CN116749227A - 一种适用于水下作业的机械臂及其精细调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水下救援技术领域，具体涉及一种适用于水下作业的机械臂及其精细调节装置。适用于水下作业的机械臂的精细调节装置，包括外壳及摆动机构、平推轴承；所述摆动机构包括支架、滑动机构、摆动球副；所述支架焊接在平推轴承的旋转面上，其顶部具有弧形滑轨；所述滑动机构装配在所述弧形滑轨上；所述摆动球副的上端与滑动机构固连；所述摆动球副的下端与液压缸连接；所述滑动机构在电机的驱动下沿所述弧形滑轨滑动，进而带动所述摆动球副在设定角度范围内摆动。本发明与现有技术相比，能够远程控制机械臂的精细动作，并且能够调整机械爪的摆动角度、摆动速度、旋转方向，实现多个自由度的精准控制。
Description
技术领域
本发明属于水下救援技术领域，具体涉及一种适用于水下作业的机械臂及其精细调节装置。
背景技术
随着国家重视海洋发展，各类水下航行器应用而生，在水下航行器应用过程中，工程型水下航行器适用于多种场合，包括水下作业、水下救援、水下考古等多种领域，开展上述工作过程中多采用水下机械臂作为执行机构。
常规水下机械臂例如中国实用新型专利（CN201721477807.X，一种基于舵机驱动的水下机械臂）采用舵机进行操作，导致操作幅度不可控，而这在特定任务中可能十分关键。在水下救援任务中，机械臂需要在狭小空间中进行救援行动，如搜救被困人员或移除障碍物。然而，常规机械臂的操作幅度调节不精细，可能会在狭小空间内造成不必要的碰撞，甚至带来次生伤害。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种适用于水下作业的机械臂及其精细调节装置，该装置基于液压弧线传递作用力和运动幅度，将直线运动转换为弧线运动，利用杠杆产生远程操作位移，调节机械臂作业幅度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种适用于水下救援机械臂作业的精细调节装置，包括外壳及摆动机构、平推轴承；所述摆动机构包括支架、滑动机构、摆动球副；所述支架焊接在平推轴承的旋转面上，其顶部具有弧形滑轨；所述滑动机构装配在所述弧形滑轨上；所述摆动球副的上端与滑动机构固连；所述滑动机构在电机的驱动下沿所述弧形滑轨滑动，进而带动所述摆动球副在设定角度范围内摆动。
优选地，所述的滑动机构包括滑块、可伸缩T形轴、液压伸缩轴；所述可伸缩T形轴的两端与液压伸缩轴铰接，且两个液压伸缩轴的伸缩方向相反；液压伸缩轴通过轴承安装在所述支架的下部；可伸缩T形轴的中部连接滑块，所述滑块滑动安装在弧形滑轨上；其中一个液压伸缩轴与电机连接。
优选地，所述摆动球副包括球杆和球副；所述球杆与滑块连接，所述球副与外壳和外壳的后端盖装配。
优选地，还包括旋转机构，所述旋转机构包括小齿轮和半弧形齿轮，所述半弧形齿轮固定在平推轴承的旋转面上，所述小齿轮安装在外壳底部；小齿轮与半弧形齿轮啮合，小齿轮连接电机。
本发明还提供一种适用于水下作业的机械臂，包括所述的精细调节装置和抓取机构；所述抓取机构通过液压缸与精细调节装置的摆动机构连接。
优选地，所述的抓取机构包括机械爪腕部、机械爪、张合连接件；所述机械爪腕部与液压缸连接；两个机械爪活动安装在机械爪腕部；所述张合连接件一端与两个机械爪连接，另一端与液压缸的执行机构连接。
优选地，所述机械爪的抓取面上设有柔性夹取垫块。
优选地，所述机械爪的前端设有爪齿。
本发明与现有技术相比，能够远程控制机械臂的精细动作和摆动速度，并且能够调整机械爪的摆动角度和旋转方向，实现多个自由度的精准控制。
附图说明
图1为本发明实施例中适用于水下作业的机械臂的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中精细调节装置的结构示意图；
图3为摆动机构的结构示意图；
图4为支架的示意图；
图5为二分之一球滑块示意图；
图6为上滑块的示意图；
图7为下滑块的示意图；
图8为可伸缩T形轴的示意图
图9为液压可伸缩轴的示意图；
图10为摆动球副的示意图
图11为液压缸的示意图；
图12为机械爪腕部的示意图；
图13为机械爪的示意图；
图14为张合连接件的示意图；
图15为张合连接板的示意图；
图16为外壳的示意图；
图17为后端盖的示意图；
图18为机械臂摆动角度示意图；a：摆动角度为0；b：最大摆动角度；
图19为机械臂摆动角度改变原理示意图；a：最大摆动角度；c：最小摆动角度；b：中等摆动角度；
图20机械臂摆动速度控制原理示意图；
图中：1.球滑块；2.上滑块；3.下滑块；4.短轴；5.可伸缩T形轴；6.支架；7.第一电机；8.轴承；9.液压伸缩轴，10.固定板；11.平推轴承；12.前端盖；13.后端盖；14.液压缸；15.机械爪腕部，16.机械爪，17.张合连接件，18.张合连接板；19.摆动球副；20.半弧形齿轮；21.第二电机；22.小齿轮；23.外壳；
101.滑槽；201.轴突出端；
501.连接孔；502.圆球连接端；503.伸缩杆；
601.弧形滑轨；602.轴承安装孔；
901.电机安装孔；902.固定板固定孔；903.圆球连接孔；904.轴承安装轴；905.伸缩轴；
1301.后端盖球副安装面；
1401.执行机构；1402.前端螺纹；1403.后端螺纹；
1501.第一固定孔；1502.腕部螺纹孔；
1601.第二固定孔；1602.第三固定孔；1603.弹簧；1604.柔性夹取垫块；
1701.螺纹孔；1702.第四固定孔；
1801.第五固定孔；1802.第六固定孔；1803.第七固定孔；
1901.球杆；1902.球副；1903.螺纹端；
2301.平推轴承安装座；2302.电机安装座；2303.球副安装面。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。
本发明提供的一种适用于水下救援机械臂作业的精细调节装置及机械臂，如图1和图2所示，主要包括摆动机构、旋转机构、机械爪16、平推轴承11、外壳23、前端盖12、后端盖13。外壳23的两端设有前端盖12和后端盖13，前端盖12和后端盖13通过螺丝与外壳23连接，并且用O型密封圈实现连接面的密封。摆动机构、旋转机构均设置在外壳23的内部，机械爪16位于外壳23的外部。摆动机构和旋转机构的功能主要是用于精细调整机械爪的作业角度和机械臂的摆动速度。
如图1至图17所示，摆动机构包括支架6、滑动机构、摆动球副19。平推轴承11一面安装在外壳23的平推轴承安装座2301内，另一面可旋转。支架6的下端焊接在平推轴承11的旋转面上，其顶部具有弧形滑轨601，两侧下部具有轴承安装孔602。滑动机构装配在该弧形滑轨上。摆动球副19的上端与滑动机构固连；摆动球副19的下端与液压缸14连接；滑动机构在第一电机7、轴承8的作用下沿支架6的弧形滑轨滑动，进而带动摆动球副19在设定角度范围内摆动。
滑动机构包括滑块、可伸缩T形轴5、第一电机7、轴承8、液压伸缩轴9。其中滑块包括球滑块1、上滑块2和下滑块3。球滑块1由两个对称的部分组合而成，其中一部分的结构如图5所示，两个滑槽101组合后为圆柱形，与上滑块2侧面的轴突出端201连接，此处应充分润滑。如图6和图7所示，上滑块2和下滑块3通过螺栓连接并装配在支架6顶部的弧形滑轨601上，可沿弧形滑轨601左右滑动。上滑块2通过短轴4与可伸缩T形轴5连接，其中，短轴4置于弧形滑轨601中部开设的滑槽中，在可伸缩T形轴5的带动下，短轴4沿着弧形滑轨601中部开设的滑槽左右移动，从而带动上滑块2、下滑块3移动，进而带动球滑块1移动。
如图8、图9所示，可伸缩T形轴5包括竖直部分和水平部分，竖直部分的一端与水平部分的中部垂直连接，竖直部分的另一端设有连接孔501。水平部分为伸缩杆503，两个圆球连接端502连接在伸缩杆503的两端。可伸缩T形轴5的连接孔501与短轴4的下端连接，可伸缩T形轴5的两个圆球连接端502分别与两个液压可伸缩轴9的圆球连接孔903连接，并通过固定板10与液压可伸缩轴9的固定板固定孔902用螺丝连接固定。
如图9所示，液压可伸缩轴9包括电机安装孔901、固定板固定孔902、圆球连接孔903、轴承安装轴904和伸缩轴905。两个液压可伸缩轴9的轴承安装轴904分别与两个轴承8连接，两个轴承8装配在支架6的轴承安装孔602中。圆球连接孔903设置在伸缩轴905上。两个液压可伸缩轴9呈反方向装配；第一电机7与液压可伸缩轴9的电机安装孔901连接。液压可伸缩轴9与液压系统连接，通过液压系统控制伸缩轴905伸出或缩回，并且两个液压可伸缩轴9的伸缩轴905能够反方向同步动作，当伸缩轴905伸缩时，可伸缩T形轴5的伸缩杆503也同步伸缩。在第一电机7的驱动下，两个液压可伸缩轴9可在竖直面内旋转。
如图1至图17所示，摆动球副19包括球杆1901和球副1902；其中，球副1902位于球杆1901的中部，球杆1901由两部分组成，上部的细杆和下部的粗杆；其中细杆的上端与球滑块1固定连接，粗杆的下端设有螺纹端1903。球副1902与后端盖球副安装面1301和外壳的球副安装面2303连接；两个同型号O型密封圈分别安装在与球副接触面上的O型密封圈沟槽内。
如图11所示，液压缸14的后端螺纹1403与球杆的螺纹端1903连接；液压缸14的前端螺纹1402与机械爪的腕部螺纹孔1502通过螺纹连接。
如图1至图17所示，抓取机构由机械爪腕部15和两个机械爪16组成，机械爪16上的第二固定孔1601与机械爪腕部15的第一固定孔1501连接。机械爪16的爪齿端朝向机械爪腕部15的腕部螺纹孔1502，另个一个机械爪装配一致。张合连接件17的螺纹孔1701与液压缸14的执行机构1401连接。张合连接件17的第四固定孔1702与张合连接板18的第五固定孔1801连接，此处可运动；两个机械爪16的第三固定孔1602分别与第六固定孔1802和第七固定孔1803连接。在机械爪16的前端设置有柔性夹取垫块1604，通过弹簧1603与机械爪的主体结构相连。通过控制系统发出的指令，控制液压缸14的执行机构1401伸缩，联动控制张合连接件17、张合连接板18运动实现机械爪16的张合，抓取物体。
如图1和图2所示，旋转机构包括半弧形齿轮20和小齿轮 22。半弧形齿轮20焊接到平推轴承11的旋转面上，与支架6各占平推轴承11圆弧的一半；小齿轮22与第二电机21连接；第二电机21固定在外壳23的电机安装座2302中。半弧形齿轮20与小齿轮 22啮合。系统给出旋转控制信号，第二电机21转动带动小齿轮22转动，使得半弧形齿轮20围着小齿轮22转动，进而带动摆动球副19旋转。到达位置后第二电机21停止转动，并通过半弧形齿轮20和小齿轮 22实现位置自锁，不会因外力改变位置，实现机械臂的旋转。
本发明提供的一种水下机械臂作业的精细调节机构，可实现机械臂在工作过程中实时摆动角度的改变和摆动速度的控制，并通过旋转机构实现任意平面内的摆动，抓取作业。前端机械爪分区设计可实现物体的软抓和硬抓。具体工作原理描述如下：
如图18所示，a中液压可伸缩轴9伸缩量为0的摆动角度为0度，b中液压可伸缩轴9具有一定伸长量。机械臂在摆动过程中，在控制系统信号下，液压控制系统发出指令使得液压可伸缩轴9具有一定伸长量，同时可伸缩T形轴5的伸缩杆503也伸长相同的量，保证设备正常运行。因此改变液压可伸缩轴9的伸缩量可实现实时摆动角度的变化。
如图19所示，L1代表液压可伸缩轴9的伸缩轴的长度，代表可伸缩T形轴5与水平面的夹角，/>代表机械臂的摆动角度。L3代表可伸缩T形轴5竖直部分的长度。L2代表可伸缩T形轴5的两个圆球连接端502之间的长度。
在控制系统指令下，液压系统使L1伸长时，即角度增大，L3在弧形滑轨6-1上滑动范围变大，进而通过球滑块1带动摆动球副19摆动，从而实现机械臂工作过程中摆动角度的变化。上述工作流程在第一电机连续转动（假如顺时针连续转动）时，L3来回摆动，a中的摆动角度最大，c中的摆动角度最小，b中的摆动角度中等。即只伸缩L1的长度，L2从动保证处于中间位置，即可控制L3的摆动角度，即机械臂的摆动角度。数学关系如下：
；
；
。
T如图20所示，假设A1、A2、A3分别表示液压可伸缩轴9的伸缩轴任取的三段长度。B、C、D表示在相同时间内可伸缩T形轴摆动达到的位置：B表示A1长度对应的可伸缩T形轴5的位置，C表示A2长度对应的可伸缩T形轴5的位置，D表示A3长度对应的可伸缩T形轴5的位置。由此可知，在相同摆动角度下，A1、A2、A3的长度与摆动速度呈正比，也即液压可伸缩轴9的伸缩轴的长度越大，摆动速度越快。因此，通过控制液压可伸缩轴9的伸缩轴的长度，并配合第一电机7可调节可伸缩T形轴5在相同摆动角度下的摆动时间。
Claims (8)
1.一种适用于水下作业的机械臂的精细调节装置，其特征在于：包括外壳及摆动机构、平推轴承；所述摆动机构包括支架、滑动机构、摆动球副；所述支架焊接在平推轴承的旋转面上，其顶部具有弧形滑轨；所述滑动机构装配在所述弧形滑轨上；所述摆动球副的上端与滑动机构固连；所述滑动机构在电机的驱动下沿所述弧形滑轨滑动，进而带动所述摆动球副在设定角度范围内摆动。
2.根据权利要求1所述的适用于水下作业的机械臂的精细调节装置，其特征在于：所述滑动机构包括滑块、可伸缩T形轴、液压伸缩轴；所述可伸缩T形轴的两端与液压伸缩轴铰接，且两个液压伸缩轴的伸缩方向相反；液压伸缩轴通过轴承安装在所述支架的下部；可伸缩T形轴的中部连接滑块，所述滑块滑动安装在弧形滑轨上；其中一个液压伸缩轴与电机连接。
3.根据权利要求1所述的适用于水下作业的机械臂的精细调节装置，其特征在于：所述摆动球副包括球杆和球副；所述球杆与滑块连接，所述球副与外壳和外壳的后端盖装配。
4.根据权利要求1所述的适用于水下作业的机械臂的精细调节装置，其特征在于：还包括旋转机构，所述旋转机构包括小齿轮和半弧形齿轮，所述半弧形齿轮固定在平推轴承的旋转面上，所述小齿轮安装在外壳底部；小齿轮与半弧形齿轮啮合，小齿轮连接电机。
5.一种适用于水下作业的机械臂，包括如权利要求1-4任一项所述的精细调节装置和抓取机构；其特征在于：所述抓取机构通过液压缸与精细调节装置的摆动机构连接。
6.根据权利要求5所述的适用于水下作业的机械臂，其特征在于：所述的抓取机构包括机械爪腕部、机械爪、张合连接件；所述机械爪腕部与液压缸连接；两个机械爪活动安装在机械爪腕部；所述张合连接件一端与两个机械爪连接，另一端与液压缸的执行机构连接。
7.根据权利要求6所述的适用于水下作业的机械臂，其特征在于：所述机械爪的掌面上设有柔性夹取垫块。
8.根据权利要求6所述的适用于水下作业的机械臂，其特征在于：所述的机械爪的前端设有爪齿。
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