一种集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节的制作方法

本发明涉及特种作业机械手以及深海作业装备技术领域，特别是一种集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节。

背景技术：

能够在深海环境中作业的主要工具为水下机械臂，其工作能力主要取决于驱动元件的输出能量密度，工作范围主要取决于关节的运动能力及机械臂的构型设计。因此，需要开发出具有高能量密度驱动元件、结构紧凑且拥有大范围运动空间的关节。现有水下机械臂驱动方式包括液压驱动与电机驱动，其中电机驱动的功率密度低，液压驱动具有较高的输出重量比，但在深海环境中，需要加热装置防止液压油粘度增大无法流动，使得整体机构的体积增大，给实际作业带来不便。近年来，流体人工肌肉作为一种新型驱动器，广泛应用于医疗机械领域。驱动介质为水的流体人工肌肉称为水压人工肌肉，其工作介质可以为过滤后的海水，与环境兼容，无需压力补偿装置。在同等横截面积下，水压人工肌肉的输出重量比为液压缸的5倍。因此，采用水压人工肌肉驱动关节，更有利于关节的轻小型化设计。然而，目前采用流体人工肌肉驱动的关节仅仅能实现一定的运动功能，未能在关节中集成驱动阀组，更没有模块化设计，导致整体机械臂的体积庞大、笨重，耗能极大。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种轻小型化的集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节，包括关节轮、第一收紧装置、第一传动丝、控制器密封舱、第一传动装置、第一水压人工肌肉、异形支撑柱、机架、第二水压人工肌肉、第二传动装置、控制阀组、第二传动丝、第二收紧装置、第一套筒、第一锁紧螺母、第一收紧弹簧、第二套筒、第二锁紧螺母、第二收紧弹簧、第一滑轮、第一保持架、第二滑轮和第二保持架；

所述控制器密封舱的左端与关节轮连接、右端与异形支撑柱的左端连接，所述异形支撑柱的右端与机架连接；所述第一水压人工肌肉和第二水压人工肌肉分别位于异形支撑柱的前后两侧；所述第一水压人工肌肉的封闭端与第一传动装置的右端连接、进水端与机架连接；所述第二水压人工肌肉的封闭端与第二传动装置的右端连接、进水端与机架连接；

所述第一传动丝为高强度柔性丝，高强度柔性丝的一端与关节轮连接、另一端绕过第一传动装置的第一滑轮后与第一收紧装置连接；所述第二传动丝为高强度柔性丝，高强度柔性丝的一端与关节轮连接、另一端绕过第二传动装置的第一滑轮后与第二收紧装置连接；

所述关节轮的负载端设置关节机械通道；

所述异形支撑柱的横截面为哑铃状，沿异形支撑柱轴向分别设置支撑水液压进水通道、支撑水液压回水通道、支撑弱电通道、支撑弱电备用通道、支撑1号压力负载通道和支撑2号压力负载通道；所述支撑水液压进水通道、支撑水液压回水通道、支撑1号压力负载通道和支撑2号压力负载通道的两端出口处的异形支撑柱端面上均设置o型密封槽并安装o型密封圈；

所述控制器密封舱外形为圆柱形，在两侧设计有凹槽，分别布置第一传动装置、第二传动装置、第一水压人工肌肉和第二水压人工肌肉；所述控制器密封舱左端面有控制器密封舱第一沉孔和控制器密封舱第二沉孔；沿控制器密封舱轴向设置密封舱水液压进水通道、密封舱水液压回水通道、密封舱弱电通道、密封舱弱电备用通道，密封舱1号压力负载通道和密封舱2号压力负载通道由控制器密封舱的右端面起沿轴向分别连接至控制阀组的进水通道即p口和回水通道即t口；

所述机架内部设置机架水液压进水通道、机架水液压回水通道、机架弱电通道、机架弱电备用通道、机架1号压力负载通道和机架2号压力负载通道；所述机架水液压进水通道、机架水液压回水通道、机架弱电通道、机架弱电备用通道沿轴向贯穿机架；所述机架1号压力负载通道和机架2号压力负载通道均为u型通道，u型通道的两个开口均朝向左侧；

所述支撑水液压进水通道的左端与密封舱水液压进水通道连接、右端与机架水液压进水通道连接；支撑水液压回水通道的左端与密封舱水液压回水通道连接、右端与机架水液压回水通道连接；支撑弱电通道的左端与密封舱弱电通道连接、右端与机架弱电通道连接；支撑弱电备用通道的左端与密封舱弱电备用通道连接、右端与机架弱电备用通道连接；支撑1号压力负载通道的左端与密封舱1号压力负载通道连接、右端经机架1号压力负载通道与第一水压人工肌肉的进水端连接；支撑2号压力负载通道的左端与密封舱2号压力负载通道连接、右端经机架2号压力负载通道与第二水压人工肌肉的进水端连接；

所述第一收紧装置包括第一套筒、第一锁紧螺母和第一收紧弹簧；所述第一套筒的长度为第一收紧弹簧的长度减去两倍第一水压人工肌肉的收缩量，再减去控制器密封舱第一沉孔的深度；；所述第一套筒与第一传动丝通过螺纹连接；第一锁紧螺母在第一套筒上方与第一传动丝的端部连接；所述第一收紧弹簧的一端与第一套筒连接、另一端与控制器密封舱第一沉孔连接；所述第二收紧装置包括第二套筒、第二锁紧螺母和第二收紧弹簧；所述第二套筒的长度为第二收紧弹簧的长度减去两倍第二水压人工肌肉的收缩量，再减去控制器密封舱第二沉孔的深度；所述第二套筒与第二传动丝通过螺纹连接；第二锁紧螺母在第二套筒上方与第二传动丝的端部连接；所述第二收紧弹簧的一端与第二套筒连接、另一端与控制器密封舱第二沉孔连接；

所述第一传动装置包括第一滑轮和第一保持架；所述第一滑轮与第一保持架通过销轴连接；所述第二传动装置包括第二滑轮和第二保持架；所述第二滑轮与第二保持架利用销轴连接；

所述控制阀组安装在控制器密封舱内，控制阀组的进水通道即p口与密封舱水液压进水通道连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组的回水通道即t口与密封舱水液压回水通道连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组的1号负载通道即a口与密封舱1号压力负载通道连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组的2号负载通道即b口与密封舱2号压力负载通道连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理。

进一步地，所述异形支撑柱的横截面上下两侧为外凸圆弧形、前后两侧为内凹圆弧形，且为上下两侧对称、前后两侧对称形状，外凸圆弧形通过凸圆角过渡到内凹圆弧形。

进一步地，所述异形支撑柱的横截面的外凸圆弧形的圆心位于异形支撑柱的中心线上。

进一步地，所述支撑水液压进水通道、支撑水液压回水通道和支撑1号压力负载通道设置在异形支撑柱横截面上的一侧；所述异支撑弱电通道、支撑弱电备用通道和支撑2号压力负载通道在异形支撑柱横截面上的另一侧；

所述密封舱水液压进水通道、密封舱水液压回水通道和密封舱1号压力负载通道在控制器密封舱横截面上的一侧；所述密封舱弱电通道、密封舱弱电备用通道和控制器密封舱2号压力负载通道在控制器密封舱横截面上的另一侧；

所述机架水液压进水通道、机架水液压回水通道和机架1号压力负载通道在机架横截面上的一侧；所述机架弱电通道、机架弱电备用通道和机架2号压力负载通道在机架横截面上的另一侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明集成了控制阀组，且控制器密封舱外侧可布置传动装置与水压人工肌肉，充分利用系统空间，与未集成控制阀组的关节系统相比，体积减少50％，实现紧凑性与轻量化设计。

2、本发明设计了机械、水液压和弱电等模块化通道，减少液压管路和电缆的限制，实现了水压人工肌肉关节的模块化设计。此外，水液压通道端面采用o型密封圈进行密封，可实现模块的快速对接，为机械设计奠定基础。

3、本发明集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节，集成了控制阀组、并在关节两端，按机械臂串联模块布置方式，设计机械、水液压和弱电通道，实现关节的模块化设计，便于机械臂的构型设计及轻小型化设计。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的控制器密封舱、异形支撑柱和水压人工肌肉位置布置图。

图3为本发明的异形支撑柱端面示意图。

图4为本发明的控制器密封舱右端面示意图。

图5为本发明的控制器密封舱左端面示意图。

图6为本发明的机架左端面示意图。

图7为本发明的机架右端面示意图。

图8为本发明的第一收紧装置示意图。

图9为本发明的第二收紧装置示意图。

图10为本发明的第一传动装置示意图。

图11为本发明的第二传动装置示意图。

图中：1、关节轮；2、第一收紧装置；3、第一传动丝；4、控制器密封舱；5、第一传动装置；6、第一水压人工肌肉；7、异形支撑柱；8、机架；9、第二水压人工肌肉；10、控制阀组；11、第二传动装置；12、第二传动丝；13、第二收紧装置；14、关节机械通道；15、支撑1号压力负载通道；16、支撑水液压进水通道；17、支撑弱电通道；18、支撑2号压力负载通道；19、支撑弱电备用通道；20、支撑水液压回水通道；21、密封舱1号压力负载通道；22、密封舱水液压进水通道；23、密封舱弱电通道；24、密封舱2号压力负载通道；25、密封舱弱电备用通道；26、密封舱水液压回水通道；27、机架1号压力负载通道；28、机架水液压进水通道；29、机架弱电通道；30、机架2号压力负载通道；31、机架弱电备用通道；32、机架水液压回水通道；33、第一锁紧螺母；34、第一套筒；35、第一收紧弹簧；36、第二锁紧螺母；37、第二套筒；38、第二收紧弹簧；39、第一滑轮；40、第一保持架；41、第二滑轮；42、第二保持架；43、控制器密封舱第一沉孔；44、控制器密封舱第二沉孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。为描述方便，本发明的上下左右前后方位仅相对于附图1，不构成对本发明的任何限制。如图1-11所示，一种集成阀控的模块化双作用水压人工肌肉关节，包括关节轮1、第一收紧装置2、第一传动丝3、控制器密封舱4、第一传动装置5、第一水压人工肌肉6、异形支撑柱7、机架8、第二水压人工肌肉9、第二传动装置11、控制阀组10、第二传动丝12、第二收紧装置13、第一套筒34、第一锁紧螺母33、第一收紧弹簧35、第二套筒37、第二锁紧螺母36、第二收紧弹簧38、第一滑轮39、第一保持架40、第二滑轮41和第二保持架42；

所述控制器密封舱4的左端与关节轮1连接、右端与异形支撑柱7的左端连接，所述异形支撑柱7的右端与机架8连接；所述第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9分别位于异形支撑柱7的前后两侧；所述第一水压人工肌肉6的封闭端与第一传动装置5的右端连接、进水端与机架8连接；所述第二水压人工肌肉9的封闭端与第二传动装置11的右端连接、进水端与机架8连接；

所述第一传动丝3为高强度柔性丝，高强度柔性丝的一端与关节轮1连接、另一端绕过第一传动装置5的第一滑轮39后与第一收紧装置2连接；所述第二传动丝12为高强度柔性丝，高强度柔性丝的一端与关节轮1连接、另一端绕过第二传动装置11的第一滑轮39后与第二收紧装置13连接；

所述关节轮1的负载端设置关节机械通道14；

所述异形支撑柱7的横截面为哑铃状，沿异形支撑柱7轴向分别设置支撑水液压进水通道16、支撑水液压回水通道20、支撑弱电通道17、支撑弱电备用通道19、支撑1号压力负载通道15和支撑2号压力负载通道18；所述支撑水液压进水通道16、支撑水液压回水通道20、支撑1号压力负载通道15和支撑2号压力负载通道18的两端出口处的异形支撑柱7端面上均设置o型密封槽并安装o型密封圈；

所述控制器密封舱4外形为圆柱形，在两侧设计有凹槽，分别布置第一传动装置5、第二传动装置11、第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9；所述控制器密封舱4左端面有控制器密封舱第一沉孔43和控制器密封舱第二沉孔44；沿控制器密封舱4轴向设置密封舱水液压进水通道22、密封舱水液压回水通道26、密封舱弱电通道23、密封舱弱电备用通道25，密封舱1号压力负载通道21和密封舱2号压力负载通道24由控制器密封舱4的右端面起沿轴向分别连接至控制阀组10的进水通道即p口和回水通道即t口；

所述机架8内部设置机架水液压进水通道28、机架水液压回水通道32、机架弱电通道29、机架弱电备用通道31、机架1号压力负载通道27和机架2号压力负载通道30；所述机架水液压进水通道28、机架水液压回水通道32、机架弱电通道29、机架弱电备用通道31沿轴向贯穿机架8；所述机架1号压力负载通道27和机架2号压力负载通道30均为u型通道，u型通道的两个开口均朝向左侧；

所述支撑水液压进水通道16的左端与密封舱水液压进水通道22连接、右端与机架水液压进水通道28连接；支撑水液压回水通道20的左端与密封舱水液压回水通道26连接、右端与机架水液压回水通道32连接；支撑弱电通道17的左端与密封舱弱电通道23连接、右端与机架弱电通道29连接；支撑弱电备用通道19的左端与密封舱弱电备用通道25连接、右端与机架弱电备用通道31连接；支撑1号压力负载通道15的左端与密封舱1号压力负载通道21连接、右端经机架1号压力负载通道27与第一水压人工肌肉6的进水端连接；支撑2号压力负载通道18的左端与密封舱2号压力负载通道24连接、右端经机架2号压力负载通道30与第二水压人工肌肉9的进水端连接；

所述第一收紧装置2包括第一套筒34、第一锁紧螺母33和第一收紧弹簧35；所述第一套筒34的长度为第一收紧弹簧35的长度减去两倍第一水压人工肌肉6的收缩量，再减去控制器密封舱第一沉孔43的深度；所述第一套筒34与第一传动丝3通过螺纹连接；第一锁紧螺母33在第一套筒34上方与第一传动丝3的端部连接；所述第一收紧弹簧35的一端与第一套筒34连接、另一端与控制器密封舱第一沉孔43连接；所述第二收紧装置13包括第二套筒37、第二锁紧螺母36和第二收紧弹簧38；所述第二套筒37的长度为第二收紧弹簧38的长度减去两倍第二水压人工肌肉9的收缩量，再减去控制器密封舱第二沉孔44的深度；所述第二套筒37与第二传动丝12通过螺纹连接；第二锁紧螺母36在第二套筒37上方与第二传动丝12的端部连接；所述第二收紧弹簧38的一端与第二套筒37连接、另一端与控制器密封舱第二沉孔44连接；

所述第一传动装置5包括第一滑轮39和第一保持架40；所述第一滑轮39与第一保持架40通过销轴连接；所述第二传动装置11包括第二滑轮41和第二保持架42；所述第二滑轮41与第二保持架42利用销轴连接；

所述控制阀组10安装在控制器密封舱4内，控制阀组10的进水通道即p口与密封舱水液压进水通道22连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组10的回水通道即t口与密封舱水液压回水通道26连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组10的1号负载通道即a口与密封舱1号压力负载通道21连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理；控制阀组10的2号负载通道即b口与密封舱2号压力负载通道24连接，连接端面处采用o型密封圈进行密封处理。

进一步地，所述异形支撑柱的横截面上下两侧为外凸圆弧形、前后两侧为内凹圆弧形，且为上下两侧对称、前后两侧对称形状，外凸圆弧形通过凸圆角过渡到内凹圆弧形。

进一步地，所述异形支撑柱7的横截面的外凸圆弧形的圆心位于异形支撑柱7的中心线上。

进一步地，所述支撑水液压进水通道16、支撑水液压回水通道20和支撑1号压力负载通道15设置在异形支撑柱7横截面上的一侧；所述异支撑弱电通道17、支撑弱电备用通道19和支撑2号压力负载通道18在异形支撑柱7横截面上的另一侧；

所述密封舱水液压进水通道22、密封舱水液压回水通道26和密封舱1号压力负载通道21在控制器密封舱4横截面上的一侧；所述密封舱弱电通道23、密封舱弱电备用通道25和控制器密封舱42号压力负载通道在控制器密封舱4横截面上的另一侧；

所述机架水液压进水通道28、机架水液压回水通道32和机架1号压力负载通道27在机架横截面上的一侧；所述机架弱电通道29、机架弱电备用通道31和机架2号压力负载通道30在机架横截面上的另一侧。

本发明的工作过程如下：

在非工作状态时，第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9保持在原长状态；第一收紧装置2和第二收紧装置13分别收紧第一传动丝3和第二传动丝12，使得第一传动丝3和第二传动丝12处于微微张紧状态。

在初始工作状态时，第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9收缩至初始工作位置，且第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9初始工作位置相同，在第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9拮抗作用下，关节轮1保持不动；第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9收缩时带动第一传动装置5和第二传动装置11移动，此时，第一收紧弹簧35与第二收紧弹簧38开始受力压缩，释放第一传动丝3与第二传动丝12；在第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9收缩过程中第一传动丝3与第二传动丝12始终保持张紧状态。

工作过程中，第一收紧装置2和第二收紧装置13始终处于压缩状态；控制阀组10调节第一水压人工肌肉6和第二水压人工肌肉9的充水压力，使得一侧的水压人工肌肉加压收缩，另一侧的水压人工肌肉减压伸长，带动关节轮1做回转运动。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围内。