一種水下電動機械手旋轉關節結構的製作方法

2023-06-12 12:35:26 2

專利名稱：一種水下電動機械手旋轉關節結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及機器人工程，具體地說是一種用於海洋開發和取樣的水下電動機械手旋轉關節結構。
背景技術：
目前，在海洋油氣勘探開發領域，用於水下作業的商用水下機械手均為液壓驅動。其優點是負載/自重比高、負載能力強，通過壓力補償，容易實現深海密封。但液壓機械手系統體積龐大，能量轉換率低，由於元器件限制及需要複雜的支持系統，難以實現小型化。為實現高機動性的海洋取樣和高效率的水下作業，海底作業系統將逐漸由目前的主/從遙控操作方式向自主/半自主作業方式發展，即由自治水下機器人載體攜帶機械手進行取樣和作業，對於自治水下機器人系統，自身攜帶能源，因此，從動力、效率和系統支持等方面考慮，無法配置液壓系統，要裝具機械手，只能是電動機械手。
水下電動機械手與陸地上使用的電動機械手有較大區別，除了大深度的密封難以實現以外，外部走線將增加水下系統出現故障的可能性，況且機械手的重量、尺寸等機械方面還要受到其安裝載體的限制，為實現可接受的負載/自重量比，必須設計緊湊的機械手驅動關節。

發明內容
本發明的目的在於提供一種結構緊湊、高效率的水下電動機械手關節結構。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的本發明包括靜止端外殼、動靜外殼過渡件及從動端外殼，中心軸依次由三者中間穿過，靜止端外殼的一端固接有靜止端端蓋，另一端與動靜外殼過渡件相連接，從動端外殼的一端固接有從動端端蓋，另一端抵接在動靜外殼過渡件上；在中心軸上分別套接有制動器、力矩電機組件、諧波減速器組件及旋轉編碼器，緊固螺母位於旋轉編碼器與諧波減速器組件之間，與中心軸螺紋連接，保持靜止端與從動端連接為一體。
其中所述制動器容置在靜止端端蓋與靜止端外殼所形成的空間內，包括上電可旋轉部分及固定本體，上電可旋轉部分套接在中心軸上，固定本體固接在靜止端外殼上；所述力矩電機組件位於靜止端外殼與動靜外殼過渡件之間，包括定子及轉子，定子固接在靜止端外殼上，轉子固定在中心軸上、與中心軸聯動；所述諧波減速器組件位於從動端外殼與動靜外殼過渡件之間，包括諧波發生器、鋼輪及柔輪，諧波發生器套接在中心軸上、與中心軸聯動，鋼輪固接在動靜外殼過渡件上，柔輪固定在從動端外殼上，與諧波發生器相嚙合；所述旋轉編碼器容置在從動端端蓋與從動端外殼所形成的空間內，包括中心軸套及編碼器本體，中心軸套固定在中心軸上，與中心軸聯動，編碼器本體固接在從動端外殼上；在從動端外殼與動靜外殼過渡件相接處加設有旋轉組合密封圈；在靜止端外殼及從動端外殼的一側分別開有用於連接關節杆的連接孔。
本發明的優點與積極效果為1.結構緊湊。本發明的力矩電機只採用了定子、轉子，諧波減速器只採用了諧波發生器、鋼輪、柔輪等核心組件，制動器、編碼器採用軸套式，這四個核心部件共用一個中心軸，避免使用聯軸器帶來的軸向尺寸加大；低回差、大減速比、小型化、同軸輸出諧波減速器的採用避免了結構徑向尺寸的加大，進而使整個旋轉關節尺寸減小，結構緊湊。
2.故障率低。本發明可採用中心軸軸孔內部走線，極大地降低了水下系統出現故障的可能性。
3.功能齊全。本發明可以大扭矩驅動、制動；通過旋轉編碼器，能進行速度、位置檢測；通過更換可以浸油的電機、傳感器，可以實現大深度水下作業；通過更換關節杆的相對安裝位置，可實現機械臂的擺動和迴轉。
4.應用範圍廣。本發明尺寸、作業深度和強度易擴展，便於在水下電動機械手及其它作業工具上推廣安裝使用。
5.成本低。本發明不需要特殊加工和特殊零部件，磨損零部件易於更換。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為圖1的A向局部示意圖；圖3為圖1的B向局部示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳述。
如圖1所示，本發明包括靜止端外殼3、動靜外殼過渡件5及從動端外殼8，中心軸12依次由三者中間穿過，靜止端外殼3的一端固接有靜止端端蓋1，另一端與動靜外殼過渡件5相連接，從動端外殼8的一端固接有從動端端蓋11，另一端抵接在動靜外殼過渡件5上。在中心軸12上從左至右依次套接有制動器2、力矩電機組件4、諧波減速器組件7及旋轉編碼器10。制動器2容置在靜止端端蓋1與靜止端外殼3所形成的空間內，包括上電可旋轉部分21及固定本體22，上電可旋轉部分21通過鍵固定連接在中心軸12上，固定本體22固接在靜止端外殼3上。力矩電機組件4位於靜止端外殼3與動靜外殼過渡件5之間，包括定子41及轉子42，定子41固接在靜止端外殼3上，轉子42通過螺釘固定在中心軸12上、與中心軸12聯動。諧波減速器組件7位於從動端外殼8與動靜外殼過渡件5之間，包括諧波發生器71、鋼輪72及柔輪73，諧波發生器71套接在中心軸12上、與中心軸12聯動，鋼輪72固接在動靜外殼過渡件5上，柔輪73固定在從動端外殼8上，與諧波發生器71相嚙合。旋轉編碼器10容置在從動端端蓋11與從動端外殼所形成的空間內，包括中心軸套101及編碼器本體102，中心軸套101通過螺釘固定在中心軸12上，與中心軸12聯動，編碼器本體102通過編碼器制動杆13固接在從動端外殼8上。緊固螺母9位於旋轉編碼器10與諧波減速器組件7之間，與中心軸12螺紋連接，通過緊固螺母9，可保持靜止端與從動端連接為一體，不互相脫離。在從動端外殼8與動靜外殼過渡件5相接處加設有旋轉組合密封圈6。在靜止端外殼3及從動端外殼8的一側分別開有用於連接關節杆的連接孔14。
本發明無論工作與否，固接在靜止端外殼3上的各部件均保持不動。本發明的工作原理為首先，制動器2上電，制動器2的上電可旋轉部分21脫離制動器本體22，恢復中心軸12與靜止端外殼3的相對可旋轉關係。
然後，對力矩電機組件4供電，力矩電機的轉子42旋轉，帶動中心軸12轉動，再由中心軸12帶動與其聯動的諧波發生器71、緊固螺母9及旋轉編碼器10的中心軸套101高速旋轉。
再後，調整旋轉的諧波發生器71通過與柔輪73的嚙合傳動，使柔輪73低速大扭矩轉動，進而帶動從動端外殼8以及與其相固接的部件一起旋轉。
最後，停止對力矩電機、制動器供電，制動器2的上電可旋轉部分21緊扣制動器的固定本體22，中心軸12與靜止端外殼3相對固定，整個旋轉關節結構停止工作，全部相對靜止。
綜上所述，為實現結構的緊湊，本發明的力矩電機組件4及諧波減速器組件7隻採用了核心組件，制動器2、旋轉編碼器10採用軸套式，這四個核心部件共用一個中心軸12，避免使用聯軸器帶來的軸向尺寸加大。低回差、大減速比、小型化、同軸輸出諧波減速器組件7的採用避免了結構徑向尺寸的加大。為了平衡關節靜止端、從動端的尺寸，本發明將旋轉編碼器10置於從動端，其中心軸套101隨中心軸12高速旋轉的同時，編碼器本體102隨關節的從動端外殼8低速旋轉，但並不影響測量精度，只是改變了減速器比。整個旋轉關節結構的密封為旋轉組合密封圈6的位置一處，對於淺海作業，不需充油、單層密封即可，對於深海作業，可採用雙層密封或進行充油補償。由於關節的靜止端、從動端相對旋轉，不易實現電纜互通，只要尺寸允許，本發明可以通過中心軸軸孔實現兩側電纜互通，實現內部走線。
本發明可通過旋轉編碼器10進行速度、位置檢測。按圖2、圖3所示的連接孔14的位置安裝關節杆，可實現機械手的擺動。沿旋轉關節軸向將關節杆安裝在靜止端端蓋1和從動端端蓋11處，可實現機械手繞軸線的迴轉。
權利要求
1.一種水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於包括靜止端外殼(3)、動靜外殼過渡件(5)及從動端外殼(8)，中心軸(12)依次由三者中間穿過，靜止端外殼(3)的一端固接有靜止端端蓋(1)，另一端與動靜外殼過渡件(5)相連接，從動端外殼(8)的一端固接有從動端端蓋(11)，另一端抵接在動靜外殼過渡件(5)上；在中心軸(12)上分別套接有制動器(2)、力矩電機組件(4)、諧波減速器組件(7)及旋轉編碼器(10)，緊固螺母(9)位於旋轉編碼器(10)與諧波減速器組件(7)之間，與中心軸(12)螺紋連接，保持靜止端與從動端連接為一體。
2.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於所述制動器(2)容置在靜止端端蓋(1)與靜止端外殼(3)所形成的空間內，包括上電可旋轉部分(21)及固定本體(22)，上電可旋轉部分(21)套接在中心軸(12)上，固定本體(22)固接在靜止端外殼(3)上。
3.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於所述力矩電機組件(4)位於靜止端外殼(3)與動靜外殼過渡件(5)之間，包括定子(41)及轉子(42)，定子(41)固接在靜止端外殼(3)上，轉子(42)固定在中心軸(12)上、與中心軸(12)聯動。
4.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於所述諧波減速器組件(7)位於從動端外殼(8)與動靜外殼過渡件(5)之間，包括諧波發生器(71)、鋼輪(72)及柔輪(73)，諧波發生器(71)套接在中心軸(12)上、與中心軸(12)聯動，鋼輪(72)固接在動靜外殼過渡件(5)上，柔輪(73)固定在從動端外殼(8)上，與諧波發生器(71)相嚙合。
5.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於所述旋轉編碼器(10)容置在從動端端蓋(11)與從動端外殼所形成的空間內，包括中心軸套(101)及編碼器本體(102)，中心軸套(101)固定在中心軸(12)上，與中心軸(12)聯動，編碼器本體(102)固接在從動端外殼(8)上。
6.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於在從動端外殼(8)與動靜外殼過渡件(5)相接處加設有旋轉組合密封圈(6)。
7.按權利要求1所述的水下電動機械手旋轉關節結構，其特徵在於在靜止端外殼(3)及從動端外殼(8)的一側分別開有用於連接關節杆的連接孔(14)。
全文摘要
本發明涉及機器人工程，具體地說是一種用於海洋開發和取樣的水下電動機械手旋轉關節結構，包括靜止端外殼、動靜外殼過渡件及從動端外殼，中心軸依次由三者中間穿過，靜止端外殼的一端固接有靜止端端蓋，另一端與動靜外殼過渡件相連接，從動端外殼的一端固接有從動端端蓋，另一端抵接在動靜外殼過渡件上；在中心軸上分別套接有制動器、力矩電機組件、諧波減速器組件及旋轉編碼器，緊固螺母位於旋轉編碼器與諧波減速器組件之間，與中心軸螺紋連接，保持靜止端與從動端連接為一體。本發明具有結構緊湊、故障率低、功能齊全、應用範圍廣、成本低等優點。
文檔編號B25J17/00GK101045301SQ200610046218
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月31日 優先權日2006年3月31日
發明者張奇峰, 張艾群, 張竺英 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所