CN101708610A - 一种具有开放式结构的深海作业机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有开放式结构的深海作业机械手，回转集成关节处分别设有大臂集成关节和小臂集成关节，回转集成关节通过回转支撑机构驱动大臂和小臂回转运动，大臂集成关节驱动大臂起落运动，小臂集成关节通过设在框架式大臂内部的传动机构驱动小臂起落运动，小臂与大臂相接处设有手爪集成关节，手爪集成关节通过设在框架式小臂内部的传动机构驱动手爪开合运动。本发明只对集成关节采用封闭设计，而大小臂均采用中空的开放式结构，传动部件安装于中空的大小臂中，且零部件均可直接浸泡于海水中，避免了采用复杂的密封结构并有效利用了大小臂的内部空间，大大简化机械手的结构，减轻重量，具有较高的载荷自重比。

Description

一种具有开放式结构的深海作业机械手

技术领域

本发明涉及一种水下作业工具，具体涉及一种深海作业机械手，应用于深海水下机器人、水下工程机械及水下装备。

背景技术

水下机械手是水下机器人、水下工程机械及水下装备在水下作业时常常会使用的重要作业系统。目前，水下液压机械手及用于浅海的水下电驱动机械手技术已较成熟，但用于深海的水下电驱动机械手技术尚未成熟，其主要原因之一在于深海环境下机械手结构的复杂性降低了机械手本身的作业能力。机械手的载荷自重比是衡量机械手作业能力的重要指标，对于工作于水下的机械手系统来说，由于其本身机械结构需要润滑，因此机械手需要有密封结构，机械手的工作深度越大，密封结构就会越复杂。这些密封结构增加了机械手的自重，降低了其作业能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深海作业机械手，只需要很少的密封结构，具有较轻的重量和较高的载荷自重比。

一种具有开放式结构的深海作业机械手，包括回转集成关节、大臂集成关节、小臂集成关节、手爪集成关节、大臂、小臂和手爪；各集成关节为封闭式结构，大臂和小臂为开放式框架结构；回转集成关节通过回转支撑机构连接大臂，大臂连接小臂，回转集成关节用以驱动大臂和小臂作回转运动；在回转支撑机构处分别设有大臂集成关节和小臂集成关节，大臂集成关节连接大臂，用以驱动大臂起落运动；小臂集成关节通过设在大臂内部的第一传动机构连接小臂尾端，用以驱动小臂起落运动；小臂尾端处设有手爪集成关节，手爪集成关节通过设在小臂内部的第二传动机构连接固定于小臂首端处的手爪，用以驱动手爪开合运动。

本发明的有益效果是：机械手结构采取具有一个回转自由度两个起落自由度及手爪开闭功能的三自由度四功能配置。采用防海水腐蚀自润滑滑动轴承，大小臂均采用开放式框架结构，而不是密封式结构，机械手的传动部件安装于中空的大小臂中，且零部件均直接浸泡于海水中，避免了采用复杂的密封结构并有效利用了大小臂的内部空间；只在作为独立驱动单元的集成关节中使用密封结构。将大臂集成关节，小臂集成关节集中于大臂末端，以减小大臂相对于大臂转轴的转动惯量，这样可减小大臂集成关节所需的驱动力矩。大臂集成关节通过驱动轮毂转动以带动大臂起落，小臂集成关节通过安装于大臂中的同步带轮驱动小臂起落。手爪集成关节安装在小臂末端，手爪集成关节驱动贯通小臂内部的不锈钢丝杠转动以驱动手爪开闭。整个装置重量轻、体积小；载荷自重比大，作业能力强；控制方便、控制精度高；连接可靠、装拆方便；表面硬度大和抗海水腐蚀能力强；安装灵活、方便，可应用于水下机器人和水下工程机械。

附图说明

图1是机械手布置图；

图2是机械手结构图；

图3是机械手大臂末端关节配置；

图4是机械手大臂前端关节配置；

图5是机械手小臂前端结构。

具体实施方式

机械手布置如附图1所示，机械手包括三个部件，即回转关节部件I、大臂部件II、小臂部件III。其中回转关节部件I包含有回转集成关节1及支撑架8等零部件，大臂部件II包含有大臂集成关节9、小臂集成关节57、大臂17等零部件，小臂部件III包含有手爪集成关节49、小臂33、手爪38等零部件。整个机械手系统可通过回转集成关节1后部的法兰吊装于水下机器人或水下工程机械上。

回转集成关节中集成了电机及减速装置，其输出轴可带动支撑结构转动，大臂安装于支撑结构上，且大臂集成关节和小臂集成关节也分别安装于支撑结构的前后两端，当支撑结构转动时，大小臂即可随之一起转动。

大臂集成关节中集成了电机及减速装置，其输出轴通过轮毂与大臂联结，当大臂集成关节输出轴转动时，可以带动大臂作起落运动。大臂内部两端分别安装有两根轴，两根轴上安装有同步带轮。

小臂集成关节中也集成了电机及减速装置，其输出轴的运动和力矩通过同步带轮传动到大臂前端的轴上。小臂安装于该轴的末端并通过法兰与该轴联结，因此当小臂集成关节电机转动时，即可带动小臂作起落运动。小臂内安装有一传动轴，其一端与手爪集成关节的输出轴联结，另一端为螺杆。

手爪集成关节同样集成了电机和减速装置，当其输出轴转动时，带动小臂内的传动轴转动，传动轴末端的螺杆带动螺母作直线运动，从而使手爪作开合运动。

水下机械手装置的具体结构如图2所示。图2所示的机械手各部分可用图3，图4，图5表示。

如图3，回转集成关节1可通过其末端法兰吊装于水下机器人或工程机械上，其前端通过法兰与回转关节连接盘3连接，滑动轴承2安装于回转关节连接盘3上，用于支撑回转集成关节1的输出轴，回转关节支撑盘5用螺栓安装于回转关节连接盘3上，支撑架连接筒6通过螺栓装配于支撑架8上，且其内壁安装有滑动轴承4，支撑架连接筒6通过翻边滑动轴承4的翻边支撑于回转关节支撑盘5上，因此当回转集成关节1的输出轴转动时，通过键7传递扭矩可以使支撑架连接筒6及支撑架8相对于回转关节支撑盘5相对转动。与滚动轴承比较起来，滑动轴承本身结构简单重量轻便，这样可以大大简化机械手的结构，减轻重量。回转集成关节1外部的所有连接关系均没有专门的密封结构，而是直接工作于海水中。大臂集成关节9、小臂集成关节55以及大臂17均安装于支撑架8上。上述相关支撑部件组成回转支撑机构在回转集成关节1的驱动下可实现机械手的回转运动。

如上所述，大臂集成关节9由半圆夹紧套15夹紧安装于支撑架8上，大臂集成关节9的前端通过法兰与大臂关节连接盘10连接，滑动轴承12安装于大臂关节连接盘10上，用于支撑大臂集成关节9的输出轴，大臂集成关节连接盘10的外圆以滑动轴承14支撑在大臂17上，大臂关节毂13用螺栓联结于大臂17上，大臂集成关节9输出轴转动时，通过键11传递扭矩可以使大臂关节毂13及大臂17转动，由此可实现大臂的起落运动。大臂17采用末端开口且中空的结构。

小臂集成关节外壳体51内安装有滑动轴承52及翻边滑动轴承56，小臂集成关节57安装于小臂集成关节外壳体51内并由滑动轴承52及翻边滑动轴承56支撑，小臂集成关节57相对于小臂集成关节外壳体51可以转动。小臂集成关节外壳体51由半圆夹紧套50夹紧安装于支撑架8上。小臂集成关节57前端法兰与小臂关节连接盘16用螺栓联接，并一起用螺栓联接于大臂17上，小臂关节连接盘16内安装有滑动轴承54用于支撑小臂集成关节57的输出轴，同步带轮55安装于小臂集成关节57的输出轴上，小臂集成关节57的输出轴转动时，通过键53传递扭矩可以带动使同步带轮55转动。

如图4，大臂17的前端设计为开放式滑槽的形式，横轴安装架20通过滑槽安装于大臂17的前端，并可以在滑槽内前后滑动，横轴24安装在横轴安装架20上，并由滑动轴承23和27支撑。横轴24的下端有一台阶面与滑动轴承27的翻边接触，横轴上端用螺钉21将挡圈22固定在横轴上部端头，由此可限定横轴24的轴向窜动。同步带轮25安装于横轴24上，同步带轮55转动时，通过同步带18可带动同步带轮25转动，并通过键19传递扭矩可以带动横轴转动。

调节螺杆支撑盘26及调节螺杆支架31均安装于大臂17的前端面，调节螺杆28的两端轴颈分别以支撑在调节螺杆支撑盘26及调节螺杆支架31上，其中部为梯形螺纹，横轴安装架20的前端以螺钉29安装螺母30，手动转动调节螺杆28的右端方头，可以带动螺母30及横轴安装架20在大臂17的滑槽内前后移动，从而可以改变横轴24的位置以调节同步带轮的张紧力。调节到位后，用螺母32锁紧。

横轴24的下端面与小臂连接壳体45联结，小臂连接壳体45的前端面与小臂33联接，其后端面与手爪集成关节49的法兰面联结，小臂连接壳体45内安装有滑动轴承48，用以支撑手爪集成关节的输出轴，小臂左端内安装有滑动轴承44，用于支撑小臂内的长轴34。手爪集成关节的输出轴与小臂内的长轴34间用弹性联轴器46连接，弹性联轴器46的右端以长轴34的台阶面定位，左端以轴套47定位。

如图5，手爪安装支架42以法兰安装在小臂33的前端面上，长轴34在小臂33内以滑动轴承43及44支撑，其前端为梯形螺杆，与滑块螺母40配合，长轴转动时可带动滑块螺母40直线运动。长轴34以滑动轴承39和41支撑在手爪安装支架42内。4个连杆35连接在滑块螺母40与手爪销轴36间，滑块螺母40直线运动时，带动4个连杆35运动，从而可以使上下手爪38绕其芯轴37作开闭运动。

整个机械手为开放式结构，除集成化关节内部采用密封技术外，其余机械结构均不采用专门的密封结构，而是直接浸泡于海水中，从而有效简化了机械手的结构；多数零部件采用铝合金制造，表面进行了硬质阳极氧化处理，提高了装置外壳的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀能力。以上措施使整个机械系统具有重量轻，体积小，作业能力强，耐海水腐蚀的特点。

Claims (3)

1.一种具有开放式结构的深海作业机械手，包括回转集成关节、大臂集成关节、小臂集成关节、手爪集成关节、大臂、小臂和手爪；各集成关节为封闭式结构，大臂和小臂为开放式框架结构；回转集成关节通过回转支撑机构连接大臂，大臂连接小臂，回转集成关节用以驱动大臂和小臂作回转运动；在回转支撑机构处分别设有大臂集成关节和小臂集成关节，大臂集成关节连接大臂，用以驱动大臂起落运动；小臂集成关节通过设在大臂内部的第一传动机构连接小臂尾端，用以驱动小臂起落运动；小臂尾端处设有手爪集成关节，手爪集成关节通过设在小臂内部的第二传动机构连接固定于小臂首端处的手爪，用以驱动手爪开合运动。

2.根据权利要求1所述的深海作业机械手，其特征在于，所述第一传动机构为同步带传动机构。

3.根据权利要求1或2所述的深海作业机械手，其特征在于，所述第二传动机构为螺旋传动机构。

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