CN109352639B - 一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，包括自治水下运载器、电机箱单元、驱动单元、腰部关节单元、腰部平台单元、大臂单元、若干机械臂单元、末端单元以及机械手爪；电机箱单元安装在自治水下运载器上，驱动单元安装在电机箱单元内。本发明各关节驱动单元全部后置于自治水下运载器中，极大地降低机械臂运动部分的重量、减小运动惯量，降低机械臂的运动对系统的扰动，降低功耗，延长系统的作业时间。采用模块化设计理念，可以根据实际需要增加或减少机械臂数目，调整机械臂使用范围及功能。本发明结构简单可行，成本低，能替代或弥补现有系统所搭载的传统机械臂的不足之处，对于海洋探索等水下作业任务具有良好的益处。

Description

一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统

技术领域

本发明涉及自治水下运载器-机械臂系统技术领域，尤其涉及一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统。

背景技术

海洋面积辽阔，资源丰富，具有极高的探索价值。对海洋进行探索，自治水下运载器-机械臂系统具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为探索海洋的重要工具。

由于自治水下运载器-机械臂系统是一个无根系统，所以机械臂的运动会对自治水下运载器-机械臂系统造成扰动，影响作业精度。扰动的大小与两个因素有关：1、机械臂运动部分的臂重与自治水下运载器自重之比，比值越小，扰动越小；2、机械臂重心和自治水下运载器重心的重合程度，重心位置越接近，扰动越小。因此，一款适用于自治水下运载器搭载的运动部分重量较小、重心靠近基座的机械臂对于自治水下运载器-机械臂系统的作业精度具有促进作用。

目前，自治水下运载器搭载的机械臂多为传统机械臂，即采用液压、电机驱动，且驱动装置直接安装在关节转轴处，各关节的驱动装置又成为下一级关节的负载，这使得机械臂运动部分重量大、运动惯量大、重心位置离基座远，对于自治水下运载器-机械臂系统的扰动大，影响作业精度；同时功耗大，且为了保证作业精度，系统需要消耗更多电源来抵消扰动，从而降低了作业时间。考虑到绳索可以实现任意路径间拉力的传递，因此可以将传统机械臂关节上的驱动电机后置于基座位置，利用绳索的自由走线特点，将驱动力传至关节处，实现机械臂关节的运动。驱动装置后置于基座上，可极大地减小机械臂运动部分的重量，降低运动惯量，减小机械臂运动对自治水下运载器-机械臂系统的扰动，提高作业精度；同时降低功耗，延长自治水下运载器-机械臂系统的作业时间。

通过对现有公开技术文献检索发现，哈尔滨工程大学张铭均等人研制了一型3自由度水下电驱机械手。该型机械手驱动模块由直流伺服电机和齿轮传动系统等部件组成。中国科学院沈阳自动化研究所张艾群等人研制了一型2自由度水下电驱机械手。该型机械手驱动模块由力矩电机和谐波减速器等构成，结构材料采用聚甲醛，轻量化效果显著。以上几型机械臂对轻量化进行了有益探索，但驱动单元的传统布局限制了其结构进一步优化的空间。南京航空航天大学的徐伟等人的专利(公开号：CN107253182A，名称：绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法)及相关论文《7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真》等对钢丝绳索传动机构进行了有益探索，但是其设计的多自由度机械臂，虽然将各关节驱动单元后置到腰部平台上，但仍然会随腰部的运动而运动，转动惯量仍然很大，不适合应用到具体环境中。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，用绳驱动机械臂代替传统机械臂，解决了驱动装置后置的问题，并为减小对自治水下运载器-机械臂系统的扰动，提高作业精度，延长作业时间提供了有益的解决方法。

技术方案：

一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，包括自治水下运载器、电机箱单元、驱动单元、腰部关节单元、腰部平台单元、大臂单元、若干机械臂单元、末端单元以及机械手爪；所述电机箱单元安装在所述自治水下运载器上，所述驱动单元安装在所述电机箱单元内；

所述驱动单元包括腰部驱动单元、大臂驱动单元、各机械臂驱动单元和末端驱动单元；所述腰部驱动单元、大臂驱动单元、各机械臂驱动单元和末端驱动单元均包括驱动电机、安装在驱动电机转轴上的关节驱动轮及绕于关节驱动轮上的绳索组成；

所述腰部关节单元包括腰部空心轴、腰部轴承座和腰部支架；所述腰部轴承座与所述自治水下运载器固联，在所述腰部轴承座内侧安装有两个圆锥滚子轴承，所述腰部空心轴通过所述圆锥滚子轴承安装在所述腰部轴承座内；所述腰部支架与所述腰部空心轴固定连接；所述腰部驱动单元的腰部单元驱动绳索的一端绕于所述腰部驱动单元的腰部关节驱动轮并与其固定，另一端绕于所述腰部空心轴并与其固定；

所述腰部平台单元包括腰部平台、腰部侧板、各机械臂的单元传动轴、末端单元传动轴和大臂驱动绳索导向滑轮；所述腰部平台与所述腰部支架下端固定连接；所述腰部侧板通过螺钉固定在所述腰部平台两侧；在所述腰部侧板之间安装有水平布置的各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴；所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴均通过腰部轴承与所述腰部侧板相连，在所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴上均固联有相应的传动轮组件和随动轮组件；在所述腰部侧板外侧还安装有大臂驱动绳索导向滑轮；

在所述腰部侧板之间通过腰部轴承安装有一水平布置的大臂关节转轴；在所述大臂关节转轴上安装有大臂关节轮组件；所述大臂单元的上端和所述大臂关节轮组件均与所述大臂关节转轴固联；所述大臂驱动单元的大臂单元驱动绳索一端绕于所述大臂驱动单元的大臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴及所述大臂驱动绳索导向滑轮绕于所述大臂关节轮组件并与其固定；

各所述机械臂单元的上端均设有机械臂关节转轴，第一个所述机械臂单元的的上端通过水平布置的机械臂关节转轴与所述大臂单元的下端连接；在所述机械臂关节转轴上安装有机械臂关节轮组件，所述机械臂单元的上端和所述机械臂关节轮组件均与所述机械臂关节转轴固联；各所述机械臂单元的机械臂单元驱动绳索一端绕于各自的机械臂驱动单元上的机械臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴后绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元传动轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的机械臂单元传动绳索的一端绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于相应机械臂的机械臂关节轮组件并与其固定；

所述末端单元的上端通过末端关节转轴与最后一个机械臂单元的下端连接，在所述末端关节转轴上安装有末端关节轮组件；所述末端单元的上端和所述末端关节轮组件均与所述末端关节转轴固联；所述末端驱动单元的末端单元驱动绳索一端绕于所述末端驱动单元的末端关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴绕于所述末端单元传动轮组件并与其固定；再通过末端单元传动绳索的一端绕于所述末端单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于所述末端关节轮组件并与其固定；

所述机械手爪与所述末端单元的下端固联。

还包括驱动绳索张紧装置，所述驱动绳索张紧装置安装在各驱动单元的前方，包括张紧支架、张紧滑块、张紧固定块、定位导向滑轮和张紧导向滑轮；在所述张紧支架中间位置开设有竖直的滑槽，所述张紧滑块通过锁紧螺钉滑动安装在所述滑槽上；所述张紧固定块固定在所述张紧支架上位于所述张紧滑块上方的位置，在所述张紧固定块上打有螺纹通孔，在所述螺纹通孔上安装有调节螺钉，所述调节螺钉下端抵住所述张紧滑块的上端；两个所述定位导向滑轮固定在所述张紧支架上位于所述张紧滑块两侧位置；所述张紧导向滑轮固定于所述张紧滑块上；所述大臂单元、各所述机械臂单元和所述末端单元的驱动绳索置于两个所述定位导向滑轮的下方，所述张紧导向滑轮的上方；需要张紧时，松开所述锁紧螺钉，转动所述调节螺钉使所述张紧滑块向上移动，从而带动所述张紧导向滑轮向上移动，压紧驱动绳索，绳索张紧后，用所述锁紧螺钉固定住所述张紧滑块，完成张紧。

在所述腰部单元驱动绳索、各机械臂单元传动绳索以及末端单元传动绳索之间还设有传动绳索张紧装置；所述传动绳索张紧装置包括花篮螺丝、左旋鱼眼螺钉和右旋鱼眼螺钉，所述花篮螺丝的两端分别打有左旋和右旋螺纹孔，所述左旋鱼眼螺钉和所述右旋鱼眼螺钉分别安装到所述花篮螺丝的两侧；各传动绳索分别与所述左旋鱼眼螺钉和所述右旋鱼眼螺钉连接；转动所述花篮螺丝，即可实现传动绳索的张紧。

根据实际需要张紧的绳索数目安装相应的绳索张紧装置。

绕于所述腰部平台单元上的所述大臂关节轮、所述机械臂单元传动轮和所述末端单元传动轮的大臂单元驱动绳索、各机械臂单元驱动绳索和末端单元驱动绳索均穿过套索后分别绕于相应的驱动轮上；所述套索的两端通过套索固定头分别固定于所述腰部平台和所述电机箱单元的电机箱单元支撑板上，中间穿过所述腰部空心轴。

在所述大臂单元的所述大臂关节转轴上还固联有大臂后端导向滑轮，在所述大臂单元下端还设有水平布置的大臂前端导向滑轮支撑杆，在所述大臂前端导向滑轮支撑杆上固联有大臂前端导向滑轮；所述大臂后端导向滑轮和所述大臂前端导向滑轮的数量为各机械臂单元的数量加上末端单元的数量之和；

在所述机械臂单元的所述机械臂关节转轴上还固联有机械臂后端导向滑轮，所述机械臂后端导向滑轮的数量为其后机械臂的数量加上末端单元的数量之和；

在最后一个所述机械臂单元的下端还设有两根水平布置的机械臂前端导向滑轮支撑杆，在所述机械臂前端导向滑轮支撑杆上安装有机械臂前端导向滑轮；

各所述机械臂单元的传动绳索的传动绳索均依次经过所述大臂后端导向滑轮、所述大臂前端导向滑轮和所述机械臂后端导向滑轮；所述末端单元的传送绳索依次经过所述大臂后端导向滑轮、所述大臂前端导向滑轮、所述机械臂后端导向滑轮和所述机械臂前端导向滑轮。

在所述腰部空心轴外侧与所述腰部轴承座相交的位置上开设有凹槽，在所述凹槽内安装有腰部空心轴挡环，用于确定所述腰部空心轴与所述圆锥滚子轴承的轴向相对位置。

所述机械臂单元的数目根据实际需要确定。

有益效果：本发明搭载的机械臂为水下绳驱动机械臂，其各关节驱动单元全部后置于自治水下运载器中，利用绳索的自由走线配置，将驱动力传至关节处，从而驱动机械臂各关节的运动。驱动单元后置，能极大地降低机械臂运动部分的重量、减小运动惯量，降低机械臂的运动对自治水下运载器-机械臂系统的扰动，降低功耗，延长系统的作业时间。机械臂采用模块化设计理念，可以根据实际需要增加或减少机械臂的关节臂数目，调整机械臂使用范围及功能。对水下绳驱动机械臂的密封处理满足机械臂的防水要求。所设计的绳索张紧模块，可容易地实现驱动绳索的张紧，结构简单可靠。本发明结构简单可行，成本低，能替代或弥补现有的自治水下运载器-机械臂系统所搭载的传统机械臂的不足之处，对于海洋探索等水下作业任务具有良好的益处。

附图说明

图1为本发明自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统整体轴测图；

图2为水下绳驱动机械臂整体轴测图；

图3为电机箱单元和驱动单元轴测图；

图4为电机箱单元和驱动单元俯视图；

图5为腰部关节单元正视图；

图6为腰部关节单元剖视图；

图7为腰部平台单元爆炸图；

图8为腰部平台单元左视图(未展示腰部密封壳)；

图9为腰部平台单元俯视图(未展示腰部密封壳)；

图10为大臂单元轴测图；

图11为小臂单元轴测图；

图12为末端单元轴测图；

图13为套索结构轴测图；

图14为驱动绳索张紧装置示意图；

图15为传动绳索张紧装置示意图；

图16为水下绳驱动机械臂整体正视图(未展示腰部密封壳)；

图17为腰部绳索走线示意图；

图18为大臂绳索走线示意图；

图19为小臂绳索走线示意图；

图20为末端绳索走线示意图。

图中标号名称：

1自治水下运载器；

2电机箱单元、201电机固定板、202电机箱单元支撑板、203电机箱单元支腿、204电机箱单元支腿角座；

3驱动单元、301腰部驱动单元、3011腰部驱动电机、3012腰部驱动电机安装板、3013腰部关节驱动轮、3014腰部关节驱动轮定位端盖、302大臂驱动单元、3021大臂驱动电机、3022大臂驱动电机安装板、3023大臂关节驱动轮、3024大臂关节驱动轮定位端盖、3025大臂驱动电机支架、303小臂驱动单元、3031小臂驱动电机、3032小臂驱动电机安装板、3033小臂关节驱动轮、3034小臂关节驱动轮定位端盖、3035小臂驱动电机支架、304末端驱动单元、3041末端驱动电机、3042末端驱动电机安装板、3043末端关节驱动轮、3044末端关节驱动轮定位端盖、3045末端驱动电机支架；

4驱动绳索张紧装置、401张紧支架、402张紧滑块、403张紧固定块、404调节螺钉、405定位导向滑轮、406张紧导向滑轮、407锁紧螺钉；

5套索、501大臂单元套索、502小臂单元套索、503末端单元套索、504套索固定头；

6腰部关节单元、601腰部空心轴、602腰部空心轴挡环、603腰部轴承座、604圆锥滚子轴承、605腰部空心轴用格莱圈、606腰部空心轴用密封垫、607腰部支架、608腰部支架用密封垫；

7腰部平台单元、701腰部平台、702腰部侧板、703小臂单元传动轴、704小臂单元传动轮组件、7041小臂单元传动轮、7042小臂单元传动轮用沉孔固定环、705小臂单元随动轮组件、7051小臂单元随动轮、7052小臂单元随动轮用沉孔固定环、706末端单元传动轴、707末端单元传动轮组件、7071末端单元传动轮、7072末端单元传动轮用沉孔固定环、708末端单元随动轮组件、7081末端单元随动轮、7082末端单元随动轮用沉孔固定环、709腰部小轴承密封盖、710腰部小轴承密封盖用密封垫、711腰部大轴承密封盖、712腰部大轴承密封盖用密封垫、713腰部轴套、714腰部轴承、715腰部格莱圈、716腰部密封壳、717腰部密封壳用底面密封垫、718腰部密封壳用侧面密封垫、719大臂驱动绳索导向滑轮；

8大臂单元、801大臂关节转轴、802大臂侧板、803大臂侧板管套、804大臂后端导向滑轮、805大臂关节轮组件、8051大臂关节轮、8052大臂关节轮用沉孔固定环、806大臂前端导向滑轮支撑杆、807大臂前端导向滑轮、808大臂轴承座、809大臂轴承；

9传动绳索张紧装置、901花篮螺丝、902左旋鱼眼螺钉、903右旋鱼眼螺钉；

10小臂单元、1001小臂关节转轴、1002小臂关节轮组件、10021小臂关节轮、10022小臂关节轮用沉孔固定环、1003小臂后端导向滑轮、1004小臂单元上支架侧板、1005小臂单元上支架顶板、1006小臂筒、1007小臂单元下支架顶板、1008小臂单元下支架侧板、1009小臂单元前端导向滑轮支撑杆、1010小臂单元前端导向滑轮、1011小臂轴承；

11末端单元、1101末端关节转轴、1102末端关节轮组件、11021末端关节轮、11022末端关节轮用沉孔固定环、1103末端单元侧板、1104末端单元顶板；

12机械手爪；

13腰部单元驱动绳索、14大臂单元驱动绳索、15小臂单元驱动绳索、16小臂单元传动绳索、17末端单元驱动绳索、18末端单元传动绳索。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

参阅图1和图2所示，本发明公开了一种自治水下运载器-机械臂系统，其搭载的机械臂为水下绳驱动机械臂。整个系统包括自治水下运载器1、电机箱单元2、驱动单元3、腰部关节单元6、腰部平台单元7、大臂单元8、小臂单元10、末端单元11和机械手爪12。

参阅图3和图4所示，电机箱单元2，包括电机固定板201、电机箱单元支撑板202和电机箱单元支腿203；电机箱单元支撑板202通过螺钉与自治水下运载器1固联，电机箱单元支腿203通过电机箱单元支腿角座204与自治水下运载器1固联；电机固定板201通过电机箱单元支撑板202和电机箱单元支腿203固定在自治水下运载器1中，电机固定板201上还安装有驱动单元3和驱动绳索张紧装置4。

参阅图3和图4所示，驱动单元3，包括腰部驱动单元301、大臂驱动单元302、小臂驱动单元303、末端驱动单元304；腰部驱动电机3011通过腰部驱动电机安装板3012固定在电机固定板201上，腰部关节驱动轮3013通过平键安装在腰部驱动电机3011的轴上，并通过腰部关节驱动轮定位端盖3014固定位置，腰部单元驱动绳索13的一端绕于腰部关节驱动轮3013并与其固定；大臂驱动电机3021通过大臂驱动电机安装板3022和大臂驱动电机支架3025固定在电机固定板201上，大臂关节驱动轮3023通过平键安装在大臂驱动电机3021的轴上，并通过大臂关节驱动轮定位端盖3024固定位置，大臂单元驱动绳索14的一端绕于大臂关节驱动轮3023并与其固定；小臂驱动电机3031通过小臂驱动电机安装板3032和小臂驱动电机支架3035固定在电机固定板201上，小臂关节驱动轮3033通过平键安装在小臂驱动电机3031的轴上，并通过小臂关节驱动轮定位端盖3034固定位置，小臂单元驱动绳索15的一端绕于小臂关节驱动轮3033并与其固定；末端驱动电机3041通过末端驱动电机安装板3042和末端驱动电机支架3045固定在电机固定板201上，末端关节驱动轮3043通过平键安装在末端驱动电机3041的轴上，并通过末端关节驱动轮定位端盖3044固定位置，末端单元驱动绳索17的一端绕于末端关节驱动轮3043并与其固定。

参阅图5和图6所示，腰部关节单元6，包括腰部空心轴601、腰部空心轴挡环602、和腰部轴承座603、圆锥滚子轴承604、腰部空心轴用格莱圈605、腰部空心轴用密封垫606、腰部支架607和腰部支架用密封垫608；腰部平台701和腰部支架607、腰部空心轴601依次连接，腰部平台701和腰部支架607之间安装有腰部支架用密封垫608进行密封，腰部支架607和腰部空心轴601之间安装有腰部空心轴用密封垫606进行密封；腰部轴承座603与自治水下运载器1通过螺钉固联，两个圆锥滚子轴承604安装在腰部轴承座603上，腰部空心轴601通过圆锥滚子轴承604与腰部轴承座603相连，腰部空心轴601上的凹槽安装有腰部空心轴挡环602，确定腰部空心轴601与圆锥滚子轴承604的轴向相对位置；腰部空心轴601和自治水下运载器1之间安装有腰部空心轴用格莱圈605进行密封。

参阅图7、图8和图9所示，腰部平台单元7，其腰部平台701上通过螺钉固定有一对腰部侧板702，两块腰部侧板702上分别安装有三个腰部轴承714并分别通过腰部小轴承密封盖709和腰部大轴承密封盖711固定，腰部小轴承密封盖709和腰部大轴承密封盖711与腰部侧板702之间分别安装有腰部小轴承密封盖用密封垫710和腰部大轴承密封盖用密封垫712进行密封；腰部小轴承密封盖709和腰部大轴承密封盖711上还均开有凹槽，放置有腰部格莱圈715与转轴配合进行密封；其中，两个腰部轴承714安装在所述腰部侧板2靠近所述腰部平台1的位置，且为平行设置；两块腰部侧板702之间安装有水平布置的小臂单元传动轴703和末端单元传动轴706，小臂单元传动轴703上安装有小臂单元传动轮组件704和小臂单元随动轮组件705，小臂单元传动轮组件704和小臂单元随动轮组件705均通过平键和沉孔固定环(7042、7052)与小臂单元传动轴703固联，小臂单元传动轴703通过腰部轴承714与腰部侧板702相连；末端单元传动轴706上安装有末端单元传动轮组件707和末端单元随动轮组件708，末端单元传动轮组件707和末端单元随动轮组件708均通过平键和沉孔固定环(7072、7082)与末端单元传动轴706固联，末端单元传动轴706通过腰部轴承714与腰部侧板702相连；腰部侧板702上安装有大臂驱动绳索导向滑轮719；腰部平台701和腰部侧板702之间安装有腰部密封壳716，腰部密封壳716与腰部平台701和腰部侧板702之间分别安装有腰部密封壳用底面密封垫717和腰部密封壳用侧面密封垫718进行密封。

参阅图10所示，大臂单元8，包括大臂关节转轴801、大臂侧板802、大臂侧板管套803、大臂后端导向滑轮804、大臂关节轮组件805、大臂关节轮8051、大臂关节轮用沉孔固定环8052、大臂前端导向滑轮支撑杆806、大臂前端导向滑轮807、大臂轴承座808、大臂轴承809；其大臂关节转轴801水平布置于腰部侧板702之间，通过腰部轴承714与腰部侧板702相连；大臂侧板管套803通过螺钉与大臂侧板802的后端固联，大臂侧板管套803通过平键与大臂关节转轴固联，大臂关节轮组件805通过平键和沉孔固定环与大臂关节转轴801固联，大臂关节转轴801上还安装有大臂后端导向滑轮804；两个大臂侧板802之间安装有一根水平布置的大臂前端导向滑轮支撑杆806，大臂前端导向滑轮支撑杆806上安装有大臂前端导向滑轮807；大臂轴承座808通过螺钉与大臂侧板802的前端固联，大臂轴承座808上安装有大臂轴承809；

参阅图11所示，小臂单元10，包括小臂关节转轴1001、小臂关节轮组件1002、小臂关节轮10021、小臂关节轮用沉孔固定环10022、小臂后端导向滑轮1003、小臂单元上支架侧板1004、小臂单元上支架顶板1005、小臂筒1006、小臂单元下支架顶板1007、小臂单元下支架侧板1008、小臂单元前端导向滑轮支撑杆1009、小臂单元前端导向滑轮1010、小臂轴承1011；其小臂关节转轴1001水平布置于大臂侧板802之间，通过大臂轴承809与大臂侧板802相连；小臂关节轮组件1002通过平键和沉孔固定环与小臂关节转轴1001固联，小臂单元上支架侧板1004通过平键与小臂关节转轴1001固联，小臂关节转轴1001上还安装有小臂后端导向滑轮1003；小臂单元上支架侧板1004与小臂单元上支架顶板1005、小臂筒1006、小臂单元下支架顶板1007、小臂单元下支架侧板1008通过螺钉依次固联；小臂单元下支架侧板1008之间安装有两根水平布置的小臂前端导向滑轮支撑杆1009，小臂前端导向滑轮支撑杆1009上安装有小臂前端导向滑轮1010；小臂单元下支架侧板1008上安装有小臂轴承1011；

参阅图12所示，末端单元11，包括末端关节转轴1101、末端关节轮组件1102、末端关节轮11021、末端关节轮用沉孔固定环11022、末端单元侧板1103、末端单元顶板1104；其末端关节转轴1101水平布置于小臂单元下支架侧板1008之间，通过小臂轴承1011与小臂单元下支架侧板1011相连；末端关节轮组件1102通过平键和沉孔固定环与末端关节转轴1101固联，末端单元侧板1103通过平键与末端关节转轴1101固联；末端单元侧板1103与末端单元顶板1104通过螺钉固联，末端单元顶板1104上安装有机械手爪12。

参阅图13所示，为了实现驱动单元后置，采用了套索5结构，腰部平台701与电机箱单元支撑板202之间均安装有套索固定头504，各关节的套索5的两端通过套索固定头504分别固定于腰部平台701和电机箱单元支撑板202上，中间传动腰部空心轴601；绕于腰部平台单元7上大臂关节轮8051、小臂单元传动轮7041和末端单元传动轮7071的大臂单元驱动绳索14、小臂单元驱动绳索15和末端单元驱动绳索17穿过套索5后分别绕于相应的驱动轮上；套索5具有柔性，在两端固定的情况下，中间段具有一定变形，仍可保证穿过其中的绳索具有传递运动和力的功能。一个例子为，腰部平台单元7绕竖直方向旋转时，套索5缠绕成麻花状，其余三个关节仍可绕其相应的水平方向运动；在本发明中，应用套索5实现了各关节驱动单元的后置，但本发明并不止于，也可以采用其他方式，只要能够保证穿过其中的绳索具有传递运动和力的功能即可。

参阅图14所示，驱动绳索张紧装置4，包括张紧支架401、张紧滑块402和张紧固定块403，张紧固定块403通过螺钉固定在张紧支架401上，张紧固定块403上打有螺纹通孔，用于安装调节螺钉404；两个定位导向滑轮405通过螺钉固定在张紧支架401上；张紧导向滑轮406通过螺钉固定于张紧滑块402上，张紧滑块通过锁紧螺钉407连接于张紧支架401上；调节螺钉404顶住张紧滑块402的凸台；大臂单元8、小臂单元10和末端单元11的驱动绳索通过套索5进入电机箱单元2，绳索置于两个定位导向滑轮405的下方，张紧导向滑轮406的上方；需要张紧时，松开锁紧螺钉407，转动调节螺钉404使张紧滑块402向上移动，从而带动张紧导向滑轮406向上移动，压紧驱动绳索，绳索张紧后，用锁紧螺钉407固定住张紧滑块402，完成张紧。

参阅图15所示，传动绳索张紧装置9，包括花篮螺丝901、左旋鱼眼螺钉902和右旋鱼眼螺钉903，花篮螺丝901的两端分别打有左旋和右旋螺纹孔，左旋鱼眼螺钉902和右旋鱼眼螺钉903分别安装到花篮螺丝901的两侧；传动绳索分别与左旋鱼眼螺钉902和右旋鱼眼螺钉903连接，转动花篮螺丝901，即可实现传动绳索的张紧，同时避免传动绳索在张紧过程中发生自转。

参阅图8和图16所示，大臂关节轮8051、大臂驱动绳索导向滑轮719和大臂单元驱动绳索14的中心对称线处于同一平面；小臂关节轮10021、大臂前端导向滑轮807、大臂后端导向滑轮804、小臂单元传动轮7051和小臂单元传动绳索16的中心对称线处于同一平面；末端关节轮11021、小臂前端导向滑轮1010、小臂后端导向滑轮1003、大臂前端导向滑轮807、大臂后端导向滑轮804、末端单元传动轮7071和末端单元传动绳索18的中心对称线处于同一平面。

参阅图17、图18、图19和图20所示，水下绳驱动机械臂的各关节驱动方式为，腰部驱动单元301通过腰部单元驱动绳索13驱动腰部平台单元6转动；腰部单元驱动绳索13一端绕于腰部空心轴601并与其固定，另一端绕于腰部关节驱动轮3013并与其固定，中间依靠传动绳索张紧装置9张紧，形成闭合回路；腰部关节驱动轮3013通过正转和反转可以绕卷和释放腰部单元驱动绳索13，传递运动和力，从而带动腰部平台单元6转动；大臂单元驱动绳索14一端绕于大臂关节轮8051并与其固定，穿过大臂单元套索501后，另一端绕于大臂关节驱动轮3023并与其固定，中间依靠大臂驱动绳索导向滑轮719导向，依靠驱动绳索张紧装置4张紧，形成闭合回路，大臂关节驱动轮3023通过正转和反转可以绕卷和释放大臂单元驱动绳索14，传递运动和力，带动大臂关节轮8051转动，从而带动大臂单元8转动；小臂单元传动绳索16一端绕于小臂关节轮10021并与其固定，另一端绕于小臂单元随动轮7051并与其固定，中间依靠大臂前端导向滑轮807和大臂后端导向滑轮804导向，依靠传动绳索张紧装置9张紧，形成闭合回路；小臂单元驱动绳索15一端绕于小臂单元传动轮7041并与其固定，穿过小臂单元套索502后，另一端绕于小臂关节驱动轮3033并与其固定，中间依靠驱动绳索张紧装置4张紧，小臂关节驱动轮3033通过正转和反转可以绕卷和释放小臂单元驱动绳索15，传递运动和力，带动小臂单元传动轮7041、小臂单元随动轮7051和小臂关节轮10021转动，从而带动小臂单元10转动；末端单元传动绳索18一端绕于末端关节11021并与其固定，另一端绕于末端单元随动轮7081并与其固定，中间依靠小臂前端导向滑轮1010、小臂后端导向滑轮1003、大臂前端导向滑轮807和大臂后端导向滑轮804导向，依靠传动绳索张紧装置9张紧，形成闭合回路；末端单元驱动绳索17一端绕于末端单元传动轮7071并与其固定，穿过末端单元套索503后，另一端绕于末端关节驱动轮3043并与其固定，中间依靠驱动绳索张紧装置4张紧，末端关节驱动轮3043通过正转和反转可以绕卷和释放末端单元驱动绳索17，传递运动和力，带动末端单元传动轮7071、末端单元随动轮7081和末端关节轮11021转动，从而带动末端单元11转动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：包括自治水下运载器（1）、电机箱单元（2）、驱动单元（3）、腰部关节单元（6）、腰部平台单元（7）、大臂单元（8）、若干机械臂单元、末端单元（11）以及机械手爪（12）；所述电机箱单元（2）安装在所述自治水下运载器（1）内，所述驱动单元（3）安装在所述电机箱单元（2）内；

所述驱动单元（3）包括腰部驱动单元（301）、大臂驱动单元（302）、各机械臂驱动单元和末端驱动单元（304）；所述腰部驱动单元（301）、大臂驱动单元（302）、各机械臂驱动单元和末端驱动单元（304）均包括驱动电机、安装在驱动电机转轴上的关节驱动轮及绕于关节驱动轮上的绳索组成；

所述腰部关节单元（6）包括腰部空心轴（601）、腰部轴承座（603）和腰部支架（607）；所述腰部轴承座（603）与所述自治水下运载器（1）固联，在所述腰部轴承座（603）内侧安装有两个圆锥滚子轴承（604），所述腰部空心轴（601）通过所述圆锥滚子轴承（604）安装在所述腰部轴承座（603）内；所述腰部支架（607）与所述腰部空心轴（601）固定连接；所述腰部驱动单元（301）的腰部单元驱动绳索（13）的一端绕于所述腰部驱动单元（301）的腰部关节驱动轮（3013）并与其固定，另一端绕于所述腰部空心轴（601）并与其固定；

所述腰部平台单元（7）包括腰部平台（701）、腰部侧板（702）、各机械臂单元传动轴、末端单元传动轴（706）和大臂驱动绳索导向滑轮（719）；所述腰部平台（701）与所述腰部支架（607）下端固定连接；所述腰部侧板（702）通过螺钉固定在所述腰部平台（701）两侧；在所述腰部侧板（702）之间安装有水平布置的各机械臂单元传动轴和末端单元传动轴（706）；所述各机械臂单元传动轴和末端单元传动轴（706）均通过腰部轴承（714）与所述腰部侧板（702）相连，在所述各机械臂单元传动轴上固联有各机械臂单元传动轮组件和各机械臂单元随动轮组件，在末端单元传动轴（706）上固联有末端单元传动轮组件和末端单元随动轮组件；在所述腰部侧板（702）外侧还安装有大臂驱动绳索导向滑轮（719）；

在所述腰部侧板（702）之间通过腰部轴承（714）安装有一水平布置的大臂关节转轴（801）；在所述大臂关节转轴（801）上安装有大臂关节轮组件（805）；所述大臂单元（8）的上端和所述大臂关节轮组件（805）均与所述大臂关节转轴（801）固联；所述大臂驱动单元（302）的大臂单元驱动绳索（14）一端绕于所述大臂驱动单元（302）的大臂关节驱动轮并与其固定，另一端穿过所述腰部空心轴（601）并通过所述大臂驱动绳索导向滑轮（719）绕于所述大臂关节轮组件（805）并与其固定；

各所述机械臂单元的上端均设有机械臂关节转轴，第一个所述机械臂单元的上端通过水平布置的第一个机械臂关节转轴与所述大臂单元（8）的下端连接；在各所述机械臂关节转轴上均安装有机械臂关节轮组件，各所述机械臂单元的上端和各所述机械臂关节轮组件均与其相应的机械臂关节转轴固联；各所述机械臂单元的机械臂单元驱动绳索一端绕于各自的机械臂驱动单元的机械臂关节驱动轮并与其固定，另一端穿过所述腰部空心轴（601）后绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元传动轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的机械臂单元传动绳索的一端绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于相应机械臂的机械臂关节轮组件并与其固定；

所述末端单元（11）的上端通过末端关节转轴（1101）与最后一个机械臂单元的下端连接，在所述末端关节转轴（1101）上安装有末端关节轮组件（1102）；所述末端单元（11）的上端和所述末端关节轮组件（1102）均与所述末端关节转轴（1101）固联；所述末端驱动单元（304）的末端单元驱动绳索（17）一端绕于所述末端驱动单元（304）的末端关节驱动轮并与其固定，另一端穿过所述腰部空心轴（601）绕于末端单元传动轮组件（707）并与其固定；再通过末端单元传动绳索（18）的一端绕于所述末端单元随动轮组件（708）并与其固定，另一端绕于所述末端关节轮组件（1102）并与其固定；

所述机械手爪（12）与所述末端单元（11）的下端固联。

2.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：还包括驱动绳索张紧装置（4），所述驱动绳索张紧装置（4）安装在各驱动单元的前方，包括张紧支架（401）、张紧滑块（402）、张紧固定块（403）、定位导向滑轮（405）和张紧导向滑轮（406）；在所述张紧支架（401）中间位置开设有竖直的滑槽，所述张紧滑块（402）通过锁紧螺钉（407）滑动安装在所述滑槽上；所述张紧固定块（403）固定在所述张紧支架（401）上位于所述张紧滑块（402）上方的位置，在所述张紧固定块（403）上打有螺纹通孔，在所述螺纹通孔上安装有调节螺钉（404），所述调节螺钉（404）下端抵住所述张紧滑块（402）的上端；两个所述定位导向滑轮（405）固定在所述张紧支架（401）上位于所述张紧滑块（402）两侧位置；所述张紧导向滑轮（406）固定于所述张紧滑块（402）上；所述大臂单元（8）、各所述机械臂单元和所述末端单元（11）的驱动绳索置于两个所述定位导向滑轮（405）的下方，所述张紧导向滑轮（406）的上方；需要张紧时，松开所述锁紧螺钉（407），转动所述调节螺钉（404）使所述张紧滑块（402）向上移动，从而带动所述张紧导向滑轮（406）向上移动，压紧驱动绳索，绳索张紧后，用所述锁紧螺钉（407）固定住所述张紧滑块（402），完成张紧。

3.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：在所述腰部单元驱动绳索（13）、各机械臂单元传动绳索以及末端单元传动绳索（18）之间还设有传动绳索张紧装置（9）；所述传动绳索张紧装置（9）包括花篮螺丝（901）、左旋鱼眼螺钉（902）和右旋鱼眼螺钉（903），所述花篮螺丝（901）的两端分别打有左旋和右旋螺纹孔，所述左旋鱼眼螺钉（902）和所述右旋鱼眼螺钉（903）分别安装到所述花篮螺丝（901）的两侧；各传动绳索分别与所述左旋鱼眼螺钉（902）和所述右旋鱼眼螺钉（903）连接；转动所述花篮螺丝（901），即实现传动绳索的张紧。

4.根据权利要求2或3所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：根据实际需要张紧的绳索数目安装相应的驱动绳索张紧装置（4）或传动绳索张紧装置（9）。

5.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：绕于所述腰部平台单元（7）上的所述大臂关节轮组件（805）的大臂关节轮（8051）的大臂单元驱动绳索（14）、所述机械臂关节轮组件的机械臂单元传动轮的各机械臂单元驱动绳索和所述末端关节轮组件（1102）的末端单元传动轮的末端单元驱动绳索（17）均穿过套索（5）后分别绕于相应的驱动轮上；所述套索（5）的两端通过套索固定头（504）分别固定于所述腰部平台（701）和所述电机箱单元（2）的电机箱单元支撑板（202）上，中间穿过所述腰部空心轴（601）。

6.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：在所述大臂单元（8）的所述大臂关节转轴（801）上还固联有大臂后端导向滑轮（804），在所述大臂单元（8）下端还设有水平布置的大臂前端导向滑轮支撑杆（806），在所述大臂前端导向滑轮支撑杆（806）上固联有大臂前端导向滑轮（807）；所述大臂后端导向滑轮（804）和所述大臂前端导向滑轮（807）的数量为各机械臂单元的数量加上末端单元的数量之和；

在各所述机械臂单元的所述机械臂关节转轴上还固联有机械臂后端导向滑轮，所述机械臂后端导向滑轮的数量为其后机械臂的数量加上末端单元的数量之和；

在最后一个所述机械臂单元的下端还设有两根水平布置的机械臂前端导向滑轮支撑杆，在所述机械臂前端导向滑轮支撑杆上安装有机械臂前端导向滑轮；

各所述机械臂单元的传动绳索的传动绳索均依次经过所述大臂后端导向滑轮（804）、所述大臂前端导向滑轮（807）和前一机械臂单元的机械臂后端导向滑轮和机械臂前端导向滑轮；所述末端单元的传送绳索依次经过所述大臂后端导向滑轮（804）、所述大臂前端导向滑轮（807）、前述各机械臂单元的机械臂后端导向滑轮和机械臂前端导向滑轮。

7.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：在所述腰部空心轴（601）外侧与所述腰部轴承座（603）相交的位置上开设有凹槽，在所述凹槽内安装有腰部空心轴挡环（602），用于确定所述腰部空心轴（601）与所述圆锥滚子轴承（604）的轴向相对位置。

8.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：所述机械臂单元的数目根据实际需要确定。

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