CN206623089U - 一种三自由度水下机械臂 - Google Patents

Abstract

一种三自由度水下机械臂，包括基座支撑机构、腰部机构、肘部机构、腕部机构、机械手机构，每个关节要求设计成传动的模块化结构或者是集成驱动结构。基座结构中的旋转平台与基座配合安装，其腰部结构所执行的运动为旋转运动，在步进电机的驱动下旋转台能在水平面内转动，肘部结构连接旋转台和小臂，其运动为俯仰运动，在步进电机的驱动下小臂能相对于旋转台运动，腕部机构连接小臂与手部，其运动为旋转运动，在步进电机的驱动下手部相对于小臂运动，机械手连接在手部上，其运动为开合运动，机械手机构上装有监测装置，以便于更加精确的进行水下作业。

Description

一种三自由度水下机械臂

技术领域

本实用新型涉及机械臂，具体涉及三自由度水下机械臂，用于解决海下作业问题。

背景技术

随着人类对海洋进一步认识开发与利用，水下作业机械臂是完成水下作业任务的重要工具，水下机械臂需要顺利高效地完成各种海底作业，包括海洋工程、港口建设、海洋石油、科学研究和海军防务等诸多领域，在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用，水下机械臂已经成为人们认识、开发和利用海洋的一个重要工具。但由于水下特殊的工况环境，与陆上机械臂相比，水下机械臂的体系结构与控制技术有许多特殊的问题需要解决。

例如需要考虑到：1满足水下作业自如，因为水下环境复杂，机械臂如果要完成有难度的机械动作一定要对机械臂的运动有较高要求；2水密性好，机械臂的质量要轻，因为质量的增加必定导致性能的下降，以及成本的成倍上升；3驱动力要足以克服流体运动阻力，尽量减小内部轴承的损害，因为水下作业存在流体运动阻力，对机械的强度要有一定要求；4驱动装置要达到要求，避免采用液压系统，因为液压系统体积庞大，重量较大，零件较多，零件加工复杂，使机械臂加工和维修成本较高。根据水下作业机械臂工作环境、工作内容及性能的要求，本实用新型提出了三自由度水下机械臂。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种三自由度水下机械臂。

本实用新型是一种三自由度水下机械臂，包括括基座1、腰部机构2、肘部机构3、腕部机构4、机械手部机构5，监测机构6，腰部机构连接的是基座1与旋转台27，所执行的运动为回转运动，肘部机构3连接旋转台27和小臂18，其运动为俯仰运动，腕部机构4连接小臂18与机械手部机构5，其运动为回转运动，机械爪24连接在机械手部机构5上，其运动为开合运动，所述的基座外壳9、旋转台27、小臂外壳22均为圆筒形壳体；基座1作为多自由度水下作业机械臂的载体，旋转台27与基座1配合安装。

本实用新型的有益效果是：各壳体形状均为圆筒形壳体形状，使内部空间达到最大利用，节省材料并且空间面积达到最大，也减轻了整体结构的重量，零部件布置合理，利用蜗轮蜗杆达到减速效果，从而也能达到俯仰运动效果和回转运动效果，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。该种运动自带限位和自锁功能，能够确保运动的准确性。

附图说明

图1为本实用新型的三自由度水下机械臂示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型是一种三自由度水下机械臂，包括括基座1、腰部机构2、肘部机构3、腕部机构4、机械手部机构5，监测机构6，腰部机构连接的是基座1与旋转台27，所执行的运动为回转运动，肘部机构3连接旋转台27和小臂18，其运动为俯仰运动，腕部机构4连接小臂18与机械手部机构5，其运动为回转运动，机械爪24连接在机械手部机构5上，其运动为开合运动，所述的基座外壳9、旋转台27、小臂外壳22均为圆筒形壳体；基座1作为多自由度水下作业机械臂的载体，旋转台27与基座1配合安装。

本实用新型具有三自由度，其腰部结构所执行的运动为回转运动,肘部结构连接旋转台和小臂其运动为俯仰运动，腕部机构连接小臂与手部机构其运动为回转运动，机械手机构上装有监测装置，以便于更加精确的进行水下作业，（1）为解决作业不灵活缺点，本实用新型采用俯仰运动与旋转运动相结合的方式。（2）为了解决水密性差结构臃肿的缺点，本实用新型采用“o”型密封圈结构，并且把电机安放在壳体内，使壳体内部空间得到充分利用，零件空间布置合理，结构紧凑，（3）为减小阻力要求，保护机械外壳，机械外壳设计成圆筒形壳体。（4）为解决水下驱动力不足问题，本实用新型采用直流电机作为驱动源，不同于水下机械臂常用的液压系统。

本实用新型所设计的三自由度水下机械臂，包括基座、腰部机构、肘部机构、腕部机构、机械手机构，每个关节要求设计成传动的模块化结构或者是集成驱动结构。基座结构中的回转平台与基座配合安装，其腰部结构所执行的运动为回转运动，在步进电机的驱动下旋转台能在水平面内转动，肘部机构连接旋转台和小臂，其运动为俯仰运动，在步进电机的驱动下小臂能相对于旋转台运动，腕部机构连接小臂与机械手部机构，其运动为回转运动，在步进电机的驱动下机械手部机构相对于小臂运动，机械爪连接在机械手部机构上，其运动为开合运动，所述的基座壳体、旋转台壳体、小臂壳体均为圆筒形壳体。

如图1所示，所述回转控制机构包括设于基座内的回转驱动单元和设于基座的传动单元；基座底部与下底端盖7利用螺栓进行密封链接，基座内的步进电机链接蜗杆11，继而蜗杆带动蜗轮8进行减速传动，蜗轮与轴10用螺栓链接29，基座设计成圆筒形状，基座顶部中心有圆孔，用以进行轴的回转运动，基座与旋转台通过轴与轴孔连接，基座外部上方设有凹槽，用来安放深沟球轴承28，轴承运转处利用O型密封圈进行密封。

如图1所示，所述旋转台可在水平面内自由转动并且和基座通过轴与轴孔配合连接，旋转台设计成圆筒形状，所述俯仰控制机构包括设于基座内的俯仰驱动单元和设于基座的传动单元；旋转台上方安装有第二步进电机12，步进电机带动第一齿轮13转动，第一齿轮13带动第二齿轮14进行传动，第二齿轮14的另一侧为蜗杆16形状，蜗杆带动蜗轮17进行减速传动，轴承采用圆锥滚子轴承15，旋转台与小臂运动连接处通过螺纹安装有密封法兰26。

如图1所示，所述小臂机构18能相对旋转台做俯仰运动，小臂机构中，所述回转运动控制机构包括小臂与机械手部机构5，内部通过第三步进电机19驱动，电机带动连杆21进行回转运动，轴承采用圆锥滚子轴承20，各端盖采用螺钉安装，运动连接部分采用O型密封圈密封。

如图1所示，所述的机械手部机构5的开合运动控制采用丝杆23传动方式，利用丝杆传动方式将减速电机25的旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，机械爪与小臂通过轴与轴孔连接，机械爪24采用二爪结构，机械爪上侧安装有监测机构6，各端盖采用螺钉安装。

如图1所示，所述监测机构6为水下摄像机、超声波测距器、红外线发射器，通过螺母安装在机械手部机构5上侧。

本实用新型的工作过程为：首先，在后台的检测装置检测到需要检测区域的坐标位置，通过计算机将数字信号转为电信号，在步进电机1的驱动下，旋转台2在水平面内绕基座3旋转，若要进一步调整位置，驱动步进电机4工作，步进电机4带动齿轮5运动，齿轮5带动齿轮6运动，齿轮6另一侧设计成蜗杆结构，蜗杆7带动涡轮8运动，小臂9绕轴21转动，小臂相对于旋转台作俯仰运动，为了将进一步达到精确要求驱动步进电机10工作，带动连接件31转动，连杆31带动机械爪24进行开合运动，从而进行抓取；监测装置安装在机械爪外壳上，在研究者的操作下抵达目标区域后，水下摄像机、超声波测距器、红外线发射器等探测装置12开始工作，定位目标物体的坐标位置、表面体征、物理特性等，并将数据传递给计算机，从而达到水下监测研究的功能，提高研究工作效率。

Claims (6)

1.一种三自由度水下机械臂，包括括基座（1）、腰部机构（2）、肘部机构（3）、腕部机构（4）、机械手部机构（5），监测机构（6），其特征在于腰部机构连接的是基座（1）与旋转台（27），所执行的运动为回转运动，肘部机构（3）连接旋转台（27）和小臂（18），其运动为俯仰运动，腕部机构（4）连接小臂（18）与机械手部机构（5），其运动为回转运动，机械爪（24）连接在机械手部机构（5）上，其运动为开合运动，所述的基座外壳（9）、旋转台（27）、小臂外壳（22）均为圆筒形壳体；基座（1）作为多自由度水下作业机械臂的载体，旋转台（27）与基座（1）配合安装。

2.根据权利要求1所述的三自由度水下机械臂，其特征在于：所述回转控制机构包括设于基座内的回转驱动单元和设于基座的传动单元；基座底部与下底端盖（7）利用螺栓进行密封链接，基座内的步进电机链接蜗杆（11），继而蜗杆带动蜗轮（8）进行减速传动，蜗轮与轴（10）用螺栓链接（29），基座设计成圆筒形状，基座顶部中心有圆孔，用以进行轴的回转运动，基座与旋转台通过轴与轴孔连接，基座外部上方设有凹槽，用来安放深沟球轴承（28），轴承运转处利用O型密封圈进行密封。

3.根据权利要求1所述的三自由度水下机械臂，其特征在于：所述旋转台可在水平面内自由转动并且和基座通过轴与轴孔配合连接，旋转台设计成圆筒形状，所述俯仰控制机构包括设于基座内的俯仰驱动单元和设于基座的传动单元；旋转台上方安装有第二步进电机（12），步进电机带动第一齿轮（13）转动，第一齿轮（13）带动第二齿轮（14）进行传动，第二齿轮（14）的另一侧为蜗杆（16）形状，蜗杆带动蜗轮（17）进行减速传动，轴承采用圆锥滚子轴承（15），旋转台与小臂运动连接处通过螺纹安装有密封法兰（26）。

4.根据权利要求1所述的三自由度水下机械臂，其特征在于：所述小臂（18）能相对旋转台做俯仰运动，小臂机构中，所述回转运动控制机构包括小臂与机械手部机构（5），内部通过第三步进电机（19）驱动，电机带动连杆（21）进行回转运动，轴承采用圆锥滚子轴承（20），各端盖采用螺钉安装，运动连接部分采用O型密封圈密封。

5.根据权利要求1所述的三自由度水下机械臂，其特征在于：所述的机械手部机构（5）的开合运动控制采用丝杆（23）传动方式，利用丝杆传动方式将减速电机（25）的旋转运动转化为丝杆滑块的直线运动，机械爪与小臂通过轴与轴孔连接，机械爪（24）采用二爪结构，机械爪上侧安装有监测机构（6），各端盖采用螺钉安装。

6.根据权利要求5所述的三自由度水下机械臂，其特征在于，所述监测机构（6）为水下摄像机、超声波测距器、红外线发射器，通过螺母安装在机械手部机构（5）上侧。