本發(fā)明涉及一種水下水下機(jī)械臂，具體是一種多關(guān)節(jié)柔性水下機(jī)械臂。

背景技術(shù)：

目前，ROV(Remotely Operated Vechicle)是當(dāng)前海洋探索研究的主要工具之一。ROV上面的作業(yè)工具更是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成，而作為ROV上面的作業(yè)工具，其組成主要包括機(jī)械臂以及安裝在機(jī)械臂上面的末端執(zhí)行工具。

由于深海ROV特殊的工作環(huán)境，傳統(tǒng)的剛性工業(yè)機(jī)械臂由于其尺寸結(jié)構(gòu)以及自由度的限制，往往不能完全滿足很多工況下ROV的工作要求。

多關(guān)節(jié)柔性水下機(jī)械臂優(yōu)勢(shì)在于其柔性好、質(zhì)量小、冗余自由度多，靈活性以及避障性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械臂，因此在深海探測(cè)研究中更有明顯的優(yōu)勢(shì)。機(jī)械臂搭載在ROV上到達(dá)指定工作區(qū)域，配合機(jī)械臂末端安裝的傳感器，機(jī)械臂便能自主規(guī)劃路徑完成指定動(dòng)作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種質(zhì)量輕、體積小、自由度多、靈活性好的多關(guān)節(jié)柔性水下機(jī)械臂。

本發(fā)明技術(shù)方案的具體內(nèi)容如下：

本發(fā)明包括數(shù)個(gè)由萬(wàn)向節(jié)連接而成的關(guān)節(jié)，末端關(guān)節(jié)和底座連接在一起，所述的關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)盤(pán)和關(guān)節(jié)筒。

所述的關(guān)節(jié)盤(pán)的上表面為平面，下表面銑有圓臺(tái)，該圓臺(tái)用于關(guān)節(jié)盤(pán)和關(guān)節(jié)筒的安裝定位，關(guān)節(jié)盤(pán)端面沿中軸線均勻開(kāi)有3n個(gè)通孔，通孔用于安裝柔性繩，1≤n≤12。關(guān)節(jié)盤(pán)中間加工為通孔結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)盤(pán)側(cè)壁均勻開(kāi)有螺紋孔，用于安裝和關(guān)節(jié)筒連接的螺釘。關(guān)節(jié)盤(pán)上表面沿中性面對(duì)稱加工有兩個(gè)耳板，耳板用來(lái)安裝軸套，軸套和軸向安裝在軸套內(nèi)部的螺釘可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

所述的關(guān)節(jié)筒整體結(jié)構(gòu)為薄壁圓筒，端面沿軸線均勻分布3n個(gè)通孔，對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)盤(pán)上的孔，用于安裝柔性繩。關(guān)節(jié)筒在兩端面?zhèn)缺诙奸_(kāi)有均勻分布的螺紋孔，用于安裝與關(guān)節(jié)盤(pán)連接的螺釘。

所述的萬(wàn)向節(jié)中間開(kāi)有通孔。萬(wàn)向節(jié)四個(gè)側(cè)面對(duì)應(yīng)開(kāi)有螺紋孔，螺紋孔和關(guān)節(jié)盤(pán)耳板里面的軸套通過(guò)螺釘連接在一起，螺釘和萬(wàn)向節(jié)螺紋連接在一起，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

所述的底座的前蓋板加工成凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)中間加工出通孔，通孔直徑和關(guān)節(jié)筒外徑相同，關(guān)節(jié)筒剛好能夠和該通孔配合，同時(shí)電機(jī)端引出的鋼絲繩能夠從通孔出引至各關(guān)節(jié)。前蓋板側(cè)面開(kāi)有螺紋孔，用于安裝前蓋板和關(guān)節(jié)筒連接的螺釘。

進(jìn)一步說(shuō)，所述的關(guān)節(jié)和萬(wàn)向節(jié)采用浮力材料。

本發(fā)明的有益效果：

1.零部件材料采用非常適合水下作業(yè)的浮力材料，針對(duì)水下作業(yè)這一特殊工況，浮力材料的減重特點(diǎn)得到很好的體現(xiàn)。

2.水下工作空間狹小，使得該發(fā)明的高冗余自由度得到充分的發(fā)揮，靈活性強(qiáng)、避障性好的特點(diǎn)使得這種結(jié)構(gòu)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.相鄰關(guān)節(jié)之間的可轉(zhuǎn)角大，單個(gè)關(guān)節(jié)的工作空間大。

4.關(guān)節(jié)盤(pán)端面開(kāi)有36個(gè)通孔，每個(gè)關(guān)節(jié)靠3根柔性繩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)可以往上遞增，最多可以達(dá)到12個(gè)關(guān)節(jié)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是關(guān)節(jié)盤(pán)連接的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a和圖3b是關(guān)節(jié)盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是關(guān)節(jié)筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是底座前蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-關(guān)節(jié)盤(pán)，2-關(guān)節(jié)筒，3-前蓋板，4-底座筒，5-后蓋板，6-軸套，7-萬(wàn)向節(jié)，8-螺釘，9-關(guān)節(jié)盤(pán)側(cè)面孔，10-關(guān)節(jié)盤(pán)耳板，11-關(guān)節(jié)盤(pán)耳板孔，12-關(guān)節(jié)盤(pán)中空孔，13-關(guān)節(jié)盤(pán)通線孔，14-關(guān)節(jié)筒側(cè)面孔，15-關(guān)節(jié)筒通線孔，16-關(guān)節(jié)筒中空孔，17-萬(wàn)向節(jié)螺紋孔，18-萬(wàn)向節(jié)中空孔，19-前蓋板孔，20-前蓋板側(cè)面孔，21-前蓋板中空孔，22-通線孔臺(tái)階，23-柔性繩。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明中的本體主要有數(shù)個(gè)相同的關(guān)節(jié)連接而成，末端關(guān)節(jié)和底座通過(guò)螺釘連接在一起，關(guān)節(jié)盤(pán)1的上表面為平面，下表面部分實(shí)體切除形成凹形結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)有利于關(guān)節(jié)筒2和關(guān)節(jié)盤(pán)1安裝定位，關(guān)節(jié)盤(pán)1端面沿中軸線均勻開(kāi)有3n(1≤n≤12)個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)通線孔13，關(guān)節(jié)盤(pán)通線孔13用于安裝柔性繩23。關(guān)節(jié)盤(pán)1中間加工有關(guān)節(jié)盤(pán)中空孔12，其主要用于減輕機(jī)械臂的質(zhì)量。關(guān)節(jié)盤(pán)1側(cè)壁均勻開(kāi)有4個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)側(cè)面孔9，用于安裝和關(guān)節(jié)筒2連接的螺釘。關(guān)節(jié)盤(pán)1上表面沿中性面對(duì)稱加工有兩個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10，關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10用來(lái)安裝軸套6，軸套6和軸向安裝在軸套6內(nèi)部的螺釘8可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

關(guān)節(jié)筒2整體結(jié)構(gòu)為薄壁圓筒，中間的關(guān)節(jié)筒中空孔16主要是用于減輕機(jī)械臂質(zhì)量。端面沿軸線均勻分布3n個(gè)關(guān)節(jié)筒通線孔15，對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)盤(pán)1上的關(guān)節(jié)盤(pán)通線孔13，也是用于安裝柔性繩23。同樣，關(guān)節(jié)筒2在兩端面?zhèn)缺诙奸_(kāi)有4個(gè)均勻分布的關(guān)節(jié)筒側(cè)面孔14，用于安裝連接螺釘。

萬(wàn)向節(jié)7中間開(kāi)有萬(wàn)向節(jié)中空孔18，主要是用于減輕機(jī)械臂的質(zhì)量。萬(wàn)向節(jié)7四個(gè)側(cè)面對(duì)應(yīng)開(kāi)有萬(wàn)向節(jié)螺紋孔17，萬(wàn)向節(jié)螺紋孔17和關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10里面的軸套6通過(guò)螺釘8連接在一起，螺釘8和萬(wàn)向節(jié)7固接在一起，兩者之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

前蓋板3加工成凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)中間加工出前蓋板中空孔21，前蓋板中空孔21直徑和關(guān)節(jié)筒2外徑相同，關(guān)節(jié)筒2剛好能夠和前蓋板中空孔21配合連接在一起，同時(shí)電機(jī)端引出的柔性繩23能夠從前蓋板中空孔21出引至各關(guān)節(jié)。前蓋板3側(cè)面開(kāi)有6個(gè)前蓋板側(cè)面孔20，用于安裝前蓋板3和關(guān)節(jié)筒2連接的螺釘。前蓋板3開(kāi)有前蓋板孔19，其用來(lái)安裝連接前蓋板3和底座筒4的螺釘。

本發(fā)明為多關(guān)節(jié)柔性水下機(jī)械臂，數(shù)個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)1、關(guān)節(jié)筒2串聯(lián)構(gòu)成該機(jī)械臂臂體，機(jī)械臂底座由前蓋板3、后蓋板5以及底座筒4組成，由于電機(jī)等零部件本身結(jié)構(gòu)十分緊湊，因此這種拆分式底座結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)等零部件安裝比較便利。前蓋板3和底座筒4、后蓋板5和底座筒4之間通過(guò)外部螺釘連接固定。

工作過(guò)程：安裝在底座的電機(jī)驅(qū)動(dòng)柔性繩，通過(guò)改變?nèi)嵝岳K的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂臂體偏轉(zhuǎn)、俯仰運(yùn)動(dòng)的控制，臂體到達(dá)指定位置后，手爪張合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的抓取。末端傳感器主要用來(lái)檢測(cè)機(jī)械臂位置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的要求。

實(shí)施例：

如圖1所示，機(jī)械臂安裝過(guò)程中，柔性繩23的安裝比較復(fù)雜，柔性繩23在安裝過(guò)程中必須張緊，才能保證不會(huì)因?yàn)槿嵝岳K23安裝過(guò)程中的間隙造成控制的精度下降。如圖3a和圖3b所示，關(guān)節(jié)盤(pán)通線孔13加工出通線孔臺(tái)階22所示結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是不但能夠避免關(guān)節(jié)筒2和關(guān)節(jié)盤(pán)1安裝時(shí)候柔性繩23末端頭造成的干涉，同時(shí)通線孔臺(tái)階22也能保證柔性繩23末端頭的固定，從而避免柔性繩23未張緊造成的控制誤差。

如圖3a和圖3b、4所示，關(guān)節(jié)筒2和端面兩個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)1之間側(cè)面都開(kāi)有關(guān)節(jié)盤(pán)側(cè)面孔9、關(guān)節(jié)筒側(cè)面孔14，安裝時(shí)通過(guò)關(guān)節(jié)盤(pán)側(cè)面孔9、關(guān)節(jié)筒側(cè)面孔14擰入螺釘實(shí)現(xiàn)連接。

關(guān)節(jié)盤(pán)1的結(jié)構(gòu)如圖3a和圖3b所示，每個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)1上端面都加工有兩個(gè)對(duì)稱的關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10，關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10上都會(huì)開(kāi)有關(guān)節(jié)盤(pán)耳板孔11。關(guān)節(jié)之間連接如圖2所示，軸套6和關(guān)節(jié)盤(pán)耳板孔11過(guò)盈連接，關(guān)節(jié)盤(pán)耳板孔11靠近關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10內(nèi)表面加工有臺(tái)階，用于軸套6軸向定位。關(guān)節(jié)盤(pán)耳板10中間放入萬(wàn)向節(jié)7后，軸套6兩側(cè)擰入連接螺釘8，螺釘8和萬(wàn)向節(jié)7通過(guò)螺紋固連，和軸套6之間存在間隙，利于減輕時(shí)軸套6和螺釘8光桿之間摩損。這樣便可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)之間兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。相比現(xiàn)有鉸接連接形式，本發(fā)明采用的萬(wàn)向節(jié)7加螺釘8的連接結(jié)構(gòu)上更簡(jiǎn)單靈活，不會(huì)出現(xiàn)鉸接旋轉(zhuǎn)失靈的情況。

該機(jī)械臂臂體相較于傳統(tǒng)的機(jī)械臂，主要優(yōu)點(diǎn)在于零部件材料采用浮力材料，對(duì)于深海ROV末端作業(yè)工具，優(yōu)勢(shì)十分明顯，在材料的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、耐沖擊性、耐水解性滿足要求的情況下，浮力材料的浮力特性很好的減少了結(jié)構(gòu)本體質(zhì)量帶來(lái)的功率損耗，控制比較靈活。

該機(jī)械臂臂體相較于現(xiàn)有典型的6自由度+手爪的深海ROV末端作業(yè)工具，很大的特點(diǎn)在于具有很大的冗余自由度，對(duì)于深海作業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)械臂的靈活性得到很明顯的提升。

相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的轉(zhuǎn)角α為22.5°，復(fù)合關(guān)節(jié)達(dá)到10個(gè)時(shí)，機(jī)械臂的最大轉(zhuǎn)角α_max能夠到225°。

臂體每個(gè)關(guān)節(jié)由三根柔性繩呈120°均勻分布在關(guān)節(jié)盤(pán)圓周面上，其中一根柔性繩在電機(jī)作用下收縮，另外兩根柔性繩在這跟柔性繩作用下自由伸長(zhǎng),從而實(shí)現(xiàn)臂體一個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

臂體關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，萬(wàn)向節(jié)與關(guān)節(jié)盤(pán)之間通過(guò)螺釘固連在一起。

每個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)筒放在兩個(gè)關(guān)節(jié)盤(pán)凸臺(tái)內(nèi)部，然后通過(guò)在關(guān)節(jié)盤(pán)與關(guān)節(jié)筒壁面對(duì)應(yīng)的孔內(nèi)擰入連接螺釘實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)筒與關(guān)節(jié)盤(pán)的固定。

底座與機(jī)械臂臂體之間的連接主要通過(guò)底座以及靠近底座的關(guān)節(jié)側(cè)面上的螺釘直接連接。