CN112296989A - 一种水下五自由度旋转机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下五自由度旋转机械手，包括旋转机械手和三自由度机械臂，旋转机械手固定在三自由度机械臂末端，在三自由度机械臂的带动下上下、左右、前后移动完成抓取，所述旋转机械手包括机械手密封壳、机械手驱动模块和夹爪组件，机械手驱动模块安装在机械手密封壳内，外接机械手组件，驱动夹爪组件开合和旋转。其多自由度，能够实现水下设备的搭载，结构简单，动作稳定，传动效率高，小巧灵活。

Description

一种水下五自由度旋转机械手

技术领域：

本发明属于水下设备技术领域，具体涉及一种水下五自由度旋转机械手。

背景技术：

水下机械手是水下机器人的主要功能部件，当然也可以作为一个产品，在水下单独使用。现有大部分机械手包括驱动部分、传动部分和末端执行部分，驱动部分带动传动部分，传动部分将驱动部分的回转运动转化为直线运动，从而以达到夹取目标物的目的，自由度和功能单一，无法自如在水下工作，如专利CN109291041A公开了一种水下机械手，包括舱体、伸缩驱动件、夹爪和导杆，所述伸缩驱动件安装在密封设置的所述舱体内，所述导杆与所述舱体密封滑接，该导杆的一端与所述伸缩驱动件的伸缩执行端连接，另一端与所述夹爪的一端铰接，所述夹爪的另一端与所述舱体铰接，多个所述夹爪随着所述伸缩驱动件驱动所述导杆伸缩而夹紧或者松开。

发明内容：

本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种水下五自由度旋转机械手，解决了现有机械手功能单一，结构复杂，运行不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明涉及的水下五自由度旋转机械手，包括旋转机械手和三自由度机械臂，旋转机械手固定在三自由度机械臂末端，在三自由度机械臂的带动下上下、前后移动完成抓取，所述旋转机械手包括机械手密封壳、机械手驱动模块和夹爪组件，机械手驱动模块安装在机械手密封壳内，外接机械手组件，驱动夹爪组件开合和旋转。

所述机械手驱动模块包括第一轴承、第二轴承、第一电机、第一滚珠丝杆、第二电机、第三齿轮、第四齿轮、第一推杆轴和旋转支架；第三齿轮和第四齿轮啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳前端，第一电机与第一滚珠丝杠连接，第一滚珠丝杠通过第一轴承固定在机械手密封壳内，第二电机输出轴与第三齿轮转动连接，第一推杆轴一端与第一滚珠螺母连接，另一端穿过第四齿轮与旋转支架固定连接，旋转支架后端与第四齿轮周向固定后，与机械手密封壳通过第二轴承转动连接，且连接处周向密封，夹爪组件固定在旋转支架前端。

进一步地，所述机械手驱动模块还包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳后端，第一电机输出轴与第一齿轮转动连接，第一滚珠丝杆固定在第二齿轮上，第一电机和第二电机置于第一滚珠丝杆一侧。

所述三自由度机械臂包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、上臂组件、下臂组件、第一连接件和第二连接件；下臂组件包括第一连接板和第二连接板，上臂组件包括第三连接板和第四连接板，第一连接板和第二连接板上下设置，前端通过第三铰链与第一连接件后端连接，第三连接板和第四连接板左右设置，后端通过第四铰链与第一连接件前端连接，前端通过第八铰链与第二连接件后端连接，第二连接件前端固定在旋转机械手后端；第三驱动模块安装在第一连接板和第二连接板之间，第三驱动模块后端通过第一铰链分别与第一连接板和第二连接板转动连接，第三驱动模块上的第二推杆轴末端通过第二铰链与第一连接件转动连接，第一驱动模块和第二驱动模块安装在第三连接板和第四连接板中间，第二驱动模块后端通过第五铰链与第一连接件转动连接，第二驱动模块上的第二推杆轴末端通过第六铰链分别与第三连接板和第四连接板转动连接，第一驱动模块后端通过第七铰链分别与第三连接板和第四连接板转动连接，第一驱动模块上的第二推杆轴末端通过第九铰链与第二连接件转动连接，第三驱动模块上的第二推杆轴伸长和收缩，带动第一连接件绕第三铰链转动，进而带动上臂组件左右转动，第二驱动模块上的第二推杆轴伸长和收缩，带动上臂组件绕第四铰链转动，第一驱动模块上的第二推杆轴末端伸长和收缩，带动第二连接件绕第八铰链转动，进而通过上臂组件带动旋转机械手前后、上下转动。

进一步地，第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块结构相同，包括第三电机、第二滚珠丝杠、第二推杆轴和驱动模块密封壳，第三电机和第二滚珠丝杠固定在驱动模块密封壳内，第三电机与第二滚珠丝杠转动连接，第二滚珠丝杠通过第三轴承固定在驱动模块密封壳内，第二推杆轴一端与第二滚珠丝杠连接，另一端周向密封穿过驱动模块密封壳，第三电机的正反向转动带动第二推杆轴的直线往复运动。

具体地，第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块结构相同，还包括第五齿轮和第六齿轮，第五齿轮和第六齿轮外齿啮合组成齿轮组置于驱动模块密封壳后端，第三电机输出轴与第五齿轮转动连接，第二滚珠丝杆一端与第六齿轮连接。

进一步地，所述水下五自由度旋转机械手，还包括控制舱，控制舱分别与第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和机械手驱动模块连接，控制舱与水上控制系统连接，接收水上控制系统指令，驱动对应的电机工作。

本发明涉及的水下五自由度旋转机械手，还包括可搭载水下设备，可搭载水下设备固定在水下五自由度旋转机械手上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：多自由度，能够实现水下设备的搭载，结构简单，动作稳定，传动效率高，小巧灵活。

附图说明：

图1是本发明涉及的水下五自由度旋转机械手结构示意图。

图2是本发明涉及的旋转机械手结构示意图。

图3是本发明涉及的三自由度机械臂结构示意图。

图4是图3中下臂组件的投影视图。

图5是本发明涉及的驱动模块结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”方位词是为了更清楚地描述各部件之间的方位关系，“第一”、“第二”、“第三”等是为了区分相同部件，不应看为对本申请的保护范围的限定。

如图1和2所示，本实施例涉及的水下五自由度旋转机械手，包括旋转机械手和三自由度机械臂，旋转机械手固定在三自由度机械臂末端，在三自由度机械臂的带动下上下、前后移动完成抓取，所述旋转机械手包括机械手密封壳1、机械手驱动模块9和夹爪组件10，机械手驱动模块安装在机械手密封壳1内，外接机械手组件10，驱动夹爪组件10开合和旋转。

所述机械手驱动模块9包括第一轴承901、第二轴承902、第一电机903、第一滚珠丝杆、第二电机908、第三齿轮909、第四齿轮910、第一推杆轴911和旋转支架912；第三齿轮909和第四齿轮910啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳1前端，第一电机903与第一滚珠丝杠906连接，第一滚珠丝杠906通过第一轴承901固定在机械手密封壳1内，第二电机908输出轴与第三齿轮909转动连接，第一推杆轴911一端与第一滚珠螺母907连接，另一端穿过第四齿轮910与旋转支架912固定连接，旋转支架912后端与第四齿轮910周向固定后，与机械手密封壳1通过第二轴承902转动连接，且连接处周向密封，夹爪组件10固定在旋转支架前端。第一电机903带动第一齿轮904转动，进而通过第二齿轮905带动滚珠丝杠将回转运动转换为直线往复运动，从而推动第一推杆轴911往复直线运动，实现夹爪组件13的开合。第二电机908带动第三齿轮909转动，进而通过第四齿轮910带动旋转支架912旋转，实现夹爪组件10的旋转。

具体地，第一滚珠丝杆906和第一滚珠螺母907组成第一滚珠丝杠，第一滚珠螺母907转动连接在第一滚珠丝杆906上，将第一电机903的回转运动转换为往复直线运动。

进一步地，所述机械手驱动模块9还包括第一齿轮904和第二齿轮905，第一齿轮904和第二齿轮905啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳1后端，第一电机903输出轴与第一齿轮904转动连接，第一滚珠丝杆906固定在第二齿轮905上，第一电机903和第二电机908置于第一滚珠丝杆一侧。该结构缩短了机械手驱动模块9的整体长度，提高驱动模块的输出力。

进一步地，所述机械手密封壳1包括密封尾盖101、密封前盖102和密封筒体103，密封筒体103前后两端分别与密封前盖102和密封尾盖101密封连接。

如图3和4所示，所述三自由度机械臂包括第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4、上臂组件5、下臂组件6、第一连接件7和第二连接件8；下臂组件6包括第一连接板601和第二连接板602，上臂组件5包括第三连接板501和第四连接板502，第一连接板601和第二连接板602上下设置，后部通过连接块连接固定，前端通过第三铰链11与第一连接件7后端连接，第三连接板501和第四连接板502左右设置，后端通过第四铰链12与第一连接件7前端连接，前端通过第八铰链16与第二连接件8后端连接，第二连接件8前端固定在旋转机械手后端；第三驱动模块4安装在第一连接板601和第二连接板602之间，具体地，第三驱动模块4后端通过第一铰链18分别与第一连接板601和第二连接板602转动连接，第三驱动模块4上的第二推杆轴208末端通过第二铰链19与第一连接件7转动连接，第一驱动模块2和第二驱动模块3安装在第三连接板501和第四连接板502中间，第二驱动模块3后端通过第五铰链13与第一连接件7转动连接，第二驱动模块3上的第二推杆轴208末端通过第六铰链14分别与第三连接板501和第四连接板502转动连接，第一驱动模块2后端通过第七铰链15分别与第三连接板501和第四连接板502转动连接，第一驱动模块2上的第二推杆轴208末端通过第九铰链17与第二连接件8转动连接，第三驱动模块4上的第二推杆轴208伸长和收缩，带动第一连接件7绕第三铰链11转动，进而带动上臂组件5左右转动(即，图3中的纸外和纸内)，第二驱动模块3上的第二推杆轴208伸长和收缩，带动上臂组件绕第四铰链12转动，第一驱动模块2上的第二推杆轴208末端伸长和收缩，带动第二连接件8绕第八铰链16转动，进而带动旋转机械手前后、上下转动。

进一步地，如图5所示，第一驱动模块2、第二驱动模块3和第三驱动模块4结构相同，包括第三电机202、第二滚珠丝杠、第二推杆轴208和驱动模块密封壳，第三电机202和第二滚珠丝杠固定在驱动模块密封壳内，第三电机202与第二滚珠丝杠转动连接，第二滚珠丝杠通过第三轴承205固定在驱动模块密封壳内，第二推杆轴208一端与第二滚珠丝杠连接，另一端周向密封穿过驱动模块密封壳，第三电机202的正反向转动带动第二推杆轴208的直线往复运动。

具体地，第二滚珠丝杆206和第二滚珠螺母207构成第二滚珠丝杠，第二滚珠丝杆206一端与第三电机202连接，第二滚珠螺母207转动连接在第二滚珠丝杆209上，两者构成滚珠丝杠，将回转运动转换为直线往复运动，第二推杆轴208与第二滚珠螺母207连接。

具体地，第一驱动模块2、第二驱动模块3和第三驱动模块4结构相同，还包括第五齿轮203和第六齿轮204，第五齿轮203和第六齿轮204外齿啮合组成齿轮组置于驱动模块密封壳后端，第三电机202输出轴与第五齿轮203转动连接，第二滚珠丝杆209一端与第六齿轮204连接。该结构缩短了机械手驱动模块9的整体长度，提高驱动模块的输出力。

具体地，密封筒209、前盖210和尾盖201构成驱动模块密封壳，前盖210和尾盖201分别与筒体209两端密封连接。

进一步地，所述水下五自由度旋转机械手，还包括控制舱，控制舱分别与第一驱动模块2、第二驱动模块3、第三驱动模块4和机械手驱动模块9连接，控制舱与水上控制系统连接，接收水上控制系统指令，驱动对应的电机工作。本实施例涉及的水下五自由度旋转机械手，还包括可搭载水下设备，如水下摄像机、水质检测模块、定位模块等。下面以水下摄像机为例进行具体说明，水下摄像机通过卡箍固定在机械手密封壳1外。

Claims (8)

1.一种水下五自由度旋转机械手，其特征在于，包括旋转机械手和三自由度机械臂，旋转机械手固定在三自由度机械臂末端，在三自由度机械臂的带动下上下、左右、前后移动完成抓取，所述旋转机械手包括机械手密封壳、机械手驱动模块和夹爪组件，机械手驱动模块安装在机械手密封壳内，外接机械手组件，驱动夹爪组件开合和旋转。

2.根据权利要求1所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，所述机械手驱动模块包括第一轴承、第二轴承、第一电机、第一滚珠丝杆、第二电机、第三齿轮、第四齿轮、第一推杆轴和旋转支架；第三齿轮和第四齿轮啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳前端，第一电机与第一滚珠丝杠连接，第一滚珠丝杠通过第一轴承固定在机械手密封壳内，第二电机输出轴与第三齿轮转动连接，第一推杆轴一端与第一滚珠螺母连接，另一端穿过第四齿轮与旋转支架固定连接，旋转支架后端与第四齿轮周向固定后，与机械手密封壳通过第二轴承转动连接，且连接处周向密封，夹爪组件固定在旋转支架前端。

3.根据权利要求2所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，所述机械手驱动模块还包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合，构成的齿轮组置于机械手密封壳后端，第一电机输出轴与第一齿轮转动连接，第一滚珠丝杆固定在第二齿轮上，第一电机和第二电机置于第一滚珠丝杆一侧。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，所述三自由度机械臂包括第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块、上臂组件、下臂组件、第一连接件和第二连接件；下臂组件包括第一连接板和第二连接板，上臂组件包括第三连接板和第四连接板，第一连接板和第二连接板上下设置，前端通过第三铰链与第一连接件后端连接，第三连接板和第四连接板左右设置，后端通过第四铰链与第一连接件前端连接，前端通过第八铰链与第二连接件后端连接，第二连接件前端固定在旋转机械手后端；第三驱动模块安装在第一连接板和第二连接板之间，第三驱动模块后端通过第一铰链分别与第一连接板和第二连接板转动连接，第三驱动模块上的第二推杆轴末端通过第二铰链与第一连接件转动连接，第一驱动模块和第二驱动模块安装在第三连接板和第四连接板中间，第二驱动模块后端通过第五铰链与第一连接件转动连接，第二驱动模块上的第二推杆轴末端通过第六铰链分别与第三连接板和第四连接板转动连接，第一驱动模块后端通过第七铰链分别与第三连接板和第四连接板转动连接，第一驱动模块上的第二推杆轴末端通过第九铰链与第二连接件转动连接，第三驱动模块上的第二推杆轴伸长和收缩，带动第一连接件绕第三铰链转动，进而带动上臂组件左右转动，第二驱动模块上的第二推杆轴伸长和收缩，带动上臂组件绕第四铰链转动，第一驱动模块上的第二推杆轴末端伸长和收缩，带动第二连接件绕第八铰链转动，进而带动旋转机械手前后、上下转动。

5.根据权利要求4所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块结构相同，包括第三电机、第二滚珠丝杠、第二推杆轴和驱动模块密封壳，第三电机和第二滚珠丝杠固定在驱动模块密封壳内，第三电机与第二滚珠丝杠转动连接，第二滚珠丝杠通过第三轴承固定在驱动模块密封壳内，第二推杆轴一端与第二滚珠丝杠连接，另一端周向密封穿过驱动模块密封壳，第三电机的正反向转动带动第二推杆轴的直线往复运动。

6.根据权利要求5所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，第一驱动模块、第二驱动模块和第三驱动模块结构相同，还包括第五齿轮和第六齿轮，第五齿轮和第六齿轮外齿啮合组成齿轮组置于驱动模块密封壳后端，第三电机输出轴与第五齿轮转动连接，第二滚珠丝杆一端与第六齿轮连接。

7.根据权利要求6所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，所述水下五自由度旋转机械手，还包括控制舱，控制舱分别与第一驱动模块、第二驱动模块、第三驱动模块和机械手驱动模块连接，控制舱与水上控制系统连接，接收水上控制系统指令，驱动对应的电机工作。

8.根据权利要求7所述的水下五自由度旋转机械手，其特征在于，所述水下五自由度旋转机械手，还包括可搭载水下设备，可搭载水下设备固定在水下五自由度旋转机械手上。

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