专利名称：一种水下电动机械手旋转关节结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人工程，具体地说是一种用于海洋开发和取样的水下电动机械手旋转关节结构。
背景技术：
目前，在海洋油气勘探开发领域，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。但液压机械手系统体积庞大，能量转换率低，由于元器件限制及需要复杂的支持系统，难以实现小型化。为实现高机动性的海洋取样和高效率的水下作业，海底作业系统将逐渐由目前的主/从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，因此，从动力、效率和系统支持等方面考虑，无法配置液压系统，要装具机械手，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，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，必须设计紧凑的机械手驱动关节。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构紧凑、高效率的水下电动机械手关节结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明包括静止端外壳、动静外壳过渡件及从动端外壳，中心轴依次由三者中间穿过，静止端外壳的一端固接有静止端端盖，另一端与动静外壳过渡件相连接，从动端外壳的一端固接有从动端端盖，另一端抵接在动静外壳过渡件上；在中心轴上分别套接有制动器、力矩电机组件、谐波减速器组件及旋转编码器，紧固螺母位于旋转编码器与谐波减速器组件之间，与中心轴螺纹连接，保持静止端与从动端连接为一体。
其中所述制动器容置在静止端端盖与静止端外壳所形成的空间内，包括上电可旋转部分及固定本体，上电可旋转部分套接在中心轴上，固定本体固接在静止端外壳上；所述力矩电机组件位于静止端外壳与动静外壳过渡件之间，包括定子及转子，定子固接在静止端外壳上，转子固定在中心轴上、与中心轴联动；所述谐波减速器组件位于从动端外壳与动静外壳过渡件之间，包括谐波发生器、钢轮及柔轮，谐波发生器套接在中心轴上、与中心轴联动，钢轮固接在动静外壳过渡件上，柔轮固定在从动端外壳上，与谐波发生器相啮合；所述旋转编码器容置在从动端端盖与从动端外壳所形成的空间内，包括中心轴套及编码器本体，中心轴套固定在中心轴上，与中心轴联动，编码器本体固接在从动端外壳上；在从动端外壳与动静外壳过渡件相接处加设有旋转组合密封圈；在静止端外壳及从动端外壳的一侧分别开有用于连接关节杆的连接孔。
本发明的优点与积极效果为1.结构紧凑。本发明的力矩电机只采用了定子、转子，谐波减速器只采用了谐波发生器、钢轮、柔轮等核心组件，制动器、编码器采用轴套式，这四个核心部件共用一个中心轴，避免使用联轴器带来的轴向尺寸加大；低回差、大减速比、小型化、同轴输出谐波减速器的采用避免了结构径向尺寸的加大，进而使整个旋转关节尺寸减小，结构紧凑。
2.故障率低。本发明可采用中心轴轴孔内部走线，极大地降低了水下系统出现故障的可能性。
3.功能齐全。本发明可以大扭矩驱动、制动；通过旋转编码器，能进行速度、位置检测；通过更换可以浸油的电机、传感器，可以实现大深度水下作业；通过更换关节杆的相对安装位置，可实现机械臂的摆动和回转。
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为本发明的结构示意图；图2为图1的A向局部示意图；图3为图1的B向局部示意图。
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所示，本发明包括静止端外壳3、动静外壳过渡件5及从动端外壳8，中心轴12依次由三者中间穿过，静止端外壳3的一端固接有静止端端盖1，另一端与动静外壳过渡件5相连接，从动端外壳8的一端固接有从动端端盖11，另一端抵接在动静外壳过渡件5上。在中心轴12上从左至右依次套接有制动器2、力矩电机组件4、谐波减速器组件7及旋转编码器10。制动器2容置在静止端端盖1与静止端外壳3所形成的空间内，包括上电可旋转部分21及固定本体22，上电可旋转部分21通过键固定连接在中心轴12上，固定本体22固接在静止端外壳3上。力矩电机组件4位于静止端外壳3与动静外壳过渡件5之间，包括定子41及转子42，定子41固接在静止端外壳3上，转子42通过螺钉固定在中心轴12上、与中心轴12联动。谐波减速器组件7位于从动端外壳8与动静外壳过渡件5之间，包括谐波发生器71、钢轮72及柔轮73，谐波发生器71套接在中心轴12上、与中心轴12联动，钢轮72固接在动静外壳过渡件5上，柔轮73固定在从动端外壳8上，与谐波发生器71相啮合。旋转编码器10容置在从动端端盖11与从动端外壳所形成的空间内，包括中心轴套101及编码器本体102，中心轴套101通过螺钉固定在中心轴12上，与中心轴12联动，编码器本体102通过编码器制动杆13固接在从动端外壳8上。紧固螺母9位于旋转编码器10与谐波减速器组件7之间，与中心轴12螺纹连接，通过紧固螺母9，可保持静止端与从动端连接为一体，不互相脱离。在从动端外壳8与动静外壳过渡件5相接处加设有旋转组合密封圈6。在静止端外壳3及从动端外壳8的一侧分别开有用于连接关节杆的连接孔14。
本发明无论工作与否，固接在静止端外壳3上的各部件均保持不动。本发明的工作原理为首先，制动器2上电，制动器2的上电可旋转部分21脱离制动器本体22，恢复中心轴12与静止端外壳3的相对可旋转关系。
然后，对力矩电机组件4供电，力矩电机的转子42旋转，带动中心轴12转动，再由中心轴12带动与其联动的谐波发生器71、紧固螺母9及旋转编码器10的中心轴套101高速旋转。
再后，调整旋转的谐波发生器71通过与柔轮73的啮合传动，使柔轮73低速大扭矩转动，进而带动从动端外壳8以及与其相固接的部件一起旋转。
最后，停止对力矩电机、制动器供电，制动器2的上电可旋转部分21紧扣制动器的固定本体22，中心轴12与静止端外壳3相对固定，整个旋转关节结构停止工作，全部相对静止。
综上所述，为实现结构的紧凑，本发明的力矩电机组件4及谐波减速器组件7只采用了核心组件，制动器2、旋转编码器10采用轴套式，这四个核心部件共用一个中心轴12，避免使用联轴器带来的轴向尺寸加大。低回差、大减速比、小型化、同轴输出谐波减速器组件7的采用避免了结构径向尺寸的加大。为了平衡关节静止端、从动端的尺寸，本发明将旋转编码器10置于从动端，其中心轴套101随中心轴12高速旋转的同时，编码器本体102随关节的从动端外壳8低速旋转，但并不影响测量精度，只是改变了减速器比。整个旋转关节结构的密封为旋转组合密封圈6的位置一处，对于浅海作业，不需充油、单层密封即可，对于深海作业，可采用双层密封或进行充油补偿。由于关节的静止端、从动端相对旋转，不易实现电缆互通，只要尺寸允许，本发明可以通过中心轴轴孔实现两侧电缆互通，实现内部走线。
本发明可通过旋转编码器10进行速度、位置检测。按图2、图3所示的连接孔14的位置安装关节杆，可实现机械手的摆动。沿旋转关节轴向将关节杆安装在静止端端盖1和从动端端盖11处，可实现机械手绕轴线的回转。
权利要求
1.一种水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于包括静止端外壳(3)、动静外壳过渡件(5)及从动端外壳(8)，中心轴(12)依次由三者中间穿过，静止端外壳(3)的一端固接有静止端端盖(1)，另一端与动静外壳过渡件(5)相连接，从动端外壳(8)的一端固接有从动端端盖(11)，另一端抵接在动静外壳过渡件(5)上；在中心轴(12)上分别套接有制动器(2)、力矩电机组件(4)、谐波减速器组件(7)及旋转编码器(10)，紧固螺母(9)位于旋转编码器(10)与谐波减速器组件(7)之间，与中心轴(12)螺纹连接，保持静止端与从动端连接为一体。
2.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于所述制动器(2)容置在静止端端盖(1)与静止端外壳(3)所形成的空间内，包括上电可旋转部分(21)及固定本体(22)，上电可旋转部分(21)套接在中心轴(12)上，固定本体(22)固接在静止端外壳(3)上。
3.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于所述力矩电机组件(4)位于静止端外壳(3)与动静外壳过渡件(5)之间，包括定子(41)及转子(42)，定子(41)固接在静止端外壳(3)上，转子(42)固定在中心轴(12)上、与中心轴(12)联动。
4.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于所述谐波减速器组件(7)位于从动端外壳(8)与动静外壳过渡件(5)之间，包括谐波发生器(71)、钢轮(72)及柔轮(73)，谐波发生器(71)套接在中心轴(12)上、与中心轴(12)联动，钢轮(72)固接在动静外壳过渡件(5)上，柔轮(73)固定在从动端外壳(8)上，与谐波发生器(71)相啮合。
5.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于所述旋转编码器(10)容置在从动端端盖(11)与从动端外壳所形成的空间内，包括中心轴套(101)及编码器本体(102)，中心轴套(101)固定在中心轴(12)上，与中心轴(12)联动，编码器本体(102)固接在从动端外壳(8)上。
6.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于在从动端外壳(8)与动静外壳过渡件(5)相接处加设有旋转组合密封圈(6)。
7.按权利要求1所述的水下电动机械手旋转关节结构，其特征在于在静止端外壳(3)及从动端外壳(8)的一侧分别开有用于连接关节杆的连接孔(14)。
全文摘要
本发明涉及机器人工程，具体地说是一种用于海洋开发和取样的水下电动机械手旋转关节结构，包括静止端外壳、动静外壳过渡件及从动端外壳，中心轴依次由三者中间穿过，静止端外壳的一端固接有静止端端盖，另一端与动静外壳过渡件相连接，从动端外壳的一端固接有从动端端盖，另一端抵接在动静外壳过渡件上；在中心轴上分别套接有制动器、力矩电机组件、谐波减速器组件及旋转编码器，紧固螺母位于旋转编码器与谐波减速器组件之间，与中心轴螺纹连接，保持静止端与从动端连接为一体。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B25J17/00GK101045301SQ200610046218
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月31日 优先权日2006年3月31日
发明者张奇峰, 张艾群, 张竺英 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所