CN112096731B - 一种轻便型球铰式水下手动夹持器 - Google Patents

一种轻便型球铰式水下手动夹持器 Download PDF

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Abstract

一种轻便型球铰式水下手动夹持器，包括潜水器手臂末端壳体，所述潜水器手臂末端壳体为球形中空结构，所述潜水器手臂末端壳体底部设置有一开口，所述开口处配合安装有球铰组件，所述球铰组件的内部配合安装有铰接球头，所述铰接球头的贯穿整个球铰组件，铰接球头安装在水压自平衡组件中，所述水压自平衡组件的一端通过锁止机构安装有操作手柄，所述操作手柄包括摆动手柄和夹爪手柄，操作手柄位于潜水器手臂末端壳体内部，所述水压自平衡组件的另一端连接夹爪组件，所述夹爪组件位于潜水器手臂末端壳体的外部。具有工作深度深、结构紧凑、轻便灵活、驾驶员的作业能力不受水深度的限制等特点。

Description

一种轻便型球铰式水下手动夹持器
技术领域
本发明涉及载人潜水器水下作业工具技术领域，尤其是一种轻便型球铰式水下手动夹持器。
背景技术
仿人形载人潜水器是一种单人驾驶的外形酷似人形的载人潜水器，这种潜水器最大下潜深度可达水下600米，远大于常规潜水或饱和潜水，且驾驶员无需进行加压、减压等隔离措施，从而可以替代潜水员实现水下观察、水下作业等功能。
仿人形载人潜水器执行水下任务时，会在人形潜水器的手臂末端配备夹持器。需要执行水下夹持、水下固定等任务时，由驾驶员在舱内手动驱动夹持器，通过夹持器的转化和放大，将驾驶员的握力、手腕的旋转和摆动转化为夹持器的夹紧、旋转和摆动，夹持器进而驱动潜水器上配备的水下作业工具，从而实现潜水器的预定功能。
现有技术中的水下手动夹持器同样多用于水下仿人形载人潜水器，也具有一定的夹紧和旋转功能，但有如下一些缺点：
1、运动部件采用动密封的形式，工作深度较浅，无法胜任大深度水深的密封要求；
2、主要采用单杆结构或将单杆结构做一些传动形式上的转化，实现夹紧和旋转功能时，潜水器驾驶员的握力除克服运动副之间的摩擦外，还需抵抗外界的水压，水深越深，驾驶员需要提供的握力越大，从而限制了驾驶员的作业能力；
3、夹持器普遍仅有一个绕其轴线转动的自由度，灵活型较差，非常不便于潜水员作业。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种轻便型球铰式水下手动夹持器，从而具有工作深度深、结构紧凑、轻便灵活、驾驶员的作业能力不受水深度的限制等特点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种轻便型球铰式水下手动夹持器，包括潜水器手臂末端壳体，所述潜水器手臂末端壳体为球形中空结构，所述潜水器手臂末端壳体底部设置有一开口，所述开口处配合安装有球铰组件，所述球铰组件的内部配合安装有铰接球头，所述铰接球头的贯穿整个球铰组件，铰接球头安装在水压自平衡组件中，所述水压自平衡组件的一端通过锁止机构安装有操作手柄，所述操作手柄包括摆动手柄和夹爪手柄，操作手柄位于潜水器手臂末端壳体内部，所述水压自平衡组件的另一端连接夹爪组件，所述夹爪组件位于潜水器手臂末端壳体的外部。
其进一步技术方案在于：
摆动手柄驱动手柄摆动和旋转，夹爪手柄驱动夹爪组件的开合。
所述水压自平衡组件的结构为：包括上端盖、活塞传动杆、铰接球头、下端盖及相关密封件，上述零部件共同构成分布于活塞两侧的两密封空间，分别为上密闭空间和下密闭空间，铰接球头两侧均延伸有一段螺纹，夹爪手柄和夹爪安装座分别通过螺纹连接方式安装于铰接球头两侧，上端盖由螺钉紧固于夹爪手柄上，下端盖由螺钉紧固于夹爪安装座上；
夹爪组件的结构为：包括夹爪、滑块导轨、铰接轴、夹爪安装座和活塞传动杆，夹爪铰接于夹爪安装座上，滑块导轨通过螺纹连接方式安装于活塞传动杆的末端，滑块导轨内部设有滑动槽，和固定于夹爪上的铰接轴配合；
球铰组件为一球面滚动轴承，包括铰接球头、轴承滚子、轴承外圈及球面动密封圈，铰接球头和球面聚四氟乙烯环形成动密封副，球铰滚动轴承外圈沿中纵剖面分离成两零件，分别为轴承外圈上部分和轴承外圈下部分，两零件用螺钉连接，两零件均分布有四道便于轴承滚子滚动的弧形沟道。
所述铰接球头内部为一圆柱形贯穿通孔且作为油缸缸体内壁使用，和活塞传动杆配合构成一双出杆油缸。
所述活塞传动杆两侧杆内分别开有一通孔，分别为上侧通孔和下侧通孔，上侧通孔和下端盖处海水相通，构成通水孔，下侧通孔和上端盖处大气相通，构成通气孔。
铰接球头的直径为40mm。
锁止机构采用锁止螺母。
所述潜水器手臂末端壳体内部为常压环境，外部为水压环境。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置水压自平衡油缸组件，使得水下作业时传动杆始终处于平衡状态，潜水员驱动夹爪开合不受水压影响，大大增加了夹持器的水下作业深度及夹持器作业的灵活程度。
本发明设置有滚动轴承球铰组件，该结构拥有三个转动副自由度，使得夹持器具备一定角度的摆动能力和全圆周回转能力，极大提高了该型夹持器的作业能力，同时水下作业由该滚动轴承承载水压，避免了动密封副直接承水压从而造成摩擦阻力急剧增加，极大提高了夹持器的灵活程度。
本发明动密封副为球面密封副，可适应球铰各方向摆动和转动的密封要求。
本发明零件数量少，集成性高，结构紧凑，占用空间小，便于潜水员操作：夹爪组件为一双滑块机构，仅在油缸活塞和手抓之间增加一滑块导轨即可实现手抓的开合动作；水压自平衡功能的实现仅为在起传动作用的活塞杆上分别开设一通水孔和通气孔，没有增加任何零部件；球铰轴承外圈额外作为动密封副的安装沟槽；球铰内孔充当水压自平衡油缸组件的缸体。
本发明球铰组件、水压自平衡油缸组件、夹爪组件等机构经过适当改装可适用于不同用途的水下作业工具，从而实现不同水下作业功能，拓展本发明的使用范围。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明水压自平衡组件的结构示意图。
图3为本发明夹爪组件的结构示意图。
图4为本发明球铰组件的结构示意图。
图5为本发明操作手柄的结构示意图。
其中：1、潜水器手臂末端壳体；2、操作手柄；3、锁止机构；4、水压自平衡组件；5、球铰组件；6、夹爪组件；
201、摆动手柄；202、夹爪手柄；
301、锁止螺母；
401、上端盖；402、密封圈；403、活塞传动杆；404、铰接球头；405、夹爪安装座；406、下端盖；407、通气孔；408、上密闭空间；409、下密闭空间；410、通水孔；
501、聚四氟乙烯环；502、轴承外圈上部分；503、轴承外圈下部分；504、轴承滚子；505、轴承座；506、防污挡板；507、防污圈；
601、铰接轴；602、滑块导轨；603、夹爪。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实施例的轻便型球铰式水下手动夹持器，包括潜水器手臂末端壳体1，潜水器手臂末端壳体1为球形中空结构，潜水器手臂末端壳体1底部设置有一开口，开口处配合安装有球铰组件5，球铰组件5的内部配合安装有铰接球头404，铰接球头404的贯穿整个球铰组件5，铰接球头404安装在水压自平衡组件4中，水压自平衡组件4的一端通过锁止机构3安装有操作手柄2，操作手柄2包括摆动手柄201和夹爪手柄202，操作手柄2位于潜水器手臂末端壳体1内部，水压自平衡组件4的另一端连接夹爪组件6，夹爪组件6位于潜水器手臂末端壳体1的外部。
摆动手柄201驱动手柄摆动和旋转，夹爪手柄202驱动夹爪组件6的开合。
水压自平衡组件4的结构为：包括上端盖401、活塞传动杆403、铰接球头404、下端盖406及相关密封件402，上述零部件共同构成分布于活塞两侧的两密封空间，分别为上密闭空间408和下密闭空间409，铰接球头404两侧均延伸有一段螺纹，夹爪手柄202和夹爪安装座405分别通过螺纹连接方式安装于铰接球头404两侧，上端盖401由螺钉紧固于夹爪手柄202上，下端盖406由螺钉紧固于夹爪安装座405上；
夹爪组件6的结构为：包括夹爪603、滑块导轨602、铰接轴601、夹爪安装座405和活塞传动杆403，夹爪603铰接于夹爪安装座405上，滑块导轨602通过螺纹连接方式安装于活塞传动杆403的末端，滑块导轨602内部设有滑动槽，和固定于夹爪603上的铰接轴601配合；
球铰组件5为一球面滚动轴承，包括铰接球头404、轴承滚子504、轴承外圈及球面动密封圈，铰接球头404和球面聚四氟乙烯环501形成动密封副，球铰滚动轴承外圈沿中纵剖面分离成两零件，分别为轴承外圈上部分502和轴承外圈下部分503，两零件用螺钉连接，两零件均分布有四道便于轴承滚子504滚动的弧形沟道。
铰接球头404内部为一圆柱形贯穿通孔且作为油缸缸体内壁使用，和活塞传动杆403配合构成一双出杆油缸。
塞传动杆403两侧杆内分别开有一通孔，分别为上侧通孔和下侧通孔，上侧通孔和下端盖406处海水相通，构成通水孔410，下侧通孔和上端盖401处大气相通，构成通气孔407。
铰接球头404的直径为40mm。
锁止机构3采用锁止螺母301。
潜水器手臂末端壳体1内部为常压环境，外部为水压环境。
本发明的具体结构和功能如下：
主要包括水压自平衡组件4、球铰组件5、锁止机构3、夹爪组件6、操作手柄2及相关密封件，
夹持器本体安装于潜水器手臂末端壳体1上，其内部为常压环境，外部为水压环境。
水压自平衡组件4为一双出杆特殊油缸，如图2所示，其由上端盖401、活塞传动杆403、铰接球头404、下端盖406及相关密封件402组成，这些零件共同构成分布于活塞两侧的两密封空间，分别为上密闭空间408和下密闭空间409。铰接球头404两侧均延伸有一段长度的螺纹，夹爪手柄202和夹爪安装座405分别通过螺纹连接方式安装于铰接球头404两侧，上端盖401由螺钉紧固于夹爪手柄202上，下端盖406由螺钉紧固于夹爪安装座405上。
铰接球头404内部为一圆柱形贯穿通孔且作为油缸缸体内壁使用，和活塞传动杆403配合构成一双出杆油缸。
活塞传动杆403活塞两侧杆内分别开有一通孔，上侧通孔和下端盖406处海水相通，构成通水孔410，下侧通孔和上端盖401处大气相通，构成通气孔407，活塞传动杆403的活塞面积和活塞杆的截面积相等，这样活塞上表面承受的水压作用力和活塞杆承受的外界水压作用力相等且相互抵消，活塞下表面承受大气压力，同样和活塞杆承受的大气压力平衡，使得夹持器夹爪驱动杆在任何工作水深均受力平衡，潜水员驱动夹爪603开合不受水压影响。
夹爪组件6如图3所示，该机构为一双滑块机构，将活塞传动杆403的直线运动转化为夹爪603的摆动运动，从而实现夹爪603的开合动作。该组件由夹爪603、滑块导轨602、铰接轴601、夹爪安装座405和活塞传动杆403组成，夹爪603铰接于夹爪安装座405上，滑块导轨602通过螺纹连接方式安装于活塞传动杆403末端，滑块导轨602内部设有滑动槽，和固定于夹爪603上的铰接轴601配合。
球铰组件5为一球面滚动轴承，由铰接球头404、轴承滚子504、轴承外圈及球面动密封圈等组成，铰接球头404和球面聚四氟乙烯环501形成动密封副，为了便于铰接球头404安装，球铰滚动轴承外圈沿其中纵剖面分离成两零件(轴承外圈上部分502和轴承外圈下部分503)，且两者由螺钉连接，轴承外圈均匀分布有四道便于轴承滚子504滚动的弧形沟道，轴承外圈还加工有便于聚四氟乙烯环501安装的沟道。球铰轴承整体安装于轴承座505内且由O型圈实现径向密封，由防污挡板506将球铰轴固定于轴承座505内，在防污挡板506内圈和铰接球头404的圆弧面上设置有防污圈507，用于防止外界泥沙进入轴承内部，也用于防止轴承内部的润滑脂外泄。水下作业时，铰接球头404和聚四氟乙烯环501形成密封副，球头承水压，并将作用力通过轴承滚子504传递到轴承外圈，避免动密封副直接承水压从而造成摩擦力矩急剧增加。
由于滚动轴承摩擦系数极小，球头直径仅有40mm，由水压作用在球铰上产生的摩擦力矩非常小，该结构使得夹持器具备灵活转的特性。同时球铰结构拥有三个转动副自由度，使得夹持器具备一定角度的摆动能力和全圆周回转能力，极大提高了该型夹持器的作业能力。
操作手柄2如图5所示，夹持器设置有两手柄，分别为摆动手柄201和夹爪手柄202，摆动手柄201驱动手柄摆动和旋转，夹爪手柄202驱动夹爪603开合，摆动手柄201安装于铰接球头404一端的螺纹上，夹爪手柄202紧固于活塞传动杆一端，摆动手柄201两侧分别开有一定宽度的槽，夹爪手柄202嵌于两槽内。锁止机构3为一旋在上端盖401上的螺母，其上加工有便于潜水员手指拨动的十字拨杆，当夹爪603夹持住物体后，拨动螺母旋转直至其锁住夹爪手柄202，从而可将夹爪603锁止在任何开合角度，提高作业可靠性。
实际使用过程中，潜水员的手伸入潜水器手臂末端壳体1中，手握摆动手柄201或夹爪手柄202，根据实际工况的需求，可以先操作摆动手柄201，驱动其摆动或者旋转，调整至合适的位置，然后驱动夹爪手柄202，控制夹爪603的打开与关闭，操作简便，工作可靠性好。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：包括潜水器手臂末端壳体（1），所述潜水器手臂末端壳体（1）为球形中空结构，所述潜水器手臂末端壳体（1）底部设置有一开口，所述开口处配合安装有球铰组件（5），所述球铰组件（5）的内部配合安装有铰接球头（404），所述铰接球头（404）贯穿整个球铰组件（5），铰接球头（404）安装在水压自平衡组件（4）中，所述水压自平衡组件（4）的一端通过锁止机构（3）安装有操作手柄（2），所述操作手柄（2）包括摆动手柄（201）和夹爪手柄（202），操作手柄（2）位于潜水器手臂末端壳体（1）内部，所述水压自平衡组件（4）的另一端连接夹爪组件（6），所述夹爪组件（6）位于潜水器手臂末端壳体（1）的外部；
所述水压自平衡组件（4）的结构为：包括上端盖（401）、活塞传动杆（403）、铰接球头（404）、下端盖（406）及相关密封件（402），上端盖（401）、活塞传动杆（403）、铰接球头（404）、下端盖（406）及相关密封件（402）共同构成分布于活塞两侧的两密封空间，分别为上密闭空间（408）和下密闭空间（409），铰接球头（404）两侧均延伸有一段螺纹，夹爪手柄（202）和夹爪安装座（405）分别通过螺纹连接方式安装于铰接球头（404）两侧，上端盖（401）由螺钉紧固于夹爪手柄（202）上，下端盖（406）由螺钉紧固于夹爪安装座（405）上；
夹爪组件（6）的结构为：包括夹爪（603）、滑块导轨（602）、铰接轴（601）、夹爪安装座（405）和活塞传动杆（403），夹爪（603）铰接于夹爪安装座（405）上，滑块导轨（602）通过螺纹连接方式安装于活塞传动杆（403）的末端，滑块导轨（602）内部设有滑动槽，滑动槽和固定于夹爪（603）上的铰接轴（601）配合；
球铰组件（5）为一球面滚动轴承，包括铰接球头（404）、轴承滚子（504）、轴承外圈及球面动密封圈，铰接球头（404）和球面聚四氟乙烯环（501）形成动密封副，球铰滚动轴承外圈沿中纵剖面分离成两零件，分别为轴承外圈上部分（502）和轴承外圈下部分（503），两零件用螺钉连接，两零件均分布有四道便于轴承滚子（504）滚动的弧形沟道。
2.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：摆动手柄（201）驱动手柄摆动和旋转，夹爪手柄（202）驱动夹爪组件（6）的开合。
3.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：所述铰接球头（404）内部为一圆柱形贯穿通孔且作为油缸缸体内壁使用。
4.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：所述活塞传动杆（403）两侧杆内分别开有一通孔，分别为上侧通孔和下侧通孔，上侧通孔和下端盖（406）处海水相通，构成通水孔（410），下侧通孔和上端盖（401）处大气相通，构成通气孔（407）。
5.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：铰接球头（404）的直径为40mm。
6.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：锁止机构（3）采用锁止螺母（301）。
7.如权利要求1所述的一种轻便型球铰式水下手动夹持器，其特征在于：所述潜水器手臂末端壳体（1）内部为常压环境，外部为水压环境。
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