一种用于深海多关节潜器的两自由度关节的制作方法

本发明涉及多自由度机械关节设计技术领域，特别是涉及一种用于深海多关节潜器的两自由度关节结构，可作为深海多关节潜器各舱段之间的连接关节，也可以应用于机械臂、仿生机器人等其他具有高自由度的机电设备。

背景技术：

海洋蕴藏着丰富的资源，具有无限的开发潜力，开展海洋科学与技术的研究已成为国家战略。随着世界各国对海洋的不断探索，海洋科学的研究重点已从近海转向深海。深海自主式潜器是海洋研究与开发的重要装备，可搭载温盐深仪、多普勒计程仪、机械手等电子和机械设备，实现大范围的海洋勘探和科教等作业任务。

深海潜器主要包括载人潜水器(hov)、遥控潜水器(rov)和自主式水下航行器(auv)三大类，其中rov占据绝大部分。近些年国内外研究机构研制出了多种用于深海观测的潜器。浙江大学发明了一种混合型水下航行探测器{专利cn201210362056}，融合了水下自主航行器和水下滑翔机的特点，根据需求选择水下航行器模式或水下滑翔机模式。中国船舶重工集团公司第七一九研究所发明了一种前后安装多个机械臂的深海无人潜器{专利cn201610525632}，利用机械臂的摆动辅助潜器的位姿调节，可实现较高的稳定性和较强的抗流能力，但采用压载水舱的方式调节浮力，降低潜器的有效载荷，且必须至少具有一个机械臂。哈尔滨工程大学发明了一种高速水下自主航行器{专利cn201310131690}，采用气泡发生器生成气泡，从而降低航行器运动的阻力，可在不消耗内部电源的情况下短时间内提升航行器的速度，扩大作业范围。

前所用深海潜器均为单刚体结构，具有机动性不足、转弯半径大等缺点，多关节式水下潜器可以解决这些问题，两自由度关节是多关节潜器核心技术之一。此外，两自由度关节也广泛应用于各类机械臂以及仿生机器人领域，也是机器人领域的关键技术之一。相比于单自由度关节，两自由度关节可以用较少的构件实现较高的自由度。

近些年国内外研究机构研制出了多种多自由度关节。东北大学发明了一种用于工业机器人的两自由度关节结构{专利cn201710571402}，该结构可以实现俯仰和旋转两个自由度运动，但是其结构复杂，采用三级齿轮减速，不便于安装和维护，同时采用单电机驱动，所能提供的扭矩有限。上海宇航系统工程研究所发明了一种空间机器人的两自由度关节{专利cn201510302614}，采用双电机驱动，通过调节电机的转速和转角实现关节俯仰、旋转以及两者耦合等三种运动方式，但该关节采用多级行星齿轮和锥齿轮减速，结构复杂，尺寸和重量较大。中国科学院自动化研究所发明了一种单电机驱动的两自由度关节结构{专利cn200810056257}，采用磁流变体阻尼器实现关节运动切换以及耦合，但是磁流变阻尼器需要长期供电，可靠性较低，同时单电机输出扭矩较低。现有机械关节存在以下不足之处：

1.关节整体结构复杂，重量和体积较大，不便于安装和维护；

2.传统多关节结构没有针对深海环境做密封和耐压处理，难以应用于海洋装备；

3.单电机关节输出扭矩较小，应用范围有限；

4.目前大部分两自由度关节只能实现俯仰和旋转运动，实现俯仰和偏航运动的两自由度关节较少。

技术实现要素：

为了克服传统两自由度关节的不足，本发明提供了一种用于深海多关节潜器的两自由度关节，也可用于机械臂、仿生机器人以及其他具有高自由度的机电设备。本发明所采用的技术方案是：

一种用于深海多关节潜器的两自由度关节，包括驱动单元和传动单元，所述驱动单元的前盖支耳部和传动单元的传动轴a相连接。其中，

所述的驱动单元，包括两个驱动器、电机架、前盖、两台电机、联轴器、端盖a、驱动轴、组合密封、端盖b、套筒a、端盖c、锥齿轮a、轴承a、轴承套筒、轴承b、套筒b；电机架下部为截面圆形，两侧设有长圆形减轻孔，下面有截面圆形面，并分别开设三个通孔，上部端面上设两个倒l型支耳，支耳端面设置通孔；电机架安装在前盖上；两台电机的输出轴分别通过两个联轴器和两根驱动轴连接；驱动轴为阶梯轴，一侧设有两个螺纹孔；两个驱动器安装在电机架的l型支耳侧面；两个套筒b分别安装在两个驱动轴上，轴承b内圈两侧贴紧套筒b和驱动轴轴肩；轴承b置于轴承套筒内，轴承套筒端面均布设有六个通孔；端盖a通过螺钉连接将轴承套筒紧固在前盖上；前盖为圆形，一端向内凹，设置有螺纹孔，另一端两边各设有支耳，支耳端部为圆形，在圆形内部设有圆孔；前盖内凹一侧的两个圆孔内做动密封设计，两个轴承a分别安装在两个圆孔内，轴承a内圈紧靠驱动轴轴肩和套筒a；两个端盖b与前盖螺纹连接，并压紧轴承a外圈，保证轴承a轴向定位，两个锥齿轮a分别安装在两个驱动轴上，锥齿轮a后端面紧靠套筒a，两个端盖c分别与两个驱动轴螺纹连接，并压紧锥齿轮a；

所述传动单元，包括齿轮架、后盖、传动轴a、轴承c、端盖d、组合齿轮、套筒e、传动轴b、轴承e、套筒d、锥齿轮b、套筒c、端盖i、轴承d、端盖e、端盖g、端盖f、端盖h；所述组合齿轮由前后两个锥齿组成，前锥齿具有完整圆周轮齿，后锥齿轮具有六分之一圆周轮齿，可根据关节最大转角调整后锥齿轮结构；组合齿轮两侧端面设有阶梯孔，在前后端面均布设有六个螺纹孔，两个组合齿轮对称安装在传动轴a上；四个轴承c分别安装在两个组合齿轮两端的阶梯孔内，端盖d与组合齿轮前后端面螺纹连接，压紧轴承c外圈；通过套筒e、传动轴a轴肩和套筒c实现组合齿轮和轴承c轴向定位；齿轮架为方形结构，外表面分别设有凸台，在凸台上分别设有台阶孔，并在台阶孔内均布设有六个螺纹通孔，两个轴承d分别安装在齿轮架左右两侧台阶孔内，两个端盖e分别安装在齿轮架左右两侧，并压紧轴承d外圈，套筒c顶住轴承d内圈；组合齿轮后锥齿与锥齿轮a啮合；传动轴a为具有对称结构的阶梯轴，在轴两端设置长圆形凸台，并安装在齿轮架左右两孔的轴承d上；端盖i设有长圆形通孔，分别螺纹连接在前盖支耳部两侧；传动轴a两端长圆形凸台分别与两个端盖i的长圆形通孔配合；两个轴承e分别安装在齿轮架上下两侧的台阶孔内，两个端盖f分别螺纹连接在齿轮架上下两侧的台阶孔内，并压紧轴承e外圈；传动轴b为阶梯轴，一侧端面设有螺纹孔，另一侧端面设有长圆形凸台，并分别安装在齿轮架上下两孔中的轴承e上；锥齿轮b端面设有通孔，并分别安装在两个传动轴b上，套筒d两侧紧靠锥齿轮b后端面和轴承e内圈，端盖g螺纹连接在传动轴b上，并压紧锥齿轮b，锥齿轮b与组合齿轮前锥齿轮啮合；端盖h设有长圆形通孔，与后盖螺纹连接，并与传动轴b轴端长圆形凸台配合；后盖为圆形，一端向内凹，设置有螺纹孔，另一端两边各设有支耳，支耳端部为圆形，在圆形内部设有圆孔，圆孔周边均布设有螺纹孔，并在后盖端面开设多个减轻孔。

本发明的有益效果是：

(1)潜器本体采用多刚体结构，使潜器具有一定柔性，提升机动性并降低转弯半径，从而可以实现在更小的范围内机动作业；

(2)通过潜器各舱段俯仰和偏航运动实现转向，减少动密封环节，提升潜器的可靠性；

(3)通过潜器各舱段俯仰和偏航运动实现上浮、下潜、转向、巡航和潜器姿态控制，降低系统复杂度，提升有效载荷，同时实现模块化设计，便于安装和调试。

附图说明

图1为用于深海探测的多关节潜器总体装配图；

图2为导流舱剖视图；

图3为推进舱剖视图；

图4为控制舱剖视图；

图5为导流舱壳视图；

图6为抛载架视图；

图7为控制舱壳视图；

图8为推进舱壳视图。

图9为两自由度关节总体装配图；

图10为两自由度关节驱动单元主剖视图；

图11为两自由度关节传动单元剖视图；

图12为齿轮架装配图；

图13为两自由度关节主剖视图；

图14为电机架视图；

图15为齿轮架视图；

图16为前盖视图；

图17为后盖视图；

图18为组合齿轮视图。

其中：多关节潜器1、导流舱2、控制舱3、推进舱4、多普勒计程仪5、尾舵6、推进器7、温盐深仪8、天线9、两自由度关节10、单点流速仪11、仪器架b12、仪器架a13、水听器14、下仪器架a15、上仪器架a16、浮力材料b17、导流舱壳18、水声通讯仪19、上紧固架20、下紧固架21、抛载架22、抛载机构23、浮力材料a24、大紧固架b25、大紧固架a26、计程仪架27、浮力材料d28、推进舱壳29、天线30、浮力材料c31、控制舱壳32、中央控制器33、电池34、电源模块35、铱星通讯模块36、gps通讯模块37、安装板b38、安装板a39、陀螺仪40。

其中：驱动单元10-1、传动单元10-2、驱动器10-3、电机架10-4、前盖10-5、齿轮架10-6、后盖10-7、电机10-8、联轴器10-9、端盖a10-10、驱动轴10-11、组合密封10-12、端盖b10-13、套筒a10-14、端盖c10-15、锥齿轮a10-16、轴承a10-17、轴承套筒10-18、轴承b10-19、套筒b10-20、传动轴a10-21、轴承c10-22、端盖d10-23、组合齿轮10-24、套筒e10-25、传动轴b10-26、轴承e10-27、套筒d10-28、锥齿轮b10-29、套筒c10-30、端盖i10-31、轴承d10-32、端盖e10-33、端盖g10-34、端盖f10-35、端盖h10-36。

具体实施方式

参照图1至图8，本发明的关节的应用场景是用于深海探测的多关节潜器1，包括导流舱2、控制舱3、推进舱4、两自由度关节10、推进器7、尾舵6、仪器架a13、仪器架b12、天线9，可搭载温盐深仪8、多普勒计程仪5、单点流速仪11、水听器14等仪器。控制舱3前部和后部与两自由度关节10螺纹连接。导流舱2与推进舱4分别与控制舱前部与后部的两自由度关节10连接。推进器7安装在推进舱4尾部。四个尾舵6绕轴线均布于推进舱4后部。三个水听器14绕轴线均布于推进舱4前部。两个仪器架a13分别安装在推进舱4以及导流舱2的前部和后部。温盐深仪8紧固在仪器架a13上。多普勒计程仪安装在推进舱4中部。天线9连接在推进舱4前部。两个仪器架b12分别安装在控制舱3前部和后部。

参照图2、图5和图6，所述导流舱2包括导流舱壳18、浮力材料a24、浮力材料b17、抛载机构23、抛载架22、上仪器架a16、下仪器架a15、上紧固架20、下紧固架21、水声通讯仪19、温盐深仪8、水听器14。导流舱壳18前部为椭球形，后部为圆柱形，后部下方设有两个圆孔，后部上部设有九个圆孔。三个水听器14安装在导流舱壳18端面的三个安装孔中。浮力材料b17为圆柱体，中心有一个圆孔。浮力材料b17安装在导流舱壳18的后部。浮力材料a24的端部为椭球形，尾部为圆柱形，安装在导流舱壳的前部。下紧固架21为矩形，矩形上边中部设置半圆槽，矩形端面两侧设置螺纹通孔。上紧固架20为半圆环，半圆环端面设置两个长圆通孔。抛载架22为对称结构，分上下两层，均为矩形板，并在中部开设一个圆孔，下层板两侧分别设置半圆形板，并在每侧半圆板中部设置两个长圆形减轻孔，左右设置两个圆形减轻孔。两组上紧固架20通过螺栓贯穿下紧固架21分别安装在抛载架22上下两侧。水声通信仪19被紧固在上紧固架20和下紧固架21之间的圆环内。下仪器架a15通过螺栓穿过到导流舱壳18安装在上仪器架a16上。温盐深仪8被紧固在下仪器架a15和上仪器架a16之间的圆环内。

参照图3和图8，所述推进舱4包括推进舱壳29、浮力材料c31、浮力材料d28、天线9、尾舵6、推进器7、计程仪架27、多普勒计程仪5、下仪器架a15、上仪器架a16、大紧固架a26、大紧固架b25、温盐深仪8。推进舱壳29前部为圆柱形，后部为椭球形，前部下方设有两个圆孔，上部设有九个圆孔，尾部端面设一个孔。浮力材料c31为圆柱体，中心有一个圆孔，安装在推进舱壳29前部。浮力材料d28安装在推进舱壳29后部。大紧固架a26为矩形，矩形上边中部设置半圆槽，矩形端面两侧设置螺纹通孔。大紧固架b25为半圆环，半圆环端面设置两个长圆通孔。计程仪架27为半圆形板，每侧半圆板中部设置两个长圆形减轻孔，左右设置两个圆形减轻孔。一组大紧固架a26通过螺栓贯穿大紧固架b25安装在计程仪架上侧。另一组大紧固架a26通过螺栓贯穿大紧固架b25安装在计程仪架27下侧。多普勒计程仪5紧固在两组大紧固架a26和大紧固架b25之间的圆环内。推进器7安装在推进舱壳29尾部。下仪器架a15通过螺栓穿过推进舱壳29安装在上仪器架a16上。温盐深仪8被禁锢在下仪器架a15和上仪器架a16之间的圆弧内。

参照图4和图7，所述控制舱3包括控制舱壳32、电池34、电源模块35、铱星通讯模块36、gps通讯模块37、中央控制器33、陀螺仪40、安装板a39、安装板b38、两自由度关节10。控制舱壳32为圆柱筒型，为潜器干舱部分，采用耐压设计，内部设置8道加强筋，两侧对称分布两个滑道，两端面分别设置八个螺纹孔，选用高压密封套件以保证干舱的密封性。电池34安装在控制舱壳32内部的滑道上，并用螺栓紧定。安装板a39为长方形，安装在在控制舱3前侧两自由度关节10尾部。中央控制器33安装在安装板a39上。陀螺仪40安装在控制舱3前侧两自由度关节10的控制舱内部分。铱星通讯模块36和gps通讯模块37对称安装在控制舱3后侧两自由度关节10的舱内部分。安装板b38为长方形板，安装在控制舱3后侧两自由度关节10尾部。电源模块35安装在安装板b38上。

工作过程如下：

一种用于深海探测的多关节潜器1由推进器7提供动力，通过驱动两自由度关节10转动，实现导流舱2和推进舱4的俯仰运动和偏航运动，改变导流舱2、控制舱3和推进舱4之间的相对位置，使多关节潜器1本体具有一定柔性，进而改变多关节潜器1水动力特性，实现潜器上浮、下潜、转向和定深巡航等运动方式。当潜器处于水面时，铱星通讯模块36和gps通讯模块37通过天线接收信息，对潜器进行定位。当潜器位于水下时，由水声通讯仪19接收信息，并通过水听器14对潜器进行定位。

多关节潜器1具有较小的正浮力，需要下潜时，驱动两自由度关节10带动导流舱2和控制舱3向下转动，推进器7提供推力，在推力和水作用力的作用下实现潜器下潜。通过调整推进器7的推力和两自由度关节10的转动角度，控制潜器的下潜速度和下潜路径。

多关节潜器1需要上浮时，驱动两自由度关节10，带动导流舱2向上，推进舱4向下，推进器7提供推力，在推力和水作用力的作用下实现潜器上浮。通过调整推进器7的推力和两自由度关节10转动角度，控制潜器的上浮速度和上浮路径。在推进器7失去动力或控制舱进水等紧急情况下，抛载机构23释放抛载架22所搭载的重物，使潜器具有较大的正浮力，从而快速上浮至水面。

多关节潜器1进行大角度转弯时，驱动两自由度关节10同向或异向转动，推进器7提供推力，在推力和水作用力的作用下实现多关节潜器快速转向。通过调整两自由度关节10转动角度控制潜器的转弯半径和转弯路径。

多关节潜器1巡航时，在大部分时间内保持导流舱2，控制舱3和推进舱4同轴线，推进器7提供推力，多普勒计程仪5等设备收集航行数据，根据潜器位姿和航行情况微调两自由度关节10，使潜器保持一定的巡航深度和巡航方向。

多关节潜器1进行水平面的探测时，按照指定规律驱动两自由度关节10，潜器以类似正弦波的路径通过该区域，潜器搭载的温盐深仪8、单点流速仪11等设备收集该区域的水文信息，可一次性完成水平面水文信息收集，提高探测效率。

多关节潜器1进行垂向面的探测时，按照指定规律驱动两自由度关节10，潜器以类似正弦波路径通过该区域，潜器搭载的温盐深仪8、单点流速仪11等设备收集该区域的水文信息，可一次性完成垂向面水文信息收集，提高探测效率。

参照图9和图13，本发明为一种用于深海多关节潜器的两自由度关节，包括驱动单元10-1和传动单元10-2。所述驱动单元10-1的前盖10-5支耳部和传动单元10-2的传动轴a10-21相连接。

参照图10和图13，所述的驱动单元10-1，包括驱动器10-3、电机架10-4、前盖10-5、电机10-8、联轴器10-9、端盖a10-10、驱动轴10-11、组合密封10-12、端盖b10-13、套筒a10-14、端盖c10-15、锥齿轮a10-16、轴承a10-17、轴承套筒10-18、轴承b10-19、套筒b10-20。电机架10-4下部为截面圆形，两侧设有长圆形减轻孔，下面有截面圆形面，并分别开设三个通孔，上部端面上设两个倒l型支耳，支耳端面设置通孔。电机架10-4安装在前盖上。两台电机10-8的输出轴分别通过两个联轴器10-9和两根驱动轴10-11连接。驱动轴10-11为阶梯轴，一侧设有两个螺纹孔。两个驱动器10-3安装在电机架10-4的l型支耳侧面。两个套筒b10-20分别安装在两个驱动轴10-11上，轴承b10-19内圈两侧贴紧套筒b10-20和驱动轴10-11轴肩。轴承b10-19置于轴承套筒10-18内。轴承套筒10-18端面均布设有六个通孔。端盖a10-10通过螺钉连接将轴承套筒10-18紧固在前盖10-5上。前盖10-5为圆形，一端向内凹，设置有螺纹孔，另一端两边各设有支耳，支耳端部为圆形，在圆形内部设有圆孔，采用耐压设计，保证安装电机10-8和驱动器10-3的舱段具有可靠的强度。前盖10-5内凹一侧的两个圆孔内做动密封设计，两个轴承a10-17分别安装在两个圆孔内，通过驱动轴10-11轴肩和套筒a10-14固定轴承a10-17内圈。两个端盖b10-13与前盖10-5螺纹连接，并压紧轴承a10-17外圈。两个锥齿轮a10-16分别安装在两个驱动轴10-11上，锥齿轮a10-16后端面紧靠套筒a10-14，两个端盖c10-15分别与两个驱动轴10-11螺纹连接，并压紧锥齿轮a10-16。

参照图11、图12和图13，所述传动单元10-2，包括齿轮架10-6、后盖10-7、传动轴a10-21、轴承c10-22、端盖d10-23、组合齿轮10-24、套筒e10-25、传动轴b10-26、轴承e10-27、套筒d10-28、锥齿轮b10-29、套筒c10-30、端盖i10-31、轴承d10-32、端盖e10-33、端盖g10-34、端盖f10-35、端盖h10-36。所述组合齿轮10-24由前后两个锥齿组成，前锥齿具有完整圆周轮齿，后锥齿轮具有六分之一圆周轮齿，可根据关节最大转角调整后锥齿轮结构，在两侧端面开设阶梯孔，在前后端面均布设有六个螺纹孔，两个组合齿轮10-24对称安装在传动轴a10-21上。四个轴承c10-22分别安装在两个组合齿轮10-24两端的阶梯孔内，端盖d10-23与组合齿轮10-24前后端面螺纹连接，压紧轴承c10-22外圈。通过套筒e10-25、传动轴a10-21轴肩和套筒c10-30实现组合齿轮10-24和四个轴承c10-22的轴向定位。齿轮架10-6为方形结构，外表面分别设有凸台，在凸台上分别设有台阶孔，并在台阶孔内均布设有六个螺纹通孔，两个轴承d10-32分别安装在齿轮架10-6左右两侧台阶孔内，两个端盖e10-33分别安装在齿轮架10-6左右两侧，并压紧轴承d10-32外圈，套筒c10-30顶住轴承d10-32内圈。组合齿轮10-24后锥齿与锥齿轮a10-16啮合。传动轴a10-21为具有对称结构的阶梯轴，在轴两端设置长圆形凸台，安装在齿轮架10-6左右两孔的轴承d10-32上。端盖i10-31设有长圆形通孔，分别螺纹连接在前盖10-5支耳部两侧。传动轴a10-21两端长圆形凸台分别与两个端盖i10-31的长圆形通孔配合。两个轴承e10-27分别安装在齿轮架10-6上下两侧的台阶孔内，两个端盖f10-35分别螺纹连接在齿轮架10-6上下两侧的台阶孔内，并压紧轴承e10-27外圈。传动轴b10-26为阶梯轴，并在一侧端面设有螺纹孔，另一侧端面设有长圆形凸台，两个传动轴b10-26安装在齿轮架10-6上下两孔中的轴承e10-27上。锥齿轮b10-29端面设有通孔，分别安装在两个传动轴b10-26上，套筒d10-28两侧紧靠锥齿轮b10-29后端面和轴承e10-27内圈，端盖g10-34螺纹连接在传动轴b10-26上，并压紧锥齿轮b10-29。锥齿轮b10-29与组合齿轮10-24前锥齿轮啮合。端盖h10-36设有长圆形通孔，与后盖10-7螺纹连接，并与传动轴b10-26轴端长圆形凸台配合。后盖10-7为圆形，一端向内凹，设置有螺纹孔，另一端两边各设有支耳，支耳端部为圆形，在圆形内部设有圆孔，圆孔周边均布设有六个螺纹孔，并在后盖端面开设多个减轻孔。

本发明的工作过程如下：

当两自由度关节做俯仰运动时，两台电机10-8旋转方向相反，与锥齿轮a10-16啮合的两个组合齿轮10-24转动方向一致，组合齿轮10-24和锥齿轮b10-29之间的不形成传动，电机架10-6内部齿轮组锁死，电机架10-6带动后盖10-7绕传动轴a10-21旋转。

当两自由度关节做偏航运动时，电机10-8旋转方向一致，与锥齿轮a10-16啮合的两个组合齿轮10-24转动方向相反，组合齿轮10-24和锥齿轮b10-29之间形成差动运动机构，电机架10-6带动后盖10-7绕传动轴b10-26旋转。

可根据具体需求调节前盖10-5和后盖10-7具体结构和相应的密封形式。当应用于深海多关节潜器时，前盖10-5和密封舱螺纹连接，后盖10-7与湿舱螺纹连接。该关节结构也可以应用于机械臂、仿生机器人等具有多自由度的机电设备，根据具体需求调整前盖10-4和后盖10-7与设备之间的连接方式。