一种七功能水下机械臂系统

摘要

本发明的目的在于提供本发明一种七功能水下机械臂系统，包括手爪、腕、第一-第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连杆、第二液压缸，第三关节包括第二连杆、第三液压缸，第四关节包括第三连杆、第四液压缸，第五关节包括第四连杆、第五液压缸；手爪包括腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助连杆、第六液压缸，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆。本发明结构简洁紧凑，负载能力强，机械手爪可进行拆卸更换，具有七个自由度，在深海探测以及相应的海底作业中，具有比较大的适用性。

权利要求

1.一种七功能水下机械臂系统，其特征是：包括手爪(1)、腕(2)、第一关节(7)、第二关节(6)、第三关节(5)、第四关节(4)、第五关节(3)，第一关节(7)包括底座(8)、第一液压缸(701)，第二关节(6)包括第一连接杆(601)、第二液压缸(602)，第三关节(5)包括第二连接杆(501)、第三液压缸(502)，第四关节(4)包括第三连接杆(401)、第四液压缸(402)，第五关节(3)包括第四连接杆(301)、第五液压缸(302)；第一液压缸(701)安装在底座(8)上，第一液压缸(701)的单出杆活塞与第一连接杆(601)相连，第二液压缸(602)安装在第一连接杆(601)上，第二液压缸(602)的单出杆活塞与第二连接杆(501)相连，第三液压缸(502)安装在第二连接杆(501)上，第三液压缸(502)的单出杆活塞与第三连接杆(401)相连，第四液压缸(402)安装在第三连接杆(401)上，第四液压缸(402)的单出杆活塞与第四连接杆(301)相连，第五液压缸(302)安装在第四连接杆(301)上，腕(2)包括连接件(201)、旋转马达(202)、第五连接杆(203)，旋转马达(202)固定在第五连接杆(203)上，连接件(201)与旋转马达(202)的输出端相连，第五液压缸(302)的单出杆活塞与第五连接杆(203)相连，手爪(1)包括腕前端(104)、第一指端、第二指端、第一主连杆、第二主连杆、第一辅助连杆、第二辅助连杆、第六液压缸(105)，第一指端和第二指端相对布置，相对布置的面上均设置锯齿结构，第一主连杆和第一辅助连杆的上端与第一指端的下端相连，第二主连杆和第二辅助连杆的上端与第二指端的下端相连，第一主连杆、第二主连杆、第一辅助连杆、第二辅助连杆的下端均与腕前端(104)相连，第一主连杆和第二主连杆上均设置有锯齿结构，第六液压缸(105)安装在腕前端(104)里，第六液压缸(105)的两侧均设置锯齿结构，第一主连杆的锯齿结构和第二主连杆的锯齿结构分别与第六液压缸(105)两侧的锯齿结构相配合，连接件(201)与腕前端(104)相连。

2.根据权利要求1所述的一种七功能水下机械臂系统，其特征是：第二液压缸(602)与第三液压缸(502)错位布置，第二液压缸(602)与第三液压缸(502)的单出杆活塞背对背布置；第四液压缸(402)与第五液压缸(302)错 位布置，第四液压缸(402)与第五液压缸(302)的单出杆活塞背对背布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种七功能水下机械臂系统，其特征是：第一主连杆与第一辅助连杆构成平行结构、同步转动，第一主连杆位于第一辅助连杆的外侧，第二主连杆与第二辅助连杆构成平行结构、同步转动，第二主连杆位于第二辅助连杆的外侧。

说明书

一种七功能水下机械臂系统

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种水下机器人，具体地说是一种水下机械臂。

背景技术

[0002] 海洋是目前尚未被大范围开发的领域，尤其是海底复杂的环境以及深海中丰富多样的的自然资源，这些因素促使世界各个国家投入大量的人力、物力、财力在海洋探测，尤其是深海探测和深海作业研究中。尽管海洋开发技术尚未完全成熟，但是目前水下机器人在深海作业方面还是取得了广泛的科研价值、工程经验以及经济效益，水下机器人的研究也为国防建设海洋版块提供了一个重要研究方向。作为水下机器人的重要组成部分，水下机械臂系统是其执行机构，直接决定深海作业机器人完成任务的水平与质量。

[0003] 目前关于水下机械手臂的研究的进展列举如下，《六自由度水下机械手臂的设计与研究》(液压与气动，2014(1)：10—12,17)，该文献虽然设计出六自由度的水下机械手臂，但是机械手臂的部分关节连接处强度不能保证，结构布局不够紧凑，机械手爪不可以拆卸更换，这些因素会在实际运用中埋下作业隐患。《水下机械手的研发现状及发展趋势》(机电产品开发与创新，2012(3)：25—26,29)提出现阶段水下机械手的发展趋势体现在向高性能，高可靠性，以及更高程度的自动化发展。《水下机械手的结构优化设计》设计了水下三指机械手，虽然一定程度上提高了动作精度，但是它在深海探测以及深海作业中，没有机械手爪技术成熟和稳定。“水下机械卡爪机构(200810063944.8)”该专利设计了一种水下水下卡爪机构，但是卡爪的合并，依靠的是主连杆通过销轴与液压缸活塞杆之间的连接，这种连接的负载能力较小，且手爪夹持物体的稳定程度也不是很高，抵抗意外冲击力性能较差。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供能保证机械臂各个功能的协调实现的一种七功能水下机械臂系统。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 本发明一种七功能水下机械臂系统，其特征是：包括手爪、腕、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连接杆、第二液压缸，第三关节包括第二连接杆、第三液压缸，第四关节包括第三连接杆、第四液压缸，第五关节包括第四连接杆、第五液压缸；第一液压缸安装在底座上，第一液压缸的单出杆活塞与第一连接杆相连，第二液压缸安装在第一连接杆上，第二液压缸的单出杆活塞与第二连接杆相连，第三液压缸安装在第二连接杆上，第三液压缸单出杆活塞与第三连接杆相连，第四液压缸安装在第三连接杆上，第四液压缸的单出杆活塞与第四连接杆相连，第五液压缸安装在第四连接杆上，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆，旋转马达固定在第五连接杆上，连接件与旋转马达的输出端相连，第五液压缸的单出杆活塞与第五连接杆相连，手爪包括腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助连杆、第六液压缸，第一指端和第二指端相对布置，相对布置的面上均设置锯齿结构，第一主连杆和第一辅助连杆的上端与第一指端的下端相连，第二主连杆和第二辅助连杆的上端与第二指端的下端相连，第一主连杆、第二主连杆、第一辅助连杆、第二辅助连杆的下端均与腕前端相连，第一-第二主连杆上均设置有锯齿结构，第六液压缸安装在腕前端里，第六液压缸的两侧均设置锯齿结构，第一-第二主连杆的锯齿结构分别与第六液压缸两侧的锯齿结构相配合，连接件与腕前端相连。

[0007] 本发明还可以包括：

[0008] 1、第二液压缸与第三液压缸错位布置，第二液压缸与第三液压缸的单出杆活塞背对背布置；第四液压缸与第五液压缸错位布置，第四液压缸与第五液压缸的单出杆活塞背对背布置。

[0009] 2、第一主连杆与第一辅助连杆构成平行结构、同步转动，第一主连杆位于第一辅助连杆的外侧，第二主连杆与第二辅助连杆构成平行结构、同步转动，第二主连杆位于第二辅助连杆的外侧。

[0010] 本发明的优势在于：(1)结构更加简洁与紧凑，通过液压缸驱动以及其单出杆伸缩的具体形式，实现各个关节的紧密连接，并且大多数的两两关节之间连接杆进行了挖槽处理，使得液压缸的放置更加方便合理，进而使整体布局更加简洁，结构更加紧凑，使得整个系统的防水难度有所下降；(2)深海环境作业负载能力增强，本发明各个关节的驱动动力都使用液压驱动，液压驱动力较大，使得机械臂系统更适合于进行在深海条件下的相关作业；(3)机械手爪可进行更换，基于手爪结构设计特点，该水下机械臂系统可以较方便的在手爪指端磨损或毁坏时于非工作状态下进行手爪替换，降低设备的维护成本；(4)建立模型，易于分析各个关节的运动参数取值范围，便于根据相应功能规划各关节运动分量。

附图说明

[0011] 图1是本发明整体结构三维图；

[0012] 图2是本发明手爪部分的三维结构图；

[0013] 图3是本发明手爪部分指端101的三维结构图；

[0014] 图4是本发明手爪部分主连杆102的三维结构图；

[0015] 图5是本发明手爪部分辅助连杆103的的主视图；

[0016] 图6是本发明手爪部分腕前端104的三维结构图；

[0017] 图7是本发明腕关节部分的三维结构图；

[0018] 图8是本发明腕关节连接件201的三维结构图；

[0019] 图9是本发明腕关节连接杆203的三维结构图；

[0020] 图10是本发明关节5的连接杆301三维结构图；

[0021] 图11是本发明关节4的连接杆401三维结构图；

[0022] 图12是本发明关节3的连接杆501三维结构图；

[0023] 图13是本发明关节2的连接杆601三维结构图；

[0024] 图14是本发明底座8的三维结构图；

[0025] 图15是液压部分组成图；

[0026] 图16是控制部分组成图；

[0027] 图17是系统整体建模图；

[0028] 图18是关节简化模型图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

[0030] 结合图1～18，底座8和液压缸701均固定在机械臂系统的作业本体上，这里通过控制信号控制液压缸701的伺服阀，进而决定液压缸701内的油量，通过液压缸701的单出杆推动关节6的连接杆601实现关节6的旋转运动；关节5由控制信号作用于液压缸602的伺服阀，从而控制其内油量，并通过其单出杆的推动以及与连接杆601的销轴，实现关节5绕该销轴的摆动运动；关节4由控制信号作用于液压缸502的伺服阀，从而控制其内油量，并通过其单出杆的推动以及与连接杆501的销轴，实现关节4绕该销轴的摆动运动；关节3由控制信号作用于液压缸402的伺服阀，从而控制其内油量，并通过其单出杆的推动以及与连接杆401的销轴，实现关节3绕该销轴的摆动运动；腕2由控制信号作用于液压缸302的伺服阀，从而控制其内油量，腕2的连接杆203与连接杆301通过联接销轴，液压缸302单出杆的运动推动，实现腕2绕该销轴的旋转运动，进而实现腕关节的摆动运动；腕2中的旋转马达202也是液压驱动，同样是通过控制信号对伺服阀的控制，实现马达的转动运动，进而实现腕2的旋转运动；手爪1中指端101通过主连杆102以及销轴与腕前端104相联接，主连杆102由位于腕前端104内的液压缸105提供驱动动力，该驱动力源于液压缸105末端的带有齿轮结构的运动部件，通过主连杆102的齿轮与其啮合将该液压驱动转换为实现手爪1夹持动作的齿轮驱动，进而通过主连杆102与辅助连杆103所构成的平行机构将该齿轮驱动传递给指端实现手爪张开与夹持动作。

[0031] 如图15所示，液压部分由液压泵、溢流阀、伺服阀箱、单向阀、液压油箱、液压缸、液压马达和管路组成。液压泵是整个液压系统的动力源，提供和保持液压系统油压；溢流阀保护液压系统，防止液压系统压力过大出现事故；单向阀防止负载过大、液压油逆流；伺服阀箱用来控制各关节对应的液压缸和液压马达运动和运动方向；液压油箱用于贮存液压油，为系统提供液压油源和回收返回的液压油；管路用于连接各液压器件，传送液压油，提供动力转移。

[0032] 如图16所示，控制部分由控制器、通信接口电路、数字转模拟电路、模拟信号放大电路、伺服阀箱电路组成。上位机通过通信接口电路向机械臂控制器发送机械臂控制命令，控制器根据命令进行计算分解，输出相应的数字形式的控制信号，该信号经过数字转模拟电路输出相应的模拟信号，经过放大电路后传入到伺服阀箱，伺服阀箱根据信号控制相应的液压执行元件动作，实现机械臂的控制。

[0033] 如图17所示，在该机械臂系统的底座，关节1至关节5，以及腕关节分别相应建立坐标系x0y0z0x1y1z1x2y2z2x3y3z3x4y4z4x5y5z5x6y6z6。依据相应的变换矩阵，可以求得机械手各个功能依靠关节的运动行为，进而对该机械臂系统七个功能实现相应控制提供基础。坐标变换矩阵如下，其中令si＝sinθi，ci＝cosθi，di为相应的距离，且进行简化表示。

[0034]

[0035]

[0036] 对于每个关节，尤其是该机械臂系统中的关节1至关节5的每个关节均可以抽象为如图18所示分析模型，不妨取关节i为例说明(i＝1-6)：ai，bi以及Li为对应关节的简化后的固定长度,ΔLi为液压缸单出杆的伸缩长度，且其取值ΔLi∈[ΔLimin,ΔLimax]，可以求得相应的角度θi的范围，模型利用余弦定理有：

[0037]

[0038] 进行求解，得出

[0039] 其中ΔLi∈[ΔLi min,ΔLi max]

[0040] 综合以上所述，本发明水下机械臂系统通过控制信号，控制各个液压缸伺服阀开量，调节各个液压缸内油量，提供液压驱动，进而实现六自由度的运动，以及手爪开合这一执行动作，该水下机械臂系统发明实现了七种功能。

[0041] 本发明旨在提供一种结构紧凑，灵活操作的七功能水下机械臂系统，可供各类深海水下机器人，尤其是ROV来完成深海作业。本发明将液压缸巧妙紧凑地安置在各个连接件的凹槽中，在满足结构紧凑的前提下，又能保证机械臂各个功能的协调实现。依据运动学原理对该机械臂系统实现其模型的建立。

[0042] 本发明采用的技术方案是：

[0043] 该水下机械臂系统是由手爪1、腕2、第五关节3、第四关节4、第三关节5、第二关节6、第一关节7和底座8组成。其中手爪1是由指端101、主连杆102、辅助连杆103、腕前端104和液压缸105组成。腕2是由连接件201、旋转马达202、连接杆203组成。第五关节3是由连接杆301和液压缸302组成。第四关节4是由连接杆401和液压缸402组成。第三关节5是由连接杆501和液压缸502组成。第二关节6是由连接杆601和液压缸602组成。第一关节7是由液压缸701和底座8组成。

[0044] 手爪1中的指端101通过主连杆102以及其销轴与腕前端104相联接，主连杆102由位于腕前端104内的液压缸105提供驱动动力，并通过主连杆102的齿轮结构将该液压驱动转换为实现手爪夹持动作的齿轮驱动，通过主连杆102与辅助连杆103所构成的平行机构将该齿轮驱动传递实现手爪1张开与夹持动作的驱动；腕关节2连接件201是法兰结构，其与腕前端104相联接，旋转马达202由液压缸驱动，该马达通过连接件201带动腕前端104实现旋转，进而带动手爪1实现该关节的旋转运动；第五关节3由液压缸302的单出杆活塞通过销轴与腕关节2中连接杆203相联，通过液压缸302单出杆的伸缩运动，实现腕关节2的摆动运动；第四关节4由液压缸402的单出杆活塞通过销轴与第五关节3中连接杆301相联，通过液压缸402单出杆的伸缩运动，实现第五关节3的摆动运动；第三关节5由液压缸502的单出杆活塞通过销轴与第四关节4中连接杆401相联，通过液压缸502单出杆的伸缩运动，实现第四关节4的摆动运动；第二关节6由液压缸602的单出杆活塞通过销轴与第三关节5中连接杆501相联，通过液压缸602单出杆的伸缩运动，实现第三关节5的摆动运动；第一关节7由液压缸701的单出杆活塞通过销轴与第二关节6中连接杆601相联，通过液压缸701单出杆的伸缩运动，实现整个机械臂系统相对底座的旋转运动。液压缸701与底座8均固定在该水下机械臂系统的连接本体上。

[0045] 本发明一种七功能水下机械臂系统由机械部分、液压部分和控制部分组成，机械臂系统运动学模型为机械臂运动控制建立基础。

[0046] 机械臂是由手爪1、腕2、第五关节3、第四关节4、第三关节5、第二关节6、第一关节7和底座8组成。其中手爪1是由指端101、主连杆102、辅助连杆103、腕前端104和液压缸105组成。腕2是由连接件201、旋转马达202、连接杆203组成。第五关节3是由连接杆301和液压缸302组成。第四关节4是由连接杆401和液压缸402组成。第三关节5是由连接杆501和液压缸502组成。第二关节6是由连接杆601和液压缸602组成。第一关节7是由液压缸701和底座8组成。

[0047] 手爪指端101，主连杆102，辅助连杆103均为对称存在，且主连杆102与辅助连杆103为平行结构，主连杆102位于外侧，辅助连杆103位于内侧。

[0048] 该七功能水下机械臂系统的手爪1可以较为方便的进行拆卸和更换。

[0049] 主连杆102的驱动机构是通过液压缸105提供齿轮驱动，主连杆102的末端是四分之一圆齿轮结构，传动动力通过平行结构实现手爪1的张开与合拢。

[0050] 该水下机械臂系统实现了六个自由度运动以及手爪1的开合动作，并且通过底座8连接在本体上。

[0051] 液压部分由液压泵、溢流阀、伺服阀箱、单向阀、液压油箱、液压缸、液压马达和管路组成。

[0052] 控制部分由控制器、通信接口电路、数字转模拟电路、模拟信号放大电路、伺服阀箱电路组成。

[0053] 通过对该机械臂系统各个关节进行坐标系的建立，以及相应关节的运动参数计算，实现对整个水下机械臂系统的建模。