CN104440939B - 小型水下液压机械手二级驱动关节 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供小型水下液压机械手二级驱动关节，包括第一级直线运动的手爪驱动液压缸组件、第二级关节转动组件、位置检测组件，第一级液压缸组件的后端与第二级腕关节的前端通过螺钉连接，组件内部的油路通过O型密封圈密封，位置检测组件与第二级腕关节的后端支撑轴过盈配合；通过二级关节机构中部的进/出油口的液压油驱动腕关节回转运动并带动第一级手爪液压缸组件一起转动，二级关节尾部的进/出油口的液压油通过组件内部油路驱动第一级手爪液压缸直线运动，为手爪提供驱动力矩。本发明避免了传统液压缸前后进出油口形式在第一级液压缸跟随腕关节转动时，与进出油口连接的液压连接头同安装外筒的干涉。

Description

小型水下液压机械手二级驱动关节

技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人。

背景技术

水下机器人是现代海洋环境监测及资源开发的重要工具；随着其工作范围，作业要求的不断提高，对其作业工具也提出了更高的要求。目前自治式水下机器人(AUV)由于其隐蔽性好、使用环境广泛等优点，成为研究的热点，但由于体积、重量以及能源等限制，适用于AUV的作业机械手很少；特别是搭载于AUV上驱动能力较强的小型化液压机械手尤其少见。

目前，国内关于水下机械手二级驱动关节或者机械手回转、旋转关节的专利大多安装于水下电动机械手；如专利申请号为200610046218.6、名称为“一种水下电动机械手旋转关节结构”，通过力矩电机、制动器、谐波减速器及旋转编码器产生回转运动和反馈位置信号，但其体积较大，属于单级转动关节，电机驱动与液压驱动相比，驱动力矩相对较小；如申请号201110127095.X、名称为“小型电动机械手二级回转机构”，两级回转机构集成，结构相对紧凑，但也属于电机驱动，与液压驱动相比，驱动力矩相对较小，而且为集成位置检测装置。

发明内容

本发明的目的在于提供便于实现自动控制的小型水下液压机械手二级驱动关节。

本发明的目的是这样实现的：

本发明小型水下液压机械手二级驱动关节，其特征是：包括手爪连接件、活塞、缸筒前端盖、外缸筒、安装外筒、腕关节外壳、驱动定子、驱动转子、手腕外壳、关节后端盖，液压缸端盖固定于缸筒前端盖组成手爪液压缸端盖，外缸筒安装在手爪液压缸端盖外部，安装外筒安装在外缸筒外部，活塞后部位于外缸筒里，活塞前部位于缸筒前端盖里，活塞中部设置凸起，凸起与外缸筒之间通过活塞导向环和格莱圈实现活塞与外缸筒之间的导向以及动密封，手爪连接件设置内孔，活塞的前端部安装在手爪连接件的内孔里，外缸筒尾部与驱动转轴固连，安装外筒尾部与腕关节外壳固连，腕关节外壳与手腕外壳相连，驱动转轴一部分位于腕关节外壳里，驱动转轴其它部分位于手腕外壳里，手腕外壳与关节后端盖相连，驱动定子和驱动转子均位于腕关节外壳里，驱动定子与腕关节外壳固定，驱动转子与驱动转轴相固定，腕关节外壳上设置控制驱动转子和驱动定子之间顺时针和逆时针相对旋转的第一NPT螺纹孔和第二NPT螺纹孔，驱动转子的一端与驱动定子的第一端接触时，两者之间存在与第一NPT螺纹孔相通的缝隙，驱动转子的第二端与驱动定子的第二端接触时，两者之间存在与第二NPT螺纹孔相通的缝隙，手腕外壳上设置控制活塞前后移动的第三NPT螺纹孔和第四NPT螺纹孔，驱动转轴里设置第一通道和第二通道，外缸筒里设置第三通道和第四通道，活塞的凸起将活塞的前后两侧与外缸筒之间分别形成第五通道和第六通道，外缸筒里设置第七通道，第三NPT螺纹孔、第一通道、第三通道、第七通道、第五通道依次相连通，第四NPT螺纹孔、第二通道、第四通道、第六通道依次相连通。

本发明还可以包括：

1、还包括角度传感器，腕关节外壳的尾端连接支撑轴，角度传感器安装在支撑轴上。

2、外缸筒与缸筒前端盖之间采用O型密封圈径向静密封，安装外筒和外缸筒之间安装滑动轴承，外缸筒与滑动轴承过盈配合安装，腕关节外壳和驱动转轴之间安装滚动轴承，滚动轴承和腕关节外壳过盈配合安装，驱动转轴和手腕外壳之间安装滑动轴承，滑动轴承和手腕外壳过盈配合安装。

本发明的优势在于：

1、将回转机构与直线运动机构集成于一体，使机械臂结构紧凑、体积重量与驱动力比值小，最优化的液压驱动机械臂结构，为小型化机械手腕关节及手爪提供一种理想结构；

2、关节内部集成位置检测装置，利用位置检测装置采集水下机械手关节作业的角度、角加速度信号，并将其传递回机械手控制系统中，实现水下机械手闭环反馈控制；

3、将第一级手爪液压缸进出油路通过缸体、驱动转轴以及手腕外壳内部油路的巧妙布置组合，实现将手爪液压缸进出油口后置于关节尾部，避免如传统液压缸前后进出油口形式在第一级液压缸跟随腕关节转动时，与进出油口连接的液压连接头同安装外筒的干涉。

附图说明

图1为小型水下液压机械手二级驱动关节的整体剖面图；

图2为小型水下液压机械手二级驱动关节的A-A剖面图；

图3为小型水下液压机械手二级驱动关节的液压驱动部分整体剖面图；

图4为小型水下液压机械手二级驱动关节的液压驱动部分三维外形图；

图5为第一级手爪液压缸活塞向后运动时，油路走向图；

图6为第一级手爪液压缸活塞向前运动时，油路走向图；

图7为小型水下液压机械手二级驱动关节的整体外形图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～7，本发明目的是这样实现的：二级驱动关节包括第一级直线运动的手爪驱动液压缸组件、第二级关节转动组件、位置检测组件，第一级液压缸组件的后端与第二级腕关节的前端通过螺钉连接，组件内部的油路通过O型密封圈密封，位置检测组件与第二级腕关节的后端支撑轴过盈配合；通过二级关节机构中部的进/出油口的液压油驱动腕关节回转运动并带动第一级手爪液压缸组件一起转动，二级关节尾部的进/出油口的液压油通过组件内部油路驱动第一级手爪液压缸直线运动，为手爪提供驱动力矩。

第一级手爪驱动液压缸组件通过两个滑动轴承安装在二级关节前部的安装外筒上，并通过安装外筒与第二级腕关节外壳螺钉连接；第一级液压缸尾部与第二级腕关节的驱动转轴连接，将第一级液压缸的油路与驱动转轴内部油路配合用O型密封圈防止两个油路之间相互泄漏，通过驱动转轴内部油路实现将第一级液压缸进出油口后置到关节尾部，避免腕关节带动第一级液压缸转动时油路安装不便。

第二级腕关节转动由液压驱动部分、密封件、安装在腕关节外壳上的驱动定子以及手腕外壳组成。驱动转子固定安装于驱动转轴上，转子与定子之间发生相对转动，转子带动驱动转轴产生腕关节的回转运动，通过格莱圈和O型密封圈等密封件实现第二级腕关节的动密封和静密封；手腕外壳上的进出油口通过驱动转轴内部油路为第一级手爪液压缸提供驱动液压油。

支撑轴与第二级腕关节驱动转轴螺纹连接，并采用螺纹密封胶密封；支撑轴上设置关节角度传感器，传感器与支撑轴过盈配合，并通过半圆形安装卡环安装固定，关节后端盖与手腕外壳通过螺钉连接、O型密封圈密封，形成密闭的传感器空间，角度传感器信号输出线通过连接在关节后端盖上的水密接插件内部走线。

本发明包括的部件有：手爪连接件1、液压缸端盖2、密封端盖3、O型密封圈4、格莱圈5、缸筒前端盖6、安装前端盖7、旋转油封8、安装外筒9、滑动轴承A10、滚动轴承11、腕关节外壳12、驱动转轴13、密封组件14、驱动定子15、转子右端盖16、滑动轴承17、手腕外壳18、安装支撑件19、安装卡环20、关节后端盖21、角度传感器22、支撑轴23、手腕油路密封格莱圈24、转子密封格莱圈25、驱动转子26、转子垫片27、外缸筒28、活塞导向环29、活塞30、活塞杆导向环31。

如图1所示，本发明阐述一种小型化水下液压机械手二级驱动关节，主要是由第一级直线运动、第二级关节转动、位置检测装置组成。第一级直线运动的手爪驱动液压缸组件主要提供手爪末端执行器直线驱动力矩，手爪连接件1内孔与手爪末端执行器连接，与活塞30头部螺纹连接；活塞杆导向环31、格莱圈5安装在缸筒前端盖6内部并通过密封端盖3固定，活塞杆导向环31、格莱圈5分别用于活塞30导向以及其直线动密封，液压缸端盖2通过螺钉安装于缸筒前端盖6组成手爪液压缸端盖部分；液压缸端盖部分与外缸筒28螺纹连接，外缸筒28与缸筒前端盖6之间采用O型密封圈4径向静密封；液压油驱动活塞30在外缸筒28内部移动提供手爪驱动力矩，通过格莱圈密封液压缸有杆腔和无杆腔，前后两个活塞导向环29用以驱动导向；外缸筒28尾部与第二级腕关节的驱动转轴13用螺钉连接，并用O型密封圈端面密封液压缸油路；外缸筒28通过两个滑动轴承A10和腕关节滚动轴承11支撑定位，滑动轴承A10与安装外筒9过盈配合；动密封处利用旋转油封8，静密封采用O型密封圈端面密封，安装前端盖7通过螺钉与安装外筒9连接，安装外筒9尾部通过一组螺钉与第二级腕关节外壳12紧密固定。

如图1、图2和图3所示，液压驱动部分与安装在腕关节外壳12上的驱动定子15在液压油作用下相对回转运动，其自身通过滚动轴承11与滑动轴承17安装在腕关节外壳12和手腕外壳18上，并且滚动轴承11与滑动轴承17分别与腕关节外壳12和手腕外壳18过盈配合安装，腕关节外壳12与手腕外壳18之间通过一组螺钉紧密连接；液压驱动部分与手腕外壳18之间通过一组O型密封圈以及手腕油路密封格莱圈24进行密封，用以防止手爪液压缸两个油路之间相互泄漏以及将液压油泄漏到角度传感器部分和腕关节外壳12内部；手腕外壳18上的B点两个NPT螺纹孔(图2所示)用以安装螺纹连接头与外部液压油管相连接；液压驱动部分为第二级腕关节提供回转力矩，驱动转子26两端面涂抹密封胶后通过螺钉和定位销安装于驱动转轴13上，转子右端盖16配合O型密封圈之后通过锁紧螺钉紧密连接驱动转子26，并与驱动转轴13、驱动转子26装配组成转子组件(如图3所示)；转子组件通过转子密封格莱圈25实现径向动密封，防止液压油外泄漏；密封组件14由丁腈橡胶圈和方形PTFE(聚四氟乙烯)密封环组成，用以解决驱动转子26、驱动定子15分别与腕关节外壳12、驱动转轴13之间产生相对运动的圆弧表面动密封问题(如图2所示)；支撑轴23与驱动转轴13螺纹连接，并且在螺纹连接处涂上螺纹密封胶密封。

如图1所示，角度传感器22采集腕关节转动的角度、角加速度信号，并将其传递回机械手控制系统中，实现水下机械手闭环反馈控制；角度传感器22与液压驱动部分的支撑轴23过盈配合，并且通过两个半圆形安装卡环20夹紧，通过一组螺钉将安装卡环20和安装支撑件19与手腕外壳18紧密连接；关节后端盖21通过螺钉与手腕外壳18连接，并用O型密封圈密封；传感器信号线将通过与关节后端盖21连接水密头与外部连接。

这种实施方式的工作原理为：

第二级关节转动原理是液压油通过手腕外壳18与B点NPT螺纹孔(图2所示腕关节进出油口)连接螺纹连接头进入工作腔作用于驱动转子26，并带动由驱动转轴13、转子右端盖16、驱动转子26组成的液压驱动部分与驱动定子15之间产生相对运动，并且由于第一级手爪液压缸的外缸筒28尾部与驱动转轴13之间连接固定，所以第一级手爪液压缸会跟随第二级腕关节一起转动；第一级直线运动的手爪液压缸驱动液压油会从A、B进/出油口通过驱动转轴13以及外缸筒28内部油路(如图4箭头所示油路)作用于活塞30端面，活塞30在活塞导向环29、活塞杆导向环31导向下直线运动，通过与活塞30连接的手爪连接件1作用于手爪末端执行器上；本发明专利动密封部分采用格莱圈5以及旋转油封8，静密封部分采用传统的O型密封圈4。

Claims (3)

1.小型水下液压机械手二级驱动关节，其特征是：包括手爪连接件、活塞、缸筒前端盖、外缸筒、安装外筒、腕关节外壳、驱动定子、驱动转子、手腕外壳、关节后端盖，液压缸端盖固定于缸筒前端盖组成手爪液压缸端盖，外缸筒安装在手爪液压缸端盖外部，安装外筒安装在外缸筒外部，活塞后部位于外缸筒里，活塞前部位于缸筒前端盖里，活塞中部设置凸起，凸起与外缸筒之间通过活塞导向环和格莱圈实现活塞与外缸筒之间的导向以及动密封，手爪连接件设置内孔，活塞的前端部安装在手爪连接件的内孔里，外缸筒尾部与驱动转轴固连，安装外筒尾部与腕关节外壳固连，腕关节外壳与手腕外壳相连，驱动转轴一部分位于腕关节外壳里，驱动转轴其它部分位于手腕外壳里，手腕外壳与关节后端盖相连，驱动定子和驱动转子均位于腕关节外壳里，驱动定子与腕关节外壳固定，驱动转子与驱动转轴相固定，腕关节外壳上设置控制驱动转子和驱动定子之间顺时针和逆时针相对旋转的第一NPT螺纹孔和第二NPT螺纹孔，驱动转子的一端与驱动定子的第一端接触时，两者之间存在与第一NPT螺纹孔相通的缝隙，驱动转子的第二端与驱动定子的第二端接触时，两者之间存在与第二NPT螺纹孔相通的缝隙，手腕外壳上设置控制活塞前后移动的第三NPT螺纹孔和第四NPT螺纹孔，驱动转轴里设置第一通道和第二通道，外缸筒里设置第三通道和第四通道，活塞的凸起将活塞的前后两侧与外缸筒之间分别形成第五通道和第六通道，外缸筒里设置第七通道，第三NPT螺纹孔、第一通道、第三通道、第七通道、第五通道依次相连通，第四NPT螺纹孔、第二通道、第四通道、第六通道依次相连通。

2.根据权利要求1所述的小型水下液压机械手二级驱动关节，其特征是：还包括角度传感器，腕关节外壳的尾端连接支撑轴，角度传感器安装在支撑轴上。

3.根据权利要求1或2所述的小型水下液压机械手二级驱动关节，其特征是：外缸筒与缸筒前端盖之间采用O型密封圈径向静密封，安装外筒和外缸筒之间安装滑动轴承，外缸筒与滑动轴承过盈配合安装，腕关节外壳和驱动转轴之间安装滚动轴承，滚动轴承和腕关节外壳过盈配合安装，驱动转轴和手腕外壳之间安装滑动轴承，滑动轴承和手腕外壳过盈配合安装。