专利名称：一种水下电动机械手关节机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及水下机器人作业领域，具体地说是一种可覆盖全海深、用于海洋作业
和取样的水下电动机械手关节机构。
背景技术：
目前，在海洋开发领域，用于水下作业的商用水下机械手均为液压驱动。其优点是 负载/自重比高、负载能力强，通过压力补偿，容易实现深海密封。但液压驱动的水下机械 手系统体积庞大，能量转换率低，由于元器件限制及支持系统复杂，难以实现小型化。为实 现高自主性的海洋作业，海底作业系统将逐渐由目前的由人遥控操作方式向自主/半自主 作业方式发展，即由自治水下机器人载体携带机械手进行取样和作业。对于自治水下机器 人系统，自身携带能源，从动力和系统支持等方面考虑，无法配置液压系统，要装备机械手， 只能是电动机械手。 水下电动机械手与陆地上使用的电动机械手有较大区别，除了大深度的密封难以 实现以外，常规的外部走线将增加水下系统出现故障的可能性，况且机械手的重量、尺寸等 机械方面还要受到其安装载体的限制。为实现可接受的负载/自重量比、降低作业故障率， 并可实现大深度作业，需设计一种可覆盖全海深、内部走线的紧凑型机械手关节机构已成 为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种可覆盖全海深、结构紧凑、
内部走线的水下电动机械手关节机构。 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 本发明包括关节固定法兰、齿轮箱、齿轮输出轴承法兰及旋转输出套筒，关节固定 法兰与齿轮箱密封连接，齿轮输出轴承法兰密封安装在齿轮箱的上方，在齿轮输出轴承法 兰的外部设有可相对转动的旋转输出套筒；齿轮箱内分别设有带锥齿轮的齿轮输入轴及齿 轮输出轴，两锥齿轮啮合传动，齿轮输入轴与安装于关节固定法兰内的驱动装置相连接，旋 转输出套筒与齿轮输出轴连动。 其中所述齿轮输出轴承法兰上设有关节限位块，旋转输出套筒上设有与关节限 位块相对应的突起，旋转输出套筒可相对齿轮输出轴承法兰在360。内转动；齿轮输出轴 承法兰的圆周外表面上设有沉孔，关节限位块设置于沉孔内；所述齿轮输入轴的一端通过 轴承安装在齿轮箱的齿轮箱盖上，另一端由齿轮箱穿出与关节固定法兰内的驱动装置相连 接；齿轮输入轴上安装有第一锥齿轮及旋转电位计；旋转电位计由电位计本体止动杆及电 位计中空轴组成，电位计中空轴固接在齿轮输出轴上，电位计本体止动杆套设于电位计中 空轴的外部，电位计本体止动杆插入齿轮箱盖上的限位孔中，电位计中空轴可相对电位计 本体止动杆随齿轮输入轴旋转；所述齿轮输出轴的一端通过轴承与齿轮输出轴承法兰连 接、并插入齿轮箱内固接有与第一锥齿轮啮合传动的第二锥齿轮，另一端固接于旋转输出套筒上的后端盖；齿轮输出轴承法兰与旋转输出套筒之间设有滑动轴承；齿轮输出轴承法 兰与旋转输出套筒之间、滑动轴承下方设有旋转密封圈；机构的外层固连处均为静密封； 该关节机构在关节固定法兰、齿轮箱、齿轮输出轴承法兰及旋转输出套筒内走线。
本发明的优点与积极效果为 1.结构紧凑。本发明的电机、减速机组件为一体结构，设置于关节固定法兰内；第
一锥齿轮和旋转电位计共用一个齿轮输入轴，避免了使用联轴器带来的轴向尺寸加大；采
用滑动轴承，大大减小了整个关节的径向尺寸；以上均使得设计结构紧凑。 2.故障率低。本发明采用内部走线，极大地降低了水下未知环境中工作出现故障
的可能性。 3.功能齐全。本发明的电机、减速机采用行星齿轮传动，可以大扭矩驱动；通过旋 转电位计进行位置检测；电机、减速机、旋转电位计均可浸油使用，可以实现大深度水下作 业。 4.应用范围广。本发明尺寸、作业深度和强度易扩展，便于在水下电动机械手及其 它作业工具上推广安装使用。 5.成本低。本发明不需要特殊加工和特殊零部件，磨损零部件易于更换。
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为图2中齿轮输出轴承法兰的结构示意图； 其中1为关节固定法兰，2为电机，3为齿轮输入轴，4为第一锥齿轮，5为第二锥 齿轮，6为齿轮箱，7为电位计本体止动杆，8为电位计中空轴，9为齿轮箱盖，10为齿轮输出 轴，11为齿轮输出轴承法兰，12为旋转密封圈，13为旋转输出套筒，14为滑动轴承，15为后 端盖，16为关节限位块，17为突起，18为沉孔，19为减速机。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。 如图1、图2所示，本发明外层包括腔体结构件和盖板结构件，其中腔体结构件包 括关节固定法兰1、齿轮箱6、齿轮输出轴承法兰11及旋转输出套筒13，盖板结构件包括齿 轮箱盖9和后端盖15，齿轮箱盖密封固接于齿轮箱6上，后端盖15固接于旋转输出套筒13 的顶部。关节固定法兰1与齿轮箱6密封连接，齿轮输出轴承法兰11密封安装在齿轮箱6 的上方，在齿轮输出轴承法兰11的外部设有可相对转动的旋转输出套筒13。齿轮箱6内 分别设有齿轮输入轴3及齿轮输出轴IO，齿轮输入轴3的一端通过镶嵌在齿轮箱盖9内的 深沟球轴承安装在齿轮箱6的齿轮箱盖9上，另一端由齿轮箱6穿出与关节固定法兰1内 的驱动装置相连接；驱动装置由电机2及减速机19组成，分别固设在关节固定法兰1的腔 内，齿轮输入轴3与减速机19输出轴键连接。齿轮输入轴3上安装有第一锥齿轮4及旋转 电位计，第一锥齿轮4与齿轮输入轴3键连接；旋转电位计用于检测关节机构的旋转角度， 由电位计本体止动杆7及电位计中空轴8组成，电位计中空轴8固接在齿轮输出轴3上，电 位计本体止动杆7套设于电位计中空轴8的外部，电位计本体止动杆7插入齿轮箱盖9上
4的限位孔中，电位计中空轴8可相对电位计本体止动杆7随齿轮输入轴3旋转。齿轮输出 轴10与齿轮输入轴3垂直，齿轮输出轴10的一端通过轴承与齿轮输出轴承法兰11连接， 由齿轮输出轴承法兰11穿过后插入齿轮箱6内，该端键连接有与第一锥齿轮4啮合传动的 第二锥齿轮5，另一端通过平键连接于旋转输出套筒13顶部的后端盖15，旋转输出套筒13 通过后端盖15与齿轮输出轴10连动。 如图3所示，齿轮输出轴承法兰11的圆周外表面上设有沉孔18，沉孔18内固设有
关节限位块16，关节限位块16外露于沉孔18的部分起到限位作用，用于限制关节机构的旋
转范围；旋转输出套筒13上设有与关节限位块16相对应的突起17，关节限位块16可阻挡
旋转输出套筒13上的突起17，限制旋转输出套筒13进行360°旋转。 齿轮输出轴承法兰11与旋转输出套筒13之间设有滑动轴承14，滑动轴承14外侧
与旋转输出套筒13内侧形成过盈配合；齿轮输出轴承法兰11由滑动轴承14内侧穿过，两
者重合部分为间隙配合。 齿轮输出轴承法兰11与旋转输出套筒13之间、滑动轴承14下方还设有旋转密封 圈12，整个关节机构中只有此外为旋转动密封，其余的机构外层固连处均为静密封，即0形 密封圈。如图2中的A所示，关节机构在关节固定法兰1、齿轮箱6、齿轮输出轴承法兰11 及旋转输出套筒13内走线。无论关节机构工作与否，固接在关节固定法兰1上的各部件均 保持不动。 本发明的工作原理为 本发明的电机、减速机采用行星齿轮传动，工作时，电机2上电，电机2的输出轴驱 动减速机19，减速机19输出轴驱动齿轮输入轴3旋转，齿轮输入轴3带动第一锥齿轮4和 电位计中空轴8旋转；第一锥齿轮4通过与第二锥齿轮5的啮合，驱动第二锥齿轮5旋转， 齿轮输出轴10、后端盖15、旋转输出套筒13及滑动轴承14与第二锥齿轮5共同旋转，使得 旋转输出套筒13与齿轮输出轴承法兰11形成相对转动，旋转关节驱动效果形成。
关节机构在旋转时，电位计中空轴8随齿轮输入轴3转动，电位计本体止动杆7保 持不动，用于检测关节转动的角度；齿轮输出轴承法兰11上的关节限位块16阻挡旋转输出 套筒13的突起17，限制旋转输出套筒13进行360°旋转，保护内部走线。
本发明的旋转电位计为市购产品，可购置于美国Novotechnik公司生产的型 号为WAL300的电位计；滑动轴承也为市购产品，可购置于德国igus公司生产的型号为 GFM-5055-10的滑动轴承。
权利要求
一种水下电动机械手关节机构，其特征在于包括关节固定法兰(1)、齿轮箱(6)、齿轮输出轴承法兰(11)及旋转输出套筒(13)，关节固定法兰(1)与齿轮箱(6)密封连接，齿轮输出轴承法兰(11)密封安装在齿轮箱(6)的上方，在齿轮输出轴承法兰(11)的外部设有可相对转动的旋转输出套筒(13)；齿轮箱(6)内分别设有带锥齿轮的齿轮输入轴(3)及齿轮输出轴(10)，两锥齿轮啮合传动，齿轮输入轴(3)与安装于关节固定法兰(1)内的驱动装置相连接，旋转输出套筒(13)与齿轮输出轴(10)连动。
2. 按权利要求1所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输出轴承法 兰(11)上设有关节限位块(16)，旋转输出套筒(13)上设有与关节限位块(16)相对应的突 起(17)，旋转输出套筒(13)可相对齿轮输出轴承法兰(11)在360°内转动。
3. 按权利要求2所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输出轴承法 兰(11)的圆周外表面上设有沉孔(18)，关节限位块(16)设置于沉孔(18)内。
4. 按权利要求l所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输入轴(3) 的一端通过轴承安装在齿轮箱(6)的齿轮箱盖(9)上，另一端由齿轮箱(6)穿出与关节固 定法兰(1)内的驱动装置相连接；齿轮输入轴(3)上安装有第一锥齿轮(4)及旋转电位计。
5. 按权利要求4所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述旋转电位计由电 位计本体止动杆(7)及电位计中空轴(8)组成，电位计中空轴(8)固接在齿轮输出轴(3) 上，电位计本体止动杆(7)套设于电位计中空轴(8)的外部，电位计本体止动杆(7)插入齿 轮箱盖(9)上的限位孔中，电位计中空轴(8)可相对电位计本体止动杆(7)随齿轮输入轴 (3)旋转。
6. 按权利要求1或4所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输出轴 (10)的一端通过轴承与齿轮输出轴承法兰(11)连接、并插入齿轮箱(6)内固接有与第一锥 齿轮(4)啮合传动的第二锥齿轮(5)，另一端固接于旋转输出套筒(13)上的后端盖(15)。
7. 按权利要求1所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输出轴承法 兰(11)与旋转输出套筒(13)之间设有滑动轴承(14)。
8. 按权利要求7所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述齿轮输出轴承法 兰(11)与旋转输出套筒(13)之间、滑动轴承(14)下方设有旋转密封圈(12)。
9. 按权利要求1所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于所述机构的外层固连 处均为静密封。
10. 按权利要求1所述的水下电动机械手关节机构，其特征在于该关节机构在关节固定法兰(1)、齿轮箱(6)、齿轮输出轴承法兰(11)及旋转输出套筒(13)内走线。
全文摘要
本发明涉及水下机器人作业领域，具体地说是一种可覆盖全海深、用于海洋作业和取样的水下电动机械手关节机构，包括关节固定法兰、齿轮箱、齿轮输出轴承法兰及旋转输出套筒，关节固定法兰与齿轮箱密封连接，齿轮输出轴承法兰密封安装在齿轮箱的上方，在齿轮输出轴承法兰的外部设有可相对转动的旋转输出套筒；齿轮箱内分别设有带锥齿轮的齿轮输入轴及齿轮输出轴，两锥齿轮啮合传动，齿轮输入轴与安装于关节固定法兰内的驱动装置相连接，旋转输出套筒与齿轮输出轴连动。本发明具有结构紧凑、故障率低、功能齐全、应用范围广、成本低等优点。
文档编号B25J17/00GK101745918SQ20081022997
公开日2010年6月23日 申请日期2008年12月19日 优先权日2008年12月19日
发明者张奇峰, 张竺英, 张艾群 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所