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1、(10)申请公布号 CN 103921283 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103921283 A (21)申请号 201410158234.9 (22)申请日 2014.04.18 B25J 17/00(2006.01) B25J 19/00(2006.01) (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 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 张铭钧 杨超 姚峰 王玉甲 赵文德 马小委 赵克楠 (54) 发明名称 一种水下水液压机械手关节驱动装置 (57) 摘要 本发明的目的在于提供一种水下水液压机械 手。
2、关节驱动装置， 由水液压驱动部分、 位置检测部 分和前后关节连接部分组成 ； 位置检测部分和水 液压驱动部分通过驱动转子输出轴连接实现。水 液压驱动部分由驱动转子组件、 驱动定子组成， 并 通过左滚动轴承、 右滑动轴承支撑定位， 以及采用 密封 O 型圈、 密封格莱圈防止泄漏 ； 驱动转子组件 由驱动转轴、 驱动转子、 转子密封格莱圈、 转子 O 型密封圈、 驱动转子右端盖构成， 转子紧固安装在 驱动转轴上， 将转子与端盖接触的表面涂抹密封 胶， 将右端盖内孔涂抹密封胶安装在转子一侧， 并 通过转子预紧螺钉将转动轴、 转子、 转子右端盖锁 紧， 组装成一个整体组件。 本发明适用于水下作业 机械。
3、手的关节驱动。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103921283 A CN 103921283 A 1/1 页 2 1. 一种水下水液压机械手关节驱动装置， 其特征是 ： 包括水液压驱动部分、 位置检测 部分、 转动关节外壳、 关节左端盖、 关节右端盖， 水液压驱动部分和位置检测部分安装在转 动关节外壳里， 水液压驱动部分包括驱动转轴、 驱动定子、 驱动转子， 驱动定子固定在转动 关节外壳内壁上， 驱动转子与驱动转轴相固连， 驱。
4、动转轴设置在驱动定子旁， 关节左端盖和 关节右端盖分别固定在转动关节外壳的左右两侧， 关节左端盖和关节右端盖通过前关节连 接板相连， 驱动转轴分别通过左滚动轴承和右滑动轴承与关节左端盖和转动关节外壳相配 合， 位置检测部分包括旋转变压器、 卡簧， 旋转变压器包括旋转变压器定子、 旋转变压器转 子， 旋转变压器转子过盈安装在驱动转轴上， 旋转变压器定子位于旋转变压器转子外部， 卡 簧卡在旋转变压器定子和转动关节外壳上， 旋转变压器定子通过卡簧螺钉固定在转动关节 外壳上， 卡簧螺钉中部穿过卡簧， 转动关节外壳上安装水液压管接头、 电缆水密连接头， 水 液压管接头设置通孔， 通孔连通至转动关节外壳内。
5、部， 从水液压管接头进入的液体驱动驱 动转子和驱动转轴相对于驱动定子旋转， 电缆水密连接头通过电缆线连接旋转变压器定 子。 2. 根据权利要求 1 所述的一种水下水液压机械手关节驱动装置， 其特征是 ： 驱动转子 相对于驱动定子的旋转角度为 180 度 270 度。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的一种水下水液压机械手关节驱动装置， 其特征是 ： 右滑 动轴承与旋转变压器之间的转动关节外壳上设置开式密封沟槽， 开式密封沟槽里安装中部 密封格莱圈， 中部密封格莱圈与右滑动轴承过盈配合后形成闭式沟槽实现驱动转轴动密 封 ； 关节右端盖与转动关节外壳之间通过端盖 O 型密封圈密封 ； 驱动转子。
6、和驱动定子与转 动关节外壳之间设置转子右端盖， 转子右端盖套装在驱动转轴上， 转子右端盖和驱动转子 之间涂抹密封胶， 转子右端盖上与驱动转轴接触的面上设置密封槽， 密封槽里设置转子 O 型密封圈， 驱动转轴和转子右端盖与转动关节外壳相接触处设置沟槽， 沟槽里均安装转子 密封格莱圈 ； 电缆水密连接头与转动关节外壳之间通过水密头 O 型密封圈实现端面静密 封。 权 利 要 求 书 CN 103921283 A 2 1/5 页 3 一种水下水液压机械手关节驱动装置 技术领域 0001 本发明涉及的是一种驱动装置， 具体地说是水下驱动装置。 背景技术 0002 海洋蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源， 。
7、人类对海洋的开发和利用， 离不开水下 作业设备。水下机械手是水下作业设备常配置的作业工具， 而水下液压机械手作为其重要 分支成为研究热点。水下液压机械手具有较大的驱动力矩以及平稳性较好的优点， 液压系 统具有更好的重量功率比， 有利于减小机械手的整体重量和体积 ； 但近几年来， 随着人们对 水下液压机械手环保性、 安全性和节能性要求的增加， 基于以淡水或海水作为驱动介质的 水液压技术越来越受到重视。 0003 目前， 适用于水下机械手的关节驱动技术较为成熟， 如中国专利申请号为 200810063943.3、 名称为 “水下机械手上臂”以及中国专利申请号为 200810063942.9、 名称。
8、为 “水下机械手肩关节”的专利文件中， 机械手的驱动装置为直线液压缸， 由直线 液压缸构成的机械手关节驱动装置限制该关节所能转动的角度范围 ； 中国专利申请号 201110233303.4、 名称为 “一种水下液压机械手摆动关节结构” 的专利文件中， 机械手驱动 装置结构形式为螺旋摆动缸， 其结构较为复杂、 体积和重量较大， 而且不涉及关节作业信息 的反馈。 0004 由于淡水或海水粘度等特性与常用液压油有较大的区别， 导致上述等常用的液压 关节驱动装置存在较大的内泄漏、 外泄漏以及材料等不能满足使用要求 ； 同时为提高机械 手的控制精度， 机械手关节驱动装置需设计闭环反馈调节。 因此设计一种。
9、新型、 高效并具有 闭环反馈的关节驱动装置应用于水液压机械手上， 该装置需要在结构以及密封方式上有较 大改进， 以减少内泄漏和防止外泄漏。 发明内容 0005 本发明的目的在于提供机械手在水下作业的驱动力的一种水下水液压机械手关 节驱动装置。 0006 本发明的目的是这样实现的 ： 0007 本发明一种水下水液压机械手关节驱动装置， 其特征是 ： 包括水液压驱动部分、 位 置检测部分、 转动关节外壳、 关节左端盖、 关节右端盖， 水液压驱动部分和位置检测部分安 装在转动关节外壳里， 水液压驱动部分包括驱动转轴、 驱动定子、 驱动转子， 驱动定子固定 在转动关节外壳内壁上， 驱动转子与驱动转轴相。
10、固连， 驱动转轴设置在驱动定子旁， 关节左 端盖和关节右端盖分别固定在转动关节外壳的左右两侧， 关节左端盖和关节右端盖通过前 关节连接板相连， 驱动转轴分别通过左滚动轴承和右滑动轴承与关节左端盖和转动关节外 壳相配合， 位置检测部分包括旋转变压器、 卡簧， 旋转变压器包括旋转变压器定子、 旋转变 压器转子， 旋转变压器转子过盈安装在驱动转轴上， 旋转变压器定子位于旋转变压器转子 外部， 卡簧卡在旋转变压器定子和转动关节外壳上， 旋转变压器定子通过卡簧螺钉固定在 说 明 书 CN 103921283 A 3 2/5 页 4 转动关节外壳上， 卡簧螺钉中部穿过卡簧， 转动关节外壳上安装水液压管接头。
11、、 电缆水密连 接头， 水液压管接头设置通孔， 通孔连通至转动关节外壳内部， 从水液压管接头进入的液体 驱动驱动转子和驱动转轴相对于驱动定子旋转， 电缆水密连接头通过电缆线连接旋转变压 器定子。 0008 本发明还可以包括 ： 0009 1、 驱动转子相对于驱动定子的旋转角度为 180 度 270 度。 0010 2、 右滑动轴承与旋转变压器之间的转动关节外壳上设置开式密封沟槽， 开式密封 沟槽里安装中部密封格莱圈， 中部密封格莱圈与右滑动轴承过盈配合后形成闭式沟槽实现 驱动转轴动密封 ； 关节右端盖与转动关节外壳之间通过端盖 O 型密封圈密封 ； 驱动转子和 驱动定子与转动关节外壳之间设置转。
12、子右端盖， 转子右端盖套装在驱动转轴上， 转子右端 盖和驱动转子之间涂抹密封胶， 转子右端盖上与驱动转轴接触的面上设置密封槽， 密封槽 里设置转子 O 型密封圈， 驱动转轴和转子右端盖与转动关节外壳相接触处设置沟槽， 沟槽 里均安装转子密封格莱圈 ； 电缆水密连接头与转动关节外壳之间通过水密头 O 型密封圈实 现端面静密封。 0011 本发明的优势在于 ： 0012 1. 利用海水或淡水作为机械手液压介质， 为机械手设计了一种重量轻、 体积小、 安 装方便、 驱动力大以及无污染的水下液压机械手关节驱动装置。 0013 2. 采用模块化的设计方法， 设计关节驱动装置， 通过设计统一的关节连接方式。
13、可 将机械手的各自由度关节驱动模块相互替换， 满足关节驱动装置通用性和互换性的要求。 0014 3. 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， 形成水下机械手闭环反馈。 0015 4. 将水液压驱动装置以及位置检测装置集成在机械手关节驱动装置中， 使关节驱 动装置结构紧凑、 重量轻， 提高了机械手关节零部件及内部空间的使用效率。 附图说明 0016 图 1 为本发明的结构简图 ； 0017 图 2 为本发明的轴向剖视图 1 ； 0018 图 3 为本发明的轴向剖视图 2 ； 0019 图 4 为驱动转子组件的轴向剖视图 ； 0020 图 5 。
14、为图 4 驱动转子组件的 A-A 剖视图 ； 0021 图 6 为前关节连接板结构简图 ； 0022 图 7 为卡簧的结构简图 ； 0023 图 8a 为驱动转子的结构简图 a， 图 8b 为驱动转子的结构简图 b， 图 8c 为驱动转子 的结构简图 c ； 0024 图 9a 为驱动定子的结构简图 a， 图 9b 为驱动定子的结构简图 b， 图 9c 为驱动定子 的结构简图 c ； 0025 图10a为改进后驱动转子结构简图a， 图10b为改进后驱动转子结构简图b， 图10c 为改进后驱动转子结构简图 c ； 0026 图 11a 为改进后密封组件的结构简图 a， 图 11b 为改进后密封组。
15、件的结构简图 b， 说 明 书 CN 103921283 A 4 3/5 页 5 图 11c 为改进后密封组件的结构简图 c。 具体实施方式 0027 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 ： 0028 结合图 1 11， 本发明专利目的是提供一种重量轻、 体积小、 安装方便、 驱动力大 以及无污染的利用海水或淡水作为液压介质的水下液压机械手关节驱动装置。 该装置作为 水下液压机械手的最重要组成部分， 提供机械手在水下作业的驱动力， 并且通过位置检测 部分反馈机械手作业的角度、 角加速度等参数以便于上位机对机械手关节的控制 ； 该装置 采用水液压驱动， 能够为机械手提供较大的、 平稳性强的驱。
16、动力矩， 并且水液压方式相较于 油液压更为环保 （液压介质泄漏到外界环境中无污染） 、 安全性高。 0029 本发明专利的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0030 本发明专利采用水液压驱动方式， 液压介质为淡水或者海水皆可 ； 关节驱动装置 主要由水液压驱动部分、 位置检测部分和前后关节连接部分组成 ； 所述的位置检测部分和 水液压驱动部分通过驱动转子输出轴连接实现。 所述的水液压驱动部分主要由驱动转子组 件、 驱动定子组成， 并通过左滚动轴承、 右滑动轴承支撑定位， 以及采用密封 O 型圈、 密封格 莱圈防止泄漏 ； 驱动转子组件主要由驱动转轴、 驱动转子、 转子密封格莱圈、 转子 O 型。
17、密封 圈、 驱动转子右端盖构成， 转子紧固安装在驱动转轴上， 将转子与端盖接触的表面涂抹密封 胶， 将右端盖内孔涂抹密封胶安装在转子一侧， 并通过转子预紧螺钉将转动轴、 转子、 转子 右端盖锁紧， 组装成一个整体组件。 当关节驱动装置工作时， 液压介质作用于驱动转子受力 面使其带动驱动转子组件与驱动定子之间发生相对运动， 提供关节驱动装置动力。 0031 所述的位置检测部分主要由旋转变压器、 安装卡簧、 关节右端盖、 密封圈以及自制 的水密连接件组成。旋转变压器转子通过过盈配合安装在驱动转轴上， 定子通过两个半圆 形卡簧卡紧紧固在关节驱动装置外壳上 ； 旋转变压器为绝对式传感器， 驱动转轴带动。
18、传感 器转子和定子之间相对运动， 传感器产生角度角加速度信号传递回主控电路中， 实现对机 械手关节驱动的闭环控制。所述关节连接部分主要由关节左端盖、 关节右端盖和前关节连 接板组成 ； 关节左端盖与机械手相邻后关节通过平键连接固定， 关节右端盖转动轴与滚动 轴承过盈配合后与机械手相邻后关节连接 ； 前关节连接板通过螺钉和定位销安装在左右端 盖上， 再与机械手相邻前关节连接固定。 0032 如图 1 和图 2 所示， 本发明专利其主要特征在于 ： 采用淡水或海水作为液压介质， 主要由水液压驱动部分 6、 位置检测部分 5 和前后关节连接部分 4、 9、 15 组成 ； 将水液压驱 动部分 6 和。
19、位置检测部分 5 集成在转动关节外壳 11 内部， 通过水液压驱动转轴 8 以及关节 右端盖 15 的转轴与机械手相邻关节连接。转动关节外壳 11 上装配锥螺纹连接的水液压管 接头 1 以及电缆水密连接头 3 分别实现与外部液压油路和位置检测装置通信线路的连接。 0033 如图 1、 图 2 所示， 关节左端盖 9 通过左固定螺钉 10 安装在转动关节外壳 11， 关节 右端盖 15 通过右固定螺钉 16 固定在转动关节外壳 11 上， 并通过端盖 O 型密封圈 17 实现 密封 ； 关节左端盖 9 与机械手相邻后关节通过平键连接固定， 关节右端盖 15 转动轴通过滚 动轴承过盈配合后与机械手。
20、相邻后关节连接 ； 前关节连接板 4 通过螺钉和定位销安装在左 右端盖上， 再与机械手相邻前关节的连接固定。 0034 如图 1、 图 2 所示， 水液压驱动部分 6 通过驱动转子组件和驱动定子 12 之间相对 说 明 书 CN 103921283 A 5 4/5 页 6 运动实现其功能， 驱动转子组件和定子 12 之间转角为 180， 可通过调节驱动定子 12 和驱 动转子 22 的大小用以改变转角的大小， 最大转角能达到 270； 驱动定子 12 用定位销 2 定 位后， 通过定子螺钉 7 安装在转动关节外壳 11 上， 安装驱动定子 12 时将图 3 所示的密封组 合 31、 32 安装。
21、在定子圆弧面沟槽内， 减少液压介质的内泄漏 ； 驱动转子组件通过左右滑动 轴承13、 24支撑定位 ； 将中部密封格莱圈14安装在转动关节外壳11开式密封沟槽内部， 并 将其与右滑动轴承 13 过盈配合后形成闭式沟槽实现驱动转轴 8 动密封， 防止驱动部分 6 的 液压介质泄漏到位置检测部分 5， 造成传感器短路损坏。 0035 如图 3 所示， 旋转变压器转子 28 过盈安装在驱动转轴 8 上， 定子 27 通过两个半圆 形卡簧26卡紧后用卡簧螺钉18安装在转动关节外壳11上 ； 水下电缆与水密头固定基体连 接后， 并与固定基体进行硫化密封形成电缆水密连接头 3， 电缆水密连接头 3 通过固。
22、定基体 螺纹连接压紧在转动关节外壳 11 上， 在电缆水密连接头 3 与转动关节外壳 11 之间通过水 密头 O 型密封圈 25 实现端面静密封。 0036 如图4、 图5所示， 驱动转子22通过转子安装螺钉29和转子定位销30安装在驱动 转轴 8 上， 安装时将驱动转子 22 与驱动转轴 8 和转子右端盖 20 接触的表面涂抹密封胶 ； 将 转子 O 型密封圈 21 安装在转子右端盖 20 的密封槽内， 安装时将右端盖 20 内孔涂抹密封胶 后安装固定， 并通过转子预紧螺钉 19 将驱动转轴 8、 驱动转子 22、 转子右端盖 20 锁紧， 构成 驱动转子组件 ； 将转子密封格莱圈23安装在。
23、驱动转轴8和转子右端盖20沟槽内， 防止液压 介质与外部环境发生外泄漏 ； 驱动转子密封组件由提供弹性的丁腈橡胶圈 31 和方形 PTFE 聚四氟乙烯密封环 32 组成， 安装时将密封组件和与其配合的转动关节外壳 11 压紧完成密 封效果， 用以防止液压驱动部分 6 的内泄漏。 0037 这种实施方式的工作原理为 ： 0038 当机械手关节驱动装置工作时， 液压介质通过水液压管接头 1 进入到水液压驱动 部分 6， 作用在驱动转子 22 上带动整个驱动转子组件 8、 19、 20、 21、 22、 23 与驱动定子 12 之 间产生相对运动， 此时驱动转轴 8、 关节右端盖 15 连接的机械手。
24、相邻后关节与关节左端盖 9、 前关节连接板 4 紧固连接的机械手相邻前关节之间相对运动， 完成机械手的关节运动 ； 同时安装在驱动转轴 8 上的旋转变压器转子 28 与其定子 27 之间相对运动产生角度角加速 度信号通过电缆水密连接头 3 传递回主控电路中， 形成对机械手的闭环控制。 0039 结合图 3、 图 10 和图 11， 将驱动转子 22 改为如图 10 所示结构， 同时将密封组件 31、 32 改换为图 11 所示的自制的丁氰橡胶方形密封圈， 此种方式可以减少涂抹密封胶的安 装程序， 而且可以减少运动时的内泄漏量， 提高关节驱动装置的工作效率。 0040 水液压机械手关节驱动装置，。
25、 采用淡水或海水作为驱动液压介质， 主要由水液压 驱动部分 6、 位置检测部分 5 和前后关节连接部分 4、 9、 15 组成 ； 本装置优点在于将水液压 驱动部分 6 和位置检测部分 5 集成在转动关节外壳 11 内部， 通过驱动转轴 8 以及关节右端 盖 15 的转轴与机械手相邻关节紧固连接。 0041 转动关节外壳 11 上通过水液压管接头 1 以及电缆水密连接头 3 分别实现液压水 路和位置检测信号线路的连接。 0042 水液压驱动部分由驱动转子组件、 驱动定子 12、 转子 O 型密封圈 21、 左滚动轴承 24、 右滑动轴承 13 以及中部密封格莱圈 14 组成 ； 驱动定子 12。
26、 与驱动转子组件之间相对转 动， 转子组件通过左右轴承24、 13支撑定位 ； 中部密封格莱圈14安装在关节外壳11沟槽上 说 明 书 CN 103921283 A 6 5/5 页 7 并将右滑动轴承 13 过盈配合实现位置检测部分 5 的密封。 0043 位置检测部分由旋转变压器转子28和旋转变压器定子27、 安装卡簧26、 关节右端 盖 15、 端盖 O 型密封圈 17 以及电缆水密连接头 3 组成 ； 旋转变压器转子 28 过盈安装在驱 动转轴 8 上， 与定子 27 相对旋转产生角度角加速度信号通过电缆水密连接头 3 传递回主控 回路， 实现机械手闭环控制 ； 关节右端盖15用右固定螺。
27、钉16固定在转动关节外壳11上， 通 过端盖 O 型密封圈 17 密封。 0044 前后关节连接部分由关节左端盖 9、 关节右端盖 15 和前关节连接板 4 组成 ； 关节 左端盖 9 和前关节连接板 4 与相邻前关节紧固连接， 关节右端盖 15 的转动轴和滚动轴承过 盈配合后与机械手相邻后关节连接。 0045 驱动转子组件由驱动转轴 8、 驱动转子 22、 转子密封格莱圈 23、 转子 O 型密封圈 21、 转子右端盖 20、 转子预紧螺钉 19、 转子安装螺钉 29、 转子定位销 30 以及密封组件 31、 32 组成。驱动转子 22 两端面涂抹密封胶后安装于驱动转轴 8 上， 右端盖 2。
28、0 配合转子 O 型密 封圈21和驱动转轴8、 驱动转子22装配组成一个整体 ； 转子组件通过转子密封格莱圈23实 现径向动密封， 防止水介质外泄漏 ； 密封组件由丁腈橡胶圈31和方形PTFE聚四氟乙烯密封 环 32 组成。 0046 驱动定子12通过定子定位销2和定子螺钉7紧固连接于转动关节外壳11， 驱动定 子 12 主要的密封创新点在于其密封原件的改进， 并在驱动定子 12 上采用两道重复密封的 方式提高其密封效果。 说 明 书 CN 103921283 A 7 1/4 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103921283 A 8 2/4 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103921283 A 9 3/4 页 10 图 5 图 6 图 7 图 8a 图 8b 图 8c 图 9a 图 9b 说 明 书 附 图 CN 103921283 A 10 4/4 页 11 图 9c 图 10a 图 10b 图 10c 图 11a 图 11b 图 11c 说 明 书 附 图 CN 103921283 A 11 。