CN113001532A - 一种电液混合驱动的水下多功能机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，包括大臂关节、肘关节、腕关节和手爪关节，大臂关节与第一关节连接件相连接，用于实现摆动功能；肘关节与第二关节连接件相连接，用于实现俯仰功能；并且第一关节连接件与第二关节连接件固定连接；肘关节通过第三关节连接件与腕关节连接，用于实现起落功能；腕关节通过动密封套与手爪关节连接，用于实现旋转功能；手爪关节的末端安装有夹爪，用于实现开合功能。整机集摆动、俯仰、起落、旋转、开合功能于一体，结构简洁紧凑，负载能力强；采用防水设计，能够满足长期水下工作需求；装配简单，检修方便，操作灵活，在深海探测以及相应的海底作业中具有较强的适用性和通用性。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种电液混合驱动的水下多功能机械臂。
背景技术
在人类进行水下作业及探索海洋的进程中，水下机器人得到了深入的研究及广泛的应用。作为水下机器人的执行机构，水下机械臂直接影响水下任务完成的质量和水平。然而，目前水下机械臂单一的种类和功能依然难以满足灵活且复杂的水下作业任务需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，以解决上述背景技术中遇到的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，包括大臂关节、肘关节、腕关节和手爪关节；所述大臂关节的一端转动连接有第一关节连接件，用于实现所述机械臂的摆动功能；所述肘关节的一端转动连接有第二关节连接件，用于实现所述机械臂的俯仰功能；所述第一关节连接件与所述第二关节连接件固定连接；所述肘关节的另一端通过第三关节连接件与所述腕关节转动连接，用于实现所述腕关节的起落功能；所述腕关节通过传动装置与所述手爪关节转动连接，用于实现所述腕关节的旋转功能；所述手爪关节的末端安装有夹爪，所述手爪关节内部设有与所述夹爪传动连接的推送装置，用于实现所述夹爪的开合功能。
上述方案中，所述大臂关节包括大臂架体和第一液压缸，所述第一液压缸的基座安装在大臂架体的内部，所述第一液压缸的伸缩轴端部与第一关节连接件铰接。
进一步的，所述大臂架体包括第一支撑轴套、第一支撑杆和大臂板体，所述大臂板体设有两块，两块所述大臂板体之间通过多个所述第一支撑杆连接，所述第一支撑轴套套装在所述第一支撑杆的外侧且位于两块所述大臂板体之间，所述所述第一支撑杆的两端通过螺丝与大臂板体固定。
上述方案中，所述肘关节包括中臂架体、第二液压缸和第三液压缸，所述第二液压缸和第三液压缸的基座分部安装在中臂架体的内部，所述所述第二液压缸和第三液压缸的输出轴分部位于所述中臂架体的两侧，所述第二液压缸的伸缩轴端部与第二关节连接件铰接，所述第三液压缸的伸缩轴端部与第三关节连接件铰接。
进一步的，所述中臂架体包括第二支撑轴套、第二支撑杆和中臂板体，所述中臂板体设有两块，两块所述中臂板体之间通过多个所述第二支撑杆连接，所述第二支撑轴套套装在所述第二支撑杆的外侧且位于两块所述中臂板体之间，所述所述第二支撑杆的两端通过螺丝与中臂板体固定。
上述方案中，所述腕关节包括电机外壳和电机，所述电机安装在电机外壳内部，所述电机外壳的端部固定有密封端盖，所述电机外壳的外部与第三关节连接件固定连接，所述电机的输出端设有动密封套，所述电机通过动密封套与所述手爪关节转动连接，所述电机外壳、电机和动密封套构成传动装置。
上述方案中，所述动密封套安装在电机外壳和所述电缸外壳之间，所述电机外壳上设有两道第一沟槽，每个第一沟槽中分别装配有第一密封圈，所述动密封套与所述电缸外壳相接触的外侧面上设有一道第二沟槽，所述第二沟槽中装配有第二密封圈。
上述方案中，所述手爪关节包括电缸外壳、电缸和夹爪支撑板，所述电缸外壳靠近所述夹爪的一侧安装有端盖，所述端盖与所述电缸外壳嵌套式固定连接，所述夹爪支撑板与所述端盖固定连接，所述夹爪支撑板的外侧设有与夹爪活动连接的连杆机构，所述连杆机构与所述夹爪支撑板转动连接，所述电缸通过电缸支撑环安装在电缸外壳内，所述电缸的基座端部与所述腕关节的传动装置传动连接，所述电缸的输出端贯穿所述夹爪支撑板与连杆机构活动连接，所述电缸构成所述手爪关节的推送装置。
进一步的，所述端盖与所述电缸相接触的内侧面上设有两道内沟槽，每个内沟槽中分别装配有第三密封圈。
更进一步的，所述端盖与所述电缸之间安装有导向环。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：电液混合驱动的水下多功能机械臂集摆动、俯仰、起落、旋转、开合功能于一体，整体结构简洁紧凑，负载能力强，适用性强，可靠性高。整机采用防水设计，能够满足长期水下工作需求。在相对静止的零件如密封端盖与电机外壳之间采用嵌套式固定连接结构，并装配密封圈以保证静密封。在相对运动的零件如相对旋转的电机外壳与动密封套之间和往复运动的电缸与端盖之间装配密封圈以保证静密封和动密封。整机装配简单，检修方便，操作灵活，在深海探测以及相应的海底作业中具有较强的适用性和通用性。
附图说明
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
图1为本发明的外部结构示意图；
图2为本发明另一视角的外部结构示意图；
图3为本发明中手爪关节的剖视图；
图4为图3中A处局部放大视图；
图5为图3中B处局部放大视图；
图6为本发明中夹爪张开的结构示意图；
图中标号：1、第一支撑轴套；2、第一支撑杆；3、大臂架体；4、第一液压缸；5、第一关节连接件；6、第二关节连接件；7、中臂架体；8、第二支撑轴套；9、第二支撑杆；10、第二液压缸；11、第三液压缸；12、密封端盖；13、第三关节连接件；14、电机外壳；15、电缸外壳；16、夹爪；17、电机；18、动密封套；19、第一电缸支撑环；20、电缸；21、第二电缸支撑环；22、端盖；23、夹爪支撑板；24、连杆机构；101、第一密封圈；102、第二密封圈；103、第三密封圈；104、导向环。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示本发明有关的构成。
根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，包括大臂关节、肘关节、腕关节和手爪关节。大臂关节的一端转动连接有第一关节连接件5，用于实现机械臂的摆动功能。
具体的，大臂关节包括大臂架体3和第一液压缸4，第一液压缸4的基座安装在大臂架体3的内部，第一液压缸4的伸缩轴端部与第一关节连接件5的连接轴铰接，在第一液压缸4的驱动下实现机械臂中连接在大臂关节外侧的其他关节的摆动功能。其中，大臂架体3包括第一支撑轴套1、第一支撑杆2和大臂板体，大臂板体设有两块，两块大臂板体之间通过多个第一支撑杆2连接，第一支撑轴套1套装在第一支撑杆2的外侧且位于两块大臂板体之间，第一支撑杆2的两端通过螺丝与大臂板体固定。第一支撑轴套1为筒状结构，为第一液压缸4的基座安装提供支撑。
肘关节的一端转动连接有第二关节连接件6，用于实现机械臂的俯仰功能。其中，第一关节连接件5与第二关节连接件6固定连接，第一关节连接件5与大臂关节在连接时属于纵向连接，所以才会实现机械臂的摆动功能，而肘关节与第二关节连接件6在连接时属于横向连接，所以才会实现机械臂的俯仰功能。
肘关节的另一端通过第三关节连接件13与腕关节转动连接，用于实现腕关节的起落功能，肘关节与第三关节连接件13之间也属于横向连接。具体的，肘关节包括中臂架体7、第二液压缸10和第三液压缸11，第二液压缸10和第三液压缸11的基座分部安装在中臂架体7的内部，第二液压缸10和第三液压缸11的输出轴分部位于中臂架体7的两侧，第二液压缸10的伸缩轴端部与第二关节连接件6铰接，第三液压缸11的伸缩轴端部与第三关节连接件13的连接轴铰接。在第二液压缸10的驱动下实现中臂架体7在机械臂中的俯仰功能，在第三液压缸11的驱动下实现腕关节在机械臂中的起落功能。
另外，中臂架体7包括第二支撑轴套8、第二支撑杆9和中臂板体，中臂板体设有两块，两块中臂板体之间通过多个第二支撑杆9连接，第二支撑轴套8套装在第二支撑杆9的外侧且位于两块中臂板体之间，第二支撑杆9的两端通过螺丝与中臂板体固定。第二支撑杆9为筒状结构，为第二液压缸10和第三液压缸11的基座安装提供支撑，使这两个液压缸安装于中臂架体7的上下两侧。
腕关节通过传动装置与手爪关节转动连接，用于实现腕关节的旋转功能。接下来请参阅图3和图6，具体的，腕关节包括电机外壳14和电机17，电机17安装在电机外壳14内部，电机外壳14的端部嵌套式固定有密封端盖12，电机外壳14的外部与第三关节连接件13固定连接，电机17的输出端设有动密封套18，电机17通过动密封套18与手爪关节转动连接，电机外壳14、电机17和动密封套18构成传动装置。
作为一种优选的方案，请参阅图4，动密封套18安装在电机外壳14和电缸外壳15之间，电机外壳14上设有两道第一沟槽，每个第一沟槽中分别装配有第一密封圈101，以保证腕关节旋转运动时的静密封与动密封。动密封套18与电缸外壳15相接触的外侧面上设有一道第二沟槽，第二沟槽中装配有第二密封圈102，以保证腕关节与手爪关节之间的静密封。
手爪关节的末端安装有夹爪16，手爪关节内部设有与夹爪16传动连接的推送装置，用于实现夹爪16的开合功能。夹爪16的夹取面上设有防滑结构，比如波浪形、齿形、凹槽型等结构，方便夹取物品。
具体的，手爪关节包括电缸外壳15、电缸20和夹爪支撑板23，电缸外壳15靠近夹爪16的一侧安装有端盖22，端盖22与电缸外壳15嵌套式固定连接，夹爪支撑板23与端盖22固定连接，夹爪支撑板23的外侧设有与夹爪16活动连接的连杆机构24，连杆机构24与夹爪支撑板23转动连接。连杆机构24靠近夹爪16的一侧每个连杆与夹爪16铰接，连杆机构24靠近夹爪支撑板23的一侧每个连杆与夹爪支撑板23铰接，其中还预留一个与推送装置连接的连杆，该连杆带动整个夹爪16开合运动。
电缸20通过电缸支撑环安装在电缸外壳15内，电缸支撑环包括第一电缸支撑环19和第二电缸支撑环21，第一电缸支撑环19与电缸20和电缸外壳15均为固定连接，第二电缸支撑环21与电缸20和电缸外壳15均为固定连接。电缸20的基座端部与腕关节的传动装置传动连接，电缸20的输出端贯穿夹爪支撑板23与连杆机构24活动连接，用于通过电缸20的输出轴驱动夹爪16开合运动。在本方案中，电缸20构成手爪关节的推送装置。
作为一种优选的方案，请参阅图5，端盖22与电缸20相接触的内侧面上设有两道内沟槽，每个内沟槽中分别装配有第三密封圈103，以保证电缸20往复运动时的静密封与动密封。
继续请参阅图5，另外，在其中的一实施例中，在端盖22与电缸20之间安装有导向环104，以对电缸20的输出轴起到支撑与导向作用。
本发明的工作原理是：在第一液压缸4的驱动作用下，大臂关节可以实现摆动功能；在第二液压缸10的驱动作用下，可以实现肘关节的俯仰功能；在第三液压缸11的驱动作用下，可以实现腕关节的起落功能；在电机17的驱动作用下，可以实现腕关节的旋转功能；在电缸20的驱动作用下，将电缸20的往复直线运动转化为夹爪16的开合运动，从而实现夹取功能。通过对摆动、俯仰、起落、旋转和开合功能的选取与组合，可将夹爪16移动到目标位置，并控制夹爪16的开合从而实现目标物体的取放，完成水下任务。
本多功能机械臂用于在水下工作，比如海底、湖底，还可以在非水下的环境中工作，比如在其他液体介质中作业夹取目标物品，在生产车间中夹取目标产品等。
综上所述，通过本发明的技术方案实现了电液混合驱动的水下多功能机械臂集摆动、俯仰、起落、旋转、开合功能于一体，整体结构简洁紧凑，负载能力强，适用性强，可靠性高。整机采用防水设计，能够满足长期水下工作需求。在相对静止的零件，比如在密封端盖12与电机外壳14之间采用嵌套式固定连接结构，并装配密封圈以保证静密封。在相对运动的零件，比如在相对旋转的电机外壳14与动密封套18之间和往复运动的电缸20与端盖22之间装配密封圈以保证静密封和动密封。整机装配简单，检修方便，操作灵活，在深海探测以及相应的海底作业中具有较强的适用性和通用性。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
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，并不用于限定本发明保护范围，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，均应含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：包括大臂关节、肘关节、腕关节和手爪关节；所述大臂关节的一端转动连接有第一关节连接件(5)所述肘关节的一端转动连接有第二关节连接件(6)，所述第一关节连接件(5)与所述第二关节连接件(6)固定连接；所述肘关节的另一端通过第三关节连接件(13)与所述腕关节转动连接，所述腕关节通过传动装置与所述手爪关节转动连接，所述手爪关节的末端安装有夹爪(16)，所述手爪关节内部设有与所述夹爪(16)传动连接的推送装置。
2.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述大臂关节包括大臂架体(3)和第一液压缸(4)，所述第一液压缸(4)的基座安装在大臂架体(3)的内部，所述第一液压缸(4)的伸缩轴端部与第一关节连接件(5)铰接。
3.根据权利要求2所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述大臂架体(3)包括第一支撑轴套(1)、第一支撑杆(2)和大臂板体，所述大臂板体设有两块，两块所述大臂板体之间通过多个所述第一支撑杆(2)连接，所述第一支撑轴套(1)套装在所述第一支撑杆(2)的外侧且位于两块所述大臂板体之间，所述所述第一支撑杆(2)的两端通过螺丝与大臂板体固定。
4.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述肘关节包括中臂架体(7)、第二液压缸(10)和第三液压缸(11)，所述第二液压缸(10)和第三液压缸(11)的基座分部安装在中臂架体(7)的内部，所述所述第二液压缸(10)和第三液压缸(11)的输出轴分部位于所述中臂架体(7)的两侧，所述第二液压缸(10)的伸缩轴端部与第二关节连接件(6)铰接，所述第三液压缸(11)的伸缩轴端部与第三关节连接件(13)铰接。
5.根据权利要求4所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述中臂架体(7)包括第二支撑轴套(8)、第二支撑杆(9)和中臂板体，所述中臂板体设有两块，两块所述中臂板体之间通过多个所述第二支撑杆(9)连接，所述第二支撑轴套(8)套装在所述第二支撑杆(9)的外侧且位于两块所述中臂板体之间，所述所述第二支撑杆(9)的两端通过螺丝与中臂板体固定。
6.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述腕关节包括电机外壳(14)和电机(17)，所述电机(17)安装在电机外壳(14)内部，所述电机外壳(14)的端部固定有密封端盖(12)，所述电机外壳(14)的外部与第三关节连接件(13)固定连接，所述电机(17)的输出端设有动密封套(18)，所述电机(17)通过动密封套(18)与所述手爪关节转动连接，所述电机外壳(14)、电机(17)和动密封套(18)构成传动装置。
7.根据权利要求6所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述动密封套(18)安装在电机外壳(14)和所述电缸外壳(15)之间，所述电机外壳(14)上设有两道第一沟槽，每个第一沟槽中分别装配有第一密封圈(101)，所述动密封套(18)与所述电缸外壳(15)相接触的外侧面上设有一道第二沟槽，所述第二沟槽中装配有第二密封圈(102)。
8.根据权利要求1所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述手爪关节包括电缸外壳(15)、电缸(20)和夹爪支撑板(23)，所述电缸外壳(15)靠近所述夹爪(16)的一侧安装有端盖(22)，所述端盖(22)与所述电缸外壳(15)嵌套式固定连接，所述夹爪支撑板(23)与所述端盖(22)固定连接，所述夹爪支撑板(23)的外侧设有与夹爪(16)活动连接的连杆机构(24)，所述连杆机构(24)与所述夹爪支撑板(23)转动连接，所述电缸(20)通过电缸支撑环安装在电缸外壳(15)内，所述电缸(20)的基座端部与所述腕关节的传动装置传动连接，所述电缸(20)的输出端贯穿所述夹爪支撑板(23)与连杆机构(24)活动连接，所述电缸(20)构成所述手爪关节的推送装置。
9.根据权利要求9所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述端盖(22)与所述电缸(20)相接触的内侧面上设有两道内沟槽，每个内沟槽中分别装配有第三密封圈(103)。
10.根据权利要求10所述的一种电液混合驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述端盖(22)与所述电缸(20)之间安装有导向环(104)。
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