一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统技术方案

本发明专利技术公开了一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，包括自治水下运载器、电机箱单元、驱动单元、腰部关节单元、腰部平台单元、大臂单元、若干机械臂单元、末端单元以及机械手爪；电机箱单元安装在自治水下运载器上，驱动单元安装在电机箱单元内。本发明专利技术各关节驱动单元全部后置于自治水下运载器中，极大地降低机械臂运动部分的重量、减小运动惯量，降低机械臂的运动对系统的扰动，降低功耗，延长系统的作业时间。采用模块化设计理念，可以根据实际需要增加或减少机械臂数目，调整机械臂使用范围及功能。本发明专利技术结构简单可行，成本低，能替代或弥补现有系统所搭载的传统机械臂的不足之处，对于海洋探索等水下作业任务具有良好的益处。

An Underwater Rope-Driven Manipulator System for Autonomous Underwater Vehicle

The invention discloses an underwater rope-driven manipulator system carried by an autonomous underwater vehicle, which comprises an autonomous underwater vehicle, an electric motor box unit, a driving unit, a waist joint unit, a waist platform unit, a large arm unit, several mechanical arm units, an end unit and a manipulator claw; an electric motor box unit is installed on an autonomous underwater vehicle, and a driving unit is installed on a single electric motor box. Yuan yuan. The joint driving units are all placed in the autonomous underwater vehicle, which greatly reduces the weight of the moving part of the manipulator, reduces the motion inertia, reduces the disturbance of the motion of the manipulator to the system, reduces the power consumption and prolongs the operation time of the system. With modular design concept, the number of manipulators can be increased or reduced according to actual needs, and the range and function of manipulators can be adjusted. The invention has simple and feasible structure, low cost, can replace or make up for the shortcomings of the traditional manipulator carried by the existing system, and has good benefits for underwater operation tasks such as ocean exploration.

【技术实现步骤摘要】
一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统
本专利技术涉及自治水下运载器-机械臂系统
，尤其涉及一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统。
技术介绍
海洋面积辽阔，资源丰富，具有极高的探索价值。对海洋进行探索，自治水下运载器-机械臂系统具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为探索海洋的重要工具。由于自治水下运载器-机械臂系统是一个无根系统，所以机械臂的运动会对自治水下运载器-机械臂系统造成扰动，影响作业精度。扰动的大小与两个因素有关：1、机械臂运动部分的臂重与自治水下运载器自重之比，比值越小，扰动越小；2、机械臂重心和自治水下运载器重心的重合程度，重心位置越接近，扰动越小。因此，一款适用于自治水下运载器搭载的运动部分重量较小、重心靠近基座的机械臂对于自治水下运载器-机械臂系统的作业精度具有促进作用。目前，自治水下运载器搭载的机械臂多为传统机械臂，即采用液压、电机驱动，且驱动装置直接安装在关节转轴处，各关节的驱动装置又成为下一级关节的负载，这使得机械臂运动部分重量大、运动惯量大、重心位置离基座远，对于自治水下运载器-机械臂系统的扰动大，影响作业精度；同时功耗大，且为了保证作业精度，系统需要消耗更多电源来抵消扰动，从而降低了作业时间。考虑到绳索可以实现任意路径间拉力的传递，因此可以将传统机械臂关节上的驱动电机后置于基座位置，利用绳索的自由走线特点，将驱动力传至关节处，实现机械臂关节的运动。驱动装置后置于基座上，可极大地减小机械臂运动部分的重量，降低运动惯量，减小机械臂运动对自治水下运载器-机械臂系统的扰动，提高作业精度；同时降低功耗，延长自治水下运载器-机械臂系统的作业时间。通过对现有公开技术文献检索发现，哈尔滨工程大学张铭均等人研制了一型3自由度水下电驱机械手。该型机械手驱动模块由直流伺服电机和齿轮传动系统等部件组成。中国科学院沈阳自动化研究所张艾群等人研制了一型2自由度水下电驱机械手。该型机械手驱动模块由力矩电机和谐波减速器等构成，结构材料采用聚甲醛，轻量化效果显著。以上几型机械臂对轻量化进行了有益探索，但驱动单元的传统布局限制了其结构进一步优化的空间。南京航空航天大学的徐伟等人的专利(公开号：CN107253182A，名称：绳索驱动多自由度串联机械臂及其驱动方法)及相关论文《7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真》等对钢丝绳索传动机构进行了有益探索，但是其设计的多自由度机械臂，虽然将各关节驱动单元后置到腰部平台上，但仍然会随腰部的运动而运动，转动惯量仍然很大，不适合应用到具体环境中。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，用绳驱动机械臂代替传统机械臂，解决了驱动装置后置的问题，并为减小对自治水下运载器-机械臂系统的扰动，提高作业精度，延长作业时间提供了有益的解决方法。技术方案：一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，包括自治水下运载器、电机箱单元、驱动单元、腰部关节单元、腰部平台单元、大臂单元、若干机械臂单元、末端单元以及机械手爪；所述电机箱单元安装在所述自治水下运载器上，所述驱动单元安装在所述电机箱单元内；所述驱动单元包括腰部驱动单元、大臂驱动单元、各机械臂驱动单元和末端驱动单元；所述腰部驱动单元、大臂驱动单元、各机械臂驱动单元和末端驱动单元均包括驱动电机、安装在驱动电机转轴上的关节驱动轮及绕于关节驱动轮上的绳索组成；所述腰部关节单元包括腰部空心轴、腰部轴承座和腰部支架；所述腰部轴承座与所述自治水下运载器固联，在所述腰部轴承座内侧安装有两个圆锥滚子轴承，所述腰部空心轴通过所述圆锥滚子轴承安装在所述腰部轴承座内；所述腰部支架与所述腰部空心轴固定连接；所述腰部驱动单元的腰部单元驱动绳索的一端绕于所述腰部驱动单元的腰部关节驱动轮并与其固定，另一端绕于所述腰部空心轴并与其固定；所述腰部平台单元包括腰部平台、腰部侧板、各机械臂的单元传动轴、末端单元传动轴和大臂驱动绳索导向滑轮；所述腰部平台与所述腰部支架下端固定连接；所述腰部侧板通过螺钉固定在所述腰部平台两侧；在所述腰部侧板之间安装有水平布置的各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴；所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴均通过腰部轴承与所述腰部侧板相连，在所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴上均固联有相应的传动轮组件和随动轮组件；在所述腰部侧板外侧还安装有大臂驱动绳索导向滑轮；在所述腰部侧板之间通过腰部轴承安装有一水平布置的大臂关节转轴；在所述大臂关节转轴上安装有大臂关节轮组件；所述大臂单元的上端和所述大臂关节轮组件均与所述大臂关节转轴固联；所述大臂驱动单元的大臂单元驱动绳索一端绕于所述大臂驱动单元的大臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴及所述大臂驱动绳索导向滑轮绕于所述大臂关节轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的上端均设有机械臂关节转轴，第一个所述机械臂单元的的上端通过水平布置的机械臂关节转轴与所述大臂单元的下端连接；在所述机械臂关节转轴上安装有机械臂关节轮组件，所述机械臂单元的上端和所述机械臂关节轮组件均与所述机械臂关节转轴固联；各所述机械臂单元的机械臂单元驱动绳索一端绕于各自的机械臂驱动单元上的机械臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴后绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元传动轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的机械臂单元传动绳索的一端绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于相应机械臂的机械臂关节轮组件并与其固定；所述末端单元的上端通过末端关节转轴与最后一个机械臂单元的下端连接，在所述末端关节转轴上安装有末端关节轮组件；所述末端单元的上端和所述末端关节轮组件均与所述末端关节转轴固联；所述末端驱动单元的末端单元驱动绳索一端绕于所述末端驱动单元的末端关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴绕于所述末端单元传动轮组件并与其固定；再通过末端单元传动绳索的一端绕于所述末端单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于所述末端关节轮组件并与其固定；所述机械手爪与所述末端单元的下端固联。还包括驱动绳索张紧装置，所述驱动绳索张紧装置安装在各驱动单元的前方，包括张紧支架、张紧滑块、张紧固定块、定位导向滑轮和张紧导向滑轮；在所述张紧支架中间位置开设有竖直的滑槽，所述张紧滑块通过锁紧螺钉滑动安装在所述滑槽上；所述张紧固定块固定在所述张紧支架上位于所述张紧滑块上方的位置，在所述张紧固定块上打有螺纹通孔，在所述螺纹通孔上安装有调节螺钉，所述调节螺钉下端抵住所述张紧滑块的上端；两个所述定位导向滑轮固定在所述张紧支架上位于所述张紧滑块两侧位置；所述张紧导向滑轮固定于所述张紧滑块上；所述大臂单元、各所述机械臂单元和所述末端单元的驱动绳索置于两个所述定位导向滑轮的下方，所述张紧导向滑轮的上方；需要张紧时，松开所述锁紧螺钉，转动所述调节螺钉使所述张紧滑块向上移动，从而带动所述张紧导向滑轮向上移动，压紧驱动绳索，绳索张紧后，用所述锁紧螺钉固定住所述张紧滑块，完成张紧。在所述腰部单元驱动绳索、各机械臂单元传动绳索以及末端单元传动绳索之间还设有传动绳索张紧装置；所述传动绳索张紧装置包括花篮螺丝、左旋鱼眼螺钉和右旋鱼眼螺钉，所述花本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：包括自治水下运载器(1)、电机箱单元(2)、驱动单元(3)、腰部关节单元(6)、腰部平台单元(7)、大臂单元(8)等若干机械臂单元、末端单元(11)以及机械手爪(12)；所述电机箱单元(2)安装在所述自治水下运载器(1)内，所述驱动单元(3)安装在所述电机箱单元(2)内；所述驱动单元(3)包括腰部驱动单元(301)、大臂驱动单元(302)、各机械臂驱动单元和末端驱动单元(304)；所述腰部驱动单元(301)、大臂驱动单元(302)等各机械臂驱动单元和末端驱动单元(304)均包括驱动电机、安装在驱动电机转轴上的关节驱动轮及绕于关节驱动轮上的绳索组成；所述腰部关节单元(6)包括腰部空心轴(601)、腰部轴承座(603)和腰部支架(607)；所述腰部轴承座(603)与所述自治水下运载器(1)固联，在所述腰部轴承座(603)内侧安装有两个圆锥滚子轴承(604)，所述腰部空心轴(601)通过所述圆锥滚子轴承(604)安装在所述腰部轴承座(603)内；所述腰部支架(607)与所述腰部空心轴(601)固定连接；所述腰部驱动单元(301)的腰部单元驱动绳索(13)的一端绕于所述腰部驱动单元(301)的腰部关节驱动轮(3013)并与其固定，另一端绕于所述腰部空心轴(601)并与其固定；所述腰部平台单元(7)包括腰部平台(701)、腰部侧板(702)、各机械臂的单元传动轴、末端单元传动轴(706)和大臂驱动绳索导向滑轮(719)；所述腰部平台(701)与所述腰部支架(607)下端固定连接；所述腰部侧板(702)通过螺钉固定在所述腰部平台(701)两侧；在所述腰部侧板(702)之间安装有水平布置的各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)；所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)均通过腰部轴承(714)与所述腰部侧板(702)相连，在所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)上均固联有相应的传动轮组件和随动轮组件；在所述腰部侧板(702)外侧还安装有大臂驱动绳索导向滑轮(719)；在所述腰部侧板(702)之间通过腰部轴承(714)安装有一水平布置的大臂关节转轴(801)；在所述大臂关节转轴(801)上安装有大臂关节轮组件(805)；所述大臂单元(8)的上端和所述大臂关节轮组件(805)均与所述大臂关节转轴(801)固联；所述大臂驱动单元(302)的大臂单元驱动绳索(14)一端绕于所述大臂驱动单元(302)的大臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)及所述大臂驱动绳索导向滑轮(719)绕于所述大臂关节轮组件(805)并与其固定；各所述机械臂单元的上端均设有机械臂关节转轴，第一个所述机械臂单元的上端通过水平布置的机械臂关节转轴与所述大臂单元(8)的下端连接；在所述机械臂关节转轴上安装有机械臂关节轮组件，所述机械臂单元的上端和所述机械臂关节轮组件均与所述机械臂关节转轴固联；各所述机械臂单元的机械臂单元驱动绳索一端绕于各自的机械臂驱动单元的机械臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)后绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元传动轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的机械臂单元传动绳索的一端绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于相应机械臂的机械臂关节轮组件并与其固定；所述末端单元(11)的上端通过末端关节转轴(1101)与最后一个机械臂单元的下端连接，在所述末端关节转轴(1101)上安装有末端关节轮组件(1102)；所述末端单元(11)的上端和所述末端关节轮组件(1102)均与所述末端关节转轴(1101)固联；所述末端驱动单元(304)的末端单元驱动绳索(17)一端绕于所述末端驱动单元(304)的末端关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)绕于所述末端单元传动轮组件(707)并与其固定；再通过末端单元传动绳索(18)的一端绕于所述末端单元随动轮组件(708)并与其固定，另一端绕于所述末端关节轮组件(1102)并与其固定；所述机械手爪(12)与所述末端单元(11)的下端固联。...

【技术特征摘要】
1.一种自治水下运载器搭载的水下绳驱动机械臂系统，其特征在于：包括自治水下运载器(1)、电机箱单元(2)、驱动单元(3)、腰部关节单元(6)、腰部平台单元(7)、大臂单元(8)等若干机械臂单元、末端单元(11)以及机械手爪(12)；所述电机箱单元(2)安装在所述自治水下运载器(1)内，所述驱动单元(3)安装在所述电机箱单元(2)内；所述驱动单元(3)包括腰部驱动单元(301)、大臂驱动单元(302)、各机械臂驱动单元和末端驱动单元(304)；所述腰部驱动单元(301)、大臂驱动单元(302)等各机械臂驱动单元和末端驱动单元(304)均包括驱动电机、安装在驱动电机转轴上的关节驱动轮及绕于关节驱动轮上的绳索组成；所述腰部关节单元(6)包括腰部空心轴(601)、腰部轴承座(603)和腰部支架(607)；所述腰部轴承座(603)与所述自治水下运载器(1)固联，在所述腰部轴承座(603)内侧安装有两个圆锥滚子轴承(604)，所述腰部空心轴(601)通过所述圆锥滚子轴承(604)安装在所述腰部轴承座(603)内；所述腰部支架(607)与所述腰部空心轴(601)固定连接；所述腰部驱动单元(301)的腰部单元驱动绳索(13)的一端绕于所述腰部驱动单元(301)的腰部关节驱动轮(3013)并与其固定，另一端绕于所述腰部空心轴(601)并与其固定；所述腰部平台单元(7)包括腰部平台(701)、腰部侧板(702)、各机械臂的单元传动轴、末端单元传动轴(706)和大臂驱动绳索导向滑轮(719)；所述腰部平台(701)与所述腰部支架(607)下端固定连接；所述腰部侧板(702)通过螺钉固定在所述腰部平台(701)两侧；在所述腰部侧板(702)之间安装有水平布置的各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)；所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)均通过腰部轴承(714)与所述腰部侧板(702)相连，在所述各机械臂的单元传动轴和末端单元传动轴(706)上均固联有相应的传动轮组件和随动轮组件；在所述腰部侧板(702)外侧还安装有大臂驱动绳索导向滑轮(719)；在所述腰部侧板(702)之间通过腰部轴承(714)安装有一水平布置的大臂关节转轴(801)；在所述大臂关节转轴(801)上安装有大臂关节轮组件(805)；所述大臂单元(8)的上端和所述大臂关节轮组件(805)均与所述大臂关节转轴(801)固联；所述大臂驱动单元(302)的大臂单元驱动绳索(14)一端绕于所述大臂驱动单元(302)的大臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)及所述大臂驱动绳索导向滑轮(719)绕于所述大臂关节轮组件(805)并与其固定；各所述机械臂单元的上端均设有机械臂关节转轴，第一个所述机械臂单元的上端通过水平布置的机械臂关节转轴与所述大臂单元(8)的下端连接；在所述机械臂关节转轴上安装有机械臂关节轮组件，所述机械臂单元的上端和所述机械臂关节轮组件均与所述机械臂关节转轴固联；各所述机械臂单元的机械臂单元驱动绳索一端绕于各自的机械臂驱动单元的机械臂关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)后绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元传动轮组件并与其固定；各所述机械臂单元的机械臂单元传动绳索的一端绕于相应机械臂单元传动轴上固联的机械臂单元随动轮组件并与其固定，另一端绕于相应机械臂的机械臂关节轮组件并与其固定；所述末端单元(11)的上端通过末端关节转轴(1101)与最后一个机械臂单元的下端连接，在所述末端关节转轴(1101)上安装有末端关节轮组件(1102)；所述末端单元(11)的上端和所述末端关节轮组件(1102)均与所述末端关节转轴(1101)固联；所述末端驱动单元(304)的末端单元驱动绳索(17)一端绕于所述末端驱动单元(304)的末端关节驱动轮并与其固定，另一端通过所述腰部空心轴(601)绕于所述末端单元传动轮组件(707)并与其固定；再通过末端单元传动绳索(18)的一端绕于所述末端单元随动轮组件(708)并与其固定，另一端绕于所述末端关节轮组件(1102)并与其固定；所述机械手爪(12)与所述末端单元(11)的下端固联。2.根据权利要求1所述的水下绳驱动机械臂系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王尧尧，李彬彬，陈柏，华达人，彦飞，席万强，田波，赵锦波，杨扬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32