CN209919914U - 用于液压机械手的腕转夹钳结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械手技术，旨在提供一种用于液压机械手的腕转夹钳结构。该结构包括直线油缸、微型液压马达、减速机构和手爪；直线油缸采取后置方式布置，微型液压马达及减速机构位于直线油缸和手爪之间；微型液压马达的输出轴接至减速机构并与直线油缸的活塞杆垂直交错布置，减速机构的蜗轮输出轴为空心结构，直线油缸活塞杆穿过蜗轮输出轴后接至手爪的驱动机构并驱动其开合，微型液压马达通过减速机构驱动手爪实现正反方向旋转。本实用新型结构简单，技术难度低，可靠性高、可维护性好、经济性好，易于实现。减速比大，手腕转动的扭矩大，最低平稳转速低，且允许液压马达和手爪交错布置，结构更紧凑灵活；蜗轮蜗杆具有自锁特性。

Description

用于液压机械手的腕转夹钳结构

技术领域

本实用新型涉及机械手技术，具体涉及一种用于液压机械手的腕转夹钳结构。

背景技术

液压机械手是一种由液压所驱动的机械臂，其最大特点是负载/自重比大，适用于既对负载敏感又要求持重能力强的场合，自身的密封结构又便于水下应用。在水下，液压机械手是潜水器和水下机器人的标配设备，可完成水下取样、拾取、布放等作业；在陆地上，液压机械手集成于作业车，末端夹持设备完成危险场景下的远程作业。

机械手的腕转夹钳关节是机械手集成度最高的核心结构，也是目前机械手技术的发展瓶颈。其要求在有限的尺寸及重量要求下，集成手腕的360度正反连续旋转和手爪的开合两项功能，并要求其控制上可闭环、操作上足够精细、结构上短小精悍、作业能力上高功率密度。

在现有液压机械手腕转夹钳结构中，腕转功能一般采用与手爪回转中心同轴布置的液压马达直接驱动转动，夹钳功能一般由位于液压马达前部的油缸驱动。考虑到腕转夹钳关节闭环控制性能和操作精细性，马达直驱腕转动的结构形式要求马达的最低平稳转速一般小于6r/min，考虑到机械手的作业能力要求其输出扭矩越大越好，一般大于 100Nm；油缸前置于马达的结构形式要求马达内部需要为油缸提供配流通道。这些要求造成马达结构复杂、成本高昂、重量重、可维护性差。在目前市场上现有的马达很难满足液压机械手对腕转功能的要求，如自行开发势必受限于材料、加工等能力和市场需求量小等因素，导致企业研发投入动力不足，且成本高昂，收效甚微，严重制约了液压机械手的长足发展和更加广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于液压机械手的腕转夹钳结构。该腕转夹钳结构的技术易于实现、最低平稳转速低、输出扭矩大、操作精细性好、经济性好、腕转可闭环控制可机械自锁。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种用于液压机械手的腕转夹钳结构，包括直线油缸、微型液压马达、减速机构和手爪；所述直线油缸采取后置方式布置，微型液压马达及减速机构位于直线油缸和手爪之间；微型液压马达的输出轴接至减速机构并与直线油缸的活塞杆垂直交错布置，减速机构的蜗轮输出轴为空心结构，直线油缸活塞杆穿过蜗轮输出轴后接至手爪的驱动机构并驱动其开合，微型液压马达通过减速机构驱动手爪实现正反方向旋转。

本实用新型中，所述减速机构为二级减速机构，其高速级为圆柱齿轮，低速级为蜗轮蜗杆组件；微型液压马达直接驱动高速级圆柱齿轮，通过同轴布置在蜗杆上的配对圆柱齿轮带动蜗杆旋转；蜗杆进一步带动蜗轮转动，蜗轮输出轴与手爪的回转中心同轴。

本实用新型中，所述蜗轮套设于蜗轮输出轴上，两者通过对称布置平键传递扭矩，并通过隔套和轴肩轴向固定；蜗轮输出轴架于减速箱壳体上，蜗轮输出轴在径向由前后两滑动轴承支承受力，在轴向由前后两推力滚针轴承支承受力；蜗轮输出轴的末端直接套在手爪的转动板中间圆孔内，两者通过对称布置平键传递扭矩，并通过轴肩和锁紧螺母轴向固定；手爪的转动板通过蜗轮输出轴的定位轴肩实现始终与减速箱壳体处于非接触状态。

本实用新型中，所述蜗杆的两端为光轴，一端用于套装配对圆柱齿轮，另一端末端用于固定角度传感器，蜗杆中间位置设有与蜗轮啮合的齿；蜗杆一端架于减速箱壳体，另一端架于减速箱壳体盖板上；蜗杆两端在径向由两滑动轴承支承受力，在轴向由两推力滚针轴承支承受力，并通过调整垫片保证轴向压紧；减速箱壳体和减速箱壳体盖板通过位于边角的凸台定位对中，通过螺钉紧固。

本实用新型中，所述直线油缸活塞杆的末端连接于手爪驱动机构内的推力分配块上；直线油缸的前端盖与减速箱壳体通过台肩定位，并通过螺钉紧固。

本实用新型中，所述推力分配块为左右对称结构，中间为一矩形块，矩形块中心为圆孔，矩形块左右两侧平面中心处垂直于圆孔轴线方向，各有一段等长度光轴；直线油缸活塞杆末端穿过推力分配块的圆孔后，通过活塞杆末端的轴肩和锁紧螺母与推力分配块前后紧固面锁紧，并通过位于矩形块中心圆孔内的滑动轴承和位于矩形块前后紧固面的两推力滚针轴承接触受力(以减小摩擦力)。

本实用新型中，所述手爪为平动夹紧手爪，共有上下两片手指保持同步开合，每片手指的驱动机构均为单独的一个平行四边形机构，平行四边形机构中的主动杆和从动杆各有一端铰接于同一的手爪基座板，另一端铰接于同一手指，各铰接孔中心连线呈平行四边形；驱动上下手指开合的两主动杆空间上为非对称布置，分别位于各自手指的一侧；手爪基座板关于手爪主剖面左右对称各一片，分别夹于类C形转动板和手指平行四边形机构的两侧，通过数组双头螺柱将转动板和手爪基座板固定成一体。

本实用新型中，所述从动杆为双圆头杆，其中心剖面与转动板和手指中心剖面重合；所述主动杆呈类L形，设有两个圆孔和一个腰型孔，主动杆的拐角处圆孔与手爪基座板铰接，手爪基座板内平面的对称轴线上设有一个U形滑槽。

本实用新型所述直线油缸、二级减速机构和平动手爪都是技术非常成熟且易于生产的加工零部件；微型液压马达属市售成熟产品，价格低廉且选择范围多。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的腕转夹钳结构简单，技术难度低，可靠性高、可维护性好、经济性好，易于实现。

2、本实用新型中微型液压马达采用蜗轮蜗杆二级减速驱动腕转动方式，减速比大，手腕转动的扭矩大，最低平稳转速低，且允许液压马达和手爪交错布置，结构更紧凑灵活；蜗轮蜗杆具有自锁特性，使腕转动关节达到由机械结构保证自锁的目的。

3、本实用新型角度传感器位于减速机构高速端，相对与低速端来说，腕转动的最终闭环控制精度更高，可以实现微转动，便于机械手精细化操作

4、本实用新型采用驱动油缸后置的布置方式，避免通过马达内部配流至采用前置布置的油缸，利于简化结构，减小腕部轴向尺寸。

附图说明

图1为本实用新型一种液压机械手腕转夹钳结构的等轴侧图；

图2为本实用新型的主剖视图；

图3为直线油缸主剖视图；

图4为二级减速机构主剖视图；

图5为图4右视图局部剖视图；

图6为手爪主剖视图；

图7为图6的A-A剖视图；

图8为图6的B-B剖视图；

图9为图6的C-C剖视图。

各图中的附图标记：

图1：1直线油缸、2减速机构、3手爪；

图2：4紧定螺钉、5活塞杆锁紧螺母、6推力滚针轴承、7滑动轴承、8蜗轮输出轴锁紧螺母、9平键；

图3：1-1油缸后端盖、1-2O型圈、1-3缸体、1-4拉杆、1-5油缸前端盖、1-6格莱圈、1-7导向带、1-8防尘封、1-9活塞杆、1-10紧定螺钉、1-11导向带、1-12格莱圈、 1-13活塞体；

图4：2-1微型液压马达、2-2套筒、2-3圆柱齿轮、2-4轴向压板、2-5平键、2-6 圆柱齿轮、2-7平键、2-8蜗杆、2-9滑动轴承、2-10调整垫片、2-11平键、2-12减速箱盖板、2-13蜗轮、2-14蜗轮输出轴、2-15减速箱壳体、2-16传感器密封座、2-17双作用密封块、2-18格莱圈、2-19螺钉、2-20磁编码器、2-21磁铁、2-22特制螺钉、2-23O 型圈、2-24过油堵头、2-25O型圈；

图5：2-26滑动轴承、2-27止推套筒、2-28推力滚针轴承、2-29减速箱后端盖、2-30滑动轴承；

图6：3-1转动板、3-2双头螺柱、3-3手爪基座板、3-4推力分配块、3-5主动杆、 3-6销轴、3-7主动杆拓宽块、3-8滑动轴承、3-9销轴、3-10从动杆、3-11销轴、3-12 手指；

图7：3-13铜套、3-14隔片；

图9：3-15F型铜套。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。

本实用新型提供的用于液压机械手的腕转夹钳结构，包括直线油缸1、减速机构2、手爪3三部分。其中：减速机构2用于实现微型液压马达2-1扭矩的放大和转速的降低，进一步实现手爪3低速大扭矩旋转；直线油缸1通过平行四边形机构驱动手爪3的平行开合，实现对目标物的抓取与释放。

图1为液压机械手腕转夹钳结构具体实施的等轴测图，显示直线油缸1、减速机构2、手爪3三者之间的空间位置关系和该腕转夹钳结构的具体外观，图中可见直线油缸1 采取了后置方式布置，位于减速机构2后部，手爪3位于减速机构2前部。

图2为液压机械手腕转夹钳结构的主剖视图，显示直线油缸1、减速机构2、手爪3三者之间的安装连接方式。直线油缸1通过油缸前端盖1-5上的定位台肩与减速机构2 的减速箱后端盖2-29定位，并通过螺钉固定连接。手爪3中设推力分配块3-4，该部件左右对称结构，中间为一矩形块，矩形块中心为圆孔，矩形块左右两侧平面中心处垂直于圆孔轴线方向，各有一段等长度光轴；直线油缸1的活塞杆1-9末端套于推力分配块 3-4中心孔内，通过轴肩定位，并通过活塞杆锁紧螺母5固定，紧钉螺钉4用来防止活塞杆锁紧螺母5与活塞杆1-9松动；滑动轴承7外圈与推力分配块3-4过盈配合，内圈与活塞杆1-9间隙配合，在推力分配块3-4前后两面各设一个推力滚针轴承6，用来减小相对转动时摩擦阻力，便于手爪3转动时，活塞杆1-9保持不动。蜗轮输出轴2-14与手爪3中转动板3-1通过台肩定位，通过蜗轮输出轴锁紧螺母8保证固定锁紧，通过对称布置平键9传递扭矩。转动板3-1与减速箱壳体2-15通过蜗轮输出轴2-14的定位轴肩保证始终处于非接触状态。

如图3所示：直线油缸的后端盖1-1、缸体1-3、油缸前端盖1-5之间通过两O型圈 1-2保持密封，通过拉杆1-4进行固定。活塞杆1-9两端均有螺纹和轴肩，一端用于连接在活塞体1-13上，另一端用于紧固推力分配块3-4，为了防止松动，螺纹连接处设置有紧钉螺钉1-10。活塞体1-13与缸体1-3之间用格莱圈1-12、导向带1-11保持密封和径向支承减磨。活塞杆1-9与油缸前端盖1-5之间用格莱圈1-6保持密封、导向带1-7径向支承减磨、防尘封1-8防止杂质进入油缸。

如图4和图5中所示，减速机构2中，微型液压马达2-1的输出轴上套装圆柱齿轮 2-3，与直线油缸1的活塞杆1-9垂直交错布置，用于驱动套设于蜗杆2-8上的配套圆柱齿轮2-6，形成高速级减速；圆柱齿轮2-6带动蜗杆2-8驱动蜗轮2-13和具有空心结构的蜗轮输出轴2-14转动，最终带动紧固在蜗轮输出轴2-14端部的手爪3转动，形成低速级减速，其中圆柱齿轮2-6与微型液压马达2-1通过平键2-5传递扭矩，通过轴向压板2-4和套筒2-2轴向压紧定位，圆柱齿轮2-6通过平键2-7将动力传送至蜗杆2-8，蜗轮输出轴2-14与手爪3的回转中心同轴。磁编码器2-20和磁铁2-21(是组成角度传感器的两部分)安装在转速高的蜗杆2-8末端，经过蜗轮蜗杆减速作用，手爪最终的控制精度得以提高。双作用密封块2-17平面上开有一盲孔和一通孔，分别充当角度传感器的端盖和微型液压马达2-1径向配流块，通孔部分径向方向分布着的三道O型圈2-25，隔出两个配流环道区域，每个环道分别对应微型液压马达2-1上与P、T口连通的径向孔，从而将微型液压马达的油口方向由轴向变更为径向，减小整个结构尺寸。微型液压马达2-1的原P、T油口各通过一个过油堵头2-24堵上，过油堵头2-24上由一径向孔和一轴向孔连通，防止连接螺纹将微型液压马达2-1上的径向配流孔堵死。减速机构箱体由减速箱盖板2-12、减速箱壳体2-15两部分扣合，由位于边角的凸台定位，并用螺钉紧固构成；蜗杆2-8两端分别套在与减速箱盖板2-12和减速箱壳体2-15过盈配合的两个滑动轴承2-9内，并通过台肩轴向定位，通过两端的轴向推力滚针轴承减少摩擦，通过调整垫片2-10调整蜗杆2-8与减速机构箱体轴向配合间隙。如图5所示蜗轮输出轴 2-14架于减速箱壳体2-15上，蜗轮输出轴2-14在径向由前滑动轴承2-26和后滑动轴承 2-30支承受力，在轴向由前后两推力滚针轴承2-28支承受力；传感器密封座2-16通过格莱圈2-18，O型圈2-23分别与蜗杆2-8和双作用密封块2-17进行密封隔离，以便下水使用时可以充油保护角度传感器。本结构满足蜗轮蜗杆自锁条件，手爪具有结构自锁特性。综上该机构使手爪最终可以获得极低的最低平稳转速、很大的输出扭矩、很好的闭环控制精度和结构自锁。

图6、图7、图8和图9为手爪3的具体结构，手爪3为平动手爪，共有上下两手指3-12且保持同步开合，用来对物体夹取。每一手指3-12均有一个对应的平行四边形机构进行驱动，平行四边形机构由主动杆3-5、从动杆3-10、起机架作用的手爪基座板3-3、起连杆作用的手指3-12构成，如图6所示，分别通过销轴3-6、销轴3-9、销轴3-11 铰接，各铰接孔中心连线呈平行四边形。如图7所示，手爪基座板3-3左右对称各一片，夹于转动板3-1两侧，通过多组双头螺柱3-2将三者固定。主动杆3-5呈类L形，上面分布有两个圆孔和一个腰型孔，主动杆3-5的拐角处圆孔与手爪基座板3-3铰接，手爪基座板内平面的对称轴线上设有一U形滑槽，推力分配块3-4的光轴分别穿过主动杆 3-5的腰型孔与手爪基座板3-3U形滑槽滑动配合；推力分配块3-4的光轴与主动杆3-5 的腰型孔之间套设一C型铜套3-13，铜套3-13内外两侧与之均为间隙配合，形成接触滑动；主动杆3-5上另一圆孔与手指3-12铰接。直线油缸1伸缩时，活塞杆1-9带动推力分配块3-4沿手爪基座板3-3上的U形滑槽直线移动，同时沿主动杆3-5的腰型孔滑动，驱动上下两片手指3-12的平行四边形机构中的主动杆3-5绕销轴3-6摆动，在平行四边形连杆机构作用下使两手指3-12平动开合。主动杆拓宽块3-7用以加厚主动杆3-5 厚度，在手指3-12两侧同时进行支承，使结构受力更好。从动杆3-10为双圆头杆，其中心剖面与转动板3-1和手指3-12中心剖面重合。

本实用新型中，所述直线油缸1与蜗轮输出轴2-14同轴布置，减速机构2中蜗轮输出轴2-14为中空结构，直线油缸1的活塞杆1-9穿过输出轴2-14的中空部位，最终连接于手爪驱动机构内的推力分配块3-4上；油缸前端盖1-5与减速箱壳体2-15通过轴孔定位，通过螺钉紧固。当直线油缸1伸缩时，活塞杆1-9带动推力分配块3-4，同时驱动上下两片手爪3的平行四边形机构中的主动杆3-5，则两手爪3即平动开合。

其中整个腕转夹钳结构的液压执行器应该连接液压控制阀箱，便于流量、压力、方向分配控制；应该连接操作主手和控制器，便于实现闭环控制和命令下发；为了适应水下作业，整个腕转夹钳结构的直线油缸1、微型液压马达2-1、相应油管及配流配电管道、角度传感器等所有密封容腔都应与液压补偿器相连，平衡水下作业时机械手腕转夹钳结构内外环境压力和对电路充油保护。

本实用新型的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本实用新型的所有等效方案。

Claims (8)

1.一种用于液压机械手的腕转夹钳结构，包括直线油缸、微型液压马达、减速机构和手爪；其特征在于，所述直线油缸采取后置方式布置，微型液压马达及减速机构位于直线油缸和手爪之间；微型液压马达的输出轴接至减速机构并与直线油缸的活塞杆垂直交错布置，减速机构的蜗轮输出轴为空心结构，直线油缸活塞杆穿过蜗轮输出轴后接至手爪的驱动机构并驱动其开合，微型液压马达通过减速机构驱动手爪实现正反方向旋转。

2.根据权利要求1所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述减速机构为二级减速机构，其高速级为圆柱齿轮，低速级为蜗轮蜗杆组件；微型液压马达直接驱动高速级圆柱齿轮，通过同轴布置在蜗杆上的配对圆柱齿轮带动蜗杆旋转；蜗杆进一步带动蜗轮转动，蜗轮输出轴与手爪的回转中心同轴。

3.根据权利要求2所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述蜗轮套设于蜗轮输出轴上，两者通过对称布置平键传递扭矩，并通过隔套和轴肩轴向固定；蜗轮输出轴架于减速箱壳体上，蜗轮输出轴在径向由前后两滑动轴承支承受力，在轴向由前后两推力滚针轴承支承受力；蜗轮输出轴的末端直接套在手爪的转动板中间圆孔内，两者通过对称布置平键传递扭矩，并通过轴肩和锁紧螺母轴向固定；手爪的转动板通过蜗轮输出轴的定位轴肩实现始终与减速箱壳体处于非接触状态。

4.根据权利要求2所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述蜗杆的两端为光轴，一端用于套装配对圆柱齿轮，另一端末端用于固定角度传感器，蜗杆中间位置设有与蜗轮啮合的齿；蜗杆一端架于减速箱壳体，另一端架于减速箱壳体盖板上；蜗杆两端在径向由两滑动轴承支承受力，在轴向由两推力滚针轴承支承受力，并通过调整垫片保证轴向压紧；减速箱壳体和减速箱壳体盖板通过位于边角的凸台定位对中，通过螺钉紧固。

5.根据权利要求1所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述直线油缸活塞杆的末端连接于手爪驱动机构内的推力分配块上；直线油缸的前端盖与减速箱壳体通过台肩定位，并通过螺钉紧固。

6.根据权利要求5所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述推力分配块为左右对称结构，中间为一矩形块，矩形块中心为圆孔，矩形块左右两侧平面中心处垂直于圆孔轴线方向，各有一段等长度光轴；直线油缸活塞杆末端穿过推力分配块的圆孔后，通过活塞杆末端的轴肩和锁紧螺母与推力分配块前后紧固面锁紧，并通过位于矩形块中心圆孔内的滑动轴承和位于矩形块前后紧固面的两推力滚针轴承接触受力。

7.根据权利要求1所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述手爪为平动夹紧手爪，共有上下两片手指保持同步开合，每片手指的驱动机构均为单独的一个平行四边形机构，平行四边形机构中的主动杆和从动杆各有一端铰接于同一的手爪基座板，另一端铰接于同一手指，各铰接孔中心连线呈平行四边形；驱动上下手指开合的两主动杆空间上为非对称布置，分别位于各自手指的一侧；手爪基座板关于手爪主剖面左右对称各一片，分别夹于类C形转动板和手指平行四边形机构的两侧，通过数组双头螺柱将转动板和手爪基座板固定成一体。

8.根据权利要求7所述的腕转夹钳结构，其特征在于，所述从动杆为双圆头杆，其中心剖面与转动板和手指中心剖面重合；所述主动杆呈类L形，设有两个圆孔和一个腰型孔，主动杆的拐角处圆孔与手爪基座板铰接，手爪基座板内平面的对称轴线上设有一个U形滑槽。

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