CN108381542B - 基于混合传动的水下机械臂 - Google Patents
基于混合传动的水下机械臂 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108381542B CN108381542B CN201810298501.0A CN201810298501A CN108381542B CN 108381542 B CN108381542 B CN 108381542B CN 201810298501 A CN201810298501 A CN 201810298501A CN 108381542 B CN108381542 B CN 108381542B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- arm
- unit
- transmission
- underwater
- waterproof
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 136
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 43
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 29
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 33
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 abstract description 20
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract 1
- 210000000245 forearm Anatomy 0.000 description 41
- 210000000707 wrist Anatomy 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 210000000078 claw Anatomy 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000004078 waterproofing Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
- B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
- B25J9/102—Gears specially adapted therefor, e.g. reduction gears
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明属于水下机械臂领域，具体涉及一种水下机械臂。为了降低水下环境因素对水下机械臂的动作精度和灵活性的影响，本发明的水下机械臂包括驱动单元和臂组件，臂组件包括前臂和后臂，前臂的输出末端连接有操作单元，机械臂还包括第一传动单元和第二传动单元，驱动单元通过自重较小的第一传动单元与前臂和操作单元连接，驱动单元通过自重较大而传动精度较高的第二传动单元与后臂连接，通过第一传动单元和第二传动单元的组合，减小了机械臂的整体质量，从而减小了惯性对机械臂运动的精度和灵活性的影响，而机械臂后端使用高精度的第二传动单元，减小了运动误差的累计，保证了机械臂前端操作单元的运动精度。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种基于混合传动的水下机械臂。
背景技术
在海洋探索研究中，水下机器人是必不可少的工具之一，水下机器人配置的水下机械臂作为执行单元，主要用于完成水下资源收集、样本采集等工作。考虑到水下工作的环境因素，为了可靠、高效地完成水下的工作，对水下机械臂的动作精度和灵活性均有较高的要求。目前大多数的水下机械臂的各关节均采用单一传动结构的设计，对水下环境因素对机械臂动作精度和灵活性的考虑不够全面。
如公开号为106393172A的专利申请公开了一种多关节柔性水下作业机械臂，该机械臂的结构主要由几个重复的手臂关节单元、用于安装手臂的底座、臂体末端的手爪以及末端传感器等组成。安装在底座的电机驱动柔性绳，通过改变柔性绳的长度来实现对机械臂臂体偏转、俯仰运动的控制，臂体到达指定位置后，手爪张合来实现对目标物的抓取。可以看出，在该专利申请中，是通过驱动柔性绳来控制所有的手臂关节单元。柔性绳传动结构质量轻小，能够提高机械臂的动作灵活性，但是传动精度较低。
又如公开号为104084947A的专利申请公开了一种七功能水下机械臂***，该***包括手爪、腕、第一-第五关节，第一关节包括底座、第一液压缸，第二关节包括第一连杆、第二液压缸，第三关节包括第二连杆、第三液压缸，第四关节包括第三连杆、第四液压缸，第五关节包括第四连杆、第五液压缸；手爪包括腕前端、第一指端-第二指端、第一-第二主连杆、第一-第二辅助连杆、第六液压缸，腕包括连接件、旋转马达、第五连接杆。可以看出，在该专利申请中，所有关节处均采用液压驱动，需另置液压泵进行动力油的供给，并且在传动单元末端需要用液压缸将压力能转换为机械能，增大了机械臂各关节处的质量，尤其是机械臂末端的质量，从而降低了机械臂的动作灵活性。
相应地，本领域需要一种新的技术方案来解决上述问题。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了降低水下环境因素对水下机械臂的动作精度和灵活性的影响，本发明提供了一种基于混合传动的水下机械臂，所述水下机械臂包括驱动单元和臂组件，所述臂组件包括前臂和后臂，所述前臂的输出末端连接有操作单元，所述水下机械臂还包括第一传动单元和第二传动单元，所述驱动单元通过所述第一传动单元与所述前臂和所述操作单元连接，所述驱动单元通过所述第二传动单元与所述后臂连接，其中，所述第一传动单元的自重小于所述第二传动单元。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述臂组件还包括中臂，所述中臂连接于所述前臂和所述后臂之间，所述水下机械臂还包括第三传动单元，所述驱动单元通过所述第三传动单元与所述中臂连接，其中，所述第一传动单元的自重小于所述第三传动单元。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述前臂、所述中臂以及所述后臂中的一个或者多个设置成中空结构。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述前臂、所述中臂以及所述后臂均设置成中空结构且满足各自的重力等于其在水中的浮力。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述第一传动单元包括多个线传动机构；所述第二传动单元为涡轮蜗杆传动机构；所述第三传动单元包括两组锥齿轮副，且两组锥齿轮副之间通过贯穿于所述后臂的传动杆相连接。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述水下机械臂包括防水单元，所述防水单元包括防水器皿，所述驱动单元固定于所述防水器皿内，所述防水器皿以可旋转的方式与水下机器人的主体相连接。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述水下机械臂包括基座，所述基座固定于所述水下机器人的主体，所述防水器皿以可旋转的方式与所述基座相连接。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述防水器皿通过转轴与所述基座连接，所述基座上固定有与所述转轴同轴的防水器皿从动齿轮，所述防水器皿上设置有与所述防水器皿从动齿轮啮合的防水器皿主动齿轮，所述防水器皿主动齿轮与所述防水器皿以可旋转的方式连接。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述水下机械臂还包括控制单元，所述控制单元用于与上位机通讯以控制所述驱动单元驱动所述防水器皿、所述臂组件以及所述操作单元以控制其运动姿态，其中，所述控制单元设置于所述防水器皿内。
在上述水下机械臂的优选技术方案中，所述水下机械臂还包括电源单元，所述电源单元用于向所述控制单元以及所述驱动单元提供电能，其中，所述电源单元设置于所述防水器皿内。
本领域技术人员可以理解的是，在本发明的技术方案中，水下机械臂包括驱动单元和臂组件，臂组件包括前臂和后臂，前臂的输出末端连接有操作单元，水下机械臂还包括第一传动单元和第二传动单元，驱动单元通过第一传动单元与前臂和操作单元连接，驱动单元通过第二传动单元与后臂连接，其中，第一传动单元的自重小于第二传动单元。本发明通过混合传动的方式，将重量较小的第一驱动单元用于前臂和操作单元的传动，减小了水下机械臂前端的重量，从而减小了水下机械臂运动过程中自身惯性对水下机械臂动作精度和灵活性的影响。优选地，可以将第二传动单元的传动精度设置成高于第一传动单元的形式。这样，通过将重量较大而精度较高的第二驱动单元用于后臂传动，保证后臂的传动精度，降低了运动累计误差对操作单元的动作精度的影响，从而提高了水下机械臂的动作精度和灵活性。
在本发明的优选技术方案中，臂组件还包括连接于前臂和后臂之间的中臂，前臂、中臂和后臂设置成中空结构且满足各自的重力等于其在水中的浮力。通过这样的设置，基本消除了水下机械臂在水下作业时重力和浮力的作用对其动作灵活性的影响，因此进一步地提高了机械臂水下作业时的动作精度和灵活性。
此外，水下机械臂的驱动单元、控制单元和电源单元均设置于防水器皿中，防水器皿枢转地设置于水下机器人的主体。通过将上述部件集中于防水器皿内，实现了水下机械臂的模块化设计，从而能够将水下机械臂安装于各种水下机器的主体进行相应的水下作业。
附图说明
下面参照附图并结合一种五自由度的水下机械臂来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是本发明一种实施例的水下机械臂在方位一的结构示意图；
图2是本发明一种实施例的水下机械臂局部剖视的结构示意图；
图3是本发明一种实施例的水下机械臂在方位二的结构示意图；
图4是本发明一种实施例的水下机械臂在方位二的局部内部结构示意图；
图5是图4中局部A的放大图；
图6是本发明一种实施例的水下机械臂的局部结构示意图；
图7是图6中局部B的放大图；
图8是本发明一种实施例的水下机械臂中臂与前臂连接部位的局部示意图；
图9是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图一；
图10是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图二；
图11是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图三。
附图标记列表：
1.1、防水器皿；1.2、防水器皿转轴；1.3、基座圈；1.4、基座盖；1.5、电机座；1.6、顶盖；1.7、防水器皿电机；1.8、防水器皿主动齿轮；1.9、防水器皿从动齿轮；2.1、后臂；2.2、后臂第一连接端；2.3、后臂第二连接端；2.4、后臂转轴；2.5、后臂转轴支座；2.6、后臂电机；2.7、后臂主动蜗杆；2.8、后臂从动涡轮；2.9、齿轮防护罩；2.10、后臂关节防水帘；2.11、涡轮蜗杆防护罩；3.1、中臂；3.2、中臂第一连接端；3.3、中臂第二连接端；3.4、中臂转轴；3.5、中臂电机；3.6、中臂电机主动锥齿轮；3.7、中臂中间传动锥齿轮；3.8、中臂传动杆；3.9、中臂传动杆第一锥齿轮；3.10、中臂传动杆第二锥齿轮；3.11、中臂从动齿轮；3.12、中臂关节防水罩；4.1、前臂；4.2、前臂第一连接端；4.3、前臂第二连接端；4.4、前臂转轴；4.5、前臂电机；4.6、前臂主动线轮；4.7、前臂从动线轮；4.8、第一前臂拉线导管；4.9、第二前臂拉线导管；4.10、前臂拉线；4.11、第一拉线导管支架；5.0、机械手；5.1、机械手腕部；5.2、机械手芯架；5.3、机械手第一侧盖；5.4、机械手第二侧盖；5.5、第一手指组件；5.6、第二手指组件；5.7、机械手电机；5.8、机械手主动线轮；5.9、机械手拉线；5.10、第一机械手拉线导管；5.11、第二机械手拉线导管；5.12、机械手从动线轮；5.13、第二拉线导管支架；5.14、手指电机；5.15、手指主动线轮；5.16、手指拉线；5.17、手指第一拉线导管；5.18、手指第二拉线导管；5.19、手指从动线轮；5.20、手指主动齿轮；5.21、第一手指从动齿轮；5.22、第二手指中间传动齿轮；5.23、第二手指从动齿轮；6.1、线束环；7.1、控制单元；7.2、电源单元；7.3、通用接口。
具体实施方式
本领域技术人员应当理解的是，本节实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非用于限制本发明的保护范围。例如，虽然本发明是以五自由度的水下机械臂来对本发明进行介绍说明的，但是五自由度的水下机械臂只是示例性的描述，因此本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合，如本发明的水下机械臂可以是四自由度的水下机械臂，相应地动力源与传动机构随着机械臂的自由度的增减而增减，调整后的技术方案仍将落入本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。并且，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1至图11，图1是本发明一种实施例的水下机械臂在方位一的结构示意图，图2是本发明一种实施例的水下机械臂局部剖视的结构示意图，图3是本发明一种实施例的水下机械臂在方位二的结构示意图，图4是本发明一种实施例的水下机械臂在方位二的局部内部结构示意图，图5是图4中局部A的放大图，图6是本发明一种实施例的水下机械臂的局部结构示意图，图7是图6中局部B的放大图，图8是本发明一种实施例的水下机械臂中臂与前臂连接部位的局部示意图，图9是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图一，图10是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图二，图11是本发明一种实施例的水下机械臂机械手的结构示意图三。
如图1至图8所示，在本发明的实施例中，水下机械臂包括基座、驱动单元、臂组件、操作单元、第一传动单元、第二传动单元、第三传动单元和防水单元。防水单元包括防水器皿1.1，防水器皿1.1以可旋转的方式连接于基座，臂组件包括前臂4.1、中臂3.1和后臂2.1，操作单元为连接于前臂4.1的输出末端的机械手5.0。驱动单元通过第一传动单元与前臂4.1和机械手5.0连接以驱动前臂4.1和机械手5.0执行特定的动作，驱动单元通过第二传动单元与后臂2.1连接以驱动后臂2.1执行特定的动作，驱动单元通过第三传动单元与中臂3.1连接以驱动中臂3.1执行特定的动作；其中，第一传动单元的自重既小于第二传动单元的自重又小于第三传动单元的自重。优选地，第二传动单元和第三传动单元的传动精度均高于第一传动单元。在机械臂前端使用自重较小而传动精度相对较低的传动单元，机械臂的后端使用自重较大而精度较高的传动单元，通过这样的设置，减小了水下机械臂前端的重量，从而减小了水下机械臂运动过程中自身惯性对水下机械臂动作精度和灵活性的影响，提高了水下机械臂的动作精度和灵活性。此外，通过提高后臂2.1的传动精度，降低了运动累计误差对操作单元动作精度的影响，从而提高了机械手5.0的动作精度。本领域技术人员可以理解的是，机械手5.0作为操作单元只是一种示例性的描述，仅仅用于阐述本发明的原理，并非旨在限制本发明的保护范围，在不偏离本发明原理的条件下，任何合理的改变都落入本发明的保护范围之中，如操作单元也可以是焊枪、挖掘机构、钻探机构等操作机构或者是其他合适的操作机构。
具体而言，基座包括设置在防水器皿1.1下方的基座圈1.3和设置在防水器皿1.1上方的基座盖1.4，整个水下机械臂通过基座圈1.3和基座盖1.4固定于水下机器人的主体。防水器皿1.1与基座盖1.4轴接以便防水器皿1.1能够相对于基座盖1.4绕防水器皿转轴1.2旋转运动。在防水器皿1.1的上部设置有电机座1.5，在电机座1.5的上方设置有顶盖1.6，后臂2.1通过后臂第一连接端2.2枢转地连接于设置于顶盖1.6的后臂转轴支座2.5上，中臂3.1通过中臂第一连接端3.2枢转地连接于后臂2.1的后臂第二连接端2.3，前臂4.1通过前臂第一连接端4.2枢转地连接于中臂3.1的中臂第二连接端3.3，机械手5.0通过机械手腕部5.1以可旋转的方式连接于前臂4.1的前臂第二连接端4.3。驱动单元包括后臂电机2.6、中臂电机3.8、前臂电机4.5、机械手电机5.7、手指电机5.14以及防水器皿电机1.7。其中，后臂电机2.6、中臂电机3.8、前臂电机4.5、机械手电机5.7、手指电机5.14设置于防水器皿1.1内并固定于电机座1.5，防水器皿电机1.7设置于防水器皿1.1内并固定于防水器皿1.1的底部。基座盖1.4上固定有与防水器皿1.1的防水器皿转轴1.2同轴的防水器皿从动齿轮1.9，防水器皿电机1.7的输出轴上固定有防水器皿主动齿轮1.8，防水器皿主动齿轮1.8与防水器皿从动齿轮1.9相啮合，防水器皿电机1.7通过防水器皿主动齿轮1.8与防水器皿从动齿轮1.9的传动作用使防水器皿1.1能够绕防水器皿转轴1.2做旋转运动，从而扩大了机械臂的运动范围，丰富了机械臂的运动姿态，从而提高了机械臂的作业范围和作业能力。通过齿轮传动方式来实现防水器皿1.1的旋转，能够保证防水器皿1.1的转动精度，从而在一定程度上保证了臂组件和机械手5.0的动作精度。本领域技术人员可以理解的是，防水器皿主动齿轮1.8和防水器皿从动齿轮1.9可以是直齿轮、斜齿轮、渐开线齿轮等；水下作业主体可以是AUV、潜艇等水下机器人的主体，也可以是其他任何合适的水下机器人的主体。
第二传动单元包括固定在后臂电机2.6的输出轴上的后臂主动蜗杆2.7和固定在后臂2.1的转动轴上并与后臂主动蜗杆2.7相啮合的后臂从动涡轮2.8。后臂电机2.6通过后臂主动蜗杆2.7与后臂从动涡轮2.8的传动作用能够使后臂2.1绕后臂转轴2.4做枢转运动。防水单元还包括设置在后臂2.1的枢转部位的后臂关节防水帘2.10。通过在后臂2.1的枢转部位设置后臂关节防水帘2.10，能够在后臂2.1枢转运动过程中起到防水作用，避免内部结构进水。通过涡轮蜗杆传动机构来实现后臂电机2.6和后臂2.1之间的传动，能够保证后臂2.1绕后臂转轴2.4枢转运动的精度，从而降低运动累计误差对机械手5.0的运动位置的影响，进一步地保证了机械手5.0的动作精度。
第三传动单元包括依次连接的中臂电机主动锥齿轮3.6、中臂中间传动锥齿轮3.7、中臂传动杆第一锥齿轮3.9、中臂传动杆3.8、中臂传动杆第二锥齿轮3.10和中臂从动齿轮3.11。中臂电机主动锥齿轮3.6固定于中臂电机3.8的输出轴，中臂中间传动锥齿轮3.7套设于后臂2.1的后臂转轴2.4上并分别与中臂电机主动锥齿轮3.6和中臂传动杆第一锥齿轮3.9相啮合，中臂传动杆第一锥齿轮3.9固定于中臂传动杆3.8靠近防水器皿1.1的端部，中臂传动杆第二锥齿轮3.10固定于中臂传动杆3.8靠近机械手5.0的端部，中臂从动齿轮3.11固定于中臂3.1的中臂转轴3.4，中臂传动杆3.8穿过后臂2.1，中臂传动杆第二锥齿轮3.10与中臂从动齿轮3.11相啮合。中臂电机3.8通过中臂电机主动锥齿轮3.6、中臂中间传动锥齿轮3.7、中臂传动杆第一锥齿轮3.9、中臂传动杆3.8、中臂传动杆第二锥齿轮3.10和中臂从动齿轮3.11的传动作用能够使中臂3.1绕中臂转轴3.4枢转地转动。防水单元还包括设置在中臂3.1的枢转部位的中臂关节防水罩3.12，通过中臂关节防水罩3.12对中臂3.1的枢转部位起到防水作用。通过锥齿轮副的传动，保证了中臂3.1绕中臂转轴3.4枢转运动的精度，通过中臂传动杆3.8与中臂传动杆第二锥齿轮3.10和中臂从动齿轮3.11的组合，延长了齿轮传动的传动距，避免了多齿轮依次啮合以实现远距离传动而增加机械臂重量对机械臂运动灵活性的不良影响，间接地提高了机械臂的运动灵活性。
如图1、图6、图7、图8和图9所示，第一传动单元包括三组线传动机构，具体而言，包括前臂线传动机构、机械手线传动机构和机械手手指传动机构。
前臂线传动机构包括前臂主动线轮4.6、前臂从动线轮4.7、第一前臂拉线导管4.8、第二前臂拉线导管4.9和前臂拉线4.10。其中，前臂主动线轮4.6固定于前臂电机4.5的输出轴，前臂从动线轮4.7以可旋转的方式设置于中臂3.1的中臂第二连接端3.3，在中臂3.1的中臂转轴3.4的两端分别设置有束线环6.1。第一前臂拉线导管4.8和第二前臂拉线导管4.9穿过线束环6.1并且两端分别固定在电机座1.5和第一拉线导管支架4.11上。前臂拉线4.10绕在前臂主动线轮4.6和前臂从动线轮4.7上并从第一前臂拉线导管4.8和第二前臂拉线导管4.9穿过。前臂电机4.5通过驱动前臂主动线轮4.6，并在前臂拉线4.10和前臂从动线轮4.7的传动作用下能够使前臂4.1绕前臂转轴4.4转动。
机械手线传动机构包括机械手主动线轮5.8、机械手拉线5.9、第一机械手拉线导管5.10、第二机械手拉线导管5.11和机械手从动线轮5.12。其中，机械手主动线轮5.8固定于机械手电机5.7的输出轴，机械手从动线轮5.12以可旋转的方式连接于前臂4.1的前臂第二连接端4.3并与前臂4.1同轴，机械手5.0与机械手从动线轮5.12固定连接。在机械手5.0上固定有第二拉线导管支架5.13。第一机械手拉线导管5.10和第二机械手拉线导管5.11穿过线束环6.1并且两端分别固定在电机座1.5和第二拉线导管支架5.13上。机械手拉线5.9绕在机械手主动线轮5.8和机械手从动线轮5.12上并且穿过第一机械手拉线导管5.10和第二机械手拉线导管5.11。机械手电机5.7通过驱动机械手主动线轮5.8并在机械手拉线5.9和机械手从动线轮5.12的传动作用能够使机械手5.0绕前臂4.1的中心轴做旋转运动。
机械手手指传动机构包括手指主动线轮5.15、手指拉线5.16、手指第一拉线导管5.17、手指第二拉线导管5.18、手指从动线轮5.19。机械手5.0的机械手腕部5.1固定连接于机械手从动线轮5.12，机械手芯架5.2固定连接于机械手腕部5.1，机械手芯架5.2上对称地枢转连接有第一手指组件5.5和第二手指组件5.6，第一手指组件5.5通过第一手指从动齿轮5.23与手指主动齿轮5.20连接，第二手指组件5.6依次通过第二手指中间传动齿轮5.22和第二手指从动齿轮5.23与手指主动齿轮5.20连接，手指从动线轮5.19与手指主动齿轮5.20的中心轴固定连接。机械手芯架5.2两侧分别安装有机械手第一侧盖5.3和机械手第二侧盖5.4。手指主动线轮5.15固定于手指电机5.14的输出轴，手指从动线轮5.19以可旋转的方式连接于机械手5.0。手指第一拉线导管5.17和手指第二拉线导管5.18穿过线束环6.1并且两端分别固定在电机座1.5和第二拉线导管支架5.13上。手指拉线5.16绕在手指主动线轮5.15和手指从动线轮5.19上并且穿过手指第一拉线导管5.17和手指第二拉线导管5.18。手指电机5.14通过驱动手指主动线轮5.15并在手指拉线5.16和手指从动线轮5.19的传动作用下使手指主动齿轮5.20转动，手指主动齿轮5.20在第一手指从动齿轮5.21、第二手指中间传动齿轮5.22和第二手指从动齿轮5.23的作用下使第一手指组件5.5和第二手指组件5.6做反向枢转运动从而实现抓取或者放下物体。
从上述描述中可以看出，防水器皿电机1.7驱动防水器皿1.1旋转运动而使机械臂整体能够旋转运动，后臂电机2.6能够驱动后臂2.1相对于防水器皿1.1做枢转运动，中臂电机3.8能够驱动中臂3.1相对于后臂2.1做枢转运动，前臂电机4.5能够驱动前臂4.1相对于中臂3.1做枢转运动，机械手电机5.7能够驱动机械手5.0相对于前臂4.1做旋转运动，各自运动合成后便能够使五自由度的机械臂做出各种复杂的动作，以便机械臂灵活地执行各种任务。后臂2.1和中臂3.1靠近基座，前臂4.1和机械手5.0远离基座，机械手5.0的运动位置受后臂2.1和中臂3.1运动位置的影响，并且机械手5.0的运动幅度大，运动灵活性受惯性影响最大，因此，后臂2.1和中臂3.1采用自重相对较大而传动精度相对较高的齿轮传动机构进行传动，保证了后臂2.1、中臂3.1的动作精度，从而减小了后臂2.1和中臂3.1的运动位置误差对前臂4.1和机械手5.0的位置精度的影响，间接地提高了前臂4.1和机械手5.0的动作精度。而前臂4.1和机械手5.0采用自重相对较小的线传动机构进行传动，减小了机械臂前部的质量，因此减小了惯性对机械臂运动灵活性的影响，提高了机械臂的运动灵活性，相应地提高了机械臂的动作精度，满足了机械臂水下作业时的性能要求。
本领域技术人员可以理解的是，前臂4.1和机械手5.0的传动机构不仅仅局限于线传动机构，而后臂2.1的传动机构不仅仅局限于涡轮蜗杆传动，如前臂4.1和机械手5.0可以通过带传动机构进行传动，后臂2.1可以通过锥齿轮传动机构传动，能够减轻机械臂前端质量并保证机械臂后端传动精度的传动机构组合，均能够在一定程度上提高机械臂的动作精度和灵活性。此外，第三传动单元中的中臂电机主动锥齿轮3.6、中臂中间传动锥齿轮3.7和中臂传动杆第一锥齿轮3.9的组合可以替换为联轴器以实现中臂电机3.8的输出轴与中臂传动杆3.8的连接传动。本领域技术人员还可以理解的是，防水器皿1.1也可以直接以可旋转的方式与水下机器人主体连接，此时，防水器皿电机1.7的输出轴与水下机器人的主体固定连接，防水器皿电机1.7与防水器皿1.1固定连接，通过防水器皿电机1.7的输出轴的转动，使防水器皿1.1相对于水下机器人的主体做旋转运动。
优选地，前臂4.1、中臂3.1以及后臂2.1均设置成中空结构并且满足重力等于其在水中的浮力。前臂4.1、中臂3.1以及后臂2.1为中空的管体，其各自在水中受到的浮力等于其受到的重力。通过中空结构的设置，进一步减小了机械臂的质量以及惯性，从而减小了机械臂自身惯性对其灵活性和动作精度的影响，提高了其运动灵活性和运动精度。另外，通过重力等于浮力的设计，使机械臂在水下作业时，使浮力和重力对其动作精度和灵活性的影响程度降至最低，进一步提高了机械臂的动作精度和灵活性。本领域技术人员可以理解的是，可以根据实际需要仅将前臂4.1、中臂3.1和后臂2.1中的部分结构设置成中空结构。
继续参照图4，机械臂还包括设置于防水器皿1.1内部的控制单元7.1，控制单元7.1与上位机(图中未示出)通讯以控制防水器皿电机1.7、后臂电机2.6、中臂电机3.8、前臂电机4.5、机械手电机5.7和手指电机5.14的启停进而控制机械手5.0的运动姿态。通过控制单元的设置，机械臂无需外接控制单元来执行各种操作，消除了外接控制单元后需要进行不断调试而造成的麻烦。本领域技术人员可以理解的是，控制单元可以通过手动控制，也可以通过内置的程序自动控制。
继续参照图2，机械臂还包括设置于防水器皿1.1内部的电源单元7.2，电源单元7.2用于向控制单元7.1和驱动单元提供电能。在防水器皿1.1上还设置有通用接口7.3，通用接口7.3能够用于连接充电线路以便对电源单元7.2进行充电，通用接口7.3也可以连接通信线路以便向控制单元7.1导入预先设定好的控制程序。通过设置电源单元7.2，使机械臂无需外接电源即可在控制单元7.1的控制下通过驱动单元驱动防水器皿1.1、后臂2.1、中臂3.1、前臂4.1以及机械手5.0进行相应的动作。通过将控制单元7.1和电源单元7.2集成在防水器皿1.1内，实现了机械臂的模块化，使机械臂能够安装于各种水下作业机器的主体进行水下作业，消除了外接电源及控制设备所带来的麻烦。另外，将电源单元7.2集成在防水器皿1.1内部，也消除了外接电源可能存在的漏电风险，从而提高了作业安全性。
通过上述描述可以看出，本发明的水下机械臂的臂组件包括前臂4.1、中臂3.1和后臂2.1，前臂1的输出末端连接有机械手5.0，后臂2.1枢转地连接于防水器皿1.1，防水器皿1.1以可旋转的方式连接于基座，防水器皿1.1、后臂2.1和中臂3.1分别通过啮合传动机构进行传动，前臂4.1和机械手5.0分别通过线传动机构进行传动，将自重相对较大而传动精度较高啮合传动机构分别用于后臂2.1和中臂3.1的传动，自重相对较小的线传动机构用于前臂4.1和机械手5.0的传动，减小了机械臂前端的质量，从而减小了惯性对机械臂运动精度和运动灵活性的影响，并且啮合传动精度较高，传动平稳，减小了后臂2.1和中臂3.1的运动误差对前臂4.1和机械手5.0运动精度的影响，进一步地提高了机械臂的运动精度。优选地，前臂4.1、中臂3.1和后臂2.1设置成中空结构，并且各自的重力等于其在水中受到的浮力。通过中空结构的设置，减小了机械臂的质量，进一步地减小了惯性对机械臂运动精度和运动灵活性的影响。另外，重力等于浮力的设计，使浮力和重力对其动作精度和灵活性的影响程度降至最低，从而进一步地提高了机械臂的运动精度和运动灵活性。进一步地优选，将控制单元7.1和电源单元7.2集成在防水器皿1.1内，实现了机械臂的模块化，使机械臂能够独立地进行水下工作，避免了外接电源及控制设备所带来的麻烦。
以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于混合传动的水下机械臂，其特征在于，所述水下机械臂包括驱动单元和臂组件，所述臂组件包括前臂和后臂，所述前臂的输出末端连接有操作单元，
所述水下机械臂还包括第一传动单元和第二传动单元，所述驱动单元通过所述第一传动单元与所述前臂和所述操作单元连接，所述驱动单元通过所述第二传动单元与所述后臂连接，
其中，所述第一传动单元的自重小于所述第二传动单元；
所述臂组件还包括中臂，所述中臂连接于所述前臂和所述后臂之间，所述水下机械臂还包括第三传动单元，所述驱动单元通过所述第三传动单元与所述中臂连接，
其中，所述第一传动单元的自重小于所述第三传动单元；
所述前臂、所述中臂以及所述后臂均设置成中空结构且满足各自的重力等于其在水中的浮力。
2.根据权利要求1所述的水下机械臂，其特征在于，所述第一传动单元包括多个线传动机构；
所述第二传动单元为涡轮蜗杆传动机构；
所述第三传动单元包括两组锥齿轮副，且两组锥齿轮副之间通过贯穿于所述后臂的传动杆相连接。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的水下机械臂，其特征在于，所述水下机械臂包括防水单元，
所述防水单元包括防水器皿，所述驱动单元固定于所述防水器皿内，所述防水器皿以可旋转的方式与水下机器人的主体相连接。
4.根据权利要求3所述的水下机械臂，其特征在于，所述水下机械臂包括基座，所述基座固定于所述水下机器人的主体，所述防水器皿以可旋转的方式与所述基座相连接。
5.根据权利要求4所述的水下机械臂，其特征在于，所述防水器皿通过转轴与所述基座连接，所述基座上固定有与所述转轴同轴的防水器皿从动齿轮，所述防水器皿上设置有与所述防水器皿从动齿轮啮合的防水器皿主动齿轮，所述防水器皿主动齿轮与所述防水器皿以可旋转的方式连接。
6.根据权利要求5所述的水下机械臂，其特征在于，所述水下机械臂还包括控制单元，所述控制单元用于与上位机通讯以控制所述驱动单元驱动所述防水器皿、所述臂组件以及所述操作单元以控制其运动姿态，
其中，所述控制单元设置于所述防水器皿内。
7.根据权利要求6所述的水下机械臂，其特征在于，所述水下机械臂还包括电源单元，所述电源单元用于向所述控制单元以及所述驱动单元提供电能，
其中，所述电源单元设置于所述防水器皿内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810298501.0A CN108381542B (zh) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | 基于混合传动的水下机械臂 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810298501.0A CN108381542B (zh) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | 基于混合传动的水下机械臂 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108381542A CN108381542A (zh) | 2018-08-10 |
| CN108381542B true CN108381542B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=63073372
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810298501.0A Active CN108381542B (zh) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | 基于混合传动的水下机械臂 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108381542B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112296992A (zh) * | 2019-08-01 | 2021-02-02 | 梁梓恒 | 一种绳驱动多关节机器人单元机构 |
| CN110641660B (zh) * | 2019-10-21 | 2021-03-12 | 中国科学院自动化研究所 | 面向海产品打捞的水下作业机器人 |
| DE102020105671B4 (de) * | 2020-03-03 | 2021-10-21 | Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf E. V. | Zwei-Achs-Rotator |
| CN111376279B (zh) * | 2020-05-08 | 2023-04-25 | 重庆工商大学 | 一种用于水下生物打印的微操作机械臂 |
| CN114271946B (zh) * | 2022-01-19 | 2023-06-23 | 首都医科大学附属北京安贞医院 | 介入机器人自动定位机械臂 |
| CN114852290B (zh) * | 2022-03-31 | 2023-06-27 | 广州大学 | 模块化水下桩基结构自适应清理及损伤检测机械臂 |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB889178A (en) * | 1959-11-19 | 1962-02-07 | Palatine Surbiton Ltd | Improvements relating to underwater manipulating implements |
| US4259876A (en) * | 1979-10-02 | 1981-04-07 | Belyanin Petr N | Mechanical arm |
| CN101456182A (zh) * | 2007-12-12 | 2009-06-17 | 中国科学院自动化研究所 | 大型工件焊接智能机器人装置 |
| EP2397279A1 (de) * | 2010-06-15 | 2011-12-21 | EB-invent GmbH | Knickarmroboter mit Armantrieb |
| KR101269187B1 (ko) * | 2012-04-10 | 2013-05-30 | 주식회사 엔티리서치 | 와이어로프를 이용하여 추가 자유도를 부여한 병렬 링크 로봇 |
| CN103223669A (zh) * | 2013-05-14 | 2013-07-31 | 中国科学院自动化研究所 | 一种轻量化的机械臂机构 |
| CN103753526A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-30 | 重庆交通大学 | 可定位补偿的精密重载机械手 |
| KR101402318B1 (ko) * | 2012-12-04 | 2014-06-05 | 주식회사코어벨 | 수중 작업 로봇 |
| CN104385296A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-03-04 | 浙江瀚镪自动化设备股份有限公司 | 一种机械手 |
| CN104723329A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-06-24 | 安徽工程大学 | 一种用于装配紧固件的机械手臂 |
| CN105291134A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-02-03 | 佛山市广工大数控装备技术发展有限公司 | 一种柔性仿生机械手 |
| CN106882347A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-06-23 | 中国人民解放军海军工程大学 | 六自由度水下机器人 |
| KR20170081367A (ko) * | 2016-01-04 | 2017-07-12 | 한국수력원자력 주식회사 | 재장전수집수조의 가변길이 조절용 카메라팔을 가진 여과기 점검로봇 |
| CN107225564A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-10-03 | 中国科学院自动化研究所 | 一种可蜷缩的蛇形机械臂 |
| CN107351121A (zh) * | 2017-07-03 | 2017-11-17 | 东北大学 | 一种绳驱动机器人手臂 |
| CN208117851U (zh) * | 2018-04-04 | 2018-11-20 | 中国科学院自动化研究所 | 基于混合传动的水下机械臂 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8770905B2 (en) * | 2008-11-04 | 2014-07-08 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Anthropomorphic force-reflective master arm |
| WO2013089442A1 (ko) * | 2011-12-15 | 2013-06-20 | 한국해양연구원 | 보행과 유영의 복합 이동 기능을 갖는 다관절 해저 로봇 및 이를 이용한 해저탐사시스템 |
| SE536708C2 (sv) * | 2012-10-23 | 2014-06-10 | Cognibotics Ab | Metod och system för bestämning av minst en egenskap hos enmanipulator |
-
2018
- 2018-04-04 CN CN201810298501.0A patent/CN108381542B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB889178A (en) * | 1959-11-19 | 1962-02-07 | Palatine Surbiton Ltd | Improvements relating to underwater manipulating implements |
| US4259876A (en) * | 1979-10-02 | 1981-04-07 | Belyanin Petr N | Mechanical arm |
| CN101456182A (zh) * | 2007-12-12 | 2009-06-17 | 中国科学院自动化研究所 | 大型工件焊接智能机器人装置 |
| EP2397279A1 (de) * | 2010-06-15 | 2011-12-21 | EB-invent GmbH | Knickarmroboter mit Armantrieb |
| KR101269187B1 (ko) * | 2012-04-10 | 2013-05-30 | 주식회사 엔티리서치 | 와이어로프를 이용하여 추가 자유도를 부여한 병렬 링크 로봇 |
| KR101402318B1 (ko) * | 2012-12-04 | 2014-06-05 | 주식회사코어벨 | 수중 작업 로봇 |
| CN103223669A (zh) * | 2013-05-14 | 2013-07-31 | 中国科学院自动化研究所 | 一种轻量化的机械臂机构 |
| CN103753526A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-30 | 重庆交通大学 | 可定位补偿的精密重载机械手 |
| CN104385296A (zh) * | 2014-09-28 | 2015-03-04 | 浙江瀚镪自动化设备股份有限公司 | 一种机械手 |
| CN104723329A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-06-24 | 安徽工程大学 | 一种用于装配紧固件的机械手臂 |
| CN105291134A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-02-03 | 佛山市广工大数控装备技术发展有限公司 | 一种柔性仿生机械手 |
| KR20170081367A (ko) * | 2016-01-04 | 2017-07-12 | 한국수력원자력 주식회사 | 재장전수집수조의 가변길이 조절용 카메라팔을 가진 여과기 점검로봇 |
| CN106882347A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-06-23 | 中国人民解放军海军工程大学 | 六自由度水下机器人 |
| CN107225564A (zh) * | 2017-05-17 | 2017-10-03 | 中国科学院自动化研究所 | 一种可蜷缩的蛇形机械臂 |
| CN107351121A (zh) * | 2017-07-03 | 2017-11-17 | 东北大学 | 一种绳驱动机器人手臂 |
| CN208117851U (zh) * | 2018-04-04 | 2018-11-20 | 中国科学院自动化研究所 | 基于混合传动的水下机械臂 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 三自由度水下机械手研制;安江波;于富强;王龙;;现代机械;20081230(06);全文 * |
| 基于蒙特卡罗法的工业机械臂精度分析;王睿等;机械设计;20160120;全文 * |
| 王旭 ; 陈乃建 ; 王超 ; 黄玉林 ; 李映君 ; .助老助残轮椅用绳传动机械臂结构设计.济南大学学报(自然科学版).2020,(03),全文. * |
| 赵婧等.机器人及安全技术.西安电子科技大学出版社,2016,(第1版),第37-38页. * |
| 钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计;陶俊;袁建军;张伟军;万志成;;机械与电子(01);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108381542A (zh) | 2018-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108381542B (zh) | 基于混合传动的水下机械臂 | |
| CN108045532B (zh) | 一种水下电动机械臂作业吊舱及使用方法 | |
| CN111746764B (zh) | 生物启发式水下机器人 | |
| CN107225587B (zh) | 一种用于海底生物无损捕捞的形状自适应机械手结构 | |
| CN101661804B (zh) | 耐辐照水下监测机器人 | |
| EP0484284A2 (en) | An articulated robot | |
| JP2018505784A (ja) | 水中マニピュレータアームロボット | |
| CN208117851U (zh) | 基于混合传动的水下机械臂 | |
| CN101348165A (zh) | 三维运动仿生机器鱼 | |
| CN110194229B (zh) | 新型仿螃蟹机器人 | |
| CN108515516A (zh) | 一种高防护双旋关节机器人 | |
| CN109048988A (zh) | 一种机械手腕结构装置 | |
| CN112296990A (zh) | 一种基于绳牵引的仿生海蛇机器人 | |
| CN112296989A (zh) | 一种水下五自由度旋转机械手 | |
| CN114260924B (zh) | 一种水下机械手 | |
| CN110842898A (zh) | 一种带有机械手的水下机器人 | |
| CN109015717A (zh) | 一种机器人五指欠驱动灵巧手 | |
| CN210551219U (zh) | 一种面向人机协作仿生轻量化机械臂 | |
| CN109572970B (zh) | 一种水下机器人的矢量推进器 | |
| CN114734455A (zh) | 一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂 | |
| CN116062130A (zh) | 一种基于全自由度的浅水水下机器人 | |
| CN213765843U (zh) | 一种机械臂主从控制*** | |
| CN210589284U (zh) | 一种内部走线的工业机器人 | |
| CN208392045U (zh) | 一种高防护双旋关节机器人 | |
| CN218557096U (zh) | 一种柔性机器人的驱动装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |