一种液压驱动的多自由度深海机械臂及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种液压驱动的多自由度深海机械臂及其控制方法，多自由度深海机械臂包含若干个关节；关节包含两个变形单元；变形单元均包含压电泵和两个硅橡胶伸缩管；压电泵呈板状，包含位于两端的第一进出口和第二进出口，且第一进出口位于上端面、第二进出口位于下端面；两个硅橡胶伸缩管均一端开口、一端封闭，内部均盛有液体；两个变形单元的压电泵固连、呈十字正交设置。相邻关节之间通过其两个变形单元的硅橡胶伸缩管对应相连。工作时，通过调整各个关节第一变形单元、第二变形单元中第一硅橡胶伸缩管和第二硅橡胶伸缩管的长度，实现深海机械臂多自由度的运动和定位。

A hydraulic driven multi degree of freedom deep-sea mechanical arm and its control method

The invention discloses a multi-degree-of-freedom deep-sea manipulator driven by hydraulic pressure and a control method thereof. The multi-degree-of-freedom deep-sea manipulator comprises several joints; the joints contain two deformation units; the deformation units both contain piezoelectric pumps and two silicone rubber telescopic tubes; and the piezoelectric pumps are in a plate shape, including the first inlet and outlet and the second outlet located at both ends. The inlet and outlet, the first inlet and outlet is located at the upper end, the second inlet and outlet is located at the lower end; the two silicone rubber expansion pipes are open at one end, one end is closed, and both of them are filled with liquid; the piezoelectric pumps of the two deformation units are fixed and cross-orthogonal. The adjacent joints are connected by the silicon rubber telescopic tube of the two deformation units. When working, the multi-degree-of-freedom motion and positioning of the deep-sea manipulator are realized by adjusting the length of the first deformation unit, the first silicone rubber expansion tube and the second silicone rubber expansion tube in the second deformation unit of each joint.

【技术实现步骤摘要】
一种液压驱动的多自由度深海机械臂及其控制方法
本专利技术涉及压电作动器、压电泵及机器人领域，尤其涉及一种液压驱动的多自由度深海机械臂及其控制方法。
技术介绍
现有的液压式水下机器手结构复杂、功率要求高，难以适应AUV微型化的发展趋势；近年来发展出来的充油平衡深海水压、无刷直流电机驱动的方式，在密封和压力补偿方面还需要进一步研究，以降低能量消耗和油液泄漏、海水入侵的风险，在对深海水压适应性方面仍存在不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种液压驱动的多自由度深海机械臂及其控制方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种液压驱动的多自由度深海机械臂，包含若干个关节；所述关节包含第一变形单元和第二变形单元；所述第一变形单元、第二变形单元均包含压电泵、第一硅橡胶伸缩管和第二硅橡胶伸缩管；所述压电泵呈板状，包含位于两端的第一进出口和第二进出口，且第一进出口位于上端面、第二进出口位于下端面；所述第一硅橡胶伸缩管、第二硅橡胶伸缩管均一端开口、一端封闭，内部均盛有液体；所述第一硅橡胶伸缩管的开口端和所述压电泵的第二进出口相连，所述第二硅橡胶伸缩管的封闭端和所述压电泵第一进出口的背面固连；所述第一变形单元的压电泵和第二变形单元的压电泵固连、呈十字正交设置；所述关节第一变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第一变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第一进出口相连、第二变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第二变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第一进出口相连。作为本专利技术一种液压驱动的多自由度深海机械臂进一步的优化方案，所述压电泵包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；所述基板为矩形片状结构，其四边均设有包板，使得所述基板的上侧形成没有上端面的长方体状腔体、下侧形成没有下端面的长方体状腔体；所述第一、第二硅橡胶层均为矩形片状结构，其中，所述第一硅橡胶层的左侧的短边和两条长边上均设有向上且和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第一硅橡胶层的上侧形成一个上端面和右侧面开口的长方体状的腔体；所述第二硅橡胶层的右侧的短边和两条长边上均设有向下且和第二硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第二硅橡胶层的下侧形成一个下端面和左侧面开口的长方体状的腔体；所述第一硅橡胶层设置在所述基板的上端面上，其左侧短边和两条长边处均所述基板上端面的腔体过盈配合；所述第二硅橡胶层设置在所述基板的下端面上，其右侧短边和两条长边处均所述基板下端面的腔体过盈配合；所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，其中，所述第一压电振子的承载板设置在所述第一硅橡胶层上侧的腔体中、其左侧的短边和两条长边分别和所述第一硅橡胶层上侧的腔体对应过盈配合，所述第一压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的上表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第二压电振子的承载板设置在所述第二硅橡胶层下侧的腔体中、其右侧的短边和两条长边分别所述第二硅橡胶层下侧的腔体对应过盈配合，所述第二压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的下表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第一预压力顶板设置在所述第一压电振子上，其下端面设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述第一预压力顶板的压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第一预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；所述第二预压力顶板设置在所述第二压电振子下，其上端面设有若干用于压住所述第二压电振子承载板的长条状压块，所述第二预压力顶板的压块均设置在所述第二压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有用于包住所述基板两条长边处包板的侧板，且第二预压力顶板两侧的侧板上都设有垂直于侧板朝外的固定板；所述第一预压力顶板两侧侧板上的固定板分别和所述第二预压力顶板两侧侧板上的固定板对应固定相连；所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第一压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；所述基板、第一硅橡胶层、第二硅橡胶层在所述第二压电振子产生驻波的波峰、波谷处均设有设有垂直于基板长边所在直线的缝隙；所述第一压电振子产生驻波和所述第二压电振子产生驻波相同但相互错位，错位距离大于零且小于1/2个驻波波长，使得第一压电振子承载板的右侧短边和基板上端面右侧的包板之间形成第一进出口，第二压电振子承载板的左侧短边和基板下端面左侧的包板之间形成第二进出口。作为本专利技术一种液压驱动的多自由度深海机械臂进一步的优化方案，所述基板的上端面、下端面上均设有至少两个用于定位的定位柱；所述第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上均设有和所述基板上端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板上端面上的定位柱依次穿过第一硅橡胶层、第一压电振子的承载板上和其对应的定位孔；所述第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上均设有和所述基板下端面上的定位柱一一对应的定位孔，所述基板下端面上的定位柱依次穿过第二硅橡胶层、第二压电振子的承载板上和其对应的定位孔。作为本专利技术一种液压驱动的多自由度深海机械臂进一步的优化方案，所述基板两条长边处包板的外壁上设有凹槽；所述第一、第二预压力顶板两侧的侧板上均设有和所述基板两条长边处包板的外壁上的凹槽相配合的凸起，以防止所述基板相对第一、第二预压力顶板移动。本专利技术还公开了一种基于该液压驱动的多自由度深海机械臂的控制方法，包含如下步骤：对于每个压电泵，在所述第一、第二压电振子上施加时间上相差π/2的正弦信号，使得第一压电振子和第一硅橡胶层之间、第二压电振子和第二硅橡胶层之间形成若干随时间变化的腔体，同时第一压电振子波谷处与第一硅橡胶层上缝隙贴合，第二压电振子波峰处与第二硅橡胶层上缝隙贴合，使得对应缝隙关闭，其余缝隙打开，波峰波谷随着时间变化，使得缝隙对应打开、关闭；腔体容积及位置的变化与第一、第二硅橡胶层上缝隙开、闭相配合，使液体由所述第一进出口泵至第二进出口或由第二进出口泵至第一进出口；通过改变所述第一、第二压电振子正弦信号相位差的先后顺序，改变液体的流动方向；通过调整各个关节第一变形单元、第二变形单元中第一硅橡胶伸缩管和第二硅橡胶伸缩管的长度，实现深海机械臂多自由度的运动和定位。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1.压电泵结构简单，功率要求低，压电振子振幅小，可实现极小流量泵出，进而可以精确控制臂运动；2.工作是内部腔体和流道充满海水，满足深海水作业所要求的抗高水压要求，可实现空间上的多自由度定向运动。附图说明图1为本专利技术液压驱动的多自由度深海机械臂的等轴侧视图；图2为本专利技术中压电泵的等轴测视图；图3为本专利技术中压电泵的结构爆炸图；图4为本专利技术中压电泵的剖视图；图5为本专利技术中基板的结构示意图；图6为本专利技术中第一硅橡胶层的结构示意图；图7为本专利技术中第一压电振子的结构示意图；图8为本专利技术中第二预压力顶板的结构示意图；图9为本专利技术中压电泵的工作部分的工作原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液压驱动的多自由度深海机械臂，其特征在于，包含若干个关节；所述关节包含第一变形单元和第二变形单元；所述第一变形单元、第二变形单元均包含压电泵、第一硅橡胶伸缩管和第二硅橡胶伸缩管；所述压电泵呈板状，包含位于两端的第一进出口和第二进出口，且第一进出口位于上端面、第二进出口位于下端面；所述第一硅橡胶伸缩管、第二硅橡胶伸缩管均一端开口、一端封闭，内部均盛有液体；所述第一硅橡胶伸缩管的开口端和所述压电泵的第二进出口相连，所述第二硅橡胶伸缩管的封闭端和所述压电泵第一进出口的背面固连；所述第一变形单元的压电泵和第二变形单元的压电泵固连、呈十字正交设置；所述关节第一变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第一变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第一进出口相连、第二变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第二变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第一进出口相连。

【技术特征摘要】
1.一种液压驱动的多自由度深海机械臂，其特征在于，包含若干个关节；所述关节包含第一变形单元和第二变形单元；所述第一变形单元、第二变形单元均包含压电泵、第一硅橡胶伸缩管和第二硅橡胶伸缩管；所述压电泵呈板状，包含位于两端的第一进出口和第二进出口，且第一进出口位于上端面、第二进出口位于下端面；所述第一硅橡胶伸缩管、第二硅橡胶伸缩管均一端开口、一端封闭，内部均盛有液体；所述第一硅橡胶伸缩管的开口端和所述压电泵的第二进出口相连，所述第二硅橡胶伸缩管的封闭端和所述压电泵第一进出口的背面固连；所述第一变形单元的压电泵和第二变形单元的压电泵固连、呈十字正交设置；所述关节第一变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第一变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第一变形单元的压电泵的第一进出口相连、第二变形单元的第一硅橡胶伸缩管的封闭端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第二进出口的背面固连、第二变形单元的第二硅橡胶伸缩管的开口端和相邻关节第二变形单元的压电泵的第一进出口相连。2.根据权利要求1所述的液压驱动的多自由度深海机械臂，其特征在于，所述压电泵包含基板、第一至第二硅橡胶层、第一至第二压电振子、以及第一至第二预压力顶板；所述基板为矩形片状结构，其四边均设有包板，使得所述基板的上侧形成没有上端面的长方体状腔体、下侧形成没有下端面的长方体状腔体；所述第一、第二硅橡胶层均为矩形片状结构，其中，所述第一硅橡胶层的左侧的短边和两条长边上均设有向上且和第一硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第一硅橡胶层的上侧形成一个上端面和右侧面开口的长方体状的腔体；所述第二硅橡胶层的右侧的短边和两条长边上均设有向下且和第二硅橡胶层垂直的硅橡胶片，使得所述第二硅橡胶层的下侧形成一个下端面和左侧面开口的长方体状的腔体；所述第一硅橡胶层设置在所述基板的上端面上，其左侧短边和两条长边处均所述基板上端面的腔体过盈配合；所述第二硅橡胶层设置在所述基板的下端面上，其右侧短边和两条长边处均所述基板下端面的腔体过盈配合；所述第一、第二压电振子均包含呈矩形的承载板和若干压电陶瓷片，其中，所述第一压电振子的承载板设置在所述第一硅橡胶层上侧的腔体中、其左侧的短边和两条长边分别和所述第一硅橡胶层上侧的腔体对应过盈配合，所述第一压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的上表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第二压电振子的承载板设置在所述第二硅橡胶层下侧的腔体中、其右侧的短边和两条长边分别所述第二硅橡胶层下侧的腔体对应过盈配合，所述第二压电振子的若干压电陶瓷片设置在其承载板的下表面、用于激发其承载板的弯曲振动模态；所述第一预压力顶板设置在所述第一压电振子上，其下端面设有若干用于压住所述第一压电振子承载板的长条状压块，所述第一预压力顶板的压块均设置在所述第一压电振子承载板上驻波的节线位置处；所述第一预压力顶板在其两侧均设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王方一，金家楣，叶子龙，于鹏鹏，蒋正，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32