液压机械臂及排爆机器人的制作方法

1.本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种液压机械臂及排爆器机人。


背景技术：

2.排爆机器人可代替排爆人员对爆炸装置或武器实施侦察、转移、拆解和销毁，也可处置其他危险物品，或作为监视和攻击平台。通常排爆机器人的行走、机械臂、手抓等各个部件的驱动均采用电机驱动，但是，电机驱动的弊端在于其负载能力较差，对于负载力较高的场景，只能提高电机负载能力，但是电机负载的提高会导致其自身体积和重量的增大，不利于机器人的轻量化设计，尤其是对于机械臂末端执行部件而言，体积和重量的增加会对其有效负载产生副作用，因此，在负载要求较高的场合通常会考虑液压驱动。
3.目前，常见的排爆机器人的液压动力机械臂大多为两段式或三段式结构，动力元件为液压油缸，同时配合机器人的旋转平台能够实现末端手抓的三自由度空间位移，但是三自由度的动作仅适合在空间宽阔、排爆环境简单的场合，而无法适应一些空间狭小、环境复杂的排爆场景，从而增加了液压排爆机器人的使用局限性。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供一种液压机械臂及排爆机器人，旨在提高液压机械臂的动作自由度，确保液压驱动的排爆机器人能够适用于空间狭小、环境复杂的排爆场景。
5.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：第一方面，提供一种液压机械臂，包括底臂、第一油缸、主臂、第二油缸、中间臂、第三油缸、旋摆臂，以及尾臂，其中，底臂的一端用于固定连接在旋转平台的旋转输出端，另一端向上延伸；第一油缸的一端与底臂的固定端铰接，另一端与底臂的延伸端铰接，用于驱动底臂在竖直平面内摆动；主臂的一端与底臂的延伸端水平铰接，另一端在竖直平面内向远离底臂的方向延伸；第二油缸的一端与底臂的延伸端水平铰接，另一端与主臂的中部水平铰接，用于驱动主臂在竖直平面内摆动；中间臂的一端与主臂的延伸端水平铰接，另一端在竖直平面内向远离主臂的方向延伸，且延伸端设有第一液压摆缸；第三油缸的一端与主臂的中部水平铰接，另一端与中间臂的中部水平铰接，用于驱动中间臂在竖直平面内摆动；旋摆臂的一端与第一液压摆缸的输出端连接，旋摆臂在第一液压摆缸的驱动下于竖直平面内摆动，旋摆臂的另一端设有第二液压摆缸，第二液压摆缸与第一液压摆缸垂直；尾臂的一端与第二液压摆缸的输出端连接，另一端设有液压抓手，尾臂在第二液压摆缸的驱动下绕第二液压摆缸摆动。
6.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，底臂包括底座、两组支撑臂，以及水平连杆；底座用于水平固定连接在旋转平台的旋转输出端；两组支撑臂平行间隔设置于底座上，支撑臂的一端与底座水平铰接，另一端向上延伸；水平连杆的一端与其中一组支撑臂的延伸端铰接，中部与另一组支撑臂的延伸端铰接，另一端与主臂铰接，水平连杆上设有延伸至主臂下方的连接部，连接部与第二油缸铰接；其中，第一油缸的底端与底座铰接，顶端与其中一组支撑臂的延伸端铰接。
7.一些实施例中，每组支撑臂包括沿主臂的铰接轴的轴向间隔分布的两个支撑臂，底座上铰接有两个分别与其中一组的两个支撑臂位置对应的第一油缸。
8.示例性的，水平连杆具有两个，每个水平连杆分别对应连接平行于竖直平面间隔对齐的两个支撑臂，两个水平连杆朝向主臂的一端均设有向下延伸的连接耳，两个连接耳共同形成连接部。
9.举例说明，主臂和中间臂均为空心梁结构，第二油缸和第三油缸均置于主臂的内部，且主臂的两端底壁分别设有适于第二油缸和第三油缸的端部穿出的避让口。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，第二油缸/第三油缸的两端均穿设有连接轴，连接轴上于第二油缸/第三油缸的两侧分别套设有支撑套，两个支撑套分别用于抵接两个连接耳或主臂的两内侧壁或中间臂的两内侧壁。
11.一些实施例中，尾臂的内部中空，液压抓手包括抓手本体、第四油缸，及液压马达；其中，抓手本体转动连接于尾臂上，具有张合连杆机构；第四油缸设于尾臂内部，输出端与张合连杆机构连接；液压马达设于尾臂内部，且位于第四油缸的侧方，液压马达的输出端与抓手本体连接。
12.示例性的，主臂与底臂的铰接轴端、中间臂与主臂的铰接轴端、第一液压摆缸的输出端、第二液压摆缸的输出端均设有角度传感器。
13.本实用新型提供的液压机械臂的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型液压机械臂，底臂固定在旋转平台上具备水平转动自由度，还受第一油缸的驱动而在竖直平面内摆动的自由度，主臂与底臂铰接并受第二油缸的驱动而在竖直平面内具备摆动自由度，因此主臂的延伸端能够到达距离旋转平台更高更远的位置，在此基础上，铰接在主臂延伸端的中间臂受第三油缸的驱动而同样能够在竖直平面内摆动，从而能够与主臂、底臂围成倒u型的形态，能够避让障碍物，而旋摆臂与中间臂连接能够在第一液压摆缸的驱动下在竖直平面内摆动，尾臂连接在第二液压摆缸的输出端，具有与旋摆臂的摆动轴向垂直的摆动自由度，不仅相较于常规的三自由度机械臂多出了一个旋转自由度，而且比常规机械臂的关节更多，综合负载较大的底臂、主臂、中间臂采用液压油缸驱动，动力充沛，综合负载较小的旋摆臂和尾臂则采用液压摆缸驱动，相比于现有技术中采用电机驱动的方式在同等体积下能够具备更大的负载能力，能够在狭小空间内将液压抓手送达指定角度和位置，从而适应空间狭小、环境复杂的排爆场景。
14.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种排爆器机人，包括上述液压机械臂，具有与上述液压机械臂相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
15.图1为本实用新型实施例提供的液压机械臂的立体结构示意图；
16.图2为本实用新型实施例提供的液压机械臂的侧视(局部剖开)示意图；
17.图3为本实用新型实施例采用的第二油缸/第三油缸的立体结构示意图；
18.图4为本实用新型实施例所采用的液压抓手的结构示意图。
19.图中：10、底臂；100、竖直平面；11、底座；12、支撑臂；13、水平连杆；131、连接耳；20、第一油缸；30、主臂；300、角度传感器；40、第二油缸；41、连接轴；411、支撑套；50、中间臂；51、第一液压摆缸；60、第三油缸；70、旋摆臂；71、第二液压摆缸；80、尾臂；81、液压抓手；
811、抓手本体；8111、张合连杆机构；812、第四油缸；813、液压马达；90、旋转平台。
具体实施方式
20.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
21.请一并参阅图1至图4，现对本实用新型提供的液压机械臂进行说明。所述液压机械臂，包括底臂10、第一油缸20、主臂30、第二油缸40、中间臂50、第三油缸60、旋摆臂70，以及尾臂80，其中，底臂10的一端用于固定连接在旋转平台90的旋转输出端，另一端向上延伸；第一油缸20的一端与底臂10的固定端铰接，另一端与底臂10的延伸端铰接，用于驱动底臂10在竖直平面100内摆动；主臂30的一端与底臂10的延伸端水平铰接，另一端在竖直平面100内向远离底臂10的方向延伸；第二油缸40的一端与底臂10的延伸端水平铰接，另一端与主臂30的中部水平铰接，用于驱动主臂30在竖直平面100内摆动；中间臂50的一端与主臂30的延伸端水平铰接，另一端在竖直平面100内向远离主臂30的方向延伸，且延伸端设有第一液压摆缸51；第三油缸60的一端与主臂30的中部水平铰接，另一端与中间臂50的中部水平铰接，用于驱动中间臂50在竖直平面100内摆动；旋摆臂70的一端与第一液压摆缸51的输出端连接，旋摆臂70在第一液压摆缸51的驱动下于竖直平面100内摆动，旋摆臂70的另一端设有第二液压摆缸71，第二液压摆缸71与第一液压摆缸51垂直；尾臂80的一端与第二液压摆缸71的输出端连接，另一端设有液压抓手81，尾臂80在第二液压摆缸71的驱动下绕第二液压摆缸71摆动。
22.需要说明的是，本实施例中竖直平面100为垂直于第一油缸20的铰接轴的轴向的平面，配合旋转平台90的水平转动自由度，若液压抓手81本身具备旋转自由度，则最终液压抓手81能够获得空间五自由度，若液压抓手81只有张合动作，那么相当于具有四个自由度，就液压机械臂本身而言，能够输出三个自由度，比常规的两段或三段式结构多出一个自由度，而且关节数量更多，从而能够适应更加复杂的环境，提高越障灵活性，尤其是在狭小空间内旋转平台90位置不变的情况下能够使液压抓手81获得更多的角度和相对位置。
23.本实施例提供的液压机械臂，与现有技术相比，底臂10固定在旋转平台90上具备水平转动自由度，还受第一油缸20的驱动而在竖直平面100内摆动的自由度，主臂30与底臂10铰接并受第二油缸40的驱动而在竖直平面100内具备摆动自由度，因此主臂30的延伸端能够到达距离旋转平台90更高更远的位置，在此基础上，铰接在主臂30延伸端的中间臂50受第三油缸60的驱动而同样能够在竖直平面100内摆动，从而能够与主臂30、底臂10围成倒u型的形态，能够避让障碍物，而旋摆臂70与中间臂50连接能够在第一液压摆缸51的驱动下在竖直平面100内摆动，尾臂80连接在第二液压摆缸71的输出端，具有与旋摆臂70的摆动轴向垂直的摆动自由度，不仅相较于常规的三自由度机械臂多出了一个旋转自由度，而且比常规机械臂的关节更多，综合负载较大的底臂10、主臂30、中间臂50采用液压油缸驱动，动力充沛，综合负载较小的旋摆臂70和尾臂80则采用液压摆缸驱动，相比于现有技术中采用电机驱动的方式在同等体积下能够具备更大的负载能力，能够在狭小空间内将液压抓手81送达指定角度和位置，从而适应空间狭小、环境复杂的排爆场景。
24.在一些实施例中，参见图1，底臂10包括底座11、两组支撑臂12，以及水平连杆13；
底座11用于水平固定连接在旋转平台90的旋转输出端；两组支撑臂12平行间隔设置于底座11上，支撑臂12的一端与底座11水平铰接，另一端向上延伸；水平连杆13的一端与其中一组支撑臂12的延伸端铰接，中部与另一组支撑臂12的延伸端铰接，另一端与主臂30铰接，水平连杆13上设有延伸至主臂30下方的连接部，连接部与第二油缸40铰接；其中，第一油缸20的底端与底座11铰接，顶端与其中一组支撑臂12的延伸端铰接。
25.具体的，本实施例中，每组支撑臂12包括沿主臂30的铰接轴的轴向间隔分布的两个支撑臂12，底座11上铰接有两个分别与其中一组的两个支撑臂12位置对应的第一油缸20；水平连杆13具有两个，每个水平连杆13分别对应连接平行于竖直平面100间隔对齐的两个支撑臂12，两个水平连杆13朝向主臂30的一端均设有向下延伸的连接耳131，两个连接耳131共同形成连接部。
26.采用两组支撑臂12配合水平连杆13组成平行四边形的四连杆结构，在支撑臂12受第一油缸20的驱动于竖直平面100内摆动的过程中，水平连杆13始终保持水平状态，与竖直平面100平行的两个平面内的分别组成一个四连杆结构，不仅自身结构稳定可靠，而且还能够提高对于主臂30的支撑稳定性，同时也有利于整机减重。
27.具体地，参见图2，本实施例中主臂30和中间臂50均为空心梁结构，第二油缸40和第三油缸60均置于主臂30的内部，且主臂30的两端底壁分别设有适于第二油缸40和第三油缸60的端部穿出的避让口。主臂30和中间臂50采用空心梁结构不能够实现第二油缸40和第三油缸60的内置安装，优化整体外观，同时还有利于减重，提高有效负载率。
28.需要理解的是，参见图3，在本实施例中，第二油缸40/第三油缸60的两端均穿设有连接轴41，连接轴41上于第二油缸40/第三油缸60的两侧分别套设有支撑套411，两个支撑套411分别用于抵接两个连接耳131或主臂30的两内侧壁或中间臂50的两内侧壁。应理解，第二油缸40和第三油缸60的实际连接结构是相同的，在此以第二油缸40为例说明，通过两个支撑套411配合能够对第二油缸40端部的连接位置进行限位，确保第二油缸40在连接轴41的轴向上保持居中，能够避免主臂30所受的支撑力偏离重心所在平面，提高驱动稳定性，同时利用两个套设在同一连接轴41上的支撑套411能够对主臂30的内壁进行支撑，从而提高主臂30的结构强度。
29.一些可能的实现方式中，如图2及图4所示，尾臂80的内部中空，液压抓手81包括抓手本体811、第四油缸812，及液压马达813；其中，抓手本体811转动连接于尾臂80上，具有张合连杆机构8111；第四油缸812设于尾臂80内部，输出端与张合连杆机构连接；液压马达813设于尾臂80内部，且位于第四油缸812的侧方，液压马达813的输出端与抓手本体811连接。采用中空的尾臂80结构一方面能够减重，提高有效负载率，另一方面能够容纳第四油缸812和液压马达813，提高结构紧凑性，从而适应空间狭小的排爆环境。
30.一些实施例中，参见图1，主臂30与底臂10的铰接轴端、中间臂50与主臂30的铰接轴端、第一液压摆缸51的输出端、第二液压摆缸71的输出端均设有角度传感器300。应理解，各个角度传感器300与排爆机器人的控制系统电性连接，通过各个角度传感器300能够检测到各个铰接位置的摆动角度，从而方便控制系统计算获得液压抓手81的位置坐标，当然，在排爆机器人已知排爆点位置坐标的情况下，控制系统也能够通过向各个驱动件(油缸、摆缸及马达)发送动作信号，并通过角度传感器300控制各个驱动件执行相应的动作幅度，从而使液压抓手81准确抓取目标。
31.应当说明的是，抓手本体811为常规的张合手抓，其基于连杆机构通过伸缩驱动而实现张合动作，此类手抓结构为常规机器人手抓结构，在此不过多详述，本实施例中关键在于利用液压油缸作为伸缩动力，液压马达813作为旋转动力，相较于常规的电机驱动方式能够在同样甚至更小的体积条件下获得更大的负载能力。
32.基于同一发明构思，请结合图1至图4理解，本技术实施例还提供一种排爆器机人，包括上述液压机械臂。
33.本实施例提供的排爆机器人，采用了上述液压机械臂，不仅相较于常规的三自由度机械臂多出了一个旋转自由度，而且比常规机械臂的关节更多，综合负载较大的底臂10、主臂30、中间臂50采用液压油缸驱动，动力充沛，综合负载较小的旋摆臂70和尾臂80则采用液压摆缸驱动，相比于现有技术中采用电机驱动的方式在同等体积下能够具备更大的负载能力，能够在狭小空间内将液压抓手81送达指定角度和位置，从而适应空间狭小、环境复杂的排爆场景。
34.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。