CN103231386A - 一种可重构的水下机器人机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可重构的水下机器人机械臂，其特征在于该机械臂主要包括机械臂箱体、关节轴、腕部套轴、末端执行器快换装置和驱动系统；所述机械臂箱体主要由下箱体、上箱体和腕部大端盖组成；所述关节轴为中空轴，安装于机械臂箱体后端的侧面，用于机械臂箱体与其它机械臂箱体或基座的连接；所述中空轴的内部安排所需的走线；所述腕部套轴主要由外轴、芯轴、滑动轴承、角接触球轴承、腕部后端盖和腕部小端盖组成;所述末端执行器快换装置主要包括一个法兰盘，且法兰盘的型面与芯轴的轴端相匹配，法兰盘通过其型面固接在外轴上；所述驱动系统主要由末端执行器驱动电机、腕部驱动电机、联轴器、传动轴和槽式光电限位开关组成。

Description

一种可重构的水下机器人机械臂

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种可重构的水下机器人机械臂。

背景技术

目前我国水下工程作业大多由潜水员完成，然而在某些特殊环境下，潜水员难以抵达作业现场，因此具有作业功能的水下机器人应运而生，并逐渐得到广泛应用。一方面，水下机器人因需解决密封、线缆布置等关键技术问题，通常其机械臂结构复杂，尺寸较大，进而限制了其运动的灵活性。《水下机械手阻抗控制技术研究》（陈萍，哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009）一文中所涉及水下机械手采用多道O形圈密封，且将各关节驱动电机布置于机械臂箱体之内，导致机械臂结构复杂、尺寸较大。《水下机械手结构设计与研究》（安江波等，机械工程与自动化，第2期2009年4月）一文中，为避免水环境中各种电缆与机械手及水草等水中生物发生缠绕，将动力缆和信号缆大部分配置在水下机械手内部，但由于结构限制关节处线缆仍裸露在外部，不仅影响美观，而且会影响线缆寿命。专利文献“机械手臂（CN101774178A）”中，采用机械臂本体开设线槽，并采用在其上方安装线缆保护盖的方式将线缆布置于机械臂内部，同样结构较为复杂，尺寸较大。另一方面，水下机器人的水下作业任务主要靠安装在其机械臂末端的末端执行器来完成，在处理不同作业任务时，往往需要更换不同的末端执行器。专利文献“水下多功能机器人（CN1876486A）”和《水下机器人多功能作业工具包》（滕宇浩等，机器人，第24卷第6期2002年11月）中，涉及的水下机器人均具有多种末端执行器，但其驱动电机均布置于末端执行器之中，不仅加大了密封难度、提高了制造成本，而且不便于末端执行器的快速更换。综上可知，目前水下机器人机械臂的结构较为复杂，尺寸较大，运动范围较小，更换末端执行器过程较为麻烦。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种可重构的水下机器人机械臂。该机械臂体积小、重量轻、结构紧凑、操作灵活、运动范围大，并可快速更换末端执行器。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种可重构的水下机器人机械臂，其特征在于该机械臂主要包括机械臂箱体、关节轴、腕部套轴、末端执行器快换装置和驱动系统；

所述机械臂箱体主要由下箱体、上箱体和腕部大端盖组成；下箱体与上箱体相匹配，连接后形成一端封闭、另一端开口的试管状空腔结构，且空腔的开口端与腕部大端盖连接，构成机械臂箱体整体；

所述关节轴为中空轴，安装于机械臂箱体后端的侧面，用于机械臂箱体与其它机械臂箱体或基座的连接；所述中空轴的内部安排所需的走线；

所述腕部套轴主要由外轴、芯轴、滑动轴承、角接触球轴承、腕部后端盖和腕部小端盖组成，安装于机械臂箱体的前端，用于机械臂箱体与末端执行器快换装置的连接；腕部套轴为中空结构，外轴通过滑动轴承及其外侧的轴肩实现与腕部大端盖的定位，并通过腕部后端盖与腕部大端盖的螺纹连接，实现与腕部大端盖的固定，进而实现与机械臂箱体的连接；芯轴与外轴的轴线重合，经角接触球轴承定位于外轴之内，在机械臂箱体外侧通过腕部小端盖实现动、静密封，并紧固定位于外轴上的末端执行器快换装置；

所述末端执行器快换装置主要包括一个法兰盘，且法兰盘的型面与芯轴的轴端相匹配，法兰盘通过其型面固接在外轴上；

所述驱动系统主要由末端执行器驱动电机、腕部驱动电机、联轴器、传动轴和槽式光电限位开关组成；末端执行器驱动电机和腕部驱动电机布置于机械臂箱体的内部，其轴线均与机械臂箱体中轴线重合，其中末端执行器驱动电机经联轴器与芯轴连接，用于末端执行器的动力输入，腕部驱动电机经传动轴与外轴连接，实现末端执行器的整体旋转；槽式光电限位开关安装于机械臂箱体内部，位于腕部驱动电机输出轴所连接的直齿齿轮的正下方，与直齿齿轮上的圆孔配合，实现腕部关节的零位调整。

与现有技术相比，本发明可重构的水下机器人机械臂的特点是：

（1）体积小、重量轻、结构紧凑，运动范围大。本发明一方面将细长的末端执行器驱动电机和腕部驱动电机布置于机械臂箱体内部，且轴线均与箱体中轴线重合，充分利用了箱体内部的空间，减小了机械臂的径向尺寸，另一方面将为末端执行器提供动力的电机置于机械臂箱体内部，极大地减小了末端执行器的结构尺寸，简化了末端执行器的密封设计，避免了末端执行器与机械臂间的电气连接，因此体积小、重量轻、结构紧凑；腕部套轴经两滑动轴承定位于腕部大端盖，因此腕部套轴的外轴与芯轴能实现独立的360°连续回转，因此运动范围大。

（2）可实现末端执行器的快速更换。当末端执行器的机体通过螺钉安装在与腕部套轴外轴相连接的法兰盘时，腕部套轴芯轴的方形轴端即与末端执行器的动力输入轴实现了型面连接，且末端执行器与机械臂并无电气连接，因此更换末端执行器只需拆装四个连接末端执行器与法兰盘的螺钉即可，具有效率提高，操作方便等特点。

（3）采用机集中的机械臂内部走线方式。本发明机械臂中的各个电气元件所需连接的线缆均经机械臂后侧的中空轴与控制系统相连接，采用此种集中的内部走线方式，不仅外形美观，结构简洁，减少了所需防水插头的数量，增加了密封的可靠性，而且避免了线缆与机械臂可能发生的缠绕，保证了机械手的正常工作。

附图说明

附图1为本发明可重构的水下机器人机械臂一种实施例的主视结构示意图。

附图2为本发明可重构的水下机器人机械臂一种实施例的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本发明申请的权利要求保护范围不限于下述实施例的描述。

本发明设计的可重构的水下机器人机械臂（简称机械臂，参见图1-2），

其特征在于该机械臂主要包括机械臂箱体1、关节轴2、腕部套轴3、末端执行器快换装置4和驱动系统5。

所述机械臂箱体1主要由下箱体11、上箱体12和腕部大端盖13组成。下箱体11与上箱体12相匹配，通过螺钉连接后，形成一端封闭、另一端为开口端的试管状空腔结构，且空腔的开口端与腕部大端盖13连接，构成机械臂箱体1的整体。为减小机械臂运动过程中的水阻力，本发明的进一步特征是所述的下箱体11和上箱体12均为空芯的半圆形结构，两者扣合后，构成为具有试管状空腔的圆柱形机械臂箱体1。

所述关节轴2为一个中空轴，安装于机械臂箱体1后端（远离腕部大端盖13一端）的侧面，用于机械臂箱体1与其它机械臂箱体或基座的连接；所述中空轴的内部安排所需的走线。

所述腕部套轴3主要由外轴31、芯轴32、滑动轴承33、角接触球轴承34、腕部后端盖35和腕部小端盖36组成；腕部套轴3安装于机械臂箱体1的前端（靠近腕部大端盖13一端），用于机械臂箱体1与末端执行器快换装置4的连接。腕部套轴3为中空结构，外轴31通过滑动轴承33及其外侧的轴肩实现与腕部大端盖13的定位，并通过腕部后端盖35与腕部大端盖13的螺纹连接，实现与腕部大端盖13的固定，进而实现与机械臂箱体1的连接。芯轴32与外轴31的轴线重合，经角接触球轴承34定位于外轴31之内，在机械臂箱体1外侧通过腕部小端盖36实现动、静密封，并紧固定位于外轴31上的末端执行器快换装置4。所述芯轴32具有方形的轴端。

所述末端执行器快换装置4主要为一个法兰盘41，法兰盘41具有方形的型面，且该方形的型面与芯轴32的方形轴端相匹配，法兰盘41通过其方形型面固接在外轴31上。

所述末端执行器快换装置4主要包括一个法兰盘41，且法兰盘41的型面与芯轴32的轴端相匹配，法兰盘41通过其型面固接在外轴31上。实施例的法兰盘41的型面为方形，所述芯轴32的轴端实施例也为方形，且法兰盘41的方形型面与芯轴32的方形轴端相匹配。

所述驱动系统5主要由末端执行器驱动电机51、腕部驱动电机52、联轴器53、传动轴54和槽式光电限位开关55组成。末端执行器驱动电机51和腕部驱动电机52布置于机械臂箱体1的内部，其轴线均与机械臂箱体1中轴线重合，其中末端执行器驱动电机51经联轴器53与芯轴32连接，用于末端执行器6的动力输入，腕部驱动电机52经传动轴54与外轴31连接，实现末端执行器6的整体旋转。槽式光电限位开关55安装于机械臂箱体1内部，位于腕部驱动电机52输出轴所连接的直齿齿轮56正下方，与直齿齿轮56上的圆孔配合，实现腕部关节的零位调整。

本发明机械臂适用于多种末端执行器6，例如，多功能手爪、异物清扫机、水下吸泵机、水下切割机或水下焊接机等，并能通过关节轴连接其它机械臂，可重构为适用于不同作业任务的具有不同构型、不同末端执行器的机械手。末端执行器6主要包括末端执行器机体61，末端执行器机体61用于与末端执行器动力输入轴62的连接。

本发明机械臂的动态工作过程如下：在执行作业之前，针对不同的作业任务，机械臂要选择性安装不同的末端执行器6。当末端执行器机体61与末端执行器快换装置4中的法兰盘41完成机械连接的同时，末端执行器动力输入轴62与芯轴32也自动实现（方形）型面连接，达到快速更换末端执行器6的目的。所述关节轴2的旋转带动机械臂运动，使末端执行器6到达指定的工作区域。腕部驱动电机52通过槽式光电限位开关55完成零位调整后，经传动轴54、外轴31驱动末端执行器6实现整体旋转。末端执行器驱动电机51经联轴器53、芯轴32为末端执行器6提供动力，以完成相应的作业任务。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种可重构的水下机器人机械臂，其特征在于该机械臂主要包括机械臂箱体、关节轴、腕部套轴、末端执行器快换装置和驱动系统；

    所述机械臂箱体主要由下箱体、上箱体和腕部大端盖组成；下箱体与上箱体相匹配，连接后形成一端封闭、另一端开口的试管状空腔结构，且空腔的开口端与腕部大端盖连接，构成机械臂箱体整体；

所述关节轴为中空轴，安装于机械臂箱体后端的侧面，用于机械臂箱体与其它机械臂箱体或基座的连接；所述中空轴的内部安排所需的走线；

所述腕部套轴主要由外轴、芯轴、滑动轴承、角接触球轴承、腕部后端盖和腕部小端盖组成，安装于机械臂箱体的前端，用于机械臂箱体与末端执行器快换装置的连接；腕部套轴为中空结构，外轴通过滑动轴承及其外侧的轴肩实现与腕部大端盖的定位，并通过腕部后端盖与腕部大端盖的螺纹连接，实现与腕部大端盖的固定，进而实现与机械臂箱体的连接；芯轴与外轴的轴线重合，经角接触球轴承定位于外轴之内，在机械臂箱体外侧通过腕部小端盖实现动、静密封，并紧固定位于外轴上的末端执行器快换装置； 

所述末端执行器快换装置主要包括一个法兰盘，且法兰盘的型面与芯轴的轴端相匹配，法兰盘通过其型面固接在外轴上；

所述驱动系统主要由末端执行器驱动电机、腕部驱动电机、联轴器、传动轴和槽式光电限位开关组成；末端执行器驱动电机和腕部驱动电机布置于机械臂箱体的内部，其轴线均与机械臂箱体中轴线重合，其中末端执行器驱动电机经联轴器与芯轴连接，用于末端执行器的动力输入，腕部驱动电机经传动轴与外轴连接，实现末端执行器的整体旋转；槽式光电限位开关安装于机械臂箱体内部，位于腕部驱动电机输出轴所连接的直齿齿轮的正下方，与直齿齿轮上的圆孔配合，实现腕部关节的零位调整。

2.根据权利要求1所述的可重构的水下机器人机械臂，其特征是所述的下箱体和上箱体均为空芯半圆形结构，两者扣合后，构成具有为试管状空腔的圆柱形机械臂箱体。

3.根据权利要求1所述的可重构的水下机器人机械臂，其特征是所述的法兰盘的型面为方形，所述芯轴的轴端也为方形，且法兰盘的方形型面与芯轴的方形轴端相匹配。

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