專利名稱：一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)，具體為一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂。
背景技術(shù)：
目前我國(guó)水下工程作業(yè)大多由潛水員完成，然而在某些特殊環(huán)境下，潛水員難以抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此具有作業(yè)功能的水下機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸得到廣泛應(yīng)用。一方面，水下機(jī)器人因需解決密封、線纜布置等關(guān)鍵技術(shù)問題，通常其機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，進(jìn)而限制了其運(yùn)動(dòng)的靈活性。《水下機(jī)械手阻抗控制技術(shù)研究》(陳萍，哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009)—文中所涉及水下機(jī)械手采用多道0形圈密封，且將各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于機(jī)械臂箱體之內(nèi)，導(dǎo)致機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大?！端聶C(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究》(安江波等，機(jī)械工程與自動(dòng)化，第2期2009年4月)一文中，為避免水環(huán)境中各種電纜與機(jī)械手及水草等水中生物發(fā)生纏繞，將動(dòng)力纜和信號(hào)纜大部分配置在水下機(jī)械手內(nèi)部，但由于結(jié)構(gòu)限制關(guān)節(jié)處線纜仍裸露在外部，不僅影響美觀，而且會(huì)影響線纜壽命。專利文獻(xiàn)“機(jī)械手臂(CN101774178A)”中，采用機(jī)械臂本體開設(shè)線槽，并采用在其上方安裝線纜保護(hù)蓋的方式將線纜布置于機(jī)械臂內(nèi)部，同樣結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸較大。另一方面，水下機(jī)器人的水下作業(yè)任務(wù)主要靠安裝在其機(jī)械臂末端的末端執(zhí)行器來完成，在處理不同作業(yè)任務(wù)時(shí)，往往需要更換不同的末端執(zhí)行器。專利文獻(xiàn)“水下多功能機(jī)器人(CN1876486A)”和《水下機(jī)器人多功能作業(yè)工具包》(滕宇浩等，機(jī)器人，第24卷第6期2002年11月)中，涉及的水下機(jī)器人均具有多種末端執(zhí)行器，但其驅(qū)動(dòng)電機(jī)均布置于末端執(zhí)行器之中，不僅加大了密封難度、提高了制造成本，而且不便于末端 執(zhí)行器的快速更換。綜上可知，目前水下機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尺寸較大，運(yùn)動(dòng)范圍較小，更換末端執(zhí)行器過程較為麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂。該機(jī)械臂體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、運(yùn)動(dòng)范圍大，并可快速更換末端執(zhí)行器。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:設(shè)計(jì)一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂，其特征在于該機(jī)械臂主要包括機(jī)械臂箱體、關(guān)節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；所述機(jī)械臂箱體主要由下箱體、上箱體和腕部大端蓋組成；下箱體與上箱體相匹配，連接后形成一端封閉、另一端開口的試管狀空腔結(jié)構(gòu)，且空腔的開口端與腕部大端蓋連接，構(gòu)成機(jī)械臂箱體整體；所述關(guān)節(jié)軸為中空軸，安裝于機(jī)械臂箱體后端的側(cè)面，用于機(jī)械臂箱體與其它機(jī)械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內(nèi)部安排所需的走線；所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動(dòng)軸承、角接觸球軸承、腕部后端蓋和腕部小端蓋組成，安裝于機(jī)械臂箱體的前端，用于機(jī)械臂箱體與末端執(zhí)行器快換裝置的連接；腕部套軸為中空結(jié)構(gòu)，外軸通過滑動(dòng)軸承及其外側(cè)的軸肩實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋的定位，并通過腕部后端蓋與腕部大端蓋的螺紋連接，實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋的固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂箱體的連接；芯軸與外軸的軸線重合,經(jīng)角接觸球軸承定位于外軸之內(nèi)，在機(jī)械臂箱體外側(cè)通過腕部小端蓋實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜密封，并緊固定位于外軸上的末端執(zhí)行器快換裝置；所述末端執(zhí)行器快換裝置主要包括一個(gè)法蘭盤，且法蘭盤的型面與芯軸的軸端相匹配，法蘭盤通過其型面固接在外軸上；所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)、腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和槽式光電限位開關(guān)組成；末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于機(jī)械臂箱體的內(nèi)部，其軸線均與機(jī)械臂箱體中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與芯軸連接，用于末端執(zhí)行器的動(dòng)力輸入，腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸與外軸連接，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的整體旋轉(zhuǎn)；槽式光電限位開關(guān)安裝于機(jī)械臂箱體內(nèi)部，位于腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸所連接的直齒齒輪的正下方，與直齒齒輪上的圓孔配合，實(shí)現(xiàn)腕部關(guān)節(jié)的零位調(diào)整。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂的特點(diǎn)是:(I)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)范圍大。本發(fā)明一方面將細(xì)長(zhǎng)的末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于機(jī)械臂箱體內(nèi)部，且軸線均與箱體中軸線重合，充分利用了箱體內(nèi)部的空間，減小了機(jī)械臂的徑向尺寸，另一方面將為末端執(zhí)行器提供動(dòng)力的電機(jī)置于機(jī)械臂箱體內(nèi)部，極大地減小了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)尺寸，簡(jiǎn)化了末端執(zhí)行器的密封設(shè)計(jì)，避免了末端執(zhí)行器與機(jī)械臂間的電氣連接，因此體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊；腕部套軸經(jīng)兩滑動(dòng)軸承定位于腕部大端蓋，因此腕部套軸的外軸與芯軸能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的360°連續(xù)回轉(zhuǎn)，因此運(yùn)動(dòng)范圍大。(2)可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的快速更換。當(dāng)末端執(zhí)行器的機(jī)體通過螺釘安裝在與腕部套軸外軸相連接的法蘭盤時(shí)，腕部套軸芯軸的方形軸端即與末端執(zhí)行器的動(dòng)力輸入軸實(shí)現(xiàn)了型面連接，且末端執(zhí)行器與機(jī)械臂并無電氣連接，因此更換末端執(zhí)行器只需拆裝四個(gè)連接末端執(zhí)行器與法蘭盤的螺釘即可，具有效率提高，操作方便等特點(diǎn)。(3)采用機(jī)集中的機(jī)械臂內(nèi)部走線方式。本發(fā)明機(jī)械臂中的各個(gè)電氣元件所需連接的線纜均經(jīng)機(jī)械臂后側(cè)的中空軸與控制系統(tǒng)相連接，采用此種集中的內(nèi)部走線方式，不僅外形美觀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，減少了所需防水插頭的數(shù)量，增加了密封的可靠性，而且避免了線纜與機(jī)械臂可能發(fā)生的纏繞，保證了機(jī)械手的正常工作。


附圖1為本發(fā)明可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂一種實(shí)施例的主視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為本發(fā)明可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂一種實(shí)施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明。實(shí)施例是以本發(fā)明所述技術(shù)方案為前提進(jìn)行的具體實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程。但本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例的描述。本發(fā)明設(shè)計(jì)的可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂(簡(jiǎn)稱機(jī)械臂，參見圖1-2)，

其特征在于該機(jī)械臂主要包括機(jī)械臂箱體1、關(guān)節(jié)軸2、腕部套軸3、末端執(zhí)行器快換裝置4和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5。所述機(jī)械臂箱體I主要由下箱體11、上箱體12和腕部大端蓋13組成。下箱體11與上箱體12相匹配，通過螺釘連接后，形成一端封閉、另一端為開口端的試管狀空腔結(jié)構(gòu)，且空腔的開口端與腕部大端蓋13連接，構(gòu)成機(jī)械臂箱體I的整體。為減小機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中的水阻力，本發(fā)明的進(jìn)一步特征是所述的下箱體11和上箱體12均為空芯的半圓形結(jié)構(gòu)，兩者扣合后，構(gòu)成為具有試管狀空腔的圓柱形機(jī)械臂箱體I。所述關(guān)節(jié)軸2為一個(gè)中空軸，安裝于機(jī)械臂箱體I后端(遠(yuǎn)離腕部大端蓋13 —端)的側(cè)面，用于機(jī)械臂箱體I與其它機(jī)械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內(nèi)部安排所需的走線。所述腕部套軸3主要由外軸31、芯軸32、滑動(dòng)軸承33、角接觸球軸承34、腕部后端蓋35和腕部小端蓋36組成；腕部套軸3安裝于機(jī)械臂箱體I的前端(靠近腕部大端蓋13一端)，用于機(jī)械臂箱體I與末端執(zhí)行器快換裝置4的連接。腕部套軸3為中空結(jié)構(gòu)，外軸31通過滑動(dòng)軸承33及其外側(cè)的軸肩實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋13的定位，并通過腕部后端蓋35與腕部大端蓋13的螺紋連接，實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋13的固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂箱體I的連接。芯軸32與外軸31的軸線重合，經(jīng)角接觸球軸承34定位于外軸31之內(nèi)，在機(jī)械臂箱體I外側(cè)通過腕部小端蓋36實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜密封，并緊固定位于外軸31上的末端執(zhí)行器快換裝置
4。所述芯軸32具有方形的軸端。所述末端執(zhí)行器快換裝置4主要為一個(gè)法蘭盤41，法蘭盤41具有方形的型面，且該方形的型面與芯軸32的方形軸端相匹配，法蘭盤41通過其方形型面固接在外軸31上。

所述末端執(zhí)行器快換裝置4主要包括一個(gè)法蘭盤41，且法蘭盤41的型面與芯軸32的軸端相匹配，法蘭盤41通過其型面固接在外軸31上。實(shí)施例的法蘭盤41的型面為方形，所述芯軸32的軸端實(shí)施例也為方形，且法蘭盤41的方形型面與芯軸32的方形軸端相匹配。所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5主要由末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)51、腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)52、聯(lián)軸器53、傳動(dòng)軸54和槽式光電限位開關(guān)55組成。末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)51和腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)52布置于機(jī)械臂箱體I的內(nèi)部，其軸線均與機(jī)械臂箱體I中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)51經(jīng)聯(lián)軸器53與芯軸32連接,用于末端執(zhí)行器6的動(dòng)力輸入,腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)52經(jīng)傳動(dòng)軸54與外軸31連接,實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器6的整體旋轉(zhuǎn)。槽式光電限位開關(guān)55安裝于機(jī)械臂箱體I內(nèi)部，位于腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)52輸出軸所連接的直齒齒輪56正下方,與直齒齒輪56上的圓孔配合，實(shí)現(xiàn)腕部關(guān)節(jié)的零位調(diào)整。本發(fā)明機(jī)械臂適用于多種末端執(zhí)行器6，例如，多功能手爪、異物清掃機(jī)、水下吸泵機(jī)、水下切割機(jī)或水下焊接機(jī)等，并能通過關(guān)節(jié)軸連接其它機(jī)械臂，可重構(gòu)為適用于不同作業(yè)任務(wù)的具有不同構(gòu)型、不同末端執(zhí)行器的機(jī)械手。末端執(zhí)行器6主要包括末端執(zhí)行器機(jī)體61,末端執(zhí)行器機(jī)體61用于與末端執(zhí)行器動(dòng)力輸入軸62的連接。本發(fā)明機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)工作過程如下:在執(zhí)行作業(yè)之前，針對(duì)不同的作業(yè)任務(wù)，機(jī)械臂要選擇性安裝不同的末端執(zhí)行器6。當(dāng)末端執(zhí)行器機(jī)體61與末端執(zhí)行器快換裝置4中的法蘭盤41完成機(jī)械連接的同時(shí)，末端執(zhí)行器動(dòng)力輸入軸62與芯軸32也自動(dòng)實(shí)現(xiàn)(方形)型面連接，達(dá)到快速更換末端執(zhí)行器6的目的。所述關(guān)節(jié)軸2的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，使末端執(zhí)行器6到達(dá)指定的工作區(qū)域。腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)52通過槽式光電限位開關(guān)55完成零位調(diào)整后，經(jīng)傳動(dòng)軸54、外軸31驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器6實(shí)現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)。末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)51經(jīng)聯(lián)軸器53、芯軸32為末端執(zhí)行器6提供動(dòng)力，以完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。本發(fā) 明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂，其特征在于該機(jī)械臂主要包括機(jī)械臂箱體、關(guān)節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 所述機(jī)械臂箱體主要由下箱體、上箱體和腕部大端蓋組成；下箱體與上箱體相匹配，連接后形成一端封閉、另一端開口的試管狀空腔結(jié)構(gòu)，且空腔的開口端與腕部大端蓋連接，構(gòu)成機(jī)械臂箱體整體； 所述關(guān)節(jié)軸為中空軸，安裝于機(jī)械臂箱體后端的側(cè)面，用于機(jī)械臂箱體與其它機(jī)械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內(nèi)部安排所需的走線； 所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動(dòng)軸承、角接觸球軸承、腕部后端蓋和腕部小端蓋組成，安裝于機(jī)械臂箱體的前端，用于機(jī)械臂箱體與末端執(zhí)行器快換裝置的連接；腕部套軸為中空結(jié)構(gòu)，外軸通過滑動(dòng)軸承及其外側(cè)的軸肩實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋的定位，并通過腕部后端蓋與腕部大端蓋的螺紋連接，實(shí)現(xiàn)與腕部大端蓋的固定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與機(jī)械臂箱體的連接；芯軸與外軸的軸線重合，經(jīng)角接觸球軸承定位于外軸之內(nèi)，在機(jī)械臂箱體外側(cè)通過腕部小端蓋實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜密封，并緊固定位于外軸上的末端執(zhí)行器快換裝置； 所述末端執(zhí)行器快換裝置主要包括一個(gè)法蘭盤，且法蘭盤的型面與芯軸的軸端相匹配，法蘭盤通過其 型面固接在外軸上； 所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)、腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和槽式光電限位開關(guān)組成；末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)和腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置于機(jī)械臂箱體的內(nèi)部，其軸線均與機(jī)械臂箱體中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與芯軸連接，用于末端執(zhí)行器的動(dòng)力輸入，腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)軸與外軸連接，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的整體旋轉(zhuǎn)；槽式光電限位開關(guān)安裝于機(jī)械臂箱體內(nèi)部，位于腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸所連接的直齒齒輪的正下方，與直齒齒輪上的圓孔配合，實(shí)現(xiàn)腕部關(guān)節(jié)的零位調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂，其特征是所述的下箱體和上箱體均為空芯半圓形結(jié)構(gòu)，兩者扣合后，構(gòu)成具有為試管狀空腔的圓柱形機(jī)械臂箱體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂，其特征是所述的法蘭盤的型面為方形，所述芯軸的軸端也為方形，且法蘭盤的方形型面與芯軸的方形軸端相匹配。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可重構(gòu)的水下機(jī)器人機(jī)械臂，其特征在于該機(jī)械臂主要包括機(jī)械臂箱體、關(guān)節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；所述機(jī)械臂箱體主要由下箱體、上箱體和腕部大端蓋組成；所述關(guān)節(jié)軸為中空軸，安裝于機(jī)械臂箱體后端的側(cè)面，用于機(jī)械臂箱體與其它機(jī)械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內(nèi)部安排所需的走線；所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動(dòng)軸承、角接觸球軸承、腕部后端蓋和腕部小端蓋組成;所述末端執(zhí)行器快換裝置主要包括一個(gè)法蘭盤，且法蘭盤的型面與芯軸的軸端相匹配，法蘭盤通過其型面固接在外軸上；所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電機(jī)、腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸和槽式光電限位開關(guān)組成。
文檔編號(hào)B25J17/02GK103231386SQ20131011721
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月7日
發(fā)明者張小俊, 張明路, 張建華, 孫凌宇, 李滿宏 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)