置了两个可俯仰摆动的关节，使得当在从动机械手的小臂14需要到达某个固定位置时，通过第二关节22和第三关节23的俯仰配合，以驱动小臂14到达该位置，会更加灵活且路径可优化)；通过第四关节24、第五关节25的设置，可以提高机械手的抓取精度，通过伸缩的关节，可以在机械手接近目标物时，方便进行微调。

同时，由于第二关节22和第三关节23的配合，使得从动机械手的长度较长的大臂13和小臂14可以进行折叠，从而使得从动机械手在收藏状态时，体积较小。

具体地，通过主动机械手和从动机械手的配合，将主动机械手置放于陆地上或船上，操作者可以通过操纵主动机械手，使主动机械手的各关节转动，使得主动机械手的第一控制器可以检测到各个电位器的电阻变化从而计算出各个关节的转动角度，通过第一控制器将各个关节的转动角度传递给第二控制器，以操控设于水下的从动机械手的液压模块驱动对应关节发生转动，以实现水下从动机械手的实现接近目标、抓取等作业；操作方便，整体系统具有很好的稳定性和可行性。

优选地，为了使得从动机械手的运动能够反馈给操作者，以形成闭环控制，提高控制精度和体验感，从动机械手的肩部12、大臂13、小臂14和腕部15均设有位置检测传感器，每个位置检测传感器均与第二控制器连接，第二控制器用于接收由位置检测传感器发送的位置数据，并将位置数据发送给第一控制器，第一控制器再将该数据进行处理，以使得能够通过第一控制器模拟出从动机械手的运动状态，同时使得与第一控制器连接的屏幕上显示从动机械手的运动状态图。

优选地，在从动机械手的基座10上也设置有与第二控制器连接的位置检测传感器，作为基点，有助于建立位置坐标图。

优选地，第一液压模块51、第二液压模块52、第三液压模块53、第四液压模块54内均包括依次连接的直线液压缸31和液压锁33以实现各个关节的直线摆动(水平或俯仰)，第五液压模块55内包括依次连接的液压马达32和液压锁33，任一液压锁33均与油缸41连通。其中，除了需要转动的手腕处设置了液压马达32，其余关节处均设置了直线液压缸31，使得第一关节21到第四关节24只具有单个自由度，结构简单，可以保证运动的稳定性；同时通过液压锁33的设置，以实现自锁，以保证机械手可以稳定地保持某个姿势。

具体地，在液压马达32的驱动下，腕部15可以相对夹持臂16做360度转动。

优选地，从动机械手内设有液压系统，液压系统包括出油油路和回油油路，出油油路包括相互连通的出油干路和出油支路，回油油路包括相互连通的回油干路和回油支路；第一液压模块51、第二液压模块52、第三液压模块53、第四液压模块54、第五液压模块55均包括电磁换向阀34，任一电磁换向阀34一端与液压锁33连接，另一端分别与出油支路、回油支路连接；液压系统还包括油缸41、液压泵42、驱动电机，出油干路、回油干路分别与油缸41连通；出油干路上设有液压泵42，驱动电机与液压泵42连接以驱动液压泵42工作。其中，通过设置电磁换向阀34，实现了液压系统的换向功能，使得从动机械手可以根据控制器规划的运动路径，将从动机械手的运动指令分为对于每个关节的运动指令，完成液压油流入各个关节驱动液压缸的工作。

优选地，液压系统还包括第一比例流量阀43和第二比例流量阀44；出油干路上还并联有第一并联油路，第一并联油路一端与油缸41连接，另一端与出油干路连接，第一并联油路与出油干路连接处为第一节点；在出油干路上，液压泵42与第一节点之间设有第一比例流量阀43；在第一并联油路上设有第二比例流量阀44。通过采用比例流量阀来进行液压系统流量的控制和调节，其中液压系统出油油路上的流量大小由第一比例流量阀43控制，第二比例流量阀44起到旁路溢流阀的作用，调节第一比例流量阀43和第二比例流量阀44的开度大小，就可以调节进入液压模块中液压缸的流量，如第一比例流量阀43和第二比例流量阀44的输出流量分别为Q₁和Q₂，则待工作液压模块的液压缸的输入流量Q＝Q₁-Q₂，这样可以更好地、科学地、稳定地控制油液输入流量。

优选地，为了保证液压设备的安全，起到定压溢流，稳压，系统卸荷和安全保护作用，液压系统还包括第一溢流阀45和第二溢流阀46；出油干路上还并联有第二并联油路，第二并联油路一端与油缸41连接，另一端与出油干路连接，第一并联油路与出油干路连接处为第二节点；第二节点位于第一比例流量阀43与液压泵42之间；在出油干路上，第一节点与出油支路之间设有第一溢流阀45；在第二并联油路上设有第二溢流阀46。

优选地，为了保证油路工作正常，避免液油液杂质影响液压系统的正常工作，液压系统还包括两个过滤器47，在出油干路和回油干路接近油缸41处分别设有过滤器47。

优选地，为了避免回流，液压系统还包括第一单向阀48和第二单向阀49，第一单向阀48设于出油干路上，且第一单向阀48设于出油支路与第一溢流阀45之间，第一单向阀48的通过方向为由油缸41往出油支路的方向；第二单向阀49设于回油干路上，且第二单向阀49设于回油支路与过滤器47之间，第二单向阀49的通过方向为由回油支路往油缸41方向。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：包括从动机械手和主动机械手；所述从动机械手和主动机械手均包括依次连接的基座、肩部、大臂、小臂、腕部和夹持臂，还均包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节和第五关节；

所述基座与所述肩部之间设有所述第一关节，所述大臂与所述肩部之间设有所述第二关节，所述小臂与所述大臂之间设有所述第三关节，所述腕部与所述小臂之间设有所述第四关节，所述腕部与所述夹持臂之间设有所述第五关节；

所述从动机械手的第一关节内设有第一液压模块，带动所述肩部做水平摆动；所述从动机械手的第二关节内设有第二液压模块，带动所述大臂做俯仰摆动；所述从动机械手的第三关节内设有第三液压模块，带动所述小臂做俯仰摆动；所述从动机械手的第四关节内设有第四液压模块，带动所述小臂伸长或缩短；所述从动机械手的第五关节内设有设有第五液压模块，驱动腕部与所述夹持臂发生相对转动；

所述主动机械手的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节内依次设有肩移电位器、大臂摆动电位器、小臂摆动电位器、小臂伸缩电位器和腕转电位器；所述主动机械手的夹持臂上还设有夹持开关；

所述主动机械手设有第一控制器，所述从动机械手设有与所述第一控制器连接通讯的第二控制器，所述第一控制器与所述主动机械手内的各个电位器分别连接，所述第二控制器与所述从动机械手内的各个液压模块分别连接，所述第二控制器还与所述从动机械手内的液压马达连接。

2.如权利要求1所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：所述从动机械手的肩部、大臂、小臂和腕部均设有位置检测传感器，每个所述位置检测传感器均与所述第二控制器连接，所述第二控制器用于接收由所述位置检测传感器发送的位置数据，并将所述位置数据发送给所述第一控制器。

3.如权利要求2所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：所述从动机械手的基座上设有与所述第二控制器连接的位置检测传感器。

4.如权利要求1-3任一项所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：所述第一液压模块、第二液压模块、第三液压模块、第四液压模块内均包括依次连接的直线液压缸和液压锁，所述第五液压模块内包括依次连接的液压马达和液压锁，任一液压锁均与所述油缸连通。

5.如权利要求4所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：

所述从动机械手内设有液压系统，所述液压系统包括出油油路和回油油路，所述出油油路包括相互连连通的出油干路和出油支路，所述回油油路包括相互连通的回油干路和回油支路；

所述第一液压模块、第二液压模块、第三液压模块、第四液压模块、第五液压模块均包括电磁换向阀，任一电磁换向阀一端与所述液压锁连接，另一端分别与所述出油支路、所述回油支路连接；

所述液压系统还包括油缸、液压泵、驱动电机，所述出油干路、回油干路分别与油缸连通；所述出油干路上设有液压泵，所述驱动电机驱动液压泵。

6.如权利要求5所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：

所述液压系统还包括第一比例流量阀和第二比例流量阀；

所述出油干路上还并联有第一并联油路，所述第一并联油路一端与所述油缸连接，另一端与所述出油干路连接，所述第一并联油路与所述出油干路连接处为第一节点；在所述出油干路上，所述液压泵与所述第一节点之间设有第一比例流量阀；在所述第一并联油路上设有第二比例流量阀。

7.如权利要求6所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：

所述液压系统还包括第一溢流阀和第二溢流阀；

所述出油干路上还并联有第二并联油路，所述第二并联油路一端与所述油缸连接，另一端与所述出油干路连接，所述第一并联油路与所述出油干路连接处为第二节点；所述第二节点位于所述第一比例流量阀与所述液压泵之间；

在所述出油干路上，所述第一节点与所述出油支路之间设有所述第一溢流阀；在所述第二并联油路上设有第二溢流阀。

8.如权利要求7所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：所述出油干路和回油干路接近油缸处分别设有过滤器。

9.如权利要求8所述一种水下机器人的多自由度机械手，其特征在于：

所述液压系统还包括第一单向阀和第二单向阀，所述第一单向阀设于所述出油干路上，且所述第一单向阀设于所述出油支路与所述第一溢流阀之间，所述第一单向阀的通过方向为由所述油缸往所述出油支路的方向；

所述第二单向阀设于所述回油干路上，且所述第二单向阀设于所述回油支路与所述过滤器之间，所述第二单向阀的通过方向为由所述回油支路往所述油缸方向。