CN113910290A - 一种欠驱动水下机械手的关节模块及机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动水下机械手的关节模块，包括关节固定模块和关节旋转模块，关节固定模块包括驱动电机，关节旋转模块包括旋转套筒、固定连接于驱动电机输出轴的传动轴、旋转输出轴，旋转套筒的转轴垂直于旋转输出轴的转轴，旋转套筒连接设置有第二电磁控制装置的下接合齿轮，旋转输出轴连接设置有第一电磁控制装置的上接合齿轮，传动轴上设置有齿轮接合装置，齿轮接合装置设置有吸附衔铁；当第一电磁控制装置得电，传动轴转动带动旋转输出轴旋转；当第二电磁控制装置得电，传动轴转动带动旋转套筒旋转。通过齿轮接合装置和电磁控制装置的配合，实现一个电机控制关节模块两个自由度的运动，减少电机的使用，有效减少机械手的自重。

Description

一种欠驱动水下机械手的关节模块及机械手

技术领域

本发明涉及水下作业机械手，具体是涉及一种欠驱动水下机械手的关节模块及机械手。

背景技术

近年来，人们对海洋探索进行不断深入，由于水下机器人功能多样、稳定性高，人们对水下机器人的需求也越来越多。在水下机器人进行水下作业时，需要配置水下机械手，以完成相应作业，在水下机器人作业要求越来越复杂的同时，对于水下机器人配置的水下机械手也提出了更高的要求。

现有的水下机械手大多采用一个电机驱动一个自由度的关节运动，在需要增加机械手的灵活性而增加活动关节时，多电机的使用使得机械手的结构复杂，且制造成本高。现有技术中，如专利CN111267124公开了一种水下机械手及水下机械手的控制方法，该专利采用关节电机驱动关节模组旋转，具有较好的控制性，但关节电机只控制一个自由度的旋转，如果要再增加一个自由度的旋转需要再设置驱动电机，但由于每增加一个关节电机会增加机械手自重，且通常来说关节电机数量越多，系统越复杂，其可靠性越低，机电系故障率越高，能源动力的利用率也会降低，影响有效载荷能力的发挥。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种降低结构复杂性的欠驱动水下机械手的关节模块。

本发明还提供一种使用上述关节模块的机械手。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种欠驱动水下机械手的关节模块，包括关节固定模块和关节旋转模块，所述关节固定模块包括电机固定套筒、固定设置于电机固定套筒内的驱动电机，所述关节旋转模块包括套设在电机固定套筒外的旋转套筒、固定连接于驱动电机输出轴的传动轴、旋转输出轴，所述旋转套筒的转轴垂直于旋转输出轴的转轴，旋转套筒连接有下接合齿轮，旋转输出轴通过齿轮传动装置连接有上接合齿轮，上接合齿轮转动带动旋转输出轴转动，所述传动轴上设置有齿轮接合装置，所述上接合齿轮和下接合齿轮分别位于齿轮接合装置两端，所述齿轮接合装置设置有吸附衔铁，上接合齿轮设置有第一电磁控制装置，下接合齿轮设置有第二电磁控制装置；当第一电磁控制装置得电，第二电磁控制装置失电，第一电磁控制装置产生磁力与吸附衔铁磁性吸附，齿轮接合装置与上接合齿轮啮合，传动轴转动带动旋转输出轴旋转；当第二电磁控制装置得电，第一电磁控制装置失电，第二电磁控制装置产生磁力与吸附衔铁磁性吸附，齿轮接合装置与下接合齿轮啮合，传动轴转动带动旋转套筒旋转。

进一步的，所述齿轮传动装置包括传动锥齿轮和输出锥齿轮，所述旋转输出轴上固定套设有输出锥齿轮，所述上接合齿轮固定连接有传动锥齿轮，上接合齿轮的转轴与传动锥齿轮的转轴重合，传动锥齿轮与输出锥齿轮啮合，所述传动锥齿轮的转轴与输出锥齿轮的转轴相互垂直。

进一步的，所述齿轮接合装置包括花键毂、接合套，所述花键毂固定套设在传动轴上，花键毂的外侧面设置花键齿，接合套两端面及内侧面均设置有花键齿，所述接合套套设在花键毂上，接合套内侧面的花键齿与花键毂外侧面的花键齿啮合，且接合套通过连接装置与花键毂进行轴向移动，所述吸附衔铁设置于接合套内。

进一步的，所述连接装置包括若干连接组件，每个连接组件包括滑块、连接轴和弹簧，所述滑块一侧设置凹槽，另一侧设置凸出滑块凸块，所述接合套内侧壁设置与滑块凸块轴向定位配合的凹槽，所述花键毂外侧壁设置若干连接凹槽，花键毂在连接凹槽处的外侧壁向外延伸有花键毂凸块，花键毂凸块与滑块的凹槽配合，所述连接轴贯穿花键毂凸块并与滑块凹槽两侧槽壁固定连接，花键毂凸块两侧与滑块凹槽槽壁之间分别设置弹簧，弹簧套设于连接轴上，所述连接轴延伸方向平行于传动轴延伸方向。

进一步的，所述旋转套筒一端固定连接有齿轮箱外壳，所述传动锥齿轮和输出锥齿轮置于齿轮箱外壳内，所述齿轮箱外壳两端分别固定设置有左齿轮箱端盖和右齿轮箱端盖，所述旋转输出轴贯穿左齿轮箱端盖和右齿轮箱端盖，且旋转输出轴通过轴承与左齿轮箱端盖和右齿轮箱端盖连接，旋转输出轴相对于齿轮箱外壳旋转，旋转输出轴两端分别固定连接左旋转连接板和右旋转连接板，左旋转连接板和右旋转连接板之间固定连接旋转拼接板。

进一步的，所述旋转套筒固定连接有第一制动器，第一制动器套设在电机固定套筒上，所述左齿轮箱端盖固定连接有第二制动器，第二制动器套设在旋转输出轴上。

进一步的，所述传动轴与电机固定套筒之间、传动轴与上接合齿轮之间、上接合齿轮与齿轮箱外壳之间设置轴承。

进一步的，所述第一电磁控制装置包括与上接合齿轮固定连接的第一线圈外壳以及设置于第一线圈外壳内的第一电磁线圈，所述第二电磁控制装置包括与下接合齿轮固定连接的第二线圈外壳以及设置于第二线圈外壳内的第二电磁线圈。

进一步的，所述电机固定套筒一端固定连接有固定端盖，固定端盖外侧设置水密电缆插座。

本发明还采用一种机械手，包括若干上述关节模块，一个关节模块的电机固定套筒一端与另一个关节模块的旋转输出轴固定连接。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过齿轮接合装置和电磁控制装置的配合，实现用一个电机控制关节模块两个自由度的运动，减少电机的使用，有效减少了机械手的自重和制造成本，降低了结构复杂性，可靠性高，机电系故障率低，维护更加方便，系统结构简单，能源动力的利用率高，促进有效载荷能力的发挥，从而提高了机械手水下运动的灵活性。通过电磁得电或失电，能够高效切换机械手关节水平和垂直方向旋转的两种状态，方便控制各个关节的转动。本发明关节结构紧凑，控制简单，同时采用模块化设计，便于水下机械手的安装，大大节省了拆装时间，同时可根据需求自行装配。

附图说明

图1所示为本发明关节模块的整体结构示意图；

图2所示为本发明关节模块的整体结构剖视图；

图3所示为本发明中关节固定模块剖视图；

图4所示为本发明中关节旋转模块部分剖视图；

图5所示为图4中A-A的剖视图，即齿轮接合装置的结构示意图；

图6所示为图5中B-B的剖视图；

图7所示为本发明中齿轮箱的剖视图；

图8所示为本发明机械手的总体结构展开示意图；

图9所示为本发明机械手的总体结构折叠示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中的一种欠驱动水下机械手的关节模块，包括关节固定模块和关节旋转模块，如图2和图3所示，关节固定模块包括电机固定套筒3、驱动电机2，驱动电机2通过螺钉固定连接在电机固定套筒3上，电机固定套筒3下端通过螺钉固定连接固定端盖4，固定端盖4上设置螺纹孔，固定端盖4外侧设置水密电缆插座5，水密电缆插座5与固定端盖4上的螺纹孔锁紧，并通过电缆插座密封圈50实现密封，水密电缆插座5用于将关节模块中的电缆接出，并防止水进入关节模块。电机固定套筒3外侧套设有固定套筒1，固定套筒1与电机固定套筒3通过螺钉固定连接，且通过O型密封圈16实现静密封；固定套筒1通过螺钉与固定端盖4连接并通过O型密封圈实现静密封。

关节旋转模块包括旋转套筒7、传动轴8、旋转输出轴14，旋转套筒7套设在固定套筒1外，旋转套筒7和固定套筒1之间设置圆锥滚子轴承Ⅰ47和圆锥滚子轴承Ⅱ48进行定位与支撑，圆锥滚子轴承Ⅰ47和圆锥滚子轴承Ⅱ48的外圈均压在旋转套筒7的内壁，圆锥滚子轴承Ⅰ47内圈压在固定套筒1的外壁上固定，圆锥滚子轴承Ⅱ48的内圈通过卡簧27固定在固定套筒1的外壁上，旋转套筒7与固定套筒1之间设置旋转密封圈10实现动密封，除此设置旋转密封圈10外，其他静密封均采用O型密封圈密封。旋转套筒7内侧通过螺钉固定连接有第二编码器42和第一制动器6，第二编码器42和第一制动器6均套设在固定套筒1上。

如图4所示，驱动电机2的输出轴与传动轴8连接，驱动电机2的输出轴为D型轴，传动轴8的下端面加工有D型孔，D型轴与D型孔相配合，且传动轴8的延伸方向与驱动电机2输出轴的延伸方向重合，固定套筒1套设在传动轴8外侧，传动轴8和固定套筒1之间设置上滑动轴承41和下滑动轴承20，上滑动轴承41和下滑动轴承20通过卡簧卡在传动轴8上，并压在固定套筒1上实现传动轴8的定位与支撑。

传动轴8上固定套设有齿轮接合装置，如图5所示，齿轮接合装置包括花键毂35、接合套36，花键毂35固定套设在传动轴8上，传动轴8通过平键40与花键毂35连接，花键毂35通过卡簧卡在传动轴8上实现定位，花键毂35的外侧面设置花键齿，接合套36两端面及内侧面均设置有花键齿，所述接合套36套设在花键毂35上，接合套36内侧面的花键齿与花键毂35外侧面的花键齿啮合，且接合套36通过连接装置与花键毂35进行轴向移动，吸附衔铁31设置于接合套36内。

花键毂35外侧壁周向设置若干连接凹槽，在本实施例中设置3个连接凹槽，对应的连接装置设置3个连接组件，连接组件设置于连接凹槽内，如图6所示，连接组件包括滑块37、连接轴39和弹簧，滑块37一侧设置凹槽，另一侧设置凸出的滑块凸块，接合套36内侧壁周向设置的凹槽，滑块凸块与接合套36的凹槽配合，实现滑块凸块与接合套36的轴向定位，花键毂35在连接凹槽处的外侧壁向外延伸有花键毂凸块351，花键毂凸块351与滑块的凹槽配合，连接轴39贯穿花键毂凸块351并与滑块37凹槽的两侧槽壁通过卡簧限位，花键毂凸块351两侧与滑块凹槽槽壁之间分别设置第一弹簧38和第二弹簧52，第一弹簧38和第二弹簧52均套设于连接轴39上，用于轴向支撑花键毂35，连接轴39延伸方向平行于传动轴8延伸方向，接合套36轴向移动带动滑块37轴向移动，弹簧使接合套36不受力时恢复轴向位置。

如图4所示，花键毂35轴向两端分别设置有上接合齿轮25和下接合齿轮34，上接合齿轮25和下接合齿轮34分别可以与接合套36两端面的花键齿啮合。下接合齿轮34套设在传动轴8上，轴向一端靠近接合套36，另一端通过螺钉与旋转套筒7固定连接，第二线圈外壳32卡在下接合齿轮34与旋转套筒7之间，与下接合齿轮34和旋转套筒7固定连接，第二电磁线圈33设置在第二线圈外壳32内。上接合齿轮25套设在传动轴8上，上接合齿轮25与传动轴8之间设置上圆锥滚子轴承9和下圆锥滚子轴承30，下圆锥滚子轴承30内圈通过卡簧卡在传动轴8上，下圆锥滚子轴承30外圈压在上接合齿轮25上实现定位与支撑，上圆锥滚子轴承9内圈通过卡簧卡在传动轴8上实现定位与支撑，上圆锥滚子轴承9外圈压在垫圈51上，上接合齿轮25轴向一端靠近接合套36，另一端通过螺钉与传动锥齿轮11固定连接，垫圈51设置在上圆锥滚子轴承9外圈、上接合齿轮25和传动锥齿轮11之间，传动锥齿轮11旋转轴与传动轴轴线重合，第一线圈外壳29通过卡簧固定卡在上接合齿轮25上实现定位，第一电磁线圈28设置在第一线圈外壳29内。

如图7所示，旋转套筒7一端固定连接齿轮箱外壳17，传动锥齿轮11位于齿轮箱外壳17内，传动锥齿轮11与齿轮箱外壳17之间设置角接触轴承24，角接触轴承24内圈压在卡簧和垫圈51上实现定位与支撑，卡簧卡在上接合齿轮25上，垫圈51压在传动锥齿轮11上，传动锥齿轮11与输出锥齿轮12相互啮合，输出锥齿轮12的旋转轴垂直于传动锥齿轮11的旋转轴，输出锥齿轮12固定套设在旋转输出轴14上，输出锥齿轮12通过卡簧和输出轴14的轴肩进行定位，输出锥齿轮12置于齿轮箱外壳17内。

齿轮箱外壳17两端分别通过螺钉固定设置有左齿轮箱端盖13和右齿轮箱端盖45，旋转输出轴14贯穿左齿轮箱端盖13和右齿轮箱端盖45，贯穿整个齿轮箱，旋转输出轴14通过左滑动轴承22与左齿轮箱端盖13连接，旋转输出轴14通过右滑动轴承44与右齿轮箱端盖45连接，旋转输出轴14相对于齿轮箱外壳17旋转，旋转输出轴14与左齿轮箱端盖13之间设置左密封端盖15，左密封端盖15通过螺钉与左齿轮箱端盖13连接，旋转输出轴14与右齿轮箱端盖45之间设置右密封端盖43，右密封端盖43通过螺钉与右齿轮箱端盖45连接，左齿轮箱端盖13和右齿轮箱端盖45与齿轮箱外壳17通过O型密封圈实现静密封。左齿轮箱端盖13通过螺钉固定连接有左连接板21，左连接板21位于齿轮箱内，第二制动器49通过螺钉安装在左连接板21上，第二制动器49和左连接板21均套设在旋转输出轴14上，第二制动器49用于旋转输出轴14的刹车制动；右齿轮箱端盖45通过螺钉固定连接有右连接板26，右连接板26位于齿轮箱内，第一编码器23通过螺钉安装在右连接板26上，旋转输出轴14两端分别固定连接左旋转连接板18和右旋转连接板46，左旋转连接板18和右旋转连接板46之间固定连接旋转拼接板19。旋转拼接板19上设置有拼接孔。

本实施例中的关节模块工作原理如下：

工作时，驱动电机2转动，驱动电机2的输出轴驱动传动轴8旋转，传动轴8带动花键毂35旋转，花键毂35带动接合套36旋转，当第一制动器6和第二电磁线圈33得电，第二制动器49和第一电磁线圈28失电时，旋转输出轴14制动，接合套36在电磁力的作用下与下接合齿轮34啮合，下接合齿轮34带动旋转套筒7和齿轮箱外壳17旋转；

当第二制动器49和第一电磁线圈28得电，第一制动器6和第二电磁线圈33失电时，旋转套筒7制动，接合套36在电磁力的作用下与上接合齿轮25啮合，上接合齿轮25带动传动锥齿轮11转动，传动锥齿轮11带动输出锥齿轮12转动，输出锥齿轮12带动旋转输出轴14转动，旋转输出轴14带动旋转拼接板19的转动，当第一制动器6、第二制动器49、第二电磁线圈33、第一电磁线圈28都失电时，旋转输出轴14和旋转套筒7均制动，同时在第一弹簧38和第二弹簧52的弹力下，使滑块37带动接合套36滑移，进而接合套36与上接合齿轮25和下接合齿轮34都不啮合，此时驱动电机2处于空转状态。

实施例2

如图8和图9所示，本实施例中的一种机械手，包括若干上述实施例中的关节模块，关节模块的结构在本实施例中不再赘述，本实施例机械手中的一个关节模块的固定端盖4与另一个关节模块的旋转拼接板19上的拼接孔固定连接。

Claims (10)

1.一种欠驱动水下机械手的关节模块，其特征在于，包括关节固定模块和关节旋转模块，所述关节固定模块包括电机固定套筒(3)、固定设置于电机固定套筒(3)内的驱动电机(2)，所述关节旋转模块包括套设在电机固定套筒(3)外的旋转套筒(7)、固定连接于驱动电机(2)输出轴的传动轴(8)、旋转输出轴(14)，所述旋转套筒(7)的转轴垂直于旋转输出轴(14)的转轴，旋转套筒(7)连接有下接合齿轮(34)，旋转输出轴(14)通过齿轮传动装置连接有上接合齿轮(25)，上接合齿轮(25)转动带动旋转输出轴(14)转动，所述传动轴(8)上设置有齿轮接合装置，所述上接合齿轮(25)和下接合齿轮(34)分别位于齿轮接合装置两端，所述齿轮接合装置设置有吸附衔铁(31)，上接合齿轮(25)设置有第一电磁控制装置，下接合齿轮(34)设置有第二电磁控制装置；当第一电磁控制装置得电，第二电磁控制装置失电，第一电磁控制装置产生磁力与吸附衔铁(31)磁性吸附，齿轮接合装置与上接合齿轮(25)啮合，传动轴(8)转动带动旋转输出轴(14)旋转；当第二电磁控制装置得电，第一电磁控制装置失电，第二电磁控制装置产生磁力与吸附衔铁(31)磁性吸附，齿轮接合装置与下接合齿轮(34)啮合，传动轴(8)转动带动旋转套筒(7)旋转。

2.根据权利要求1所述的关节模块，其特征在于，所述齿轮传动装置包括传动锥齿轮(11)和输出锥齿轮(12)，所述旋转输出轴(14)上固定套设有输出锥齿轮(12)，所述上接合齿轮(25)固定连接有传动锥齿轮(11)，上接合齿轮(25)的转轴与传动锥齿轮(11)的转轴重合，传动锥齿轮(11)与输出锥齿轮(12)啮合，所述传动锥齿轮(11)的转轴与输出锥齿轮(12)的转轴相互垂直。

3.根据权利要求1所述的关节模块，其特征在于，所述齿轮接合装置包括花键毂(35)、接合套(36)，所述花键毂(35)固定套设在传动轴(8)上，花键毂(35)的外侧面设置花键齿，接合套(36)两端面及内侧面均设置有花键齿，所述接合套(36)套设在花键毂(35)上，接合套(36)内侧面的花键齿与花键毂(35)外侧面的花键齿啮合，且接合套(36)通过连接装置与花键毂(35)进行轴向移动，所述吸附衔铁(31)设置于接合套(36)内。

4.根据权利要求3所述的关节模块，其特征在于，所述连接装置包括若干连接组件，每个连接组件包括滑块(37)、连接轴(39)和弹簧，所述滑块(37)一侧设置凹槽，另一侧设置凸出滑块凸块，所述接合套(36)内侧壁设置与滑块凸块轴向定位配合的凹槽，所述花键毂(35)外侧壁设置若干连接凹槽，花键毂(35)在连接凹槽处的外侧壁向外延伸有花键毂凸块(351)，花键毂凸块(351)与滑块的凹槽配合，所述连接轴(39)贯穿花键毂凸块(351)并与滑块凹槽两侧槽壁固定连接，花键毂凸块(351)两侧与滑块凹槽槽壁之间分别设置弹簧，弹簧套设于连接轴(39)上，所述连接轴(39)延伸方向平行于传动轴(8)延伸方向。

5.根据权利要求2所述的关节模块，其特征在于，所述旋转套筒(7)一端固定连接有齿轮箱外壳(17)，所述传动锥齿轮(11)和输出锥齿轮(12)置于齿轮箱外壳(17)内，所述齿轮箱外壳(17)两端分别固定设置有左齿轮箱端盖(13)和右齿轮箱端盖(45)，所述旋转输出轴(14)贯穿左齿轮箱端盖(13)和右齿轮箱端盖(45)，且旋转输出轴(14)通过轴承与左齿轮箱端盖(13)和右齿轮箱端盖(45)连接，旋转输出轴(14)相对于齿轮箱外壳(17)旋转，旋转输出轴(14)两端分别固定连接左旋转连接板(18)和右旋转连接板(46)，左旋转连接板(18)和右旋转连接板(46)之间固定连接旋转拼接板(19)。

6.根据权利要求5所述的关节模块，其特征在于，所述旋转套筒(7)固定连接有第一制动器(6)，所述电机固定套筒(3)外侧固定套设有固定套筒(1)，第一制动器(6)套设在固定套筒(1)上，所述左齿轮箱端盖(13)固定连接有第二制动器(49)，第二制动器(49)套设在旋转输出轴(14)上。

7.根据权利要求6所述的关节模块，其特征在于，所述传动轴(8)与电机固定套筒(3)之间、传动轴(8)与上接合齿轮(25)之间、上接合齿轮(25)与齿轮箱外壳(17)之间设置轴承。

8.根据权利要求1所述的关节模块，其特征在于，所述第一电磁控制装置包括与上接合齿轮(25)固定连接的第一线圈外壳(29)以及设置于第一线圈外壳(29)内的第一电磁线圈(28)，所述第二电磁控制装置包括与下接合齿轮(34)固定连接的第二线圈外壳(32)以及设置于第二线圈外壳(32)内的第二电磁线圈(33)。

9.根据权利要求1所述的关节模块，其特征在于，所述电机固定套筒(3)一端固定连接有固定端盖(4)，固定端盖(4)外侧设置水密电缆插座(5)。

10.一种机械手，其特征在于，包括若干如权利要求1～9任意一项所述的关节模块，一个关节模块的电机固定套筒(3)一端与另一个关节模块的旋转输出轴(14)固定连接。

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