CN217861331U - 一种纯电驱动的水下多功能机械臂 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纯电驱动的水下多功能机械臂，包括腕关节和手爪关节，腕关节包括固定外壳和活动外壳，固定外壳的内壁上安装有第一浮力块，固定外壳的内部安装有电机，电机的输出轴通过谐波减速器与活动外壳转动连接，活动外壳的内壁上安装有第二浮力块，活动外壳的内部安装有第一电缸，第一电缸的输出轴与手爪关节传动连接。本机械臂通过在腕关节的外壳中加装浮力块来降低机械臂的整体重量，用于在水下运动时提高机械臂运动速度，提高水下作业效率。并且采取了纯电驱动的方式，对手爪关节进行输送，通过机械臂的摆动、俯仰、起落、旋转和开合功能的选取与组合，可将夹爪移动到目标位置，完成水下夹取物料的任务。

Description

一种纯电驱动的水下多功能机械臂

技术领域

本实用新型涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种纯电驱动的水下多功能机械臂。

背景技术

目前国内水下机械臂大多使用液压驱动方式进行作业，需要配备液压泵站，存在系统复杂，容易油液泄露污染等问题，且无法完全满足作业的需求。而机械臂在制造时，采用的外壳为钢制结构作为液压缸的支撑部件，在水下运动时，外壳比较重会受到自身重力的作用，在水下运动时机械臂运动速度较慢，作业效率有待提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种纯电驱动的水下多功能机械臂，以解决上述背景技术中遇到的问题。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种纯电驱动的水下多功能机械臂，包括腕关节和手爪关节，所述腕关节包括固定外壳和活动外壳，所述固定外壳的内壁上安装有第一浮力块，固定外壳的内部安装有电机，所述电机的输出轴通过谐波减速器与活动外壳转动连接，所述活动外壳的内壁上安装有第二浮力块，活动外壳的内部安装有第一电缸，所述第一电缸的输出轴与手爪关节传动连接；所述手爪关节上铰接有夹爪，在所述第一电缸的驱动作用下，将所述第一电缸的往复直线运动转化为夹爪的开合运动，从而实现夹取动作。

上述方案中，所述第一浮力块的顶部密封固定有固定法兰，所述固定法兰的顶部外周通过端盖固定有第一关节连接件，所述第一关节连接件用于跟其他机械臂转动连接，从而实现上下俯仰动作。

进一步的，上述方案中，所述固定外壳通过第一关节连接件转动连接有肘关节，所述肘关节包括第一架体，所述第一架体的底部一端转动连接有第二关节连接件，所述第二关节连接件上固定有第二电缸，第二电缸的输出端与第一架体的顶部一端传动连接；所述第一关节连接件安装在第一架体的顶部另一端，所述第一架体的内部安装有第三电缸，所述第三电缸的输出端与第一关节连接件传动连接。

再进一步的，所述第二关节连接件的底部铰接有臂关节，所述臂关节包括第二架体，所述第二架体的一端铰接有第三关节连接件，第二架体的内部安装有第四电缸，第四电缸的输出端与第三关节连接件传动连接，第三关节连接件与第二关节连接件固定连接。

上述方案中，所述第二浮力块的底部密封固定有手爪支撑座，所述第一电缸的输出轴贯穿所述手爪支撑座与手爪关节传动连接；所述第一电缸通过安装架安装在第二浮力块的内腔中。

为了适用于水下作业，所述手爪支撑座的贯穿孔中开设有第一沟槽，第一沟槽内部安装有第一密封圈，手爪支撑座通过第一密封圈与第一电缸的输出轴密封接触；所述手爪支撑座的顶部外周设有第二沟槽，第二沟槽内部安装有第二密封圈，手爪支撑座通过第二密封圈与安装架密封接触。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本机械臂通过在腕关节的外壳中加装浮力块来降低机械臂的整体重量，用于在水下运动时提高机械臂运动速度，提高水下作业效率。并且采取了电机和电缸驱动的方式，对手爪关节进行输送，通过机械臂的摆动、俯仰、起落、旋转和开合功能的选取与组合，可将夹爪移动到目标位置，并控制夹爪的开合从而实现目标物体的取放，完成水下任务。

附图说明

参照附图来说明本实用新型的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本实用新型的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为图1中A部放大结构示意图；

图3为本实用新型中手爪关节展开后的结构示意图；

图4为本实用新型在连接肘关节、臂关节之后的整体结构示意图。

图中标号：1-固定外壳；11-第一浮力块；12-固定法兰；13-端盖；14-电机；15-谐波减速器；16-第一关节连接件；2-活动外壳；21-第二浮力块；22-第一电缸；23-手爪支撑座；24-第一密封圈；25-第二密封圈；26-安装架；3-手爪关节；4-肘关节；41-第一架体；42-第二关节连接件；43-第二电缸；44-第三电缸；5-臂关节；51-第二架体；52-第三关节连接件；53-第四电缸；54-支撑杆。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示本实用新型有关的构成。

根据本实用新型的技术方案，在不变更本实用新型实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本实用新型的技术方案的示例性说明，而不应当视为本实用新型的全部或者视为对本实用新型技术方案的限定或限制。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

实施例1，如图1至图3所示，一种纯电驱动的水下多功能机械臂，包括腕关节和手爪关节3，腕关节包括固定外壳1和活动外壳2，固定外壳1和活动外壳2为一层不锈钢铁皮、铝合金材质以及其他合金材质，固定外壳1的内壁上安装有第一浮力块11，固定外壳1将第一浮力块11包裹起来，用第一浮力块11代替原有的外壳。固定外壳1的内部安装有电机14，该电机14为直流无刷伺服电机，电机14的输出轴通过谐波减速器15与活动外壳2转动连接。谐波齿轮减速器15具有高精度、高承载力等优点，和普通减速器相比，由于使用的材料要少50％，其体积及重量至少减少1/3。当电机14工作时，带动活动外壳2转动，从而方便调节夹爪的开合方向，对水下的物料进行夹取。

具体的，在第一浮力块11的顶部通过密封圈密封固定有固定法兰12，固定法兰12的中间开孔用于加装连接电机14的线路，也为第一电缸22的线路安装提供通道。固定法兰12的顶部外周通过端盖13固定有第一关节连接件16，第一关节连接件16用于跟其他机械臂转动连接，从而实现上下俯仰动作。

活动外壳2的内壁上安装有第二浮力块21，活动外壳2的内部安装有第一电缸22，该第一电缸22为伺服步进推杆电缸。第一电缸22的输出轴与手爪关节3传动连接，第一电缸22也可以其他具有直线驱动控制的装置代替，比如采用通过直流无刷伺服电机带动丝杆把转动变成直线驱动，来代替第一电缸22对手爪关节3进行驱动。手爪关节3上铰接有夹爪，在第一电缸22的驱动作用下，将第一电缸22的往复直线运动转化为夹爪的开合运动，从而实现夹取动作。

具体的，第二浮力块21的底部通过密封圈密封固定有手爪支撑座23，第一电缸22的输出轴贯穿手爪支撑座23与手爪关节3传动连接。可参见图3所示，夹爪为两片，闭合后夹持在一起，开合后分为两半。两个夹爪的一端对称转动安装在手爪支撑座23的一侧，两个夹爪相夹持的一侧与第一电缸22的输出轴铰接，将第一电缸22的往复直线运动转化为夹爪的开合运动。为了提高稳定性，第一电缸22通过安装架26安装在第二浮力块21的内腔中，也可以在固定外壳1中安装类似的安装架26来固定电机14。

第一浮力块11和第二浮力块21均为固体浮力材料，它是一种低密度、高强度、具有耐静水外压、耐海水腐蚀、低吸水率等特性的复合泡沫材料，是现代海洋深潜技术必不可少的基础性材料。

为了便于水下作业，对整个腕关节的连接处进行密封，比如在手爪支撑座23的贯穿孔中开设有第一沟槽，第一沟槽内部安装有第一密封圈24，手爪支撑座23通过第一密封圈24与第一电缸22的输出轴密封接触，输出轴伸缩过程中，避免外界水液的进入。手爪支撑座23的顶部外周设有第二沟槽，第二沟槽内部安装有第二密封圈25，手爪支撑座23通过第二密封圈25与安装架26密封接触，也是为了工作时避免外界水液的进入。

本机械臂通过在腕关节的外壳中加装浮力块来降低机械臂的整体重量，用于在水下运动时提高机械臂运动速度，提高水下作业效率。并且采取了电机和电缸驱动的方式，对手爪关节3进行输送，通过机械臂的摆动、俯仰、起落、旋转和开合功能的选取与组合，可将夹爪移动到目标位置，并控制夹爪的开合从而实现目标物体的取放，完成水下任务。

实施例2，请参阅图4，在实施例1的基础上，为了进一步使夹爪能够灵活的夹持水下的物料，固定外壳1通过第一关节连接件16转动连接有肘关节4。肘关节4包括第一架体41，第一架体41的底部一端转动连接有第二关节连接件42，第二关节连接件42用于铰接其他机械臂。第二关节连接件42上固定有第二电缸43，第二电缸43的输出端与第一架体41的顶部一端传动连接。第一关节连接件16安装在第一架体41的顶部另一端，第一架体41的内部安装有第三电缸44，第三电缸44的输出端与第一关节连接件16传动连接。

在肘关节4中，通过第二电缸43带动整个第一架体41转动一定的角度，通过第三电缸44带动腕关节转动一定的角度，这两个电缸构成了本机械臂的两个自由度，以方便机械臂的运动，配合腕关节和手爪关节3对水下物料进行夹取工作。

进一步的，为了进一步提高机械臂的转动能力，使其更好的水下作业，第二关节连接件42的底部铰接有臂关节5。臂关节5包括第二架体51，第二架体51的一端铰接有第三关节连接件52，第二架体51的内部安装有第四电缸53，第四电缸53的输出端与第三关节连接件52传动连接，第三关节连接件52与第二关节连接件42固定连接。在臂关节5中，通过第四电缸53可以带动肘关节4转动一定的角度，以方便机械臂输送到物料附近通过手爪关节3对水下物料进行夹取工作。

第一架体41和第二架体51均为框架型结构，第一架体41和第二架体51分别包括两侧的板体和支撑柱54，两侧的板体之间平行设置，通过支撑柱54固定连接在一起，构成框架型结构，以便于在水下移动。第二电缸43、第三电缸44、第四电缸53其安装座可以直接安装在支撑柱54中，这三个电缸也为带有推杆的伺服步进电缸，各个电缸内部的前端盖和后端盖均至少设有一道密封圈，用于提高防水性能，适应水下作业环境。

在实施时，第二架体51可以顺着传动方向来设置，比如水平设置，第四电缸53驱动肘关节4在水平方向上摆动。第一架体41也可以顺着传动方向来设置，比如竖直设置，第二电缸43、第三电缸44驱动腕关节在竖直方向上摆动。

在本实用新型中，各个关节通过电驱动实现动作，并且各个关节之间通过连接件进行连接。其中腕关节包括固定外壳1和活动外壳2，固定外壳1和活动外壳2的内壁均安装了浮力块，活动外壳2的内部也装有电缸来实现其动作，以此来达到夹爪夹取的功能。本机械臂实现了旋转、俯仰、夹取功能一体化，并且在肘关节4中运用两个电缸进行俯仰动作大大加大了夹爪的夹取能力，实现了更大负载的夹取，进而实现多样化夹取功能。

本机械臂完全防水设计，能够满足长期水下工作需求，且本机械臂各个关节及电缸连接处进行了单独密封，允许各个关节、独立轴和夹爪在水下和陆上更迅速的更换，也大大缩短了维护和检修的工作量。

本机械臂可以在水下最大深度300m处进行水下作业，且运用零油系统，其采取了电机驱动的方式，从而实现了快速且高精度的控制。并且在密封部分，如相对旋转的固定外壳1与活动外壳2之间和往复运动的第一电缸22与手爪支撑座23之间都装配密封圈以保证静密封和动密封，从而完成高效率、高精度的水下作业任务。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。这些未公开的要素，均属于本领域的技术人员能够获知的现有技术。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，并不用于限定本实用新型保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：包括腕关节和手爪关节(3)，所述腕关节包括固定外壳(1)和活动外壳(2)，所述固定外壳(1)的内壁上安装有第一浮力块(11)，固定外壳(1)的内部安装有电机(14)，所述电机(14)的输出轴通过谐波减速器(15)与活动外壳(2)转动连接，所述活动外壳(2)的内壁上安装有第二浮力块(21)，活动外壳(2)的内部安装有第一电缸(22)，所述第一电缸(22)的输出轴与手爪关节(3)传动连接；所述手爪关节(3)上铰接有夹爪，在所述第一电缸(22)的驱动作用下，将所述第一电缸(22)的往复直线运动转化为夹爪的开合运动，从而实现夹取动作。

2.根据权利要求1所述的一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述第一浮力块(11)的顶部密封固定有固定法兰(12)，所述固定法兰(12)的顶部外周通过端盖(13)固定有第一关节连接件(16)，所述第一关节连接件(16)用于跟其他机械臂转动连接，从而实现上下俯仰动作。

3.根据权利要求2所述的一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述固定外壳(1)通过第一关节连接件(16)转动连接有肘关节(4)，所述肘关节(4)包括第一架体(41)，所述第一架体(41)的底部一端转动连接有第二关节连接件(42)，所述第二关节连接件(42)上固定有第二电缸(43)，第二电缸(43)的输出端与第一架体(41)的顶部一端传动连接；所述第一关节连接件(16)铰接在第一架体(41)的顶部另一端，所述第一架体(41)的内部安装有第三电缸(44)，所述第三电缸(44)的输出端与第一关节连接件(16)传动连接。

4.根据权利要求3所述的一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述第二关节连接件(42)的底部铰接有臂关节(5)，所述臂关节(5)包括第二架体(51)，所述第二架体(51)的一端铰接有第三关节连接件(52)，第二架体(51)的内部安装有第四电缸(53)，第四电缸(53)的输出端与第三关节连接件(52)传动连接，第三关节连接件(52)与第二关节连接件(42)固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述第二浮力块(21)的底部密封固定有手爪支撑座(23)，所述第一电缸(22)的输出轴贯穿所述手爪支撑座(23)与手爪关节(3)传动连接；所述第一电缸(22)通过安装架(26)安装在第二浮力块(21)的内腔中。

6.根据权利要求5所述的一种纯电驱动的水下多功能机械臂，其特征在于：所述手爪支撑座(23)的贯穿孔中开设有第一沟槽，第一沟槽内部安装有第一密封圈(24)，手爪支撑座(23)通过第一密封圈(24)与第一电缸(22)的输出轴密封接触；所述手爪支撑座(23)的顶部外周设有第二沟槽，第二沟槽内部安装有第二密封圈(25)，手爪支撑座(23)通过第二密封圈(25)与安装架(26)密封接触。

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