CN113021327A - 一种类人电液水下机械手 - Google Patents

Abstract

本发明适用于水下机械臂领域，提供了一种类人电液水下机械手，所述包括：潜水器，形成安装主体；机械臂，对置的连接在潜水器上，用于形成驱动弯折结构；机械臂包括：电动驱动器，安装在潜水器上，提供转动驱动力；机械大臂，转动连接在电动驱动器上；一级模型液压缸，两端分别转动连接在电动驱动器和机械大臂上；机械小臂，转动连接在机械大臂上；二级模型液压缸，两端分别转动连接在机械小臂和机械大臂上；夹持器，转动连接在机械小臂上；末端密封电机，安装在机械小臂上，并与夹持器连接；本发明优点：结构简单、简单紧凑、运动精度高、集成了电机和液压驱动优点的混合驱动方式、布置在潜水器上的方式类似人双臂，操作方便。

Description

一种类人电液水下机械手

技术领域

本发明属于水下机械臂领域，尤其涉及一种类人电液水下机械手。

背景技术

由于机械臂可以模仿人类手臂动作，在结构和性能上兼具人类和机器人的优点。目前机械臂广泛用于各种水下作业中。当前的水下机械臂产品主要由电机完全驱动的电动机械臂和完全由液压缸、液压泵驱动的液压机械臂两大类构成。对于电动机械臂而言，一方面由于在水下环境考虑密封要设计复杂的密封结构，因而导致机械臂结构复杂，重量增加。另一方面由于电机扭矩有限，机械臂载重比低，无法承担较大重量的水下作业。对于液压机械臂来说，虽然不需要考虑水下密封，但是液压缸驱动的机械臂本身运动精度不高，并且对制造液压缸的材料和质量要求高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种类人电液水下机械手，旨在解决操作精度不高的技术问题。

本发明是这样实现的，一种类人电液水下机械手，所述类人电液水下机械手包括：

潜水器，用于潜水行走，并形成安装主体；

机械臂，对置的连接潜水器，用于形成驱动弯折结构；

其中，机械臂包括：

电动驱动器，安装在潜水器上，提供转动驱动力；

机械大臂，转动连接电动驱动器；

一级模型液压缸，两端分别转动连接电动驱动器和机械大臂，用于驱动机械大臂定点角度弯折转动；

机械小臂，转动连接机械大臂；

二级模型液压缸，两端分别转动连接机械小臂和机械大臂，用于驱动机械小臂定点角度弯折转动；

夹持器，转动连接机械小臂；

末端密封电机，安装在机械小臂上，并与夹持器连接，用于驱动夹持器周向转动。

在本发明实施例中，将潜水器放置在水中，并控制潜水器移动，当遇到目标物时，通过电动驱动器机械大臂周向转动，一级模型液压缸驱动机械大臂角度弯折转动，二级模型液压缸驱动机械小臂角度弯折转动，末端密封电机驱动夹持器周向转动，使夹持器调节夹持位置和方向，通过机械大臂、机械小臂弯折进行抓取和移动，通过电动驱动器调节活动范围，通过机械大臂、机械小臂弯折配合，并转动配合电动驱动器和夹持器使机械臂如同手臂一样连接，从而使控制灵活，代入感强，提高控制便捷性，通过电动驱动器驱动机械大臂转动，末端密封电机驱动夹持器转动，转动需要力度小，从而减小了动能输出，减少了动力成本。一级模型液压缸和二级模型液压缸驱动机械大臂、机械小臂弯折作业，是作业的主要负荷，从而可以最大限度提供动力；电动驱动器、末端密封电机和一级模型液压缸、二级模型液压缸配合形成联动配合，类似手臂作业，提高了作业灵活性、最大限度的利用动能和节约成本。一级模型液压缸、二级模型液压缸不需要密封、便于弯折驱动作业。通过两个机械臂协调作业，作业方便，适合人体力学结构，作业顺畅性好。

该发明采用电机/液压缸混合驱动的方式实现对机械臂的驱动，避免了由于单驱动方式给机械臂所带来的弊端。该发明所设计的水下机械臂相比较于单驱动方式的机械臂来说，具有结构简单紧凑、载重比大、具有较好的控制性能和较高的运动精度。可以在水下执行目标抓取、剪线缆等作业。本发明通过电机/液压缸的混合驱动实现了类人机械臂的驱动，电机驱动分别实现人类肩部和肘部关节的功能，一级模型液压缸和二级模型液压缸实现了人类大臂和小臂的运动功能。末端夹持器实现了人类手掌简易抓取的功能。水下机械臂的安装方式可采用单臂或者双臂协作的方式进行安装，其中双臂协作的布置方式类似人的双臂的布置。这种布置结构与人类使用双臂习惯相同，可以降低操作难度，提高作业效率。本发明优点：结构简单，类人手臂设计和布置，操作方便，简单紧凑、运动精度高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种类人电液水下机械手中机械臂的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种类人电液水下机械手中机械臂的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种类人电液水下机械手中夹持器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种类人电液水下机械手的装配的结构示意图；

附图中：电动驱动器1、电机输出法兰2、第一双耳轴承座3、第二双耳轴承座4、一级模型液压缸5、一级液压缸安装轴承座6、机械大臂7、二级模型液压缸8、双臂连接轴承座9、二级液压缸安装轴承座10、机械小臂11、末端密封电机12、末端输出法兰13、夹持器14、固定壳15，潜水器16，机械臂17、下密封端盖101、O型密封圈102、扭矩电机103、电机安装筒104、油封105、上密封端盖106、推力轴承107、安装架1401、短行程液压缸1402、连接块1403、固定板1404、第一连杆1405、第二连杆1406、夹持装置1407。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

如图1和4所示，为本发明实施例提供的一种类人电液水下机械手的结构图，包括：

潜水器16，用于潜水行走，并形成安装主体；

机械臂17，对置的连接在潜水器16上，用于形成驱动弯折结构；

其中，机械臂17包括：

电动驱动器1，安装在潜水器16上，提供转动驱动力；

机械大臂7，转动连接在电动驱动器1上；

一级模型液压缸5，两端分别转动连接在电动驱动器1和机械大臂7上，用于驱动机械大臂7定点转动；

机械小臂11，转动连接在机械大臂7上；

二级模型液压缸8，两端分别转动连接在机械小臂11和机械大臂7上，用于驱动机械小臂11定点转动；

夹持器14，安装在机械小臂11上；

末端密封电机12，安装在机械小臂11上，并与夹持器14连接，用于驱动夹持器14转动；

其中，通过电动驱动器1驱动机械大臂7周向转动，一级模型液压缸5驱动机械大臂7角度弯折转动，二级模型液压缸8驱动机械小臂11角度弯折转动，末端密封电机12驱动夹持器14周向转动，使机械臂17手臂作业。

在本发明实施例中，将潜水器16放置在水中，并控制潜水器16移动，当遇到目标物时，通过电动驱动器1驱动机械大臂7周向转动，一级模型液压缸5驱动机械大臂7角度弯折转动，二级模型液压缸8驱动机械小臂11角度弯折转动，末端密封电机12驱动夹持器14周向转动，使夹持器14调节夹持位置和方向，通过机械大臂7、机械小臂11弯折进行抓取和移动，通过电动驱动器1调节活动范围，通过机械大臂7、机械小臂11弯折配合，并转动配合电动驱动器1和夹持器14使机械臂17如同手臂一样连接，从而使控制灵活，代入感强，提高控制便捷性，通过电动驱动器1驱动机械大臂7转动，末端密封电机12驱动夹持器14转动，转动需要力度小，从而减小了动能输出，减少了动力成本。一级模型液压缸5和二级模型液压缸8驱动机械大臂7、机械小臂11弯折作业，是作业的主要负荷，从而可以最大限度提供动力；电动驱动器1、末端密封电机12和一级模型液压缸5、二级模型液压缸8配合形成联动配合，类似手臂作业，提高了作业灵活性、最大限度的利用动能和节约成本。一级模型液压缸5、二级模型液压缸8不需要密封、便于弯折驱动作业。通过两个机械臂17协调作业，作业方便，适合人体力学结构，作业顺畅性好。

在本发明的一个实例中，机械大臂7、机械小臂11可以是钢构架结构，当然并不排除刚性很强的合金、塑料等材质制成。从而形成施加力的转动结构，电动驱动器1和末端密封电机12可以驱动机械大臂7和夹持器14进行周向转动，从而便于夹持机械臂17和夹持物品的转向，从而使活动范围广、夹持方向广，提高了适用能力。潜水器16为现有技术，在此不做赘述，潜水器16、机械臂17可以通过控制器进行控制作业，控制器为现有技术，在此不做赘述。

作为本发明的一种优选实施例，电动驱动器1和机械大臂7之间通过电机输出法兰2进行连接，电机输出法兰2与密封电机1采用键连接的方式将电机扭矩输出到电机输出法兰2端，从而实现了可拆卸连接，连接方便快捷。当然还可以直接焊接、柳接等连接，焊接连接不便于维护保养。

作为本发明的一种优选实施例，单耳或者双耳转动件可以是单耳或者双耳轴承座，机械大臂7的一端部通过第二双耳轴承座4转动连接在电动驱动器1的电机输出法兰2上，机械大臂7的另一端通过二级液压缸安装轴承座10转动连接在机械小臂11转动点，一级模型液压缸5的一端通过第一双耳轴承座3转动连接在电动驱动器1的电机输出法兰2上，一级模型液压缸5的另一端转动连接机械大臂7的中部，第一双耳轴承座3和第二双耳轴承座4均与电机输出法兰2采用螺钉连接的方式进行固定连接，机械大臂7、一级模型液压缸5转动连接在其上，第一双耳轴承座3和第二双耳轴承座4内置双轴承，用于支撑传动轴转动，减小阻力。一级模型液压缸5的液压杆与机械大臂7通过一级液压缸安装轴承座6进行连接，用于将一级模型液压缸5的直线运动传递到机械大臂7，实现机械大臂7的定轴转动。二级模型液压缸8的另一端通过二级液压缸安装轴承座10与机械小臂11进行转动连接，用于将二级模型液压缸8的直线运动传递到机械小臂11，实现机械小臂11相对于机械大臂7的转动。第一双耳轴承座3和第二双耳轴承座4均是双耳转动件，二级液压缸安装轴承座10为单耳轴承座，当然转动件不一定位轴承座，也可能轴承、滚珠圈等，在此不做赘述。

作为本发明的一种优选实施例，一级模型液压缸5和/或二级模型液压缸8设置有两组并对置的机械大臂7两侧，从而使机械大臂7和机械小臂11受力均匀，从而增加了机械大臂7和机械小臂11机动能力，避免了机械大臂7和机械小臂11非周向转动磨损。当然并不排除设置在中部，这样施加力的均衡性无法保证。

如图2所示，作为本发明的一种优选实施例，电动驱动器1包括扭矩电机103、密封桶、油封105和推力轴承107。密封桶与电机输出法兰2通过推力轴承107进行支撑连接，扭矩电机103安装在密封桶的内部，扭矩电机103的输出轴与电机输出法兰2通过键连接，此处的密封筒通过油封105实现密封配合，避免了水进入到密封桶内部造成扭矩电机103损坏。密封桶包括下密封端盖101、电机安装筒104和上密封端盖106，下密封端盖101上安装有两个O型密封圈102，并且与电机安装筒104形成过盈配合，实现密封桶一侧的密封防水。扭矩电机103与上密封端盖106的端面通过螺钉进行固定连接。上密封端盖106与电机安装筒104形成过盈配合，并且通过焊接或者螺钉固定的形式将其固定在一起。此处的密封通过油封105分别与上密封端盖106和电机输出法兰2形成配合实现。该结构实现了扭矩电机103的密封防水处理，同时也将扭矩电机103的扭矩输出到电机输出法兰2，实现机械臂17整体的旋转运动。对于末端密封电机12的固定方式，在末端密封电机12的两端安装固定壳15，固定壳15通过螺钉连接到机械小臂11上。

作为本发明的一种优选实施例，末端密封电机12通过末端输出法兰13与夹持器14可拆卸的进行连接，从而可以根据作业需要对夹持器14进行更换，更换不同的作业工具，从而可以适合多种作业，提高了类人电液水下机械手的适用能力。

如图3所示，作为本发明的另一种优选实施例，夹持器包括安装架、推进动力结构、连杆组件以及夹持装置；

安装架，形成安装主体；

连杆组件，由多组连接杆异点转动连接安装架，用于动力传输；

推进动力结构，至少与一组连接杆连接，用于驱动连接杆转动；

夹持装置，与多组连接杆异点转动连接，通过多组连接杆异点拉动进行转动完成夹持。

夹持器14包括安装架、推进动力结构、连接块1403、第一连杆1405和第二连杆1406和夹持装置1407组成。安装架的另一端面与末端输出法兰13用螺钉进行连接，第一连杆1405和第二连杆1406均设置两组且对置转动连接在安装架上并行成剪叉结构，第一连杆1405和第二连杆1406远离安装架的一端异点转动连接有夹持装置1407，安装架上固定安装有推进动力结构，推进动力结构的端部转动连接在对置的连接块1403端部，连接块1403的另一端转动第二连杆1406的驱动点。通过推进动力结构驱动连接块1403移动，连接块1403推动第二连杆1406向外转动，第二连杆1406和第一连杆1405错位转动，推动夹持装置1407二次转动，从而增加了张开角度。推进动力结构拉动连接块1403移动，连接块1403拉动第二连杆1406向内转动，第二连杆1406和第一连杆1405错位向内转动，两个夹持装置1407咬合进行夹持，通过第二连杆1406和第一连杆1405异点驱动夹持，行程向内加持力，夹持稳定性好。安装架包括安装盘1401和固定板1404，固定板1404固定安装在安装盘1401的端部，末端的夹持装置1407做开合运动。夹持装置1407包括夹持部和剪切部，利用该运动可以有效的实现物体的抓取，剪绳子等操作。推进动力结构可以是短行程液压缸1402、液压杆等。当然连杆组件还有其他的结构方式，例如连杆组件为内外转动设置有的第二连杆1406和第一连杆1405，第二连杆1406端部滑动且转动连接在推进动力结构上，在此不做赘述。

本发明上述实施例中提供了一种类人电液水下机械手，通过电动驱动器1调节活动范围，通过机械大臂7、机械小臂11弯折配合，并转动配合电动驱动器1和夹持器14使机械臂17如同手臂一样连接，从而使控制灵活，代入感强，提高控制便捷性，通过电动驱动器1驱动机械大臂7转动，末端密封电机12驱动夹持器14转动，转动需要力度小，从而减小了动能输出，减少了动力成本。一级模型液压缸5和二级模型液压缸8驱动机械大臂7、机械小臂11弯折作业，是作业的主要负荷，从而可以最大限度提供动力；电动驱动器1、末端密封电机12和一级模型液压缸5、二级模型液压缸8配合形成联动配合，类似手臂作业，提高了作业灵活性、最大限度的利用动能和节约成本。一级模型液压缸5、二级模型液压缸8不需要密封、便于弯折驱动作业。通过两个机械臂17协调作业，作业方便，适合人体力学结构，作业顺畅性好。通过短行程液压缸1402驱动连接块1403移动，连接块1403推动第二连杆1406向外转动，第二连杆1406和第一连杆1405错位转动，推动夹持装置1407二次转动，从而增加了张开角度。短行程液压缸1402拉动连接块1403移动，连接块1403拉动第二连杆1406向内转动，第二连杆1406和第一连杆1405错位向内转动，两个夹持装置1407咬合进行夹持，通过第二连杆1406和第一连杆1405异点驱动夹持，行程向内加持力，夹持稳定性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述类人电液水下机械手包括：

潜水器，用于潜水行走，并形成安装主体；

机械臂，对置的连接潜水器，用于形成驱动弯折结构；

其中，机械臂包括：

电动驱动器，安装在潜水器上，提供转动驱动力；

机械大臂，转动连接电动驱动器；

一级模型液压缸，两端分别转动连接电动驱动器和机械大臂，用于驱动机械大臂定点角度弯折转动；

机械小臂，转动连接机械大臂；

二级模型液压缸，两端分别转动连接机械小臂和机械大臂，用于驱动机械小臂定点角度弯折转动；

夹持器，转动连接机械小臂；

末端密封电机，安装在机械小臂上，并与夹持器连接，用于驱动夹持器周向转动。

2.根据权利要求1所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述电动驱动器和机械大臂之间通过电机输出法兰进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述机械大臂、机械大臂、一级模型液压缸通过单耳或者双耳转动件进行转动连接。

4.根据权利要求1所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述一级模型液压缸和/或二级模型液压缸设置有两组并对置的机械大臂两侧。

5.根据权利要求1所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述电动驱动器包括扭矩电机、密封桶、油封和推力轴承；

密封桶，内部形成密封空间；

扭矩电机，安装在密封桶内部并通过推力轴承进行支撑连接，用于提供转动动力。

6.根据权利要求5所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述密封桶包括下密封端盖、电机安装筒和上密封端盖；

电机安装筒，形成支撑主体；

下密封端盖、上密封端盖过盈配合固定连接在电机安装筒两端。

7.根据权利要求6所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述下密封端盖与电机安装筒之间设置有至少一个O型密封圈进行密封。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述夹持器包括安装架、推进动力结构、连杆组件以及夹持装置；

安装架，形成安装主体；

连杆组件，由多组连接杆异点转动连接安装架，用于动力传输；

推进动力结构，至少与一组连接杆连接，用于驱动连接杆转动；

夹持装置，与多组连接杆异点转动连接，通过多组连接杆异点拉动进行转动完成夹持。

9.根据权利要求8所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述连杆组件包括连接块、第一连杆、第二连杆，第一连杆和第二连杆均设置两组且对置转动连接安装架并行成剪叉结构，第一连杆和第二连杆远离安装架的一端异点转动连接夹持装置，推进动力结构转动连接在对置的连接块一端端部，连接块的另一端转动连接第二连杆的驱动点；通过推进动力结构驱动连接块移动，连接块推动第二连杆向外转动，第二连杆和第一连杆错位向外转动，推动夹持装置转动，增加张开角度；推进动力结构拉动连接块移动，连接块拉动第二连杆向内转动，第二连杆和第一连杆错位向内转动，两个夹持装置咬合进行夹持。

10.根据权利要求8所述的一种类人电液水下机械手，其特征在于，所述夹持装置包括夹持部和剪切部。

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