專利名稱：一種可重構的水下機器人機械臂的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人技術，具體為一種可重構的水下機器人機械臂。
背景技術：
目前我國水下工程作業(yè)大多由潛水員完成，然而在某些特殊環(huán)境下，潛水員難以抵達作業(yè)現場，因此具有作業(yè)功能的水下機器人應運而生，并逐漸得到廣泛應用。一方面，水下機器人因需解決密封、線纜布置等關鍵技術問題，通常其機械臂結構復雜，尺寸較大，進而限制了其運動的靈活性。《水下機械手阻抗控制技術研究》(陳萍，哈爾濱工程大學碩士學位論文，2009)—文中所涉及水下機械手采用多道0形圈密封，且將各關節(jié)驅動電機布置于機械臂箱體之內，導致機械臂結構復雜、尺寸較大。《水下機械手結構設計與研究》(安江波等，機械工程與自動化，第2期2009年4月)一文中，為避免水環(huán)境中各種電纜與機械手及水草等水中生物發(fā)生纏繞，將動力纜和信號纜大部分配置在水下機械手內部，但由于結構限制關節(jié)處線纜仍裸露在外部，不僅影響美觀，而且會影響線纜壽命。專利文獻“機械手臂(CN101774178A)”中，采用機械臂本體開設線槽，并采用在其上方安裝線纜保護蓋的方式將線纜布置于機械臂內部，同樣結構較為復雜，尺寸較大。另一方面，水下機器人的水下作業(yè)任務主要靠安裝在其機械臂末端的末端執(zhí)行器來完成，在處理不同作業(yè)任務時，往往需要更換不同的末端執(zhí)行器。專利文獻“水下多功能機器人(CN1876486A)”和《水下機器人多功能作業(yè)工具包》(滕宇浩等，機器人，第24卷第6期2002年11月)中，涉及的水下機器人均具有多種末端執(zhí)行器，但其驅動電機均布置于末端執(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，目前水下機器人機械臂的結構較為復雜，尺寸較大，運動范圍較小，更換末端執(zhí)行器過程較為麻煩。

發(fā)明內容
針對現有技術的不足，本發(fā)明要解決的技術問題是:提供一種可重構的水下機器人機械臂。該機械臂體積小、重量輕、結構緊湊、操作靈活、運動范圍大，并可快速更換末端執(zhí)行器。本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是:設計一種可重構的水下機器人機械臂，其特征在于該機械臂主要包括機械臂箱體、關節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅動系統(tǒng)；所述機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構，且空腔的開口端與腕部大端蓋連接，構成機械臂箱體整體；所述關節(jié)軸為中空軸，安裝于機械臂箱體后端的側面，用于機械臂箱體與其它機械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內部安排所需的走線；所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動軸承、角接觸球軸承、腕部后端蓋和腕部小端蓋組成，安裝于機械臂箱體的前端，用于機械臂箱體與末端執(zhí)行器快換裝置的連接；腕部套軸為中空結構，外軸通過滑動軸承及其外側的軸肩實現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，實現與腕部大端蓋的固定，進而實現與機械臂箱體的連接；芯軸與外軸的軸線重合,經角接觸球軸承定位于外軸之內，在機械臂箱體外側通過腕部小端蓋實現動、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；所述驅動系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅動電機、腕部驅動電機、聯軸器、傳動軸和槽式光電限位開關組成；末端執(zhí)行器驅動電機和腕部驅動電機布置于機械臂箱體的內部，其軸線均與機械臂箱體中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅動電機經聯軸器與芯軸連接，用于末端執(zhí)行器的動力輸入，腕部驅動電機經傳動軸與外軸連接，實現末端執(zhí)行器的整體旋轉；槽式光電限位開關安裝于機械臂箱體內部，位于腕部驅動電機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，實現腕部關節(jié)的零位調整。與現有技術相比，本發(fā)明可重構的水下機器人機械臂的特點是:(I)體積小、重量輕、結構緊湊，運動范圍大。本發(fā)明一方面將細長的末端執(zhí)行器驅動電機和腕部驅動電機布置于機械臂箱體內部，且軸線均與箱體中軸線重合，充分利用了箱體內部的空間，減小了機械臂的徑向尺寸，另一方面將為末端執(zhí)行器提供動力的電機置于機械臂箱體內部，極大地減小了末端執(zhí)行器的結構尺寸，簡化了末端執(zhí)行器的密封設計，避免了末端執(zhí)行器與機械臂間的電氣連接，因此體積小、重量輕、結構緊湊；腕部套軸經兩滑動軸承定位于腕部大端蓋，因此腕部套軸的外軸與芯軸能實現獨立的360°連續(xù)回轉，因此運動范圍大。(2)可實現末端執(zhí)行器的快速更換。當末端執(zhí)行器的機體通過螺釘安裝在與腕部套軸外軸相連接的法蘭盤時，腕部套軸芯軸的方形軸端即與末端執(zhí)行器的動力輸入軸實現了型面連接，且末端執(zhí)行器與機械臂并無電氣連接，因此更換末端執(zhí)行器只需拆裝四個連接末端執(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。(3)采用機集中的機械臂內部走線方式。本發(fā)明機械臂中的各個電氣元件所需連接的線纜均經機械臂后側的中空軸與控制系統(tǒng)相連接，采用此種集中的內部走線方式，不僅外形美觀，結構簡潔，減少了所需防水插頭的數量，增加了密封的可靠性，而且避免了線纜與機械臂可能發(fā)生的纏繞，保證了機械手的正常工作。


附圖1為本發(fā)明可重構的水下機器人機械臂一種實施例的主視結構示意圖。附圖2為本發(fā)明可重構的水下機器人機械臂一種實施例的俯視結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖詳細敘述本發(fā)明。實施例是以本發(fā)明所述技術方案為前提進行的具體實施，給出了詳細的實施方式和過程。但本發(fā)明申請的權利要求保護范圍不限于下述實施例的描述。本發(fā)明設計的可重構的水下機器人機械臂(簡稱機械臂，參見圖1-2)，

其特征在于該機械臂主要包括機械臂箱體1、關節(jié)軸2、腕部套軸3、末端執(zhí)行器快換裝置4和驅動系統(tǒng)5。所述機械臂箱體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構，且空腔的開口端與腕部大端蓋13連接，構成機械臂箱體I的整體。為減小機械臂運動過程中的水阻力，本發(fā)明的進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構，兩者扣合后，構成為具有試管狀空腔的圓柱形機械臂箱體I。所述關節(jié)軸2為一個中空軸，安裝于機械臂箱體I后端(遠離腕部大端蓋13 —端)的側面，用于機械臂箱體I與其它機械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內部安排所需的走線。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安裝于機械臂箱體I的前端(靠近腕部大端蓋13一端)，用于機械臂箱體I與末端執(zhí)行器快換裝置4的連接。腕部套軸3為中空結構，外軸31通過滑動軸承33及其外側的軸肩實現與腕部大端蓋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，實現與腕部大端蓋13的固定，進而實現與機械臂箱體I的連接。芯軸32與外軸31的軸線重合，經角接觸球軸承34定位于外軸31之內，在機械臂箱體I外側通過腕部小端蓋36實現動、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。實施例的法蘭盤41的型面為方形，所述芯軸32的軸端實施例也為方形，且法蘭盤41的方形型面與芯軸32的方形軸端相匹配。所述驅動系統(tǒng)5主要由末端執(zhí)行器驅動電機51、腕部驅動電機52、聯軸器53、傳動軸54和槽式光電限位開關55組成。末端執(zhí)行器驅動電機51和腕部驅動電機52布置于機械臂箱體I的內部，其軸線均與機械臂箱體I中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅動電機51經聯軸器53與芯軸32連接,用于末端執(zhí)行器6的動力輸入,腕部驅動電機52經傳動軸54與外軸31連接,實現末端執(zhí)行器6的整體旋轉。槽式光電限位開關55安裝于機械臂箱體I內部，位于腕部驅動電機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，實現腕部關節(jié)的零位調整。本發(fā)明機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、水下吸泵機、水下切割機或水下焊接機等，并能通過關節(jié)軸連接其它機械臂，可重構為適用于不同作業(yè)任務的具有不同構型、不同末端執(zhí)行器的機械手。末端執(zhí)行器6主要包括末端執(zhí)行器機體61,末端執(zhí)行器機體61用于與末端執(zhí)行器動力輸入軸62的連接。本發(fā)明機械臂的動態(tài)工作過程如下:在執(zhí)行作業(yè)之前，針對不同的作業(yè)任務，機械臂要選擇性安裝不同的末端執(zhí)行器6。當末端執(zhí)行器機體61與末端執(zhí)行器快換裝置4中的法蘭盤41完成機械連接的同時，末端執(zhí)行器動力輸入軸62與芯軸32也自動實現(方形)型面連接，達到快速更換末端執(zhí)行器6的目的。所述關節(jié)軸2的旋轉帶動機械臂運動，使末端執(zhí)行器6到達指定的工作區(qū)域。腕部驅動電機52通過槽式光電限位開關55完成零位調整后，經傳動軸54、外軸31驅動末端執(zhí)行器6實現整體旋轉。末端執(zhí)行器驅動電機51經聯軸器53、芯軸32為末端執(zhí)行器6提供動力，以完成相應的作業(yè)任務。本發(fā) 明未述及之處適用于現有技術。
權利要求
1.一種可重構的水下機器人機械臂，其特征在于該機械臂主要包括機械臂箱體、關節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅動系統(tǒng)； 所述機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構，且空腔的開口端與腕部大端蓋連接，構成機械臂箱體整體； 所述關節(jié)軸為中空軸，安裝于機械臂箱體后端的側面，用于機械臂箱體與其它機械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內部安排所需的走線； 所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動軸承、角接觸球軸承、腕部后端蓋和腕部小端蓋組成，安裝于機械臂箱體的前端，用于機械臂箱體與末端執(zhí)行器快換裝置的連接；腕部套軸為中空結構，外軸通過滑動軸承及其外側的軸肩實現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，實現與腕部大端蓋的固定，進而實現與機械臂箱體的連接；芯軸與外軸的軸線重合，經角接觸球軸承定位于外軸之內，在機械臂箱體外側通過腕部小端蓋實現動、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； 所述驅動系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅動電機、腕部驅動電機、聯軸器、傳動軸和槽式光電限位開關組成；末端執(zhí)行器驅動電機和腕部驅動電機布置于機械臂箱體的內部，其軸線均與機械臂箱體中軸線重合，其中末端執(zhí)行器驅動電機經聯軸器與芯軸連接，用于末端執(zhí)行器的動力輸入，腕部驅動電機經傳動軸與外軸連接，實現末端執(zhí)行器的整體旋轉；槽式光電限位開關安裝于機械臂箱體內部，位于腕部驅動電機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，實現腕部關節(jié)的零位調整。
2.根據權利要求1所述的可重構的水下機器人機械臂，其特征是所述的下箱體和上箱體均為空芯半圓形結構，兩者扣合后，構成具有為試管狀空腔的圓柱形機械臂箱體。
3.根據權利要求1所述的可重構的水下機器人機械臂，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)明公開一種可重構的水下機器人機械臂，其特征在于該機械臂主要包括機械臂箱體、關節(jié)軸、腕部套軸、末端執(zhí)行器快換裝置和驅動系統(tǒng)；所述機械臂箱體主要由下箱體、上箱體和腕部大端蓋組成；所述關節(jié)軸為中空軸，安裝于機械臂箱體后端的側面，用于機械臂箱體與其它機械臂箱體或基座的連接；所述中空軸的內部安排所需的走線；所述腕部套軸主要由外軸、芯軸、滑動軸承、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；所述驅動系統(tǒng)主要由末端執(zhí)行器驅動電機、腕部驅動電機、聯軸器、傳動軸和槽式光電限位開關組成。
文檔編號B25J17/02GK103231386SQ20131011721
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月7日 優(yōu)先權日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 申請人:河北工業(yè)大學