CN103386678A

CN103386678A - 一种小型水下电动机械手

Info

Publication number: CN103386678A
Application number: CN2013102792852A
Authority: CN
Inventors: 丑武胜; 马鑫; 方斌; 郭晓旗
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-11-13

Abstract

本发明涉及微小型水下机器人作业领域，具体的说是一种可以安装在水下机器人上用于实现水下异物打捞等功能的小型电动水下机械手。包括电机安装套筒、连接套筒、从动轴安装套筒及夹爪支座，电机安装套筒安装有直流电动机和行星减速器，连接套筒安装有主动轴及滚动轴承，从动轴安装套筒用于安装从动轴，夹爪支座用于安装夹爪手指，电动机经过行星减速器减速以后，其输出轴扭矩增大，并通过键连接到主动轴上，主动轴通过扭矩限制器连接到从动轴上，从动轴通过丝杠螺母与拉杆连动，拉杆通过销轴拉动夹爪手指进行抓取动作。本发明具有安全性高，小型化，故障率低，应用范围广等特点。

Description

一种小型水下电动机械手

所属技术领域

本发明涉及微小型水下机器人作业领域，具体的说是一种可以安装在水下机器人上用于实现水下异物打捞等功能的小型电动水下机械手。

背景技术

ROV（Remote Operated Vehicle）即水下机器人，是一种能够在浅水区域进行探测，作业的工具机器人，主要用于对江河湖海水资源的开发和利用，以及近海资源的探测、利用。目前，世界上的ROV种类已达几十种甚至上百种，功能多样，其中大型主要用于近海油气田的开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面；中小型主要用于江河湖泊捕鱼业以及水质观测等民用领域，面对如此多的应用领域，水下机器人所配备的作业机构也必须满足多样化的设计需求，成为水下机器人设计中最重要的内容之一。虽然目前世界上ROV的形式多种多样，但只有很少一部分用于相对特殊的极端环境下，且在特殊环境下，由于人工操作的危险性，设备自动化的需求更为迫切，因此，对于极端环境下作业型ROV（尤其是其携带的作业机构如水下机械手）的研制也更为重要。

水下机器人所配置的水下机械手的设计要满足多方面的性能需求包括模块化，小型化，多功能化等。目前大部分机械手均为液压驱动，其优点是负载/自重比高，负载能力强，易于实现深海密封；但液压水下机械手体积庞大，能量转换效率低，元器件不便于更换，难于实现模块化和小型化，且很多情况下由于条件所限，也无法配置液压系统，因此，电动水下机械手就成了很好的选择。小型电动水下机械手由于其体积小耗能低，功能灵活以及便于实现控制等特点得到了越来越多的研究。

发明内容

本发明提供一种小型电动水下机械手，可以搭载在水下机器人上，用于各种环境的水下异物搜索和打捞，以及检查水下设备故障，缺陷等，将降低水下检修、维护成本，提高作业的自主化程度。本发明除了要解决一般性的水下机械手的常见问题，还要在机械结构方面考虑机械手的过载保护问题，以确保在控制器失灵的情况下，仍可以保证夹持力不致过大，保护电气设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明专利包括电机安装套筒、连接套筒、从动轴安装套筒及夹爪支座，电机安装套筒安装有直流电动机和行星减速器，连接套筒安装有主动轴及滚动轴承，从动轴安装套筒用于安装从动轴，夹爪支座用于安装夹爪手指，直流电动机经过行星减速器减速以后，其输出轴扭矩增大，并通过键连接到主动轴上，主动轴通过扭矩限制器连接到从动轴上，从动轴通过传动螺母与拉杆连动，拉杆通过销轴拉动夹爪手指进行抓取动作。扭矩限制器包括扭矩限制器外端盖、摩擦盘、弹簧、扭矩限制器从动套筒、扭矩限制器轴套，主动轴和从动轴通过扭矩限制器进行传动，对于直流电动机电动机的输出功率进行限制且使夹爪最大夹持力保持一定值。主动轴与连接套筒之间安装有滚动轴承，主动轴与扭矩限制器轴套通过销连接传动，扭矩限制器轴套与从动轴套之间设有摩擦盘；扭矩限制器从动轴套端面有两个方形突起，从动轴端面也设计有凹槽与之对应安装。从动轴与从动轴安装套筒之间安装有滚动轴承，主动轴与从动轴端孔之间安装有滚动轴承。从动轴靠近夹爪手指一段为滚珠丝杠式螺杆，与传动螺母组成滚珠丝杠副，拉杆用拉杆连接板压紧并用螺钉固定在传动螺母上与其随动。从动轴安装套筒一端安装有前端盖，前端盖上通过外螺纹圆柱销与挡块连接，挡块阻挡了传动螺母的周向旋转。拉杆前端盖之间采用O型密封圈和聚四氟乙烯滑环组合的动密封方式。拉杆与夹爪支座之间设有防尘圈。直流电动机底端安装有编码器，编码器与直流电动机在电动机安装套筒内走线，电源线与信号线统一按照线序连接到水密接头的筒内部分。电动机安装套筒与连接套筒以及从动轴安装套筒与连接套筒，电动机安装套筒与后端盖，从动轴安装套筒与前端盖之间均采用O型密封圈进行静密封，O型密封圈材料选择为三元乙丙橡胶。滑块与拉杆通过销连接，夹爪手指通过销轴与滑块连接，夹爪手指最大旋转角度为20°，3个夹爪手指互相成120°配置。

本发明专利的优点与积极效果为：

1.安全性高。本发明专利采用了扭矩限制器来限制电动机的输出功率以及保证一定值的夹持力，可以保证在抓取异物的时候不至于捏碎而造成更严重的污染以及防止电机功率超负荷过热等，由于机械装置比电控系统在核辐射下更具可靠性，因此对于扭矩的控制，扭矩限制器比扭矩电控系统更安全可靠。

2.小型化。本发明专利采用了电机，减速器，编码器一体化结构，设置于电机安装套筒内，且轴承均使用径向尺寸较小的型号，使得设计结构紧凑。

3.故障率低。本发明专利采用了内部走线的方式，且集中连接到水密接头上，使得连接更方便且降低了未知环境下出现故障的可能性。

4.应用范围广。本发明专利机构采用模块化设计，末端便于更换各种类型的夹持器或过滤网，便于功能的扩展，应用范围广。

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1为本发明专利的外形结构示意图

图2为本发明专利的内部结构示意图图

图3为本发明专利的夹爪开合示意图

其中1为水密接头，2为后端盖，3为电机安装套筒，4为直流电动机，5为连接套筒，6为滚动轴承，7为扭矩限制器外端盖，8为弹簧，9为摩擦盘，10为扭矩限制器从动套筒，11为挡块，12为外螺纹圆柱销，13为拉杆连接板，14为前端盖，15为夹爪支座，16为夹爪手指，17为销轴，18为滑块，19为防尘圈，20为拉杆，21为传动螺母，22为从动轴安装套筒，23为螺母，24为从动轴，25为连接销，26为主动轴，27为扭矩限制器轴套，28为O型密封圈，29为圆螺母，30为行星减速器，31为螺钉

具体实施方式：

下面结合附图对本发明专利做进一步详述

如图1，图2所示，本发明专利为单自由度电动水下机械手，末端夹持机构为三爪型，相互成120°配置，外部结构为圆筒状结构，如图1所示，采用内部走线，所有接线均连接在配置于机械手底端的水密接头（1）上。机械手除了拉杆（20）与前端盖（14）间的密封采用O型密封圈（28）与聚四氟乙烯滑环配合的动密封方式外，其余各处均采用O型圈（28）密封的静密封方式。直流电动机（4）与行星减速器（30）、编码器为一体化结构，安装于机械手的后端，直流电动机（4）输出轴与行星减速器（30）输入轴相连，将动力传递到行星减速器（30）输出轴上。行星减速器（30）输出轴与主动轴（26）通过键连接，传递扭矩。主动轴（26）和从动轴（24）通过扭矩限制器进行传动，能够对电动机（4）的输出功率进行限制且使夹爪最大夹持力保持一定值。主动轴（26）与扭矩限制器轴套（27）通过销连接进行传动，扭矩限制器从动套筒（10）的凸缘与从动轴（24）的凹槽对应安装，将动力传递到从动轴（24）上，扭矩限制器轴套（27）和扭矩限制器从动套筒（10）之间安装有摩擦盘（9），当发生过载时，摩擦盘（9）与扭矩限制器轴套（27）以及扭矩限制器从动套筒（10）之间产生摩擦打滑，从而限制了电动机（4）的输出功率，避免堵转而发生过热以致烧坏。从动轴（24）靠近夹爪手指（16）一段为滚珠丝杠式螺杆，与传动螺母（21）组成滚珠丝杠副，从动轴（24）转动时，带动拉杆（20）作轴向移动，拉杆（20）与滑块（18）通过圆柱销连接并连动。如图3所示，拉杆（20）向上移动，夹爪张开，拉杆（20）向下移动，夹爪闭合。

本发明专利的扭矩限制器为市购产品，可购置日本椿本（TSUBAKI）公司生产的TL系列扭矩限制器，型号为：MK08，水密接头也为市购产品，可选购瑞士雷莫（LEMO）公司生产的W系列水密接头，型号为：EVG-0W-306-C-L-L。

Claims

1.一种小型水下电动机械手，其特征在于：包括电机安装套筒（3）、连接套筒（5）、从动轴安装套筒（22）及夹爪支座（15），电机安装套筒（3）安装有直流电动机（4）和行星减速器（30），连接套筒（5）安装有主动轴（26）及滚动轴承（6），从动轴安装套筒（22）用于安装从动轴（24），夹爪支座（15）用于安装夹爪手指（16），直流电动机（4）经过行星减速器（30）减速以后，其输出轴扭矩增大，并通过键连接到主动轴（26）上，主动轴（26）通过扭矩限制器连接到从动轴（24）上，从动轴（24）通过传动螺母（21）与拉杆（20）连动，拉杆（20）通过销轴（17）拉动夹爪手指（16）进行抓取动作。

2.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述的扭矩限制器包括扭矩限制器外端盖（7）、摩擦盘（9）、弹簧（8）、扭矩限制器从动套筒（10）、扭矩限制器轴套（27），主动轴（26）和从动轴（24）通过扭矩限制器进行传动，对于直流电动机电动机（4）的输出功率进行限制且使夹爪最大夹持力保持一定值。

3.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述主动轴（26）与连接套筒（5）之间安装有滚动轴承（6），主动轴（26）与扭矩限制器轴套（27）通过销连接传动，扭矩限制器轴套（27）与从动轴套（10）之间设有摩擦盘（9）；扭矩限制器从动轴套（10）端面有两个方形突起，从动轴（24）端面也设计有凹槽与之对应安装。从动轴（24）与从动轴安装套筒（22）之间安装有滚动轴承（6），主动轴（26）与从动轴（24）端孔之间安装有滚动轴承（6）。

4.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述从动轴（24）靠近夹爪手指（16）一段为滚珠丝杠式螺杆，与传动螺母（21）组成滚珠丝杠副，拉杆（20）用拉杆连接板（13）压紧并用螺钉（31）固定在传动螺母（21）上与其随动。

5.按权利要求4所述的水下电动机械手，其特征在于：所述从动轴安装套筒（22）一端安装有前端盖（14），前端盖（14）上通过外螺纹圆柱销（12）与挡块（11）连接，挡块（11）阻挡了传动螺母（21）的周向旋转。

6.按权利要求5所述的水下电动机械手，其特征在于：所述拉杆（20）前端盖（14）之间采用O型密封圈（28）和聚四氟乙烯滑环组合的动密封方式。拉杆（20）与夹爪支座（15）之间设有防尘圈（19）。

7.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述直流电动机（4）底端安装有编码器，编码器与直流电动机（4）在电动机安装套筒（3）内走线，电源线与信号线统一按照线序连接到水密接头（1）的筒内部分。

8.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述电动机安装套筒（3）与连接套筒（5）以及从动轴安装套筒（22）与连接套筒（5），电动机安装套筒（3）与后端盖（2），从动轴安装套筒（22）与前端盖（14）之间均采用O型密封圈（28）进行静密封，O型密封圈（28）材料选择为三元乙丙橡胶。

9.按权利要求1所述的水下电动机械手，其特征在于：所述滑块（18）与拉杆（20）通过销连接，夹爪手指（16）通过销轴（17）与滑块（18）连接，夹爪手指（16）最大旋转角度为20°，3个夹爪手指互相成120°配置。