一種支撐式可折疊機械手手臂結構的制作方法

一種支撐式可折疊機械手手臂結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種支撐式可折疊機械手手臂結構。中間關節包括：上下兩個連接板、U型連接板、驅動部件，U型連接板鉸接在上下兩個連接板之間，驅動部件安裝在U型連接板內；載體連接件與首端關節的上下兩個連接板連接，首端關節的U型連接板與第一級手臂的一端連接，第一級手臂的另一端與中間關節的上下兩個連接板連接；手腕安裝在末端關節的U型連接板上；第二級手臂的一端與中間關節的U型連接板連接，第二級手臂的另一端與末端關節的上下兩個連接板連接。利用中空支撐桿形成的內部空間來容納機械手的下一關節，使機械手展開時滿足作業范圍廣、回收時滿足收納體積小的特點，本發明結構簡單、易于實現。
【專利說明】一種支撐式可折疊機械手手臂結構

【技術領域】
[0001]本發明屬于一種機械手手臂結構，尤其涉及一種框架式可折疊的支撐式可折疊機械手手臂結構。

【背景技術】
[0002]水下機器人是現代海洋環境監測及資源開發的重要工具，隨著其工作范圍，作業要求的不斷提高，對其作業工具也提出了更高的要求。目前，無人無纜水下機器人由于其工作范圍大等優點，成為了研究的熱點，對其作業工具的改進和作業能力的完善也將進一步提升其工作效率、擴大應用領域。而由于體積、重量、能源等條件的限制，適用于無人無纜水下機器人的作業機械手很少，特別是現有的水下機械手大多采用“圓筒式”手臂結構，不能滿足水下機械手大范圍作業空間的要求，同時也不能滿足機械手在無人無纜水下機械手收納空間小的要求；而且現有的水下機械手大多結構較為復雜，不利于整體小型化。
[0003]目前，國內水下機械手手臂結構主要為下面兩種形式，水下液壓機械手手臂主要為“U型板框架式”結構，水下電動機械手手臂主要為“圓筒式”結構；如中國專利申請號為201220635024.9名稱為一種機械手手臂結構，采用電機驅動，手臂結構不能滿足機械手展開作業空間廣、回收占用體積小的要求，而且該種機械手手臂結構只適用于陸地機械手，不能滿足水下作業的要求；如中國專利申請號為201120550880.1名稱為一種手臂擺動結構，采用氣壓驅動，該專利主要針對的是單個關節手臂擺動結構，而且其整體結構采用“板狀框架式”，此類結構也同樣不能滿足機械手展開作業空間廣、回收占用體積小的要求。


【發明內容】

[0004]本發明的目地是提供具有作業空間廣、回收占用體積小的一種支撐式可折疊機械手手臂結構。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種支撐式可折疊機械手手臂結構，包括首端關節、中間關節、末端關節、第一級手臂、第二級手臂、手腕、載體連接件，
[0007]中間關節包括:上下兩個連接板、U型連接板、驅動部件，U型連接板鉸接在上下兩個連接板之間，驅動部件安裝在U型連接板內；
[0008]首端關節與中間關節的結構相同，載體連接件與首端關節的上下兩個連接板連接，首端關節的U型連接板與第一級手臂的一端連接，第一級手臂的另一端與中間關節的上下兩個連接板連接；
[0009]末端關節與中間關節的結構相同，手腕安裝在末端關節的U型連接板上；第二級手臂的一端與中間關節的U型連接板連接，第二級手臂的另一端與末端關節的上下兩個連接板連接。
[0010]本發明一種支撐式可折疊機械手手臂結構還可以包括:
[0011]1、中間關節有N個，第二級手臂有N個，NS 1，相鄰兩個中間關節之間通過一個第二級手臂連接。
[0012]2、驅動部件為液壓擺缸。
[0013]3、驅動部件包括水液壓驅動部分、位置檢測部分、轉動關節外殼，水液壓驅動部分和位置檢測部分安裝在轉動關節外殼里，水液壓驅動部分包括驅動轉軸、驅動定子、驅動轉子，驅動定子固定在轉動關節外殼內壁上，驅動轉子與驅動轉軸相固連，驅動轉軸設置在驅動定子旁，轉動關節外殼安裝在U型連接板內，驅動轉軸分別通過左滾動軸承和右滑動軸承與U型連接板和轉動關節外殼相配合，位置檢測部分包括旋轉變壓器、卡簧，旋轉變壓器包括旋轉變壓器定子、旋轉變壓器轉子，旋轉變壓器轉子過盈安裝在驅動轉軸上，旋轉變壓器定子位于旋轉變壓器轉子外部，卡簧卡在旋轉變壓器定子和轉動關節外殼上，旋轉變壓器定子通過卡簧螺釘固定在轉動關節外殼上，卡簧螺釘中部穿過卡簧，轉動關節外殼上安裝水液壓管接頭、電纜水密連接頭，水液壓管接頭設置通孔，通孔連通至轉動關節外殼內部，從水液壓管接頭進入的液體驅動驅動轉子和驅動轉軸相對于驅動定子旋轉，電纜水密連接頭通過電纜線連接旋轉變壓器定子。
[0014]4、第一級手臂包括四個支撐桿，四個支撐桿成上下兩行排列，每行有兩個支撐桿，四個支撐桿為的中空結構，第二級手臂結構與第一級手臂的結構相同。
[0015]5、首端關節、N個中間關節、末端關節的安裝角度不同。
[0016]本發明中包括的中間關節個數為N個，第一級手臂的個數也為N個，N= (1,2,…5)。本發明的有益效果:
[0017]1.通過四根中空的支撐桿組成的機械手手臂結構可以滿足水下機械手在展開作業時機械手作業空間廣，回收于載體水下機器人時機械手占用體較小。
[0018]2.通過中空密封支撐桿組成的機械手手臂提供浮力，可以減少機械手水中重量，同時減少水下機械手運動作業時對其載體水下機器人縱傾和橫傾的影響。
[0019]3.機械手四桿支撐結構組成的關節手臂滿足模塊化設計，可通過各關節之間組合變換改變機械手的組成形式或者改變機械手的自由度安排。
[0020]4.通過四根支撐桿內部中空的結構形式可以滿足水下機械手位置檢測線路以及液壓油路的線路規劃。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構簡圖1。
[0022]圖2為本發明的結構簡圖2。
[0023]圖3為本發明的手臂收納示意圖。
[0024]圖4為第四級手腕關節的結構簡圖。
[0025]圖5為第四級手腕關節的A-A剖視圖。
[0026]圖6為四桿支撐式結構的支撐桿排列組合圖。
[0027]圖7為第四級手腕關節的B-B剖視圖。
[0028]圖8為驅動部件實施例2的結構簡圖；
[0029]圖9為驅動部件實施例2的軸向剖視圖1 ;
[0030]圖10為驅動部件實施例2的軸向剖視圖2 ；
[0031]圖11為驅動轉子組件的軸向剖視圖；
[0032]圖12為驅動轉子組件的A-A剖視圖；

【具體實施方式】
[0033]下面將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0034]該手臂結構可以適用于搭載在無人無纜水下機器人上的小型化水下液壓機械手以及水下電動機械手；本發明以小型化水下液壓機械手手臂結構為主體，采用四個支撐桿排列組成的手臂結構替代傳統的水下機械手“圓筒式”或“框架式”手臂結構，利用支撐桿形成的內部空間來收納機械手隱藏關節。該種手臂結構形式可滿足展開作業時，下一關節從上一關節中伸展直至機械手完全展開后進行作業任務，載體水下機器人航行狀態時，將下一關節收納隱藏于上一關節四根支撐桿形成的收納空間內部；并且在支撐桿內部可形成密閉空間，為提供機械手浮力以減少機械手的水中重量，同時機械手關節的信號線路以及液壓油路可規劃于中空的支撐桿內部，以優化機械手外觀結構。
[0035]本發明闡述的機械手手臂結構主要由第一級俯仰關節、第二級俯仰關節、第三級擺動關節、第四級手腕關節組成，并且機械手手臂結構采用模塊化設計，機械手每個關節手臂具有相同的結構形式。以機械手第四級手腕關節為例，它包括四桿支撐結構、第四級手腕俯仰驅動部件、手腕、支撐板、信號線路接頭、水密連接頭、液壓管接頭和連接板；水密連接頭、液壓管接頭與第四級手腕俯仰驅動部件螺紋連接，分別用于傳遞反饋控制信號以及連接液壓油管傳輸驅動液壓介質；控制信號線路另一端與信號線路接頭連接，信號線路接頭與連接板內螺紋連接并且采用O型密封圈密封，關節上部支撐桿兩端密封以保證支撐桿為機械手提供浮力，減少機械手水中重量，液壓油管規劃于下部中空支撐桿內部；支撐桿兩端帶有外螺紋與相鄰兩級關節的支撐桿連接件、連接板連接；驅動關節輸出軸一端與連接板通過平鍵連接，另一端與安裝在連接板的軸承過盈配合；驅動部件連接件與驅動關節螺釘連接后同連接板配合安裝，并且通過螺釘與支撐板緊固連接，手腕通過支撐板與第四級手腕俯仰關節整體配合連接。機械手展開時，驅動部件通過驅動部件連接件、支撐連接件帶動其驅動關節與連接板、四桿支撐結構之間發生相對運動，將收納于后一級四桿支撐結構內部空間的該級機械手手臂展開；同理，機械手回收時，將該級機械手手臂收納于后一級四桿支撐結構組合形成內部空間。
[0036]本發明主要包括的部件有:
[0037]載體連接件1、支撐桿連接件A 2、支撐桿A 3、連接板B 4、驅動部件B 5、驅動部件連接B 6、信號線路接頭B 7、支撐桿連接件B 8、連接螺釘B 9、支撐桿B 10、連接板C 11、驅動部件C 12、信號線路接頭C 13、連接螺釘C 14、驅動部件連接C15、支撐桿連接件C 16、支撐桿C 17、信號線路接頭18、連接板D 19、手腕20、支撐板21、驅動部件連接件D 22、水密連接頭23、液壓油管24、液壓管接頭25、驅動部件D26、驅動部件連接A 27、連接板A 28、驅動部件A 29、控制信號線路30、0型密封圈31、深溝球軸承32、平鍵33。
[0038]如圖1和圖2所示，本發明闡述的水下機械手手臂結構主要由第一級俯仰關節、第二級俯仰關節、第三級擺動關節、第四級手腕關節組成，并且機械手手臂結構采用模塊化設計，機械手每個關節手臂具有相同的結構形式。
[0039]如圖1、圖2和圖3所示，機械手第一俯仰關節其特征為載體連接件I將機械手安裝在其載體水下機器人上，驅動關節A29為機械手提供驅動轉矩，并通過兩端連接板A28、驅動部件連接A27將驅動關節A29與載體連接件1、支撐桿連接件A2配合安裝；第一級俯仰機構通過四根支撐桿A3組成的四桿支撐結構手臂與第二級俯仰機構連接。
[0040]如圖4、圖5、圖6和圖7所示，機械手每個關節手臂具有相同的結構形式，以機械手第四級手腕關節為例，其特征為水密連接頭23、液壓管接頭25與第四級手腕俯仰關節的驅動部件D26通過螺紋連接，并且分別用于反饋控制信號的傳遞以及通過連接液壓油管24傳輸驅動介質；控制信號線路30用于傳遞反饋信號，分別與信號線路接頭18、水密連接頭23連接；信號線路接頭18與連接板D19連接并且采用O型密封圈31密封，圖6中的關節上部兩支撐桿C17兩端通過O型密封圈31密封以保證支撐桿C17為機械手提供浮力，減少機械手水中重量，而液壓油管24規劃于下部中空支撐桿C17內部；支撐桿D17兩端帶有外螺紋與相鄰關節的支撐連接件C16、連接板D19螺紋連接；驅動部件連接件D22與驅動關節D26螺釘連接后同連接板D19配合安裝，并且通過螺釘與支撐板21緊固連接；手腕20通過支撐板21同第四級手腕俯仰關節整體配合連接。驅動關節D26的輸出軸一端與連接板D19通過平鍵33連接，另一端通過與驅動部件連接件D22連接后再與過盈安裝連接板D19上的深溝球軸承32過盈配合安裝。
[0041]其中驅動部件可以有多種結構:
[0042]實施例1:驅動部件可以選擇液壓擺缸。
[0043]實施列2:如圖8和圖9所示，主要由水液壓驅動部分46、位置檢測部分45組成；將水液壓驅動部分46和位置檢測部分45集成在轉動關節外殼51內部，通過水液壓驅動轉軸48以及驅動部件連接件的轉軸與機械手相鄰關節連接。轉動關節外殼51上裝配錐螺紋連接的水液壓管接頭41以及電纜水密連接頭43分別實現與外部液壓油路和位置檢測裝置通信線路的連接。
[0044]如圖8、圖9所示，驅動部件連接件通過左固定螺釘50安裝在轉動關節外殼51，驅動部件連接件通過右固定螺釘56固定在轉動關節外殼51上，并通過端蓋O型密封圈57實現密封；驅動部件連接件與機械手相鄰后關節通過平鍵連接固定，驅動部件連接件轉動軸通過滾動軸承過盈配合后與連接板關節連接；支撐桿連接件通過螺釘和定位銷安裝在驅動部件連接件上，再與連接板的連接固定。
[0045]如圖8、圖9所示，水液壓驅動部分46通過驅動轉子組件和驅動定子52之間相對運動實現其功能，驅動轉子組件和定子52之間轉角為180°，可通過調節驅動定子52和驅動轉子62的大小用以改變轉角的大小，最大轉角能達到270° ;驅動定子52用定位銷42定位后，通過定子螺釘47安裝在轉動關節外殼51上，安裝驅動定子52時將圖3所示的密封組合71、72安裝在定子圓弧面溝槽內，減少液壓介質的內泄漏；驅動轉子組件通過左右滑動軸承53、64支撐定位；將中部密封格萊圈64安裝在轉動關節外殼51開式密封溝槽內部，并將其與右滑動軸承53過盈配合后形成閉式溝槽實現驅動轉軸48動密封，防止驅動部分46的液壓介質泄漏到位置檢測部分45，造成傳感器短路損壞。
[0046]如圖10所示，旋轉變壓器轉子68過盈安裝在驅動轉軸48上，定子67通過兩個半圓形卡簧66卡緊后用卡簧螺釘58安裝在轉動關節外殼51上；水下電纜與水密頭固定基體連接后，并與固定基體進行硫化密封形成電纜水密連接頭43，電纜水密連接頭43通過固定基體螺紋連接壓緊在轉動關節外殼51上，在電纜水密連接頭43與轉動關節外殼51之間通過水密頭O型密封圈65實現端面靜密封。
[0047]如圖11、圖12所示，驅動轉子62通過轉子安裝螺釘69和轉子定位銷70安裝在驅動轉軸48上，安裝時將驅動轉子62與驅動轉軸48和轉子右端蓋60接觸的表面涂抹密封膠；將轉子O型密封圈61安裝在轉子右端蓋60的密封槽內，安裝時將右端蓋60內孔涂抹密封膠后安裝固定，并通過轉子預緊螺釘59將驅動轉軸48、驅動轉子62、轉子右端蓋60鎖緊，構成驅動轉子組件；將轉子密封格萊圈63安裝在驅動轉軸48和轉子右端蓋60溝槽內，防止液壓介質與外部環境發生外泄漏；驅動轉子密封組件由提供彈性的丁腈橡膠圈71和方形PTFE聚四氟乙烯密封環72組成，安裝時將密封組件和與其配合的轉動關節外殼51壓緊完成密封效果，用以防止液壓驅動部分46的內泄漏。
[0048]這種實施方式的工作原理為:
[0049]由支撐桿組成的四桿支撐式機械手手臂結構，可以通過機械手的關節驅動部件的轉動將前一級關節的機械手手臂回收到手臂結構中；每級關節通過巧妙的自由度分配以及手臂本體的設計以實現機械手的回收，從而使機械手滿足展開時作業范圍廣、回收時收納體積小的主要特點；以機械手第二級俯仰關節為例，機械手展開時，該關節驅動部件B(5)通過驅動部件連接件B ￠)、支撐連接件B (8)與連接板B (4)、支撐桿A(3)之間發生相對運動，將回收于第一級四桿支撐結構內部空間中的第二級俯仰關節機械手手臂展開；同理，機械手回收時，將第二級俯仰關節機械手手臂收納于第一級四桿支撐結構形成的內部空間中。由于機械手四桿支撐結構組成的關節手臂滿足模塊化設計，所以每級關節展開、回收的工作原理相同。
【權利要求】
1.一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:包括首端關節、中間關節、末端關節、第一級手臂、第二級手臂、手腕、載體連接件， 中間關節包括:上下兩個連接板、U型連接板、驅動部件，U型連接板鉸接在上下兩個連接板之間，驅動部件安裝在U型連接板內； 首端關節與中間關節的結構相同，載體連接件與首端關節的上下兩個連接板連接，首端關節的U型連接板與第一級手臂的一端連接，第一級手臂的另一端與中間關節的上下兩個連接板連接； 末端關節與中間關節的結構相同，手腕安裝在末端關節的U型連接板上；第二級手臂的一端與中間關節的U型連接板連接，第二級手臂的另一端與末端關節的上下兩個連接板連接。
2.根據權利要求1所述的一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:所述的中間關節有N個，第二級手臂有N個，N > I，相鄰兩個中間關節之間通過一個第二級手臂連接。
3.根據權利要求2所述的一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:所述的驅動部件為液壓擺缸。
4.根據權利要求2所述的一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:所述的驅動部件包括水液壓驅動部分、位置檢測部分、轉動關節外殼，水液壓驅動部分和位置檢測部分安裝在轉動關節外殼里，水液壓驅動部分包括驅動轉軸、驅動定子、驅動轉子，驅動定子固定在轉動關節外殼內壁上，驅動轉子與驅動轉軸相固連，驅動轉軸設置在驅動定子旁，轉動關節外殼安裝在U型連接板內，驅動轉軸分別通過左滾動軸承和右滑動軸承與U型連接板和轉動關節外殼相配合，位置檢測部分包括旋轉變壓器、卡簧，旋轉變壓器包括旋轉變壓器定子、旋轉變壓器轉子，旋轉變壓器轉子過盈安裝在驅動轉軸上，旋轉變壓器定子位于旋轉變壓器轉子外部，卡簧卡在旋轉變壓器定子和轉動關節外殼上，旋轉變壓器定子通過卡簧螺釘固定在轉動關節外殼上，卡簧螺釘中部穿過卡簧，轉動關節外殼上安裝水液壓管接頭、電纜水密連接頭，水液壓管接頭設置通孔，通孔連通至轉動關節外殼內部，從水液壓管接頭進入的液體驅動驅動轉子和驅動轉軸相對于驅動定子旋轉，電纜水密連接頭通過電纜線連接旋轉變壓器定子。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:所述的第一級手臂包括四個支撐桿，四個支撐桿成上下兩行排列，每行有兩個支撐桿，四個支撐桿為的中空結構，第二級手臂結構與第一級手臂的結構相同。
6.根據權利要求5所述的一種支撐式可折疊機械手手臂結構，其特征在于:所述的首端關節、N個中間關節、末端關節的安裝角度不同。
【文檔編號】B25J18/00GK104162893SQ201410246881
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】張銘鈞, 楊超, 馬小委, 趙克楠, 劉兵 申請人:哈爾濱工程大學