CN108214542A - 一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其工作时，动力源通过蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮通过键联接带动螺母轴旋转，螺母轴通过其内部的螺纹副推动固定在机械手肩关节上的插头套筒向下运动，同时带动插座套筒在密封套筒中向下滑动，当插头套筒运动到前述螺纹副的尽头时，螺母轴失去对插头套筒的悬挂约束，同时插头套筒与密封套筒之间的密封性被解除，机械手在重力作用下与水下机器人分离，完成机电解脱。该装置利用蜗轮蜗杆副与丝杠螺母副的串联实现两级增力和自锁，释放动作所需动力较小，且自锁连接可靠，适用于水下作业机器人，也可应用于其他水下机电设备。

Description

一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置

技术领域

本发明涉及水下作业机器人领域，特别是涉及一种适用于水下机器人与水下机械手进行分离的水下机电解脱装置。

背景技术

随着现代经济的迅速发展，能源消耗不断加快，陆上资源渐趋不足，越来越多的国家将发展目光投向了海洋，而对海洋的开发和利用，离不开各式各样的水下机器人。水下机器人工作在复杂的海洋环境中，其自身安全面临各种各样的威胁。水下机器人在作业过程中，其配备的机械手可能会被水草、渔网、缆绳缠住或被水下石头卡住而无法上浮，此时，迅速解脱机械手是水下机器人自救的唯一途径。由于机械手在解脱前需要牢固的定位安装，所需预紧力较大，较大的预紧力导致解脱力也较大，此外，水下机器人的可用空间有限，对解脱机构的小型化要求也较高，这些因素增加了机械手解脱装置的设计难度。

专利号为201410023248.X名称为“一种水下机器人应急释放装置”的专利文件设计的解脱机构，采用蜗轮蜗杆一级增力机构来处理预紧力与动力源之间的矛盾，但该专利未涉及电缆分离问题。专利号为201210404590.5名称为“一种水下机电解脱装置”的专利文件设计的解脱装置，将机械手的解脱过程分成机械分离和电缆拉脱两部分，占用空间较大。

发明内容

本发明专利的目的是提供一种结构紧凑、所需驱动力小且自锁性能好，适用于水下机器人机械手的机电解脱装置。该装置在水下机器人作业时，为机械手提供牢固的定位安装和预紧，在水下机器人发生危险时，可靠完成机械手与水下机器人的机电解脱。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，包括上底板、下底板、密封套筒、插头套筒、插座套筒、螺母轴和蜗杆蜗轮组件，其特征在于：所述螺母轴为空心结构，且所述螺母轴采用轴承可转动的设置在所述下底板上，且所述螺母轴由所述蜗杆蜗轮组件驱动转动；

所述密封套筒固定在上底板上，所述密封套筒可上下移动的同轴套设于所述螺母轴内；

所述插座套筒可在所述插头套筒的带动下向下滑动的同轴设置在所述密封套筒内；

所述插头套筒内设有与机械手线缆连接的电缆插头，所述插座套筒内设有与电子舱线缆连接的电缆插座，所述电缆插头与所述电缆插座连接设置；

所述插头套筒与所述螺母轴的下端采用螺纹副连接，以便通过蜗杆蜗轮组件驱动螺母轴的转动实现插头套筒的上下移动，进而使所述插头套筒悬挂或者脱离于所述螺母轴，实现机械手与水下机器人之间的连接或者解脱。

进一步，作为优选，所述密封套筒底部加工有键槽，在键槽的顶端加工有进水孔，当插座套筒的上端面与密封套筒的上端面在一个平面上时，插座套筒上的O型密封圈A在密封套筒的进水孔之外。

进一步，作为优选，当所述螺母轴与插头套筒的螺纹副运动到尽头时，螺母轴对插头套筒失去了悬挂约束时，所述插头套筒上的O型圈B位于所述密封套筒的进水孔之外，以便使得所述插头套筒两端压力相等。

进一步，作为优选，所述蜗杆蜗轮组件的蜗杆的一端为圆形截面，且该圆形截面端通过联轴器与动力源相连，所述蜗杆的另一端为矩形截面，该矩形截面与扳手配合。

进一步，作为优选，所述蜗杆蜗轮组件的蜗轮安装在支撑套筒内，所述支撑套筒固定设置在所述下底板上，所述蜗杆安装在支撑套筒外的设置于下底板上的两个轴承座上。

进一步，作为优选，所述插头套筒与机械手肩关节为一体设置，且所述插头套筒上端通过螺纹副固定连接电缆插座，插头套筒周围安装有使得插头套筒与密封套筒之间的径向密封的O型密封圈，插头套筒周围对称布置两个滑动键B，所述滑动键B可在所述密封套筒底端的键槽内滑动，实现插头套筒旋转自由度约束。

进一步，作为优选，所述插座套筒上端硫化密封有与水下机器人相连的电缆，插座套筒下端通过螺纹副固定连接电缆插座，插座套筒周围安装有使得插座套筒与密封套筒之间的径向密封的O型密封圈。

进一步，作为优选，所述螺母轴采用圆锥滚子轴承设置在所述下底板上，且所述螺母轴的外圆周上设置有轴肩，所述螺母轴的轴肩下侧压在圆锥滚子轴承上，所述螺母轴轴肩上侧通过蜗轮、垫片压在端盖上，端盖设置在支撑套筒上。

进一步，作为优选，所述下底板的下端面加工两个对角布置的定位孔，所述插头套筒上设置有与定位孔位置对应配合的定位销，实现机械手肩关节的定位。

进一步，作为优选，所述蜗杆采用滑动轴承设置在所述下底板上。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明采用蜗轮蜗杆、丝杠螺母两级增力机构，即有利于减小动力源的功率，又可以实现可靠自锁。

(2)本发明将蜗杆的一端加工成矩形截面，在安装机械手时，可以通过扳手反向旋转蜗杆，从而驱动螺母轴逐渐提升机械手肩关节，实现机械手的非上电安装和预紧。

(3)本发明将丝杠螺母副中的螺母轴做成空心轴的形式，在空心轴外侧通过键与蜗轮联接，在空心轴内侧嵌套安装密封套筒，使得电缆分离、机械解脱、两级增力集成为一个整体，结构紧凑。

(4)由于插头套筒和插座套筒可以在内套筒中滑动，而且在机械分离时，插头套筒的O型密封圈已经滑动到密封套筒的进水孔之外，所以在机电解脱过程中，不需要克服外界海水压力，所需驱动力较小。

(5)当插座套筒的上端面与密封套筒的上端面在一个平面上时，插座套筒上的O型密封圈在密封套筒的进水孔之外，使得电气连接和密封可以分两步进行，即首先通过电缆插座和电缆插头完成电气连接，然后向上推动插头套筒，使得电气连接部分进入密封套筒中实现密封。这样，电气连接是在可视环境下完成的，且容易区分插头套筒在进入密封套筒过程中所受到的阻力，是由电缆插头的插孔与电缆插座的插针未对齐引起，还是由插头套筒上的O型圈与密封套筒之间的摩擦引起，操作方便。

(6)螺母轴轴肩下侧压在圆锥滚子轴承上，由于螺母轴轴肩下侧需要承受机械手的悬挂力和预紧力，所以与轴承的接触力较大，此处采用圆锥滚子轴承，有利于减小螺母轴在转动过程中所受到的摩擦阻力；螺母轴轴肩上侧通过蜗轮、垫片压在端盖上，端盖材料为聚四氟乙烯，端盖既可以为螺母轴提供支撑，又起到滑动轴承的作用。

(7)蜗轮安装在支撑套筒内，蜗杆安装在支撑套筒外的两个轴承座上，在支撑套筒上加工矩形通孔，以便于蜗轮与蜗杆啮合，这种将蜗轮、蜗杆分开固定的结构形式，与用一个整体的箱体来安装蜗轮蜗杆的结构形式相比，精简了整体结构。

附图说明

图1为本发明专利俯视图。

图2为本发明左视图。

图3为本发明专利主视图(未安装机械手肩关节)。

图4为本发明中机械手肩关节主视图。

附图中，各零件标号如下：

1-上底板，2-电子舱线缆，3-端盖，4-下底板，5-左轴承座，6-左滑动轴承，7-蜗杆，8-右轴承座，9-右滑动轴承，10-支撑套筒，11-蜗轮，12-螺栓A，13-密封套筒，14-螺栓B，15-机械手线缆，16-插头套筒，17-定位销，18-滑动键B，19-电缆插头，20-O型圈B，21-键A，22-垫片，23-O型圈A，24-电缆插座，25-插座套筒，26-螺母轴，27-圆锥滚子轴承，28-螺栓C，29-螺栓D。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，为本发明的一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，包括上底板1、下底板4、密封套筒13、插头套筒16、插座套筒25、螺母轴26和蜗杆蜗轮组件，螺母轴26为空心结构，且所述螺母轴26采用轴承可转动的设置在所述下底板上，且所述螺母轴26由所述蜗杆蜗轮组件驱动转动；密封套筒13固定在上底板1上，所述密封套筒13可上下移动的同轴套设于所述螺母轴26内；插座套筒25可在所述插头套筒16的带动下向下滑动的同轴设置在所述密封套筒13内；插头套筒16内设有与机械手线缆15连接的电缆插头19，所述插座套筒25内设有与电子舱线缆2连接的电缆插座24，所述电缆插头19与所述电缆插座24连接设置；插头套筒16与所述螺母轴26的下端采用螺纹副连接，以便通过蜗杆蜗轮组件驱动螺母轴的转动实现插头套筒16的上下移动，进而使所述插头套筒16悬挂或者脱离于所述螺母轴26，实现机械手与水下机器人之间的连接或者解脱。

具体的，在本实施例中，如图1所示，蜗杆7左端通过左滑动轴承6安装在左轴承座5上，蜗杆7右端通过右滑动轴承9安装在右轴承座8上，其中，所述蜗杆7左端为圆柱形截面，将通过联轴器与动力源相连，所述蜗杆7右端为矩形截面，该矩形截面可以与扳手配合，所述蜗杆7中部与蜗轮11啮合。

如图2所示，左轴承座5通过螺栓C28固定在下底板4上，所述左轴承座5为蜗杆7提供支撑，蜗杆7与蜗轮11啮合，蜗轮11通过键A21将动力传给螺母轴26，所述螺母轴26轴肩下侧压在圆锥滚子轴承27上，圆锥滚子轴承27下端面压在下底板4上，所述圆锥滚子轴承27外侧与支撑套筒10配合，支撑套筒10通过螺栓D29固定在下底板4上，所述螺母轴26轴肩上侧通过蜗轮11、垫片22压在端盖3上，端盖3通过螺栓B14固定在支撑套筒10上。所述螺母轴26内侧通过螺纹副与插头套筒16连接，插头套筒16的外侧安装滑动键B18、O型圈B20，滑动键B18在密封套筒13下端的键槽内滑动，O型圈B20完成插头套筒16与密封套筒13之间的径向密封，所述插头套筒16的内侧通过螺纹连接有电缆插头19，并通过硫化胶固定机械手线缆15，所述插头套筒16通过定位销17完成定位。

如图2所示，电缆插头19与电缆插座24相连，电缆插座24通过螺纹固定在插座套筒25内侧，在插座套筒25内侧，填充硫化胶，实现电子舱线缆2与插座套筒25的密封。插座套筒25外侧通过O型圈A23实现与密封套筒13的径向密封，密封套筒13通过螺栓A12固定在上底板1上。

如图3、图4所示，图3中下底板4的下端面加工两个定位孔，该定位孔与图4中插头套筒16上的定位销相配合，实现机械手肩关节的定位，定位销17在插头套筒上以对角形式布置。图4中，插头套筒16与机械手肩关节是一个整体。

如图2，密封套筒13底部加工有键槽，在键槽的顶端加工有进水孔，当插座套筒25的上端面与密封套筒13的上端面在一个平面上时，插座套筒25上的O型密封圈A23在密封套筒13的进水孔之外，当所述螺母轴26与插头套筒16的螺纹副运动到尽头时，螺母轴26对插头套筒16失去了悬挂约束时，所述插头套筒16上的O型圈B20位于所述密封套筒13的进水孔之外，以便使得所述插头套筒16两端压力相等。

本发明的一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置的具体工作过程如下：

在水下机器人下水前，推动插座套筒25向下滑动，当插座套筒25上端面与密封套筒13上端面在一个平面上时，停止，此时，插座套筒25下端的O型圈A23在密封套筒的进水孔之外，托起机械手，将机械手肩关节上的电缆插头19与插座套筒25上的电缆插座24进行连接，然后推动插头套筒16向上运动，当插头套筒16的外螺纹与螺母轴26的内螺纹接触后，用扳手反向旋转蜗杆7右端，从而提升插头套筒16，直至插头套筒16的端面与下底板4下端面完全接触并预紧，从而完成了机械手肩关节的安装和预紧；水下机器人下水后，当需要解脱机械手时，动力源驱动蜗杆7正向旋转，从而带动蜗轮11旋转，经过键A21带动螺母轴26旋转，螺母轴26通过螺纹副以及滑动键B18推动插头套筒16在密封套筒13内向下滑动，同时，在外界水压的作用下，插座套筒25也向下滑动，当螺母轴26与插头套筒16的螺纹副运动到尽头时，螺母轴26对插头套筒16失去了悬挂约束，同时，插头套筒16上的O型圈B20已经在密封套筒13的进水孔之外，插头套筒16两端压力相等，使得机械手在重力作用下脱离水下机器人本体，完成机电解脱。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，包括上底板(1)、下底板(4)、密封套筒(13)、插头套筒(16)、插座套筒(25)、螺母轴(26)和蜗杆蜗轮组件，其特征在于：

所述螺母轴(26)为空心结构，且所述螺母轴(26)采用轴承可转动的设置在所述下底板(4)上，且所述螺母轴(26)由所述蜗杆蜗轮组件驱动转动；

所述密封套筒(13)固定在上底板(1)上，所述密封套筒(13)可上下移动的同轴套设于所述螺母轴(26)内；

所述插座套筒(25)可在所述插头套筒(16)的带动下向下滑动的同轴设置在所述密封套筒(13)内；

所述插头套筒(16)内设有与机械手线缆(15)连接的电缆插头(19)，所述插座套筒(25)内设有与电子舱线缆(2)连接的电缆插座(24)，所述电缆插头(19)与所述电缆插座(24)连接设置；

所述插头套筒(16)与所述螺母轴(26)的下端采用螺纹副连接，以便通过蜗杆蜗轮组件驱动螺母轴(26)的转动实现插头套筒(16)的上下移动，进而使所述插头套筒(16)悬挂或者脱离于所述螺母轴(26)，实现机械手与水下机器人之间的连接或解脱。

2.根据权利要求1所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述密封套筒(13)底部加工有键槽，在键槽的顶端加工有进水孔，当插座套筒(25)的上端面与密封套筒(13)的上端面在一个平面上时，插座套筒(25)上的O型密封圈A(23)在密封套筒(13)的进水孔之外。

3.根据权利要求2所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：当所述螺母轴(26)与插头套筒(16)的螺纹副运动到尽头时，螺母轴(26)对插头套筒(16)失去了悬挂约束时，所述插头套筒(16)上的O型圈B(20)位于所述密封套筒(13)的进水孔之外，以便使得所述插头套筒(16)两端压力相等。

4.根据权利要求1所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述蜗杆蜗轮组件的蜗杆(7)的一端为圆形截面，且该圆形截面端通过联轴器与动力源相连，所述蜗杆(7)的另一端为矩形截面，该矩形截面与扳手配合。

5.根据权利要求4所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述蜗杆蜗轮组件的蜗轮(11)安装在支撑套筒(10)内，所述支撑套筒(10)固定设置在所述下底板(4)上，所述蜗杆(7)安装在支撑套筒(10)外的设置于下底板(4)上的两个轴承座上。

6.根据权利要求1所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述插头套筒(16)与机械手肩关节为一体设置，且所述插头套筒(16)上端通过螺纹副固定连接电缆插座(24)，插头套筒(16)周围安装有使得插头套筒(16)与密封套筒(13)之间的径向密封的O型密封圈，插头套筒(16)周围对称布置两个滑动键B(18)，所述滑动键B(18)可在所述密封套筒(16)底端的键槽内滑动，实现插头套筒(16)旋转自由度约束。

7.根据权利要求6所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述插座套筒(25)上端硫化密封有与水下机器人相连的电缆，插座套筒(25)下端通过螺纹副固定连接电缆插座(24)，插座套筒(25)周围安装有使得插座套筒(25)与密封套筒(13)之间的径向密封的O型密封圈。

8.根据权利要求5所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述螺母轴(26)采用圆锥滚子轴承(27)设置在所述下底板(4)上，且所述螺母轴(26)的外圆周上设置有轴肩，所述螺母轴(26)的轴肩下侧压在圆锥滚子轴承上，所述螺母轴轴肩上侧通过蜗轮(11)、垫片(22)压在端盖(3)上，端盖(3)设置在支撑套筒(10)上。

9.根据权利要求1所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述下底板(4)的下端面加工两个对角布置的定位孔，所述插头套筒(16)上设置有与定位孔位置对应配合的定位销(17)，实现机械手肩关节的定位。

10.根据权利要求1所述的两级增力机构驱动式水下机电解脱装置，其特征在于：所述蜗杆采用滑动轴承设置在所述下底板(4)上。