CN220660918U - 一种五自由度水下机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种五自由度水下机械手，包括：基座；腰部回转关节，设置于基座的上方，并与基座相连接；大臂关节，设置于腰部回转关节的侧面，并与腰部回转关节相连接；小臂关节，设置于大臂关节的远离腰部回转关节的侧面，并与大臂关节相连接；腕部摆动关节，设置于小臂关节的远离大臂关节的侧面，并与小臂关节相连接；腕部转动关节，设置于腕部摆动关节的远离小臂关节的侧面，并与腕部摆动关节相连接；末端执行器，设置于腕部转动关节的远离腕部摆动关节的侧面，并与腕部转动关节相连接。本实用新型通过设置腰部转动关节、大臂关节、小臂关节、腕部摆动关节、腕部转动关节和末端执行器使得水下机械手实现五自由度作业，提高了作业精度。

Description

一种五自由度水下机械手

技术领域

本实用新型属于水下机械臂技术领域，尤其涉及一种五自由度水下机械手。

背景技术

海洋装备是海洋开发的主要支撑技术，其中小型水下机器人成本低、灵活度高，能在空间受限的地方更好地执行任务，此时就需要一种与之搭配水下机械手用于提高水下机器人的作业能力，更有利于海洋环境的开发。水下机械手主要是配合水下机器人进行协同作业，包括捕捞作业、搜寻作业和维修作业。

现有技术中的水下机械手往往需要考虑机械手本身的重量限制，水下机械手往往重量过重会造成小型水下机器人的倾覆事故，这就导致搭载到小型水下机器人上的水下机械手往往由于机构简单导致水下机械手的灵活度低，无法开展复杂的水下作业，仅能适应少数的作业场景，且严重影响水下机器人的作业质量。

为此，针对上述的技术问题还需进一步解决，本实用新型提供了一种五自由度水下机械手。

实用新型内容

本实用新型提供了一种五自由度水下机械手，以解决的现有技术中的水下机械手往往由于机构简单导致水下机械手的灵活度低，无法开展复杂的水下作业，仅能适应少数的作业场景，且严重影响水下机器人的作业质量的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型提供了一种五自由度水下机械手，包括：基座；腰部转动关节，设置于基座的上方，并与基座相连接；大臂关节，设置于腰部转动关节的侧面，并与腰部转动关节相连接；小臂关节，设置于大臂关节的远离腰部回转关节的侧面，并与大臂关节相连接；腕部摆动关节，设置于小臂关节的远离大臂关节的侧面，并与小臂关节相连接；腕部转动关节，设置于腕部摆动关节的远离小臂关节的侧面，并与腕部摆动关节相连接；末端执行器，设置于腕部转动关节的远离腕部摆动关节的侧面，并与腕部转动关节相连接。

可选地，腰部转动关节包括：腰部下连接板，设置于基座的下方，并与基座连接；第一防水舵机，设置于腰部下连接板，并与腰部下连接板相连接；腰部上连接板，设置于基座的上方，并与基座、第一防水舵机的输出轴相连接；交叉滚子轴承，设置于基座的上方，并与基座相连接，且交叉滚子轴承的外圈与基座、腰部下连接板相连接，交叉滚子轴承的内圈与腰部上连接板。

可选地，大臂关节包括：第二防水舵机，设置于腰部上连接板的上方，并与腰部上连接板相连接；大臂主连接架，设置于第二防水舵机的侧面，并与第二防水舵机的输出轴相连接；大臂副连接架，设置于大臂主连接架的侧面，并与大臂主连接架相连接。

可选地，小臂关节包括：第三防水舵机，设置于大臂副连接架的远离大臂主连接架的侧面，并与大臂副连接架相连接；小臂连接架，设置于第三防水舵机的侧面，并与第三防水舵机相连接。

可选地，腕部摆动关节包括：第四防水舵机，设置于小臂连接架的远离第三防水舵机的侧面，并与小臂连接架相连接；腕部摆动关节连接架，设置于第四防水舵机的侧面，并与第四防水舵机相连接。

可选地，腕部转动关节包括：第五防水舵机，设置于腕部摆动关节连接架的远离第四防水舵机的侧面，并与腕部摆动关节连接架相连接；腕部转动关节连接架，设置于第五防水舵机的侧面，并与第五防水舵机相连接。

可选地，末端执行器包括：第六防水舵机，设置于腕部转动关节连接架的远离第五防水舵机的侧面，并与腕部转动关节连接架相连接；夹爪支架组件，设置于第六防水舵机的侧面，并与第六防水支架相连接；夹爪组件，设置于夹爪支架组件的侧面，并与夹爪支架组件相连接；轴承，设置于夹爪支架组件的朝向第六防水舵机的内侧，并且轴承的外圈与夹爪支架组件相连接；轴，设置于轴承的靠近第六防水舵机的内侧，并与轴承的内圈相连接。

可选地，夹爪支架组件包括：夹爪驱动支架，设置于第六防水舵机的上部，并与第六防水舵机相连接；夹爪从动支架，设置于夹爪驱动支架的下方，并与夹爪驱动支架相连接。

可选地，夹爪组件包括：外啮夹爪，设置于夹爪驱动支架的远离第六防水舵机的侧面，并与夹爪驱动支架相连接；内啮夹爪，设置于夹爪从动支架的远离第六防水舵机的侧面，并与夹爪从动支架相连接。

相较于现有技术，本实用新型的五自由度水下机械手设置有腰部转动关节、大臂关节、小臂关节、腕部摆动关节和腕部转动关节，即实现了5个自由度，进而能够增加该机械手的灵巧性，增加了水下机器人的作业方式，适应更多的作业场景，满足水下的作业要求，大大提高了水下的作业质量。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1为本实用新型提供的五自由度水下机械手结构示意图；

图2为本实用新型提供的五自由度水下机械手的俯视图；

图3为本实用新型提供的五自由度水下机械手的下斜视图；

图4为本实用新型提供的五自由度水下机械手的腰部回转结构图；

图5为本实用新型提供的末端执行器驱动的结构示意图；

图6为本实用新型提供的末端执行器的结构示意图；

图7为本实用新型提供的末端执行器的又一个结构示意图。

1、第一防水舵机；2、第二防水舵机；3、第三防水舵机；4、第四防水舵机；5、第五防水舵机；6、第六防水舵机；7、基座；8、交叉滚子轴承；9、腰部上连接板；10、腰部下连接板；11、大臂主连接架；12、大臂副连接架；13、小臂连接架；14、腕部摆动关节连接架；15、夹爪驱动支架；16、夹爪从动支架；17、外啮夹爪；18、内啮夹爪；19、第一螺钉；20、第二螺钉；21、第三螺钉；22、轴承；23、腕部转动关节连接架；24、轴；25、大臂连接螺钉；26、小臂连接螺钉；27、腕部摆动连接螺钉；28、夹爪驱动支架连接螺钉；29、夹爪从动支架连接螺钉；30、外啮合夹爪连接螺钉螺母；31、内啮合夹爪连接螺钉螺母。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

需要注意的是，除非另有说明，本实用新型使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。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。术语“连接”、“相连”等术语应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连。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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本实施例提供了一种五自由度水下机械手，如图1、图2、图3、图6和图7所示，包括：基座7；腰部转动关节，设置于基座7的上方，并与基座7相连接；大臂关节，设置于腰部转动关节的侧面，并与腰部转动关节相连接；小臂关节，设置于大臂关节的远离腰部回转关节的侧面，并与大臂关节相连接；腕部摆动关节，设置于小臂关节的远离大臂关节的侧面，并与小臂关节相连接；腕部转动关节，设置于腕部摆动关节的远离小臂关节的侧面，并与腕部摆动关节相连接；末端执行器，设置于腕部转动关节的远离腕部摆动关节的侧面，并与腕部转动关节相连接。

示例性地，本实施例的五自由度水下机械手的五个自由度具体包括：腰部回转自由度：能够实现该机械手绕着基座7旋转有利于增加水平面作业范围；大臂摆动自由度、小臂摆动自由度和腕部摆动自由度：可以分别绕着第二防水舵机2、第三防水舵机3和第四防水舵机4转动，进而有利于增加竖直平面的作业范围，同时增加机械手的灵巧度；腕部转动自由度：绕着第五防水舵机5进行转动，能够调整末端执行器的角度以找到适合的夹取位置。因此，本实施例中的五自由度水下机械手往往由于设置了五个自由度，使得该水下机械手的灵活度提高，能够开展复杂的水下作业，适应更多的作业场景，进而提高了水下机器人的作业质量。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图3、图6和图7所示，腰部转动关节包括：腰部下连接板10，设置于基座7的下方，并与基座7转动连接；第一防水舵机1，设置于腰部下连接板10，并与腰部下连接板10相连接；腰部上连接板9，设置于基座7的上方，并与基座7、第一防水舵机1的输出轴相连接；交叉滚子轴承8，设置于基座7的上方，并与基座7相连接，且交叉滚子轴承8的外圈与基座7、腰部下连接板10相连接，交叉滚子轴承8的内圈与腰部上连接板9。

示例性地，基座7与交叉滚子轴承8的外圈和腰部下连接板10通过第一螺钉19连接，腰部下连接板10通过第一防水舵机1的输出轴24侧面的螺纹孔用螺钉连接固定，交叉滚子轴承8的内圈通过第二螺钉20与腰部上连接板9固定连接，腰部上连接板9通过第三螺钉21与第一防水舵机1的输出轴固定连接，这么布置，使得结构简单易于实现，在满足指定运动的条件下大大节省了空间，为配合小型水下机器人提供了便利。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图3、图6和图7所示，大臂关节包括：第二防水舵机2，设置于腰部上连接板9的上方，并与腰部上连接板9相连接；大臂主连接架11，设置于第二防水舵机2的侧面，并与第二防水舵机2的输出轴相连接；大臂副连接架12，设置于大臂主连接架11的侧面，并与大臂主连接架11相连接。

示例性地，大臂关节的第二防水舵机2通过底部螺纹孔与腰部上连接板9连接，此时需保证第二防水舵机2的输出轴平面与第一防水舵机1的输出轴平面垂直，大臂连接架通过大臂连接螺钉25与第二防水舵机2输出轴相连，大臂主连接架11需满足反转，且不与第二防水舵机2的接线头发生干涉，且大臂副连接架12需保证和第三防水舵机3的接线端不发生干涉，大臂主连接架11和大臂副连接架12均通过螺栓螺母连接，大臂副连接架12通过小臂连接螺钉26与第三防水舵机3固定连接。这么设置，在满足水下作业运动要求的基础上，又充分利用了第二防水舵机2的螺纹孔，相比于现有技术中的水下机械手降低了连接难度。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图3、图6和图7所示，小臂关节包括：第三防水舵机3，设置于大臂副连接架12的远离大臂主连接架11的侧面，并与大臂副连接架12相连接；小臂连接架13，设置于第三防水舵机3的侧面，并与第三防水舵机3相连接。

示例性地，小臂关节的第三防水舵机3通过自身侧面螺纹孔与大臂连接架相连，腕部摆动关节的第四防水舵机4与第三防水舵机3背对背布置，由于臂长限制，小臂连接架13设置为三面形式，进而保证其强度，且在与第三防水舵机3和第四防水舵机4的侧面用螺钉连接的同时，也在小臂连接架13的上方增加了两处螺钉螺母进行固定连接，进而保证连接强度，此处第三防水舵机3和第四防水舵机4背对背布置，利用第三防水舵机3和第四防水舵机4的长度来增加臂长，降低了加入其他连接部件所带来的质量增加，进而减轻了该五自由度水下机械手的重量，能够有效防止小型水下机器人由于装置了该手下机械手导致的颠覆事故，保证了小型水下机器人在水下作业过程中的稳定性。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图3、图6和图7所示，腕部摆动关节包括：第四防水舵机4，设置于小臂连接架13的远离第三防水舵机3的侧面，并与小臂连接架13相连接；腕部摆动关节连接架14，设置于第四防水舵机4的侧面，并与第四防水舵机4相连接。

示例性地，腕部摆动关节包括：第四防水舵机4和腕部摆动关节连接架14，其中，第四防水舵机4设置于小臂连接架13的远离第三防水舵机3的侧面，并与小臂连接架13通过螺钉固定连接，腕部摆动关节连接架14设置于第四防水舵机4的侧面，并与第四防水舵机4的两侧面通过螺钉固定连接。这样设置，使得该水下机械手能够绕着第四防水舵机4转动，实现腕部摆动自由度。

在一种可能的实施例中，如图1至图7所示，腕部转动关节包括：第五防水舵机5，设置于腕部摆动关节连接架14的远离第四防水舵机4的侧面，并与腕部摆动关节连接架14相连接；腕部转动关节连接架23，设置于第五防水舵机5的侧面，并与第五防水舵机5相连接。

示例性地，腕部转动关节通过第五防水舵机5侧面的螺纹孔与腕部摆动关节连接架14固定连接，腕部转动关节连接架23与第五防水舵机5的输出轴通过螺钉连接。这样设置，使得该手下机械手能够绕着第五防水舵机5进行转动，能够调整末端执行器的角度以找到适合的夹取位置。

在一种可能的实施例中，如图1至图7所示，末端执行器包括：第六防水舵机6，设置于腕部转动关节连接架23的远离第五防水舵机5的侧面，并与腕部转动关节连接架23相连接；夹爪支架组件，设置于第六防水舵机6的侧面，并与第六防水支架相连接；夹爪组件，设置于夹爪支架组件的侧面，并与夹爪支架组件相连接；轴承22，设置于夹爪支架组件的朝向第六防水舵机6的内侧，并且轴承22的外圈与夹爪支架组件相连接；轴24，设置于轴承22的靠近第六防水舵机6的内侧，并与轴承22的内圈相连接。

示例性地，末端执行器的第六防水舵机6通过侧面螺纹与腕部转动关节连接架23相连接，夹爪支架组件与第六防水舵机6的输出轴通过夹爪驱动支架连接螺钉28相连，夹爪组件与夹爪支架组件通过外啮合夹爪连接螺钉螺母30连接，夹爪组件与夹爪支架组件通过内啮合夹爪连接螺钉螺母31连接，末端执行器的夹爪支架组件与轴承22外圈通过夹爪从动支架连接螺钉29连接，轴承22内圈与轴24通过轴24侧面的螺纹孔固定内圈，轴24固定于第六防水舵机6与腕部转动关节连接架23之间，进而使轴24实现轴向固定，这么布置能够保证末端执行器夹取中心位置和大臂关节、小臂关节和腕部摆动关节的轴线在一条直线上，不会产生附加弯矩，对小型水下机器人产生的倾覆力更小，进而提高作业精度，同时第六防水舵机6与轴24之间的连接方式是使轴24嵌入到第六防水舵机6的侧面，充分利用了第六防水舵机6的连接结构，使得第六防水舵机6与轴24之间的长度减小，进而节省了该水下机械手的整体体积，增加了该水下机械手在作业时的稳定性。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图6和图7所示，夹爪支架组件包括：夹爪驱动支架15，设置于第六防水舵机6的上部，并与第六防水舵机6相连接；夹爪从动支架16，设置于夹爪驱动支架15的下方，并与夹爪驱动支架15相连接。

示例性地，第六防水舵机6的输出轴带动夹爪驱动支架15运动，夹爪驱动支架15通过啮合带着夹爪从动支架16运动。

在一种可能的实施例中，如图1、图2、图6和图7所示，夹爪组件包括：外啮夹爪17，设置于夹爪驱动支架15的远离第六防水舵机6的侧面，并与夹爪驱动支架15相连接；内啮夹爪18，设置于夹爪从动支架16的远离第六防水舵机6的侧面，并与夹爪从动支架16相连接。

示例性地，第六防水舵机6的输出轴带动夹爪驱动支架15和外啮合夹爪运动，同时夹爪驱动支架15通过齿啮合带动夹爪从动支架16运动。第六防水舵机6的输出轴带动夹爪驱动支架15逆时针转动时，通过啮合的夹爪从动支架16顺时针转动，末端执行机构张开；第六防水舵机6的输出轴带动夹爪驱动支架15顺时针转动时，通过啮合的夹爪从动支架16逆时针转动，进而使末端执行器闭合。这样布置一方面保证夹爪组件的夹持功能，另一方面能将第六防水舵机6设置在外啮夹爪17与内啮夹爪18的之间，进而不会使第六防水舵机6完全凸出在夹爪组件之外，即不会由于第六防水舵机6的高度而增减夹爪组件的体积，使该五自由度水下机械手的末端执行器能够伸入更狭小的空间进行作业，进而适应更多的水下作业场景。

总体而言，本实施例中的五自由度水下机械手的通过设置多个防水舵机作为主动驱动机构，由于防水舵机本身质量较轻，同时充分利用了防水舵机的本身的结构和螺纹孔，使用较少的连接件实现作业运动，降低了该五自由度水下机械手的整体质量，使得小型水下机器人不会由于水下机械手的质量过高而发生颠覆事故，保证了小型水下机器人在水下作业过程中的稳定性。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种五自由度水下机械手，其特征在于，包括：

基座；

腰部转动关节，设置于所述基座的上方，并与所述基座相连接；

大臂关节，设置于所述腰部转动关节的侧面，并与所述腰部转动关节相连接；

小臂关节，设置于所述大臂关节的远离所述腰部转动关节的侧面，并与所述大臂关节相连接；

腕部摆动关节，设置于所述小臂关节的远离所述大臂关节的侧面，并与所述小臂关节相连接；

腕部转动关节，设置于所述腕部摆动关节的远离所述小臂关节的侧面，并与所述腕部摆动关节相连接；

末端执行器，设置于所述腕部转动关节的远离所述腕部摆动关节的侧面，并与所述腕部转动关节相连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述腰部转动关节包括：

腰部下连接板，设置于所述基座的下方，并与所述基座连接；

第一防水舵机，设置于所述腰部下连接板，并与所述腰部下连接板相连接；

腰部上连接板，设置于所述基座的上方，并与所述基座、所述第一防水舵机的输出轴相连接；

交叉滚子轴承，设置于所述基座的上方，并与所述基座相连接，且所述交叉滚子轴承的外圈与所述基座、所述腰部下连接板相连接，所述交叉滚子轴承的内圈与所述腰部上连接板。

3.根据权利要求2所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述大臂关节包括：

第二防水舵机，设置于所述腰部上连接板的上方，并与所述腰部上连接板相连接；

大臂主连接架，设置于所述第二防水舵机的侧面，并与所述第二防水舵机的输出轴相连接；

大臂副连接架，设置于所述大臂主连接架的侧面，并与所述大臂主连接架相连接。

4.根据权利要求3所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述小臂关节包括：

第三防水舵机，设置于所述大臂副连接架的远离所述大臂主连接架的侧面，并与所述大臂副连接架相连接；

小臂连接架，设置于所述第三防水舵机的侧面，并与所述第三防水舵机相连接。

5.根据权利要求4所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述腕部摆动关节包括：

第四防水舵机，设置于所述小臂连接架的远离所述第三防水舵机的侧面，并与所述小臂连接架相连接；

腕部摆动关节连接架，设置于所述第四防水舵机的侧面，并与第四防水舵机相连接。

6.根据权利要求5所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述腕部转动关节包括：

第五防水舵机，设置于所述腕部摆动关节连接架的远离所述第四防水舵机的侧面，并与所述腕部摆动关节连接架相连接；

腕部转动关节连接架，设置于所述第五防水舵机的侧面，并与第五防水舵机相连接。

7.根据权利要求6所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述末端执行器包括：

第六防水舵机，设置于所述腕部转动关节连接架的远离所述第五防水舵机的侧面，并与所述腕部转动关节连接架相连接；

夹爪支架组件，设置于所述第六防水舵机的侧面，并与所述第六防水舵机相连接；

夹爪组件，设置于所述夹爪支架组件的侧面，并与所述夹爪支架组件相连接；

轴承，设置于所述夹爪支架组件的朝向所述第六防水舵机的内侧，并且所述轴承的外圈与所述夹爪支架组件相连接；

轴，设置于所述轴承的靠近所述第六防水舵机的内侧，并与所述轴承的内圈相连接。

8.根据权利要求7所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述夹爪支架组件包括：

夹爪驱动支架，设置于所述第六防水舵机的上部，并与所述第六防水舵机相连接；

夹爪从动支架，设置于所述夹爪驱动支架的下方，并与所述夹爪驱动支架相连接。

9.根据权利要求8所述的五自由度水下机械手，其特征在于，所述夹爪组件包括：

外啮夹爪，设置于所述夹爪驱动支架的远离所述第六防水舵机的侧面，并与所述夹爪驱动支架相连接；

内啮夹爪，设置于所述夹爪从动支架的远离所述第六防水舵机的侧面，并与所述夹爪从动支架相连接。