[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号200810063945.2
[51]Int.CI.
B25J 17/00 (2006.01)B63C 11/52 (2006.01)
[43]公开日2008年7月23日[22]申请日2008.01.30[21]申请号200810063945.2
[71]申请人哈尔滨工程大学
地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街
145号1号楼哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室[72]发明人姚建均 王立权 王茁 王成军 王才东
张存良
[11]公开号CN 101224582A
权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页
[54]发明名称
水下机械手三自由度腕关节结构
[57]摘要
本发明提供的是一种水下机械手三自由度腕关节结构。联接架12通过腕关节俯仰转动轴2、腕关节偏航转动轴4分别与前臂1和腕部11相联接；前臂1内的第二液压缸8底端安装在前臂1空腔内的液压缸底端联接轴9上，第二液压缸8的活塞杆端联接在联接架12上的液压缸活塞杆联接轴3上；连杆6一端联接在腕部11的连杆联接轴5上，连杆6另一端与第一液压缸7活塞杆相联接，该液压缸的底端固定在联接架12上；液压马达安装在腕部11内。整个腕关节结构设计紧凑，可以实现腕关节的三自由度运动，具有操作灵活，提高作业空间、减小水下机械手作业死区等优点。
200810063945.2
权 利 要 求 书
第1/1页
1.一种水下机械手三自由度腕关节结构，由前臂[1]、腕关节俯仰转动轴[2]、液压缸活塞杆联接轴[3]、腕关节偏航转动轴[4]、连杆联接轴[5]、连杆[6]、第一液压缸[7]、第二液压缸[8]、液压缸底端联接轴[9]、液压缸底端固定座[10]、腕部[11]和联接架[12]组成，其特征是：联接架[12]通过腕关节俯仰转动轴[2]、腕关节偏航转动轴[4]分别与前臂[1]和腕部[11]相联接；前臂[1]内的第二液压缸[8]底端安装在前臂[1]空腔内的液压缸底端联接轴[9]上，第二液压缸[8]的活塞杆端联接在联接架[12]上的液压缸活塞杆联接轴[3]上；连杆[6]一端联接在腕部[11]的连杆联接轴[5]上，连杆[6]另一端与第一液压缸[7]活塞杆相联接，该液压缸的底端固定在联接架[12]上；液压马达安装在腕部[11]内。
2
200810063945.2
说 明 书
水下机械手三自由度腕关节结构
第1/3页
(一)技术领域
本发明涉及的是一种水下机器人结构，具体地说是一种供水下机器人使用的水下机械手三自由度腕关节结构。 (二)背景技术
海洋拥有丰富的生物资源、矿物资源和大量的石油、煤和天然气等能源。随着陆地上的资源不断断缺，因此人类走向海洋是必然趋势。同时海洋决定了地球各地区的气候，海洋的生态环境是地球的生态环境的晴雨表，因此有必要对海洋的各个部分，包括人无法到达的地方，进行环境监测。
目前世界上许多国家都认识到利用和开发海洋的重要性，纷纷投入大量的资金、人力、物力从事这方面的研究工作。海洋资源开发、海洋环境气候研究、内河水运、水资源利用等在国民经济中的地位决定了发展水下技术和水下作业系统的重要意义。各种水下机器人被海洋科学家们一致公认为是开发海洋资源最重要的基础技术。水下机器人将是今后人类开发和利用海洋的重要手段之一，在某些环境下，水下机器人能完成大量人类所根本无法完成的工作。现在，水下机器人已经广泛应用于海底矿产资源开发、海上救助打捞、海洋调查、水下工程施工以及军事和国防建设等许多方面，并已经产生了很大的经济效益、社会效益和国防效益。
水下机器人主要分为有缆水下机器人和无缆水下机器人。由于海洋石油工业的兴起导致了有缆水下机器人的迅速发展，并使其成为海洋石油开发必不可少的设备之一。按作业任务来划分，水下机器人可以分为作业型和观察型。作业型水下机器人基本上都是ROV(Remotely Operated Vehicle)。ROV是当前海洋探索研究最主要的工具之一，作业系统是ROV的重要组成部分，主要包括机械手及作业工具。水下机械手的研制和开发一直是水下机器人研究开发中的一项重要内容，通常把机械手视为ROV上作业系统的心脏。
《六功能水下机械手的变结构控制方法和应用研究》(中国科学院沈阳自动化研究所硕士论文，2002)、《监控式水下机械手及相关技术的研究》(中国科学
3
200810063945.2说 明 书 第2/3页
院沈阳自动化研究所硕士论文，2001)、《5自由度自主式水下机械手的研制》(中国机械工程，2001，12增刊：16～18)、《深海水下作业型机械手控制系统研究》(浙江大学硕士学位论文，2006：15～20)中公开的的腕部结构均不是三自由度的；《水下机器人机械手控制系统设计》(凿岩机械气动工具，2003(4)：53～58)中公开的水下机械手虽然可以实现腕关节上下摆动、腕关节前后摆动、腕关节旋转，但没有给出具体结构形式，并且从给出的图的外形看，其腕部结构与本申请的结构形式有很大差别。 (三)发明内容
为实现水下机械手重量轻、体积小、结构紧凑、操纵灵活、运动范围大等要求，在设计水下机械手的各个关节时必须要充分考虑其机械结构。本发明提供了一种可供作业型水下机器人使用的、结构简单、转动灵活、能实现大范围转动和腕关节三自由度运动的腕关节结构。 本发明的目的是这样实现的：
本发明由前臂1、腕关节俯仰转动轴2、液压缸活塞杆联接轴3、腕关节偏航转动轴4、连杆联接轴5、连杆6、第一液压缸7、第二液压缸8、液压缸底端联接轴9、液压缸底端固定座10、腕部11和联接架12组成，其中联接架12通过腕关节俯仰转动轴2、腕关节偏航转动轴4分别与前臂1和腕部11相联接；前臂1内的第二液压缸8底端安装在前臂1空腔内的液压缸底端联接轴9上，第二液压缸8的活塞杆端联接在联接架12上的液压缸活塞杆联接轴3上；连杆6一端联接在腕部11的连杆联接轴5上，连杆6另一端与第一液压缸7活塞杆相联接，该液压缸的底端固定在联接架12上；液压马达安装在腕部11内。 整个腕关节结构设计紧凑，可以实现腕关节的三自由度运动，具有操作灵活，提高作业空间、有效减小水下机械手作业死区等优点。 本发明的主要优点是：
(1)本发明专利供水下机器人使用，具有机构简单、结构紧凑、布置合理的特点。
(2)通过前臂内的液压缸实现腕关节的俯仰转动运动，通过液压缸-连杆作用实现腕关节的偏航转动运动，通过腕部内的液压马达实现腕关节的回转运动。
4
200810063945.2说 明 书 第3/3页
(3)实现了腕部三自由度的运动，提高了水下机械手的作业范围，减少了水下机械手的作业死区。 (四)附图说明
图1是本发明的立体结构示意图； 图2是本发明的平面结构示意图； 图3是图2的俯视图。 (五)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-图3，水下机械手三自由度腕关节结构由前臂1、腕关节俯仰转动轴2、液压缸活塞杆联接轴3、腕关节偏航转动轴4、连杆联接轴5、连杆6、第一液压缸7、第二液压缸8、液压缸底端联接轴9、液压缸底端固定座10、腕部11和联接架12组成，其中联接架12通过腕关节俯仰转动轴2、腕关节偏航转动轴4分别与前臂1和腕部11相联接；前臂1内的第二液压缸8底端安装在前臂1空腔内的液压缸底端联接轴9上，第二液压缸8的活塞杆端联接在联接架12上的液压缸活塞杆联接轴3上；连杆6一端联接在腕部11的连杆联接轴5上，连杆6另一端与第一液压缸7活塞杆相联接，该液压缸的底端固定在联接架12上；液压马达安装在腕部11内。
本发明的工作过程与原理为：前臂1空腔内的第二液压缸8的直线运动驱动腕关节绕腕关节俯仰转动轴2转动，实现腕关节的俯仰运动；第一液压缸7的直线运动带动连杆6运动，从而驱动腕关节绕腕关节偏航转动轴4运动，实现腕关节的偏航转动；腕部11内的液压马达驱动腕关节的回转运动，实现腕关节的回转运动。
5
200810063945.2
说 明 书 附 图
第1/1页
6
