一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构

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1.本发明属于海洋工程技术领域，尤其涉及一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构。

背景技术：

2.下电动机械臂通常安装在水下机器人上执行水下抓取、切割、钻凿等作业任务，是水下机器人不可或缺的作业工具，在海洋工程领域具有广泛的应用。由于水下电动机械臂工作于海水介质中，现有的水下电动机械臂通常仅配备单一的作业工具，不具备多种作业工具水下自动更换的能力，其难点在于如何实现水密动力源至作业工具的动力传递，以及作业工具更换后的锁紧限位问题。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，包括电机驱动组件、作业工具和锁紧组件，电机驱动组件和作业工具通过锁紧组件锁紧固定；
4.电机驱动组件包括壳体、设置于壳体内部的电机以及密封固定于壳体端部的端盖，壳体另一端与机械臂的关节舱密封连接，壳体通过端盖和关节舱实现内部水密；电机的定子与壳体的内壁粘接，电机的转子与电机的电机轴粘接，电机轴为中空式电机轴，端盖中部向中空式电机轴内凹设并形成有凹槽，电机轴靠近端盖一端的内壁上设有多个第一弧形磁钢；
5.输入轴靠近电机驱动组件的一端端部外周设有多个第二弧形磁钢；
6.当电机驱动组件通过锁紧组件与作业工具锁紧时，输入轴伸入凹槽内，第一弧形磁钢与第二弧形磁钢配合组成磁耦合联轴器，实现电机驱动组件和作业工具的非接触式回转动力传输。
7.进一步地，还包括基座，基座设于电机驱动组件和作业工具之间，并与作业工具相固定，基座为中空式基座，输入轴伸出基座设置；
8.基座朝向电机驱动组件一端的端面上等间距设有多个定位销，端盖设有多个与定位销配合设置的多个定位孔，多个定位销与多个定位孔一一对应，电机驱动组件通过定位销和定位孔实现与基座的旋转限位。
9.进一步地，壳体于关节仓一侧的端部设有轴承座，轴承座设有第一深沟球轴承，壳体靠近端盖一侧的内壁固定有第二深沟球轴承，第二深沟球轴承套设于电机轴外周，电机轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承提供回转支承。
10.进一步地，锁紧组件包括锁紧壳，锁紧壳的两端设有前端盖和后端盖，前端盖设有通孔，锁紧壳内部设有锁紧钩，锁紧钩一端通过通孔伸出前端盖并设有钩子，基座外周设有支耳，电机驱动组件通过钩子勾住支耳实现与作业工具的锁紧；
11.锁紧钩另一端外周设有密封槽，密封槽安装有格莱圈，格莱圈两侧设有用于保证
锁紧钩端部与后端盖之间水密的挡盖，锁紧件外周套设有波簧，波簧设置于挡盖和后端盖之间，后端盖设有用于注入高压油的进油孔。
12.进一步地，锁紧钩中部设置有台阶面，锁紧钩的竖截面为半圆形截面，通孔为半圆形通孔，锁紧钩通过半圆形通孔配合半圆形截面限制自身的回转。
13.进一步地，锁紧组件的数量为至少两个，多个锁紧组件等间距固定于壳体外周，支耳的数量大于等于锁紧组件的数量，且锁紧组件与支耳相对设置。
14.进一步地，还包括工具盘，工具盘设有安装槽，作业工具通过基座卡设于安装槽内。
15.进一步地，作业工具为抓手、切割机或钻头，工具盘设有三个安装槽，抓手、切割机和钻头分别卡设于不同的安装槽内。
16.进一步地，位于吊耳和作业工具之间的基座的外周还相对设有多个台阶平面，三个安装槽内周皆设有与多个平面台阶一一对应的限位台阶面，抓手、切割机和钻头皆通过台阶平面与限位台阶面相配合以及吊耳与工具盘表面的限位实现与各自所在的安装槽的卡设；
17.多个支耳的结构设置相同，支耳与钩子相连接的侧面为内凹的圆弧面。
18.一种用于水下机械臂作业工具自动更换方法，包括如下步骤：
19.s1：控制水下机械臂使其带动已使用结束的作业工具进入工具盘对应的安装槽内，并保证基座垂向放置；
20.s2：通过进油孔向锁紧组件内注入高压油，使锁紧钩克服波簧的作用力向作业工具方向移动，进而使锁紧钩的钩子与支耳分离；
21.s3：控制作业工具向上运动，使定位销与端盖上的定位孔脱离；
22.s4：控制电机驱动组件转动，使锁紧钩处于相邻的两个支耳之间的拆分；
23.s5：控制电机驱动组件移动，实现作业工具与电机驱动组件；
24.s6：将电机驱动组件与其他作业工具的输入轴同轴设置，且保证锁紧钩位于相邻的两个支耳之间；
25.s7：控制电机驱动组件朝向其他作业工具运动；
26.s8：控制电机驱动组件转动，使锁紧钩与支耳在同一轴线上，并对锁紧组件泄压，锁紧钩在波簧的作用下实现与支耳的锁紧；
27.s9：控制电机驱动组件来回旋转，在此过程中，通过锁紧组件的作用力使定位销自动进入定位孔中，完成其他作业工具与电机驱动组件的安装，进而完成水下机械臂作业工具的自动更换。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
29.1、本发明水下机械臂作业工具自动更换与锁紧机构采用磁耦合联轴器方案，解决动力源与作业工具间的非接触式动力传递方问题，保证了作业工具驱动电机的水密。
30.2、本发明水下机械臂作业工具自动更换与锁紧机构配备了液压驱动的锁紧组件，保证作业工具更换后的工作稳定性。
31.3、本发明水下机械臂作业工具自动更换与锁紧机构可实现抓手、钻头、切割机等三种作业工具的水下自动更换，提升了水下机械臂的作业能力。
附图说明
32.图1为本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构的结构示意图；
33.图2为本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构中电机驱动组件的剖视结构图；
34.图3为本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构中抓手和基座的剖视结构图；
35.图4为本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构中锁紧组件的剖视结构图；
36.图5为本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构各作业工具与工具盘的装配图。
37.图中，1、电机驱动组件；101、壳体；102、轴承座；103、第一深沟球轴承；104、电机轴；105、定子；106、转子；107、端盖；108、接近开关；109、第二深沟球轴承；110、第一弧形磁钢；2、抓手；201、第二弧形磁钢；202、输入轴；203、角接触球轴承；204、基座；205、伸缩件；206、定位销；207、手抓；3、锁紧组件；301、后端盖；302、锁紧壳；303、挡盖；304、格莱圈；305、波簧；306、前端盖；307、锁紧钩；4、切割机；5、钻头；6、工具盘。
具体实施方式
38.下面将结合示意图对本发明一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
39.本发明公开一种应用于水下机械臂末端作业工具自动更换的传动与锁紧机构，能够实现图2所示的抓手、钻头、切割机等三种作业工具的水下自动更换与锁紧，提升水下机械臂的作业能力。
40.如图1所示，水下机械臂末端作业工具自动更换的传动与锁紧机构包括电机驱动组件1、作业工具以及三个相同的锁紧组件3，
41.电机驱动组件1为作业工具动作执行提供旋转动力，且可作为作业工具的安装固定基座；
42.参考图5，作业工具可根据作业需要分别换装抓手2、切割机4、钻头5等三种类型的工具；作业工具的动力来源均为电机驱动组件1所提供的旋转驱动力；抓手2、切割机4和钻头5未换装时分别放置在工具盘6对应的安装槽内。
43.以下内容以抓手为例进行详细说明。
44.三个相同的锁紧组件3均匀布置在电机驱动组件1的壳体101外周，用于抓手与电机驱动组件1的锁紧；
45.如图2所示，的电机驱动组件1由壳体101、端盖107、电机轴104、电机的定子105、电机的转子106等部件组成；壳体101外周为六边形设计，其六边形各平面用于安装锁紧组件3，根据锁紧力大小需要，可设置三个或六个锁紧组件3；壳体101的右侧安装有端盖107，并在端盖107外周设置有o形圈密封槽；端盖107中间向内设置有凹槽，且凹槽中心处设置有接
近开关108，并通过螺纹密封实现端盖107与接近开关108间的静密封，优选地可选用外螺纹为m8的常闭式接近开关；壳体101的左侧可与机械臂其他关节舱段连接，进而保证壳体101内部的水密；电机的定子105与壳体101内壁粘接，电机的转子106与电机轴104转接，电机轴104由第一深沟球轴承103和第二深沟球轴承109提供回转支撑；优选的电机选用无框直流无刷电机，型号为苏州研一yfl060系列电机；第一深沟球轴承103外周由轴承座102支撑，轴承座102与壳体101通过螺钉紧固；第二深沟球轴承109设置在壳体101上；电机轴104采用中空式设计，凹槽伸入电机轴4内设置，电机轴4右侧内部设置有8个第一弧形磁钢110，第一弧形磁钢110为弧形大磁钢；
46.参考图3，抓手2包括基座204、输入轴202、伸缩件205等部件；基座204作为手爪的固定底座，其外周设置有六个支耳，且支耳右侧为内凹的圆弧面；基座204支耳右侧外部圆柱面加工有两个台阶平面，当其卡入工具盘6的安装槽后，两个台阶平面与预先设置在安装槽内周的两个限位台阶面相配合，通过限位台阶面与台阶平面的配合，辅助支耳与工具盘表面的限制能够实现轴向、径向和回转限位；基座204内部设置有两个角接触球轴承203，为输入轴202提供径向与轴向运动支撑；输入轴202左侧外部设置有8个第二弧形磁钢201，第二弧形磁钢201为弧形小磁钢；伸缩件205左侧深入输入轴202内部，且伸缩件205与输入轴202上设置有螺纹，当输入轴202转动时可实现伸缩件205的往复运动，进而带动末端的手爪207开合；基座204上设置有三个等间距布置的定位销206，用于基座204与端盖107配合后的径向定位；
47.输入轴202左侧小磁钢201一端可置入端盖107凹槽内，进而与电机轴104右侧内部大磁钢110配合组成磁耦合联轴器，实现电机轴104至输入轴202的非接触式回转动力传输；
48.伸缩件205在输入轴202转动时沿电机驱动组件1轴向往复运动；伸缩件205往左侧运动，当其左端与接近开关108即将接触时，接近开关108将反馈电气信号，进而实现对手爪207合拢极限位置的检测，实现上电初始时刻的位置校准；
49.参考图4，锁紧组件3包括锁紧壳302、后端盖301、前端盖306、锁紧钩307、波簧305等部件；锁紧壳302内部为中空式光滑圆柱面，外部一侧为平面式设计，用于与壳体101的安装与固定；锁紧壳302左侧设置有后端盖301，右侧设置有前端盖306，内部设置有锁紧钩307；锁紧钩307左端外周设置有两个密封槽用于安装格莱圈304，格莱圈304两侧分别设置有相同的挡盖303，可保证锁紧钩307往复运动时左侧腔体的水密；锁紧钩307左侧截面为半圆形，进而可与前端盖306中间的半圆形通孔配合，可限制锁紧钩307的回转运动；锁紧钩307右侧加工成钩子形状，用于与基座204外周内凹的圆弧面的支耳配合，当锁紧钩307的钩子钩住基座204支耳时，可实现对抓手2的锁紧；波簧305设置在锁紧壳302内部，其套装在锁紧钩307的外周，可为锁紧钩307提供向左运动的作用力；后端盖301中部设置有进油孔，可为锁紧钩307左侧的腔体通入高压油，为锁紧钩307提供向右运动的作用力。
50.抓手2的自动拆卸与钻头5的自动安装两种流程；
51.抓手2的自动拆卸流程具体为：
52.1、控制水下机械臂使其带动抓手2进入工具盘6对应凹槽内，并保证抓手2垂向放置，即电机驱动组件1在上、抓手2在下；
53.2、将高压油经锁紧组件3的后端盖301注油口进入锁紧钩307的左侧腔体，进而使锁紧钩307克服波簧305作用力而向右运动，使锁紧钩307与基座204外周内倾式支耳分离；
54.3、控制末端抓手2向上运动6mm，使定位销206与端盖107上定位孔脱离；
55.4、控制电机驱动组件1转动30
°
，使锁紧钩307处于基座204外周支耳的空隙处；
56.5、控制电机驱动组件1向上运动，即可实现抓手2的拆卸；
57.钻头5的自动安装流程具体为：
58.1、将电机驱动组件1放置于输入轴202的上方并处于同轴位置，且保证锁紧钩307处于基座204外周支耳的空隙处；
59.2、控制电机驱动组件1向下运动，直至端盖107端面与基座204端面相距6mm为止；
60.3、锁紧钩307左侧注入高压油，使锁紧钩307处于伸出极限状态；
61.4、控制电机驱动组件1转动30
°
，并对锁紧钩307左侧泄压，使锁紧钩307在波簧305作用下实现与基座204支耳的锁紧；
62.5、为保证定位销206能够顺利进入端盖107的定位孔，可控制电机驱动组件1分别左转5
°
和右转5
°
，此过程中，借助锁紧组件1作用力可使定位销206自动进入端盖107的定位孔中。
63.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，包括电机驱动组件(1)、作业工具和锁紧组件(3)，电机驱动组件(1)和所述作业工具通过锁紧组件(3)锁紧固定；所述电机驱动组件(1)包括壳体(101)、设置于所述壳体(101)内部的电机以及密封固定于所述壳体(101)端部的端盖(107)，所述壳体(101)另一端与机械臂的关节舱密封连接，所述壳体(101)通过所述端盖(107)和所述关节舱实现内部水密；所述电机的定子(105)与所述壳体(101)的内壁粘接，所述电机的转子(106)与所述电机的电机轴(104)粘接，所述电机轴(104)为中空式电机轴，所述端盖(107)中部向所述中空式电机轴内凹设并形成有凹槽，所述电机轴(104)靠近所述端盖(107)一端的内壁上设有多个第一弧形磁钢(110)；所述输入轴(203)靠近所述端盖(107)的一端端部外周设有多个第二弧形磁钢(201)；当所述电机驱动组件(1)通过所述锁紧组件(3)与所述作业工具锁紧时，所述输入轴(203)伸入所述凹槽内，所述第一弧形磁钢(201)与所述第二弧形磁钢(201)配合组成磁耦合联轴器，实现所述电机驱动组件(1)和所述作业工具的非接触式回转动力传输。2.根据权利要求1所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，还包括基座(204)，所述基座(204)设于所述电机驱动组件(1)和所述作业工具之间，并与所述作业工具相固定；所述基座(204)朝向所述电机驱动组件(1)一端的端面上等间距设有多个定位销(206)，所述端盖(107)设有多个与所述定位销(206)配合设置的多个定位孔，多个所述定位销(206)与多个所述定位孔一一对应，所述电机驱动组件(1)通过所述定位销(206)和定位孔实现与所述基座(204)的旋转限位。3.根据权利要求2所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，所述壳体(101)于所述关节仓一侧的端部设有轴承座(102)，所述轴承座(102)设有第一深沟球轴承(103)，所述壳体(101)靠近所述端盖(107)一侧的内壁固定有第二深沟球轴承(109)，所述第二深沟球轴承(109)套设于所述电机轴(104)外周，所述电机轴(104)通过所述第一深沟球轴承(103)和第二深沟球轴承(109)提供回转支承。4.根据权利要求3所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，所述锁紧组件(3)包括锁紧壳(301)，所述锁紧壳(301)的两端设有前端盖(306)和后端盖(302)，所述前端盖(306)设有通孔，所述锁紧壳(301)内部设有锁紧钩(307)，所述锁紧钩(307)一端通过所述通孔伸出前端盖(306)并设有钩子，所述基座(204)外周设有支耳，所述电机驱动组件(1)通过所述钩子勾住支耳实现与所述作业工具的锁紧；所述锁紧钩(307)另一端外周设有密封槽，所述密封槽安装有格莱圈(304)，所述格莱圈(304)两侧设有用于保证锁紧钩(307)端部与所述后端盖(302)之间水密的挡盖(303)，所述锁紧件(307)外周套设有波簧(305)，所述波簧(305)设置于所述挡盖(303)和所述后端盖(302)之间，所述后端盖(302)设有用于注入高压油的进油孔。5.根据权利要求4所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，所述锁紧钩(307)的竖截面为半圆形截面，所述通孔为半圆形通孔，所述锁紧钩(307)通过所述半圆形通孔配合所述半圆形截面限制自身的回转。6.根据权利要求5所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，所述锁紧组件(3)的数量为至少两个，多个所述锁紧组件(3)等间距固定于所述壳
体(101)外周，所述支耳的数量大于等于所述锁紧组件(3)的数量，且所述锁紧组件(3)与所述支耳相对设置。7.根据权利要求6所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，还包括工具盘(6)，所述工具盘(6)设有安装槽，所述作业工具通过所述基座(204)卡设于所述安装槽内。8.根据权利要求7所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，所述作业工具为抓手(2)、切割机(4)或钻头(5)，所述工具盘(6)设有三个安装槽，所述抓手(2)、切割机(4)和钻头(5)分别卡设于不同的安装槽内。9.根据权利要求8所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，位于所述吊耳和作业工具之间的所述基座(204)的外周还相对设有多个台阶平面，三个所述安装槽内周皆设有与多个所述平面台阶一一对应的限位台阶面，所述抓手(2)、切割机(4)和所述钻头(5)皆通过台阶平面与所述限位台阶面相配合以及吊耳与所述工具盘(6)表面的限位实现与各自所在的安装槽的卡设；多个所述支耳的结构设置相同，所述支耳与所述钩子相连接的侧面为内凹的圆弧面。10.一种用于水下机械臂作业工具自动更换方法，使用如权利要求1-9任意一项所述的用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，其特征在于，包括如下步骤：s1：控制水下机械臂使其带动已使用结束的作业工具进入工具盘(6)对应的安装槽内，并保证基座(204)垂向放置；s2：通过进油孔向锁紧组件(3)内注入高压油，使锁紧钩(307)克服波簧(305)的作用力向作业工具方向移动，进而使锁紧钩(307)的钩子与支耳分离；s3：控制作业工具向上运动，使定位销(206)与端盖(107)上的定位孔脱离；s4：控制电机驱动组件(1)转动，使锁紧钩(307)处于相邻的两个支耳之间；s5：控制电机驱动组件(1)移动，实现作业工具与电机驱动组件(1)的拆分；s6：将电机驱动组件(1)与其他作业工具的输入轴(202)同轴设置，且保证锁紧钩(307)位于相邻的两个支耳之间；s7：控制电机驱动组件(1)朝向所述其他作业工具运动；s8：控制电机驱动组件(1)转动，使锁紧钩(307)与支耳在同一轴线上，并对所述锁紧组件(3)泄压，锁紧钩(307)在波簧(305)的作用下实现与支耳的锁紧；s9：控制电机驱动组件(1)来回旋转，在此过程中，通过锁紧组件(3)的作用力使定位销(206)自动进入定位孔中，完成所述其他作业工具与电机驱动组件(1)的安装，进而完成水下机械臂作业工具的自动更换。

技术总结

本发明提供一种用于水下机械臂作业工具自动更换的传动与锁紧机构，该机构包括电机驱动组件、作业工具以及三个相同的锁紧组件，其中作业工具涉及抓手、钻头和切割机三种类型，锁紧组件均匀布置在电机驱动组件壳体外周，本发明可实现三种作业工具的水下自动更换，并通过锁紧组件提供锁紧力，且得益于磁耦合联轴器进行非接触式动力传递，具备水密性能好、更换可靠、作业稳定的特点。作业稳定的特点。作业稳定的特点。