CN102935640B - 一种用于搭建水下电动机械手的驱动模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人作业技术领域，具体地说是一种用于搭建水下电动机械手的驱动模块，包括俯仰关节、辅助连接板、腕转关节、走线连接板及走线密封板，俯仰关节的轴向两端分别通过辅助连接板及走线连接板与腕转关节相连接，传递俯仰运动至腕转关节，腕转关节内带动关节连接件旋转；俯仰关节与腕转关节之间的走线容置于走线连接板内，并通过走线密封板对走线连接板密封。本发明实现了内部走线，克服了外部走线易出故障的问题，有利于水下环境应用；与外部机械连接简单，可以快速灵活搭建成不同自由度的水下机械手，适应不同的需要，通用性好，应用范围广，能够简化水下电动机械手设计。

Description

一种用于搭建水下电动机械手的驱动模块

技术领域

本发明涉及水下机器人作业技术领域，具体地说是一种用于搭建水下电动机械手的驱动模块。

背景技术

水下机械手是目前在水下领域应用最多的作业工具，广泛搭载于水下机器人。目前的水下电动机械手均是通过单自由度模块进行驱动的，当用于搭建五功能、七功能等高自由度电动机械手时，结构复杂，尺寸大。并且，当前的水下电动机械手多采用外部走线，在复杂的水下环境作业时，容易发生线路缠绕等故障。已有的水下电动机械手未将电机驱动器集成在驱动关节内，需要在搭载的载体(常为水下机器人)的电子舱内放置电机驱动器，因此当载体搭载不同的水下电动机械手时，需要改变载体电子舱的设计，通用性差。因此，设计出结构紧凑、实现内部走线、通用性好的水下电动机械手驱动模块已成为亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有采用单自由度模块进行驱动的水下电动机械手存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种两自由度的用于搭建水下电动机械手的驱动模块。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括俯仰关节、辅助连接板、腕转关节、走线连接板及走线密封板，其中俯仰关节的轴向两端分别通过辅助连接板及走线连接板与腕转关节相连接，在俯仰关节及腕转关节内均安装有驱动电机的电机驱动器，俯仰关节内的电机连接有传动机构，并通过与所述传动机构相连的走线连接板传递俯仰运动至腕转关节；所述腕转关节内的电机连接有所述的传动机构，通过该传动机构带动关节连接件旋转；俯仰关节与腕转关节之间的走线容置于走线连接板内，并通过走线密封板对走线连接板密封。

其中：所述俯仰关节包括第一静止外壳及位于第一静止外壳内部的第一谐波减速机组件、第一电机驱动器、第一磁编码器、第一直流电机，其中第一直流电机安装在第一静止外壳上，第一磁编码器和第一谐波减速机组件分别位于第一直流电机的两侧，所述第一电机驱动器与第一直流电机电连接；所述第一磁编码器包括第一编码器模块和第一旋转头，其中第一旋转头安装在第一直流电机的输出轴上，第一编码器模块固接于第一静止外壳的内部、与第一旋转头相对应；所述第一谐波减速机组件包括第一波发生器、第一刚轮及第一柔轮，其中第一波发生器安装在第一直流电机的输出轴上，第一刚轮固接于第一静止外壳的内部，所述第一柔轮位于第一波发生器与第一刚轮之间，分别与第一波发生器和第一刚轮相啮合，在第一柔轮上安装有与走线连接板连接的第一旋转输出件；所述第一静止外壳为中空圆柱结构，沿其径向向外延伸形成延伸部，所述第一电机驱动器安装在该延伸部内，通过侧面端盖密封；所述第一静止外壳轴向的两端分别通过旋转密封件密封；

所述腕转关节包括第二静止外壳及位于第二静止外壳内部的第二电机驱动器、第二磁编码器、第二直流电机、第二谐波减速机组件，其中第二直流电机安装在第二静止外壳上，第二磁编码器和第二谐波减速机组件分别位于第二直流电机的两侧，所述第二电机驱动器与第二直流电机电连接；所述第二磁编码器包括第二旋转头和第二编码器模块，在第二静止外壳内设有固定板，第二旋转头安装在第二直流电机的输出轴上，第二编码器模块及第二电机驱动器分别固接于固定板的两侧，第二编码器模块与第二旋转头相对应；所述第二谐波减速机组件包括第二柔轮、第二刚轮及第二波发生器，其中第二波发生器安装在第二直流电机的输出轴上，第二刚轮固接于第二静止外壳的内部，所述第二柔轮位于第二波发生器与第二刚轮之间，分别与第二波发生器和第二刚轮相啮合，在第二柔轮上通过第二旋转输出件连接有关节连接件；所述第二静止外壳为中空圆柱结构，第二静止外壳的外表面分别与辅助连接板及走线连接板相连接，第二静止外壳轴向的一端由端盖密封，轴向的另一端通过旋转密封件密封；

所述走线连接板的一端与俯仰关节固接，另一端与腕转关节固接，走线连接板的两端分别开有完成模块内部走线的走线孔，走线连接板的外侧通过走线密封板密封；所述辅助连接板的一端与俯仰关节转动连接，另一端与腕转关节固接。

本发明的优点与积极效果为：

1.结构紧凑。本发明的驱动模块实现两个自由度的运动，相比常规的单自由度驱动模块，在搭建五功能、七功能等高自由度水下电动机械手时具有明显优势，使整个机械手尺寸减小、结构紧凑。

2.故障率低。本发明实现了驱动模块内部走线，极大地降低了机械手在水下作业出现线路缠绕等故障的可能性。

3.通用性好。本发明将电机驱动器也集成在模块内部，与外界的电气连接简单，将机械手搭载于载体，无需改变电子舱的设计；也可用于其它水下作业工具的驱动。

4.应用范围广。本发明输出大扭矩，驱动模块内部采用的元器件均可浸油实用，因此能够对模块充油压力补偿，能够适应大深度水下作业；通过磁编码器能够实现机械手精确的速度、位置控制，能够满足高精度的作业要求。

附图说明

图1为本发明的外形立体结构示意图；

图2为图1中俯仰关节的内部剖视图；

图3为图1中腕转关节的内部剖视图；

其中：1为俯仰关节，101为第一旋转密封件，102为第一旋转输出件，103为第一静止外壳，104为侧面端盖，105为第一谐波减速机组件，106为第一电机驱动器，107为轴承，108为第二旋转密封件，109为第一磁编码器，110为第一编码器模块，111为第一旋转头，112为轴向端盖，113为编码器安装架，114为第一直流电机，115为第一套筒，116为第一波发生器，117为第一刚轮，118为第一柔轮；

2为辅助连接板；

3为腕转关节，301为端盖，302为第二静止外壳，303为第二电机驱动器，304为固定板，305为第二磁编码器，306为第二直流电机，307为第二套筒，308为第二谐波减速机组件，309为第三旋转密封件，310为第二旋转输出件，311为关节连接件，312为第二柔轮，313为第二刚轮，314为第二波发生器，315为第二旋转头，316为第二编码器模块；

4为走线连接板，5为走线密封板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括俯仰关节1、辅助连接板2、腕转关节3、走线连接板4及走线密封板5，其中俯仰关节1轴向的一端与走线连接板4的一端相连，走线连接板4的另一端与腕转关节3的外表面连接；俯仰关节1轴向的另一端与辅助连接板2的一端相连，辅助连接板2的另一端与腕转关节3的外表面连接。俯仰关节1通过辅助连接板2和走线连接板4传递俯仰运动至腕转关节3，俯仰关节1与腕转关节3之间的走线容置于走线连接板4内，并通过走线密封板5对走线连接板4密封。

如图2所示，俯仰关节1包括第一静止外壳103及位于第一静止外壳103内部的第一旋转密封件101、旋转输出件102、侧面端盖104、第一谐波减速机组件105、第一电机驱动器106、第二旋转密封件108、第一磁编码器109、轴向端盖112、编码器安装架113、第一直流电机114，其中第一静止外壳103为中空圆柱结构，沿其径向向外延伸形成延伸部，所述第一电机驱动器106安装在该延伸部内，通过侧面端盖104密封，侧面端盖104的连接端为楔形结构，便于快速连接、拆卸关节杆。第一静止外壳103轴线上从左至右依次设置第一谐波减速机组件105、第一直流电机114及第一磁编码器109，即第一谐波减速机组件105、第一直流电机114及第一磁编码器109的轴线与第一静止外壳103的轴线共线；第一直流电机114固接在第一静止外壳103的内部，第一磁编码器109和第一谐波减速机组件105分别位于第一直流电机114的两侧，所述第一电机驱动器106与第一直流电机114电连接。

所述第一磁编码器109包括第一编码器模块110和第一旋转头111，在第一静止外壳103内固接有编码器安装架113，第一旋转头111安装在第一直流电机114一侧的输出轴上、由第一直流电机114驱动旋转，第一编码器模块110固接在编码器安装架113上、与第一旋转头111相对应。

所述第一谐波减速机组件105包括第一波发生器116、第一刚轮117及第一柔轮118，其中第一波发生器116通过第一套筒115与第一直流电机114另一侧的输出轴连接，第一刚轮117固接于第一静止外壳103的内部，所述第一柔轮118位于第一波发生器116与第一刚轮117之间，分别与第一波发生器116和第一刚轮117相啮合，在第一柔轮118上固接有第一旋转输出件102，该第一旋转输出件102与走线连接板4的一端固接，在第一旋转输出件102与第一静止外壳103的内壁之间设有轴承107。第一静止外壳103的两端分别通过第一旋转密封件101及第二旋转密封件108密封，第一旋转密封件101位于第一旋转输出件102的一端，并对该端的轴承107轴向定位。第一静止外壳103的另一端设有轴向端盖112，在轴向端盖112与第一静止外壳103的内壁之间也设有轴承107，第二旋转密封件102位于轴向端盖112的一端，并对该端的轴承107轴向定位；所述轴向端盖112与辅助连接板2的一端可转动地连接。

如图3所示，腕转关节3包括第二静止外壳302及位于第二静止外壳302内部的端盖301、第二电机驱动器303、固定板304、第二磁编码器305、第二直流电机306、第二谐波减速机组件308、第三旋转密封件309、第二旋转输出件310，其中第二静止外壳103为中空圆柱结构，第二静止外壳103的外表面分别与辅助连接板2的另一端及走线连接板4的另一端固接，第二静止外壳103轴向的一端由端盖301密封，轴向的另一端通过第三旋转密封件309密封。第二静止外壳302的轴线上从左至右依次设置第二磁编码器305、第二直流电机306及第二谐波减速机组件308，即第二磁编码器305、第二直流电机306及第二谐波减速机组件308的轴线与第二静止外壳302的轴线共线；第二直流电机306固接在第二静止外壳302的内部，在第二直流电机306的左侧设有固接在第二静止外壳302内部的固定板304，第二磁编码器305位于第二直流电机306的一侧与固定板304之间，第二谐波减速机组件308位于第二直流电机306的另一侧。所述第二电机驱动器303固接在固定板304的左侧，与第二直流电机306电连接。

所述第二磁编码器305包括第二旋转头315和第二编码器模块316，其中第二旋转头315安装在第二直流电机306一侧的输出轴上、由第二直流电机306驱动旋转，第二编码器模块316固接于固定板304的右侧，与第二旋转头315相对应。

所述第二谐波减速机组件308包括第二柔轮312、第二刚轮313及第二波发生器314，其中第二波发生器314通过第二套筒307与第二直流电机306另一侧的输出轴连接，第二刚轮313固接于第二静止外壳302的内部，所述第二柔轮312位于第二波发生器314与第二刚轮313之间，分别与第二波发生器314和第二刚轮313相啮合，在第二柔轮312上固接有第二旋转输出件310，该第二旋转输出件310连接有关节连接件311，在第二旋转输出件310与第二静止外壳302内壁之间设有轴承，该轴承通过第三旋转密封件309轴向定位。所述关节连接件311的一端与第二旋转输出件310密封连接、随第二旋转输出件310旋转，关节连接件311的另一端为楔形结构，便于快速连接、拆卸关节杆。

走线连接板4的一端与俯仰关节1固接，另一端与腕转关节3固接，走线连接板4的两端分别开有完成模块内部走线的走线孔，走线连接板4的外侧通过走线密封板5密封；所述辅助连接板2的一端与俯仰关节1转动连接，另一端与腕转关节3固接。

本发明的工作原理为：

本发明通过俯仰关节1实现俯仰运动，腕转关节3输出腕转运动，以此实现驱动模块的两自由度运动。驱动模块的两个关节工作原理相同，现以俯仰关节为例进行说明。

第一电机驱动器106上电，并且载体通过总线发送控制命令到电第一机驱动器106，驱动第一直流电机114做高速旋转运动。第一直流电机114的输出轴通过第一套筒115带动第一波发生器116高速旋转，第一波发生器116与第一柔轮118啮合传动，使第一柔轮118低速大扭矩转动，进而带动第一旋转输出件102以及与其相固接的走线连接板4一起旋转，再由走线连接板4带动腕转关节3绕第一直流电机114的轴线转动，这样便输出了俯仰运动。在第一直流电机114尾部输出轴上，固接的第一旋转头111跟随第一直流电机114高速旋转，由第一编码器模块110检测第一直流电机114的速度及位置信息，反馈给第一电机驱动器106，使第一直流电机114在第一电机驱动器106的控制下获得精确的速度及位置。

综上所述，驱动模块将电机驱动器、直流电机、谐波减速机组件及磁编码器集成在驱动模块内，只需从外部供给电源并通过总线输入控制命令即可，驱动模块的通用性好。为了实现结构的紧凑，本发明的直流电机采用盘式直流电机，轴向尺寸小。磁编码器及谐波减速机组件只采用了核心组件，同样减小了模块的尺寸。驱动模块实现了内部走线，使得机械手在复杂的水下环境中降低了故障率。驱动模块的所有部件都能够浸油工作，因此驱动模块能够充油进行压力补偿，能够适用于深海作业。驱动模块采用磁编码器进行反馈控制，实现了精确的速度、位置控制，提高了机械手的作业精度。俯仰关节实现机械手的摆动，腕转关节的关节连接件311与关节杆连接，可实现机械手绕轴线的回转。

本实施例的磁编码器为市购产品，购置于英国Renishaw公司，型号为RMB28-IE-08B-S-10；谐波减速机组件为市购产品，购置于北京谐波传动技术研究所，型号为XB1-60-160；电机驱动器为市购产品，购置于德国Trinamic公司，型号为TMCM-170。

Claims (9)

1.一种用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：包括俯仰关节(1)、辅助连接板(2)、腕转关节(3)、走线连接板(4)及走线密封板(5)，其中俯仰关节(1)的轴向两端分别通过辅助连接板(2)及走线连接板(4)与腕转关节(3)相连接，在俯仰关节(1)及腕转关节(3)内均安装有驱动电机的电机驱动器，俯仰关节(1)内的电机连接有传动机构，并通过与所述传动机构相连的走线连接板(4)传递俯仰运动至腕转关节(3)；所述腕转关节(3)内的电机连接有所述的传动机构，通过该传动机构带动关节连接件旋转；俯仰关节(1)与腕转关节(3)之间的走线容置于走线连接板(4)内，并通过走线密封板(5)对走线连接板(4)密封；

所述俯仰关节(1)包括第一静止外壳(103)及位于第一静止外壳(103)内部的第一谐波减速机组件(105)、第一电机驱动器(106)、第一磁编码器(109)、第一直流电机(114)，其中第一直流电机(114)安装在第一静止外壳(103)上，第一磁编码器(109)和第一谐波减速机组件(105)分别位于第一直流电机(114)的两侧，所述第一电机驱动器(106)与第一直流电机(114)电连接。

2.按权利要求1所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第一磁编码器(109)包括第一编码器模块(110)和第一旋转头(111)，其中第一旋转头(111)安装在第一直流电机(114)的输出轴上，第一编码器模块(110)固接于第一静止外壳(103)的内部、与第一旋转头(111)相对应。

3.按权利要求1所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第一谐波减速机组件(105)包括第一波发生器(116)、第一刚轮(117)及第一柔轮(118)，其中第一波发生器(116)安装在第一直流电机(114)的输出轴上，第一刚轮(117)固接于第一静止外壳(103)的内部，所述第一柔轮(118)位于第一波发生器(116)与第一刚轮(117)之间，分别与第一波发生器(116)和第一刚轮(117)相啮合，在第一柔轮(118)上安装有与走线连接板(4)连接的第一旋转输出件(102)。

4.按权利要求1所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第一静止外壳(103)为中空圆柱结构，沿其径向向外延伸形成延伸部，所述第一电机驱动器(106)安装在该延伸部内，通过侧面端盖(104)密封；所述第一静止外壳(103)轴向的两端分 别通过旋转密封件密封。

5.按权利要求1所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述腕转关节(3)包括第二静止外壳(302)及位于第二静止外壳(302)内部的第二电机驱动器(303)、第二磁编码器(305)、第二直流电机(306)、第二谐波减速机组件(308)，其中第二直流电机(306)安装在第二静止外壳(302)上，第二磁编码器(305)和第二谐波减速机组件(308)分别位于第二直流电机(306)的两侧，所述第二电机驱动器(303)与第二直流电机(306)电连接。

6.按权利要求5所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第二磁编码器(305)包括第二旋转头(315)和第二编码器模块(316)，在第二静止外壳(302)内设有固定板(304)，第二旋转头(315)安装在第二直流电机(306)的输出轴上，第二编码器模块(316)及第二电机驱动器(303)分别固接于固定板(304)的两侧，第二编码器模块(316)与第二旋转头(315)相对应。

7.按权利要求5所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第二谐波减速机组件(308)包括第二柔轮(312)、第二刚轮(313)及第二波发生器(314)，其中第二波发生器(314)安装在第二直流电机(306)的输出轴上，第二刚轮(313)固接于第二静止外壳(302)的内部，所述第二柔轮(312)位于第二波发生器(314)与第二刚轮(313)之间，分别与第二波发生器(314)和第二刚轮(313)相啮合，在第二柔轮(312)上通过第二旋转输出件(310)连接有关节连接件(311)。

8.按权利要求5所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述第二静止外壳(302)为中空圆柱结构，第二静止外壳(302)的外表面分别与辅助连接板(2)及走线连接板(4)相连接，第二静止外壳(302)轴向的一端由端盖(301)密封，轴向的另一端通过旋转密封件密封。

9.按权利要求1所述用于搭建水下电动机械手的驱动模块，其特征在于：所述走线连接板(4)的一端与俯仰关节(1)固接，另一端与腕转关节(3)固接，走线连接板(4)的两端分别开有完成模块内部走线的走线孔，走线连接板(4)的外侧通过走线密封板(5)密封；所述辅助连接板(2)的一端与俯仰关节(1)转动连接，另一端与腕转关节(3)固接。