專(zhuān)利名稱(chēng)：一種具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的深海作業(yè)機(jī)械手的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下作業(yè)工具，具體涉及一種深海作業(yè)機(jī)械手，應(yīng)用于深海水下
機(jī)器人、水下工程機(jī)械及水下裝備。
背景技術(shù)：
水下機(jī)械手是水下機(jī)器人、水下工程機(jī)械及水下裝備在水下作業(yè)時(shí)常常會(huì)使用的 重要作業(yè)系統(tǒng)。目前，水下液壓機(jī)械手及用于淺海的水下電驅(qū)動(dòng)機(jī)械手技術(shù)已較成熟，但用 于深海的水下電驅(qū)動(dòng)機(jī)械手技術(shù)尚未成熟，其主要原因之一在于深海環(huán)境下機(jī)械手結(jié)構(gòu)的 復(fù)雜性降低了機(jī)械手本身的作業(yè)能力。機(jī)械手的載荷自重比是衡量機(jī)械手作業(yè)能力的重要 指標(biāo)，對(duì)于工作于水下的機(jī)械手系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于其本身機(jī)械結(jié)構(gòu)需要潤(rùn)滑，因此機(jī)械手需要 有密封結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的工作深度越大，密封結(jié)構(gòu)就會(huì)越復(fù)雜。這些密封結(jié)構(gòu)增加了機(jī)械手的 自重，降低了其作業(yè)能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種深海作業(yè)機(jī)械手，只需要很少的密封結(jié)構(gòu)，具有較輕 的重量和較高的載荷自重比。 —種具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的深海作業(yè)機(jī)械手，包括回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)、大臂集成關(guān)節(jié)、小臂 集成關(guān)節(jié)、手爪集成關(guān)節(jié)、大臂、小臂和手爪；各集成關(guān)節(jié)為封閉式結(jié)構(gòu)，大臂和小臂為開(kāi)放 式框架結(jié)構(gòu)；回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)連接大臂，大臂連接小臂，回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)用以 驅(qū)動(dòng)大臂和小臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)處分別設(shè)有大臂集成關(guān)節(jié)和小臂集成關(guān)節(jié)， 大臂集成關(guān)節(jié)連接大臂，用以驅(qū)動(dòng)大臂起落運(yùn)動(dòng)；小臂集成關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在大臂內(nèi)部的第一 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接小臂尾端，用以驅(qū)動(dòng)小臂起落運(yùn)動(dòng)；小臂尾端處設(shè)有手爪集成關(guān)節(jié)，手爪集成 關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在小臂內(nèi)部的第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接固定于小臂首端處的手爪，用以驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合 運(yùn)動(dòng)。 本發(fā)明的有益效果是機(jī)械手結(jié)構(gòu)采取具有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度兩個(gè)起落自由度及 手爪開(kāi)閉功能的三自由度四功能配置。采用防海水腐蝕自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承，大小臂均采用開(kāi) 放式框架結(jié)構(gòu)，而不是密封式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的傳動(dòng)部件安裝于中空的大小臂中，且零部件均 直接浸泡于海水中，避免了采用復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)并有效利用了大小臂的內(nèi)部空間；只在作 為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元的集成關(guān)節(jié)中使用密封結(jié)構(gòu)。將大臂集成關(guān)節(jié)，小臂集成關(guān)節(jié)集中于大臂 末端，以減小大臂相對(duì)于大臂轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣可減小大臂集成關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。 大臂集成關(guān)節(jié)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)大臂起落，小臂集成關(guān)節(jié)通過(guò)安裝于大臂中的同步 帶輪驅(qū)動(dòng)小臂起落。手爪集成關(guān)節(jié)安裝在小臂末端，手爪集成關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)貫通小臂內(nèi)部的不 銹鋼絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)閉。整個(gè)裝置重量輕、體積??；載荷自重比大，作業(yè)能力強(qiáng)；控 制方便、控制精度高；連接可靠、裝拆方便；表面硬度大和抗海水腐蝕能力強(qiáng)；安裝靈活、方 便，可應(yīng)用于水下機(jī)器人和水下工程機(jī)械。


圖1是機(jī)械手布置圖； 圖2是機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖； 圖3是機(jī)械手大臂末端關(guān)節(jié)配置； 圖4是機(jī)械手大臂前端關(guān)節(jié)配置； 圖5是機(jī)械手小臂前端結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
機(jī)械手布置如附圖1所示，機(jī)械手包括三個(gè)部件，即回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部件1、大臂部件n、 小臂部件III。其中回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部件I包含有回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1及支撐架8等零部件，大臂部 件II包含有大臂集成關(guān)節(jié)9、小臂集成關(guān)節(jié)57、大臂17等零部件，小臂部件III包含有手 爪集成關(guān)節(jié)49、小臂33、手爪38等零部件。整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)可通過(guò)回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1后部的 法蘭吊裝于水下機(jī)器人或水下工程機(jī)械上。 回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)中集成了電機(jī)及減速裝置，其輸出軸可帶動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂安 裝于支撐結(jié)構(gòu)上，且大臂集成關(guān)節(jié)和小臂集成關(guān)節(jié)也分別安裝于支撐結(jié)構(gòu)的前后兩端，當(dāng) 支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，大小臂即可隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 大臂集成關(guān)節(jié)中集成了電機(jī)及減速裝置，其輸出軸通過(guò)輪轂與大臂聯(lián)結(jié)，當(dāng)大臂 集成關(guān)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以帶動(dòng)大臂作起落運(yùn)動(dòng)。大臂內(nèi)部?jī)啥朔謩e安裝有兩根軸，兩根 軸上安裝有同步帶輪。 小臂集成關(guān)節(jié)中也集成了電機(jī)及減速裝置，其輸出軸的運(yùn)動(dòng)和力矩通過(guò)同步帶輪 傳動(dòng)到大臂前端的軸上。小臂安裝于該軸的末端并通過(guò)法蘭與該軸聯(lián)結(jié)，因此當(dāng)小臂集成 關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即可帶動(dòng)小臂作起落運(yùn)動(dòng)。小臂內(nèi)安裝有一傳動(dòng)軸，其一端與手爪集成關(guān) 節(jié)的輸出軸聯(lián)結(jié)，另一端為螺桿。 手爪集成關(guān)節(jié)同樣集成了電機(jī)和減速裝置，當(dāng)其輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小臂內(nèi)的傳
動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸末端的螺桿帶動(dòng)螺母作直線運(yùn)動(dòng)，從而使手爪作開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。 水下機(jī)械手裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2所示的機(jī)械手各部分可用圖3，圖
4，圖5表示。 如圖3，回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1可通過(guò)其末端法蘭吊裝于水下機(jī)器人或工程機(jī)械上，其前 端通過(guò)法蘭與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接盤(pán)3連接，滑動(dòng)軸承2安裝于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接盤(pán)3上，用于支撐回 轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1的輸出軸，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)支撐盤(pán)5用螺栓安裝于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接盤(pán)3上，支撐架連接 筒6通過(guò)螺栓裝配于支撐架8上，且其內(nèi)壁安裝有滑動(dòng)軸承4，支撐架連接筒6通過(guò)翻邊滑 動(dòng)軸承4的翻邊支撐于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)支撐盤(pán)5上，因此當(dāng)回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò) 鍵7傳遞扭矩可以使支撐架連接筒6及支撐架8相對(duì)于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)支撐盤(pán)5相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。與滾 動(dòng)軸承比較起來(lái)，滑動(dòng)軸承本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單重量輕便，這樣可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，減輕 重量。回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)l外部的所有連接關(guān)系均沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的密封結(jié)構(gòu)，而是直接工作于海水 中。大臂集成關(guān)節(jié)9、小臂集成關(guān)節(jié)55以及大臂17均安裝于支撐架8上。上述相關(guān)支撐部 件組成回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
如上所述，大臂集成關(guān)節(jié)9由半圓夾緊套15夾緊安裝于支撐架8上，大臂集成關(guān) 節(jié)9的前端通過(guò)法蘭與大臂關(guān)節(jié)連接盤(pán)10連接，滑動(dòng)軸承12安裝于大臂關(guān)節(jié)連接盤(pán)10上，用于支撐大臂集成關(guān)節(jié)9的輸出軸，大臂集成關(guān)節(jié)連接盤(pán)10的外圓以滑動(dòng)軸承14支撐在 大臂17上，大臂關(guān)節(jié)轂13用螺栓聯(lián)結(jié)于大臂17上，大臂集成關(guān)節(jié)9輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鍵 11傳遞扭矩可以使大臂關(guān)節(jié)轂13及大臂17轉(zhuǎn)動(dòng)，由此可實(shí)現(xiàn)大臂的起落運(yùn)動(dòng)。大臂17采 用末端開(kāi)口且中空的結(jié)構(gòu)。 小臂集成關(guān)節(jié)外殼體51內(nèi)安裝有滑動(dòng)軸承52及翻邊滑動(dòng)軸承56，小臂集成關(guān)節(jié) 57安裝于小臂集成關(guān)節(jié)外殼體51內(nèi)并由滑動(dòng)軸承52及翻邊滑動(dòng)軸承56支撐，小臂集成關(guān) 節(jié)57相對(duì)于小臂集成關(guān)節(jié)外殼體51可以轉(zhuǎn)動(dòng)。小臂集成關(guān)節(jié)外殼體51由半圓夾緊套50 夾緊安裝于支撐架8上。小臂集成關(guān)節(jié)57前端法蘭與小臂關(guān)節(jié)連接盤(pán)16用螺栓聯(lián)接，并 一起用螺栓聯(lián)接于大臂17上，小臂關(guān)節(jié)連接盤(pán)16內(nèi)安裝有滑動(dòng)軸承54用于支撐小臂集成 關(guān)節(jié)57的輸出軸，同步帶輪55安裝于小臂集成關(guān)節(jié)57的輸出軸上，小臂集成關(guān)節(jié)57的輸 出軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)鍵53傳遞扭矩可以帶動(dòng)使同步帶輪55轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖4，大臂17的前端設(shè)計(jì)為開(kāi)放式滑槽的形式，橫軸安裝架20通過(guò)滑槽安裝于 大臂17的前端，并可以在滑槽內(nèi)前后滑動(dòng)，橫軸24安裝在橫軸安裝架20上，并由滑動(dòng)軸承 23和27支撐。橫軸24的下端有一臺(tái)階面與滑動(dòng)軸承27的翻邊接觸，橫軸上端用螺釘21 將擋圈22固定在橫軸上部端頭，由此可限定橫軸24的軸向竄動(dòng)。同步帶輪25安裝于橫軸 24上，同步帶輪55轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)同步帶18可帶動(dòng)同步帶輪25轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)鍵19傳遞扭矩 可以帶動(dòng)橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 調(diào)節(jié)螺桿支撐盤(pán)26及調(diào)節(jié)螺桿支架31均安裝于大臂17的前端面，調(diào)節(jié)螺桿28 的兩端軸頸分別以支撐在調(diào)節(jié)螺桿支撐盤(pán)26及調(diào)節(jié)螺桿支架31上，其中部為梯形螺紋，橫 軸安裝架20的前端以螺釘29安裝螺母30，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿28的右端方頭，可以帶動(dòng)螺 母30及橫軸安裝架20在大臂17的滑槽內(nèi)前后移動(dòng)，從而可以改變橫軸24的位置以調(diào)節(jié) 同步帶輪的張緊力。調(diào)節(jié)到位后，用螺母32鎖緊。 橫軸24的下端面與小臂連接殼體45聯(lián)結(jié)，小臂連接殼體45的前端面與小臂33 聯(lián)接，其后端面與手爪集成關(guān)節(jié)49的法蘭面聯(lián)結(jié)，小臂連接殼體45內(nèi)安裝有滑動(dòng)軸承48， 用以支撐手爪集成關(guān)節(jié)的輸出軸，小臂左端內(nèi)安裝有滑動(dòng)軸承44，用于支撐小臂內(nèi)的長(zhǎng)軸 34。手爪集成關(guān)節(jié)的輸出軸與小臂內(nèi)的長(zhǎng)軸34間用彈性聯(lián)軸器46連接，彈性聯(lián)軸器46的 右端以長(zhǎng)軸34的臺(tái)階面定位，左端以軸套47定位。 如圖5，手爪安裝支架42以法蘭安裝在小臂33的前端面上，長(zhǎng)軸34在小臂33內(nèi) 以滑動(dòng)軸承43及44支撐，其前端為梯形螺桿，與滑塊螺母40配合，長(zhǎng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)滑塊 螺母40直線運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)軸34以滑動(dòng)軸承39和41支撐在手爪安裝支架42內(nèi)。4個(gè)連桿35 連接在滑塊螺母40與手爪銷(xiāo)軸36間，滑塊螺母40直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)4個(gè)連桿35運(yùn)動(dòng)，從 而可以使上下手爪38繞其芯軸37作開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。 整個(gè)機(jī)械手為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，除集成化關(guān)節(jié)內(nèi)部采用密封技術(shù)外，其余機(jī)械結(jié)構(gòu)均 不采用專(zhuān)門(mén)的密封結(jié)構(gòu)，而是直接浸泡于海水中，從而有效簡(jiǎn)化了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)；多數(shù)零部 件采用鋁合金制造，表面進(jìn)行了硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理，提高了裝置外殼的表面硬度、耐磨性、 抗腐蝕能力。以上措施使整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)具有重量輕，體積小，作業(yè)能力強(qiáng)，耐海水腐蝕的特 點(diǎn)。
權(quán)利要求
一種具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的深海作業(yè)機(jī)械手，包括回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)、大臂集成關(guān)節(jié)、小臂集成關(guān)節(jié)、手爪集成關(guān)節(jié)、大臂、小臂和手爪；各集成關(guān)節(jié)為封閉式結(jié)構(gòu)，大臂和小臂為開(kāi)放式框架結(jié)構(gòu)；回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)連接大臂，大臂連接小臂，回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)用以驅(qū)動(dòng)大臂和小臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)處分別設(shè)有大臂集成關(guān)節(jié)和小臂集成關(guān)節(jié)，大臂集成關(guān)節(jié)連接大臂，用以驅(qū)動(dòng)大臂起落運(yùn)動(dòng)；小臂集成關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在大臂內(nèi)部的第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接小臂尾端，用以驅(qū)動(dòng)小臂起落運(yùn)動(dòng)；小臂尾端處設(shè)有手爪集成關(guān)節(jié)，手爪集成關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在小臂內(nèi)部的第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接固定于小臂首端處的手爪，用以驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的深海作業(yè)機(jī)械手，其特征在于，所述第一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為同步帶 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的深海作業(yè)機(jī)械手，其特征在于，所述第二傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為螺旋 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的深海作業(yè)機(jī)械手，回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)處分別設(shè)有大臂集成關(guān)節(jié)和小臂集成關(guān)節(jié)，回轉(zhuǎn)集成關(guān)節(jié)通過(guò)回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)大臂和小臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大臂集成關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大臂起落運(yùn)動(dòng)，小臂集成關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在框架式大臂內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小臂起落運(yùn)動(dòng)，小臂與大臂相接處設(shè)有手爪集成關(guān)節(jié)，手爪集成關(guān)節(jié)通過(guò)設(shè)在框架式小臂內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手爪開(kāi)合運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明只對(duì)集成關(guān)節(jié)采用封閉設(shè)計(jì)，而大小臂均采用中空的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)部件安裝于中空的大小臂中，且零部件均可直接浸泡于海水中，避免了采用復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)并有效利用了大小臂的內(nèi)部空間，大大簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，減輕重量，具有較高的載荷自重比。
文檔編號(hào)B25J9/08GK101708610SQ20091022433
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月24日
發(fā)明者中 雄 , 唐國(guó)元, 徐國(guó)華, 徐筱龍, 肖治琥, 黃道敏 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)