CN104858891B - 一种水下三自由度机械臂 - Google Patents

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本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种水下三自由度机械臂，包括大臂壳体、小臂壳体、腕部壳体、用于连接大臂壳体和小臂壳体的俯仰控制装置、用于连接小臂壳体和腕部壳体的回转控制装置、用于连接小臂壳体和腕部壳体的开合控制装置以及可旋转式的安装于开合控制装置上的手爪；所述大臂壳体、小臂壳体和腕部壳体均为圆筒形壳体，本发明中各节臂的壳体均采用圆柱形的外形，使壳体内部空间得到了充分的利用，减轻了整体结构的重量，零部件空间布置合理，结构紧凑；丝杆传动方式将减速电机的旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，能够保证动作的准确性，并且丝杆传动对减速机输出运动进行了进一步的减速，降低了对行星齿轮箱和电机的要求。

Description

一种水下三自由度机械臂
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种水下三自由度机械臂。
背景技术
三自由度机械臂是水下机器人进行水下工作时的作业工具，整个机械臂拥有小臂的俯仰运动，手腕的回转运动以及爪部的开合运动共3个自由度，水下多轴的机械臂，大多以液压系统作为其动力源；如中国专利号104084947A公开的一种七功能水下机械臂系统，包括手爪、腕、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连杆、第二液压缸，第三关节包括第二连杆、第三液压缸，第四关节包括第三连杆、第四液压缸，第五关节包括第四连杆、第五液压缸；第一液压缸安装在底座上，第一液压缸的单出杆活塞与第一连接杆相连，第二液压缸安装在第一连接杆上，第二液压缸的单出杆活塞与第二连接杆相连，第三液压缸安装在第二连杆上，第三液压缸单出杆活塞与第三连接杆相连，第四液压缸安装在第三连杆上，第四液压缸的单出杆活塞与第四连接杆相连，第五液压缸安装在第四连杆上，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆，旋转马达固定在第五连接杆上，连接件与旋转马达的输出端相连，第五液压缸的单出杆活塞与第五连接杆相连，手爪相对布置的面上均设置锯齿结构。
然而液压系统体积庞大，重量较大，难以与中小型水下机器人相匹配；另外，以液压系统作为动力源的三自由度机械臂有余零件众多，零件加工较为复杂，使机械臂加工和维修的成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种水下三自由度机械臂，相比于水下机械臂常用的液压系统，本机械臂采用细长型的直流减速电机作为动力源，将各部件进行模块化设计，方便装配和检修；各节臂的壳体均采用圆柱形的外形，使壳体内部空间得到了充分的利用，减轻了整体结构的重量，零部件空间布置合理，结构紧凑；与俯仰控制机构连接的俯仰驱动单元的布置方式可以选择电机与关节输出轴平行布置或电机与关节输出轴垂直布置，平行布置时会使整个关节外径尺寸变大，增大整个机械臂重量，并会使机械臂运动时受到的水阻力增加；垂直布置时可以考虑蜗轮蜗杆和锥齿轮两种传动方式，但由于减速电机输出的扭矩较大，对传动机构要求较高，且应用于水下时齿轮箱涉及到密封问题，该两种种传动方式并不合适，因此本发明中采用丝杆传动的方式杆将电机旋转运动转化为螺母的直线运动，利用连杆实现小臂的俯仰动作；该种传动方式自带限位和自锁功能，能够保证动作的准确性，并且丝杆传动对减速机输出运动进行了进一步的减速，降低了对行星齿轮箱和电机的要求。
为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：
一种水下三自由度机械臂，包括大臂壳体、小臂壳体、腕部壳体、用于连接大臂壳体和小臂壳体的俯仰控制装置、用于连接小臂壳体和腕部壳体的回转控制装置、用于连接小臂壳体和腕部壳体的开合控制装置以及可旋转式的安装于开合控制装置上的手爪；所述大臂壳体、小臂壳体和腕部壳体均为圆筒形壳体。
进一步地，所述俯仰控制装置包括设于大臂壳体内的俯仰驱动单元和设于大臂壳体前部并与俯仰驱动单元传动连接的第一丝杆传动机构；所述大臂壳体的前部通过螺钉安装有大臂密封法兰和大臂减速机法兰；所述俯仰驱动单元通过螺钉与大臂减速机法兰连接；所述第一丝杆传动机构通过螺钉与大臂密封法兰连接。
进一步地，所述俯仰驱动单元包括设有大臂壳体内的大臂减速机、大臂电机和大臂编码器；所述大臂减速机通过螺钉固定于大臂减速机法兰上；所述大臂减速机的输出轴上安装有大臂减速机联轴器，大臂减速机联轴器依次穿过大臂减速机法兰和大臂密封法兰延伸至大臂壳体外部；所述大臂密封法兰与大减速机联轴器之间安装有密封圈。
进一步地，所述第一丝杆传动机构包括通过螺钉与大臂密封法兰连接的第一框架、通过螺钉固定于第一框架内的第一端块组、安装于第一端块组上的第一丝杆、套设于第一丝杆上的第一丝杆滑块、可旋转式的安装于第一框架前部的抱箍和连接第一丝杆滑块和抱箍的第一连杆；所述第一丝杆的输入端与大臂减速机联轴器连接；所述抱箍与小臂壳体固定连接。
进一步地，所述回转控制装置包括设于小臂壳体内的回转驱动单元；所述回转驱动单元包括设有小臂壳体内的小臂减速机、小臂电机和小臂编码器；所述小臂壳体的前部通过螺钉安装有小臂密封法兰、小臂减速机法兰和小臂套筒；所述小臂壳体的后部安装有水密电连接器；所述小臂减速机通过螺钉固定于小臂减速机法兰上；所述小臂套筒的端部安装有挡板；所述小臂套筒内间隙配合有滑动轴承；所述腕部壳体的后部间隙配合于滑动轴承内；所述腕部壳体的后端部一体成型有联轴部，联轴部依次贯穿挡板、小臂密封法兰和小臂减速机法兰与小臂减速机的输出轴连接；所述小臂密封法兰与联轴部之间设有安装有密封圈。
进一步地，所述开合控制装置包括设有腕部壳体内的开合驱动单元和设有腕部壳体前部并与开合控制器传动连接的第二丝杆传动机构；所述腕部壳体的前部通过螺钉固定有腕部密封法兰和腕部减速机法兰；所述开合驱动单元通过螺钉与腕部减速机法兰连接；所述第二丝杆传动机构通过螺钉与腕部密封法兰连接。
进一步地，所述开合驱动单元包括设于腕部壳体内的腕部减速机、腕部电机和腕部编码器；所述腕部减速机通过螺钉固定于腕部减速机法兰上；所述腕部减速机的输出轴上安装有腕部减速机联轴器，腕部减速机联轴器依次穿过腕部减速机法兰和腕部密封法兰延伸至腕部壳体外部；所述腕部密封法兰与腕部减速机联轴器之间安装有密封圈。
进一步地，所述第二丝杆传动机构包括通过螺钉与腕部密封法兰连接的第二框架、通过螺钉固定于第二框架内的第二端块组、安装于第二端块组上的第二丝杆、套设于第二丝杆上的第二丝杆滑块和连接第二丝杆滑块和手爪的第二连杆。
有益效果：本发明的一种水下三自由度机械臂各节臂的壳体均采用圆柱形的外形，使壳体内部空间得到了充分的利用，减轻了整体结构的重量，零部件空间布置合理，结构紧凑；丝杆传动方式将减速电机的旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，利用连杆实现小臂的俯仰动作、腕部的回转动作以及手抓的开合动作；该种传动方式自带限位和自锁功能，能够保证动作的准确性，并且丝杆传动对减速机输出运动进行了进一步的减速，降低了对行星齿轮箱和电机的要求。
附图说明
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明中俯仰控制装置的剖视结构示意图；
图3为本发明中回转控制装置的剖视结构示意图；
图4为本发明中开合控制装置的剖视结构示意图；
附图标记说明：大臂壳体1，大臂密封法兰11，大臂减速机法兰12，小臂壳体2，小臂密封法兰21，小臂减速机法兰22，小臂套筒23，水密电连机器24，挡板25，滑动轴承26，腕部壳体3，联轴部31，腕部密封法兰32，腕部减速机法兰33，手爪4，俯仰控制装置5，大臂减速机51a，大臂电机51b，大臂编码器51c，大臂减速机联轴器51d，第一框架52a，第一端块组52b，第一丝杆52c，第一丝杆滑块52d，第一连杆52e，抱箍52f，回转控制装置6，小臂减速机61a，小臂电机61b，小臂编码器61c，开合控制装置7，腕部减速机71a，腕部电机71b，腕部编码器71c，腕部减速机联轴器71d，第二框架72a，第二端块组72b，第二丝杆72c，第二丝杆滑块72d，第二连杆72e。
具体实施例
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施例做进一步详细描述：
参照图1所示的一种水下三自由度机械臂，包括大臂壳体1、小臂壳体2、腕部壳体3、用于连接大臂壳体1和小臂壳体2的俯仰控制装置5、用于连接小臂壳体2和腕部壳体3的回转控制装置6、用于连接小臂壳体2和腕部壳体3的开合控制装置7以及可旋转式的安装于开合控制装置7上的手爪4；所述大臂壳体1、小臂壳体2和腕部壳体3均为圆筒形壳体。
参照图2所示，所述俯仰控制装置5包括设于大臂壳体1内的俯仰驱动单元和设于大臂壳体1前部并与俯仰驱动单元传动连接的第一丝杆传动机构；所述大臂壳体1的前部通过螺钉安装有大臂密封法兰11和大臂减速机法兰12；所述俯仰驱动单元通过螺钉与大臂减速机法兰12连接；所述第一丝杆传动机构通过螺钉与大臂密封法兰11连接。
所述俯仰驱动单元包括设有大臂壳体1内的大臂减速机51a、大臂电机51b和大臂编码器51c；所述大臂减速机51a通过螺钉固定于大臂减速机法兰12上；所述大臂减速机51a的输出轴上安装有大臂减速机联轴器51d，大臂减速机联轴器51d依次穿过大臂减速机法兰12和大臂密封法兰11延伸至大臂壳体1外部；所述大臂密封法兰11与大减速机联轴器之间安装有密封圈。
所述第一丝杆传动机构包括通过螺钉与大臂密封法兰11连接的第一框架52a、通过螺钉固定于第一框架52a内的第一端块组52b、安装于第一端块组52b上的第一丝杆52c、套设于第一丝杆52c上的第一丝杆滑块52d、可旋转式的安装于第一框架52a前部的抱箍52f和连接第一丝杆滑块52d和抱箍52f的第一连杆52e；所述第一丝杆52c的输入端与大臂减速机联轴器51d连接；所述抱箍52f与小臂壳体2固定连接。
其中，第一框架52a通过螺钉连接到大臂壳体1上，大臂减速机51a输出轴的扭矩大臂减速机联轴器51d传递给第一丝杆52c，转变为第一丝杆52c的轴向力，第一丝杆滑块52d随之克服第一连杆52e的作用力进行移动，通过铰接的第一连杆52e推动抱箍52f进行俯仰运动；第一丝杆传动机构相当于对大臂减速机51a的输出进行了进一步的减速，降低了行星齿轮箱的扭矩要求。
参照图3所示，所述回转控制装置6包括设于小臂壳体2内的回转驱动单元；所述回转驱动单元包括设有小臂壳体2内的小臂减速机61a、小臂电机61b和小臂编码器61c；所述小臂壳体2的前部通过螺钉安装有小臂密封法兰21、小臂减速机法兰22和小臂套筒23；所述小臂壳体2的后部安装有水密电连接器；所述小臂减速机61a通过螺钉固定于小臂减速机法兰22上；所述小臂套筒23的端部安装有挡板25；所述小臂套筒23内间隙配合有滑动轴承26；所述腕部壳体3的后部间隙配合于滑动轴承26内；所述腕部壳体3的后端部一体成型有联轴部31，联轴部31依次贯穿挡板25、小臂密封法兰21和小臂减速机法兰22与小臂减速机61a的输出轴连接；所述小臂密封法兰21与联轴部31之间设有安装有密封圈。
其中，滑动轴承26与小臂套筒23为间隙配合，腕部壳体3后部的联轴部31穿过滑动轴承26内孔，直到联轴部31的轴肩靠紧滑动轴承26的法兰端面，挡板25用螺栓固定到腕部壳体3上，再将小臂套筒23通过螺钉连接到小臂壳体2上，这样便限制了腕部壳体3的轴向运动，且由小臂套筒23承受腕部和爪部重量产生的弯矩。
参照图4所示，所述开合控制装置7包括设有腕部壳体3内的开合驱动单元和设有腕部壳体3前部并与开合控制器传动连接的第二丝杆传动机构；所述腕部壳体3的前部通过螺钉固定有腕部密封法兰32和腕部减速机法兰33；所述开合驱动单元通过螺钉与腕部减速机法兰33连接；所述第二丝杆72c传动机构通过螺钉与腕部密封法兰32连接。
所述开合驱动单元包括设于腕部壳体3内的腕部减速机71a、腕部电机71b和腕部编码器71c；所述腕部减速机71a通过螺钉固定于腕部减速机法兰33上；所述腕部减速机71a的输出轴上安装有腕部减速机联轴器71d，腕部减速机联轴器71d依次穿过腕部减速机法兰33和腕部密封法兰32延伸至腕部壳体3外部；所述腕部密封法兰32与腕部减速机联轴器71d之间安装有密封圈。
所述第二丝杆传动机构包括通过螺钉与腕部密封法兰32连接的第二框架72a、通过螺钉固定于第二框架72a内的第二端块组72b、安装于第二端块组72b上的第二丝杆72c、套设于第二丝杆72c上的第二丝杆滑块72d和连接第二丝杆滑块72d和手爪4的第二连杆72e。
值得强调的是，所述开合控制装置7与俯仰控制装置5的工作原理相同，均是通过丝杆传动机构将减速机输出轴的回转运动转化成丝杆的上滑块的直线运动进而通过连杆实现相应动作。
综合图1～图4所示的一种水下三自由度机械臂利用行星减速电机作为动力源，结构紧凑可靠，装拆方便，动作启停平滑，适用于中小型水下机器人；采用丝杠滑块机构代替常规的锥齿结构，作为俯仰关节和开合关节的传动件，相当于对电机实行了进一步的减速，降低了齿轮箱的扭矩要求，且免去了采用锥齿结构带来的齿轮箱密封问题；旋转关节采用套筒和滑动轴承26的方式对腕部壳体3进行支承，使该关节运行时可靠稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作出任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种水下三自由度机械臂，其特征在于：包括大臂壳体(1)、小臂壳体(2)、腕部壳体(3)、用于连接大臂壳体(1)和小臂壳体(2)的俯仰控制装置(5)、用于连接小臂壳体(2)和腕部壳体(3)的回转控制装置(6)、用于连接腕部壳体(3)和手爪(4)的开合控制装置(7)以及可旋转式的安装于开合控制装置(7)上的手爪(4)；所述大臂壳体(1)、小臂壳体(2)和腕部壳体(3)均为圆筒形壳体；所述俯仰控制装置(5)包括设于大臂壳体(1)内的俯仰驱动单元和设于大臂壳体(1)前部并与俯仰驱动单元传动连接的第一丝杆传动机构；所述大臂壳体(1)的前部通过螺钉安装有大臂密封法兰(11)和大臂减速机法兰(12)；所述俯仰驱动单元通过螺钉与大臂减速机法兰(12)连接；所述第一丝杆传动机构通过螺钉与大臂密封法兰(11)连接；所述俯仰驱动单元包括设有大臂壳体(1)内的大臂减速机(51a)、大臂电机(51b)和大臂编码器(51c)；所述大臂减速机(51a)通过螺钉固定于大臂减速机法兰(12)上；所述大臂减速机(51a)的输出轴上安装有大臂减速机联轴器(51d)，大臂减速机联轴器(51d)依次穿过大臂减速机法兰(12)和大臂密封法兰(11)延伸至大臂壳体(1)外部；所述大臂密封法兰(11)与大臂减速机联轴器(51d)之间安装有密封圈。
2.根据权利要求1所述的一种水下三自由度机械臂，其特征在于：所述第一丝杆传动机构包括通过螺钉与大臂密封法兰(11)连接的第一框架(52a)、通过螺钉固定于第一框架(52a)内的第一端块组(52b)、安装于第一端块组(52b)上的第一丝杆(52c)、套设于第一丝杆(52c)上的第一丝杆滑块(52d)、可旋转式的安装于第一框架(52a)前部的抱箍(52f)和连接第一丝杆滑块(52d)和抱箍(52f)的第一连杆(52e)；所述第一丝杆(52c)的输入端与大臂减速机联轴器(51d)连接；所述抱箍(52f)与小臂壳体(2)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种水下三自由度机械臂，其特征在于：所述回转控制装置(6)包括设于小臂壳体(2)内的回转驱动单元；所述回转驱动单元包括设有小臂壳体(2)内的小臂减速机(61a)、小臂电机(61b)和小臂编码器(61c)；所述小臂壳体(2)的前部通过螺钉安装有小臂密封法兰(21)、小臂减速机法兰(22)和小臂套筒(23)；所述小臂壳体(2)的后部安装有水密电连接器；所述小臂减速机(61a)通过螺钉固定于小臂减速机法兰(22)上；所述小臂套筒(23)的端部安装有挡板(25)；所述小臂套筒(23)内间隙配合有滑动轴承(26)；所述腕部壳体(3)的后部间隙配合于滑动轴承(26)内；所述腕部壳体(3)的后端部一体成型有联轴部(31)，联轴部(31)依次贯穿挡板(25)、小臂密封法兰(21)和小臂减速机法兰(22)与小臂减速机(61a)的输出轴连接；所述小臂密封法兰(21)与联轴部(31)之间设有安装有密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种水下三自由度机械臂，其特征在于：所述开合控制装置(7)包括设有腕部壳体(3)内的开合驱动单元和设有腕部壳体(3)前部并与开合控制器传动连接的第二丝杆传动机构；所述腕部壳体(3)的前部通过螺钉固定有腕部密封法兰(32)和腕部减速机法兰(33)；所述开合驱动单元通过螺钉与腕部减速机法兰(33)连接；所述第二丝杆(72c)传动机构通过螺钉与腕部密封法兰(32)连接。
5.根据权利要求4所述的一种水下三自由度机械臂，其特征在于：所述开合驱动单元包括设于腕部壳体(3)内的腕部减速机(71a)、腕部电机(71b)和腕部编码器(71c)；所述腕部减速机(71a)通过螺钉固定于腕部减速机法兰(33)上；所述腕部减速机(71a)的输出轴上安装有腕部减速机联轴器(71d)，腕部减速机联轴器(71d)依次穿过腕部减速机法兰(33)和腕部密封法兰(32)延伸至腕部壳体(3)外部；所述腕部密封法兰(32)与腕部减速机联轴器(71d)之间安装有密封圈。
6.根据权利要求4或5所述的一种水下三自由度机械臂，其特征在于：所述第二丝杆传动机构包括通过螺钉与腕部密封法兰(32)连接的第二框架(72a)、通过螺钉固定于第二框架(72a)内的第二端块组(72b)、安装于第二端块组(72b)上的第二丝杆(72c)、套设于第二丝杆(72c)上的第二丝杆滑块(72d)和连接第二丝杆滑块(72d)和手爪(4)的第二连杆(72e)。
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