一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪。

背景技术

目前水下机械抓手主要有两种驱动形式：液压驱动和电动驱动。液压驱动机械手主要由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由液压油缸驱动机械手执行机构进行工作，通常具有很大的抓举能力。液压驱动式机械手手爪主要特点是抓举力大，但是液压驱动式机械手爪的驱动系统复杂，对液压元件也有较高的制造精度和密封要求。与液压驱动式机械手手爪相比，电动驱动式机械手体积小、运动平稳，结构紧凑、精度高并且系统组成简单。驱动电机一般采用步进电机和直流伺服电机，由于电机速度高，通常需要采用减速机构。电动式机械手适用于夹持力小、工作空间受限、需要精准控制的场合。

现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：

(1)液压驱动式机械手爪需要液压驱动系统的支持，驱动系统复杂，对液压元件有较高的制作精度和密封要求，适用性不高，特别不适用于不带液压系统的场合。

(2)现有电动驱动式机械手的手爪结构容易造成手指运动的卡死。

(3)现有电动驱动式机械手的手爪结构夹持力较小。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪，该机械手手爪采用丝杆螺母传动与四连杆结构，通过丝杆螺母传动将电机的旋转运动变换为驱动四连杆结构所需的直线运动，从而实现驱动的两手指机械爪的张开和闭合，具有结构紧凑、转动灵活、负载力大及不易卡死等优点。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪，包括手指执行结构组件、四连杆驱动结构、丝杆螺母传动组件、电机驱动系统、密封件及紧固件；所述手指执行结构组件为手指形状的结构组件，用于抓取和夹持物件；所述四连杆驱动结构与手指执行结构组件相连，用于驱动手指执行结构组件进行开合运动；所述丝杆螺母传动组件分别与四连杆驱动结构和电机驱动系统相连，用于带动四连杆驱动结构运动；所述电机驱动系统用于驱动丝杆螺母传动组件进行运动；所述密封件分别安装于各个组件的接口处，用于将整个结构的腔体封闭起来；所述紧固件分别安装于各个结构的的连接位置，用于将整个结构固定连接起来。

进一步地，所述手指执行结构组件包括第一外部夹持器与第二外部夹持器，所述第一外部夹持器和第二外部夹持器的结构均呈L形，对称分布于机械爪轴线的两侧，是夹持物件直接接触的部分；在L形一侧直方向加工有半圆柱凹槽孔，沿夹持器抓合面横向加工有一个半圆柱贯穿型凹槽孔，与竖向的半圆柱型凹槽相贯穿。

进一步地，所述四连杆驱动结构是由L形夹持器、钳口支撑的一边、定位杆端和方形驱动杆、连杆组组成2套手指的四连杆驱动结构；

所述连杆组包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆，连杆呈长方形，沿连杆中心位置对称加工有两个圆销孔，分别用于连接L形外部夹持器、钳口支撑和定位杆端；

所述定位杆端为长方形方块，在正面加工有个两个圆销孔，顶端对称中心处加工有阶梯斜孔；

所述钳口支撑为左右对称结构，呈Y字形，钳口支撑中心轴上加工有大方形凹槽和贯穿的圆柱形孔，底端为法兰盘，沿法兰盘均匀加工通孔，通过第一内六角头螺栓将钳口支撑与电机外部上端外壳相连接；钳口支撑两侧加工有用于固定第一外部夹持器与第二外部夹持器的销孔，两个销孔各安装有滑动轴承；钳口支撑的圆柱中心通孔上加工有沿轴向分布凹槽，将第一O型密封圈安装于凹槽中；

所述方形驱动杆的一侧是阶梯圆柱形轴，另外一侧是方形轴；阶梯圆柱形轴端顶部沿轴向加工有螺纹孔，用于第二紧固螺钉将方形驱动杆与定位端杆位置相固定；方形轴侧内部加工有螺纹孔和圆孔，螺纹孔用于连接丝杆螺母的螺母；方形驱动杆的圆柱轴安装到钳口支撑中心圆柱孔上；方形驱动杆的方形轴与钳口支撑的方形孔配合，这样方形驱动杆可在钳口支撑轴向运动。

进一步地，所述第一外部夹持器和第二外部夹持器的L形另外一侧加工有两个圆柱销孔，第一支撑连接销和第二支撑连接销分别将第一外部夹持器和第二外部夹持器的外部圆柱销孔固定安装到钳口支撑的对应销孔上，并通过第一紧固螺钉固定，在圆销两侧一端各加装一个止动弹性挡圈；第一外部夹持器和第二外部夹持器的内侧圆销孔分别通过第一推杆连接销、第二推杆连接销、第一连杆连接销、第二连杆连接销安装固定到第一连杆、第四连杆和第二连杆、第三连杆，在圆销两侧各加装一个止动弹性挡圈。

优选地，所述丝杆螺母传动组件包括丝杆螺母组件，所述丝杆螺母组件由丝杆和滚动螺母组成，螺母上外圆处加工有螺纹，丝杆螺母组件的螺母通过螺纹连接方形驱动杆方形轴侧的内螺纹孔上；丝杆一侧轴上加工有外螺纹，通过螺纹连接到驱动转接板的内孔上，并用丝杆紧固螺母固定。

进一步地，所述电机驱动系统包括电机外部上端外壳、电机外部接口外壳、精密谐波减速机组件、无框力矩电机及摩擦式制动保持器组件、驱动转接板；圆盘状的的驱动转接板紧贴着精密谐波减速机组件的输出轴安装并用第二内六角头螺栓固定，无框力矩电机及摩擦式自动保持器组件紧贴着精密谐波减速器组件安装并用第三内六角头螺栓固定，在它们的外部套有电机外部上端外壳；电机外部接口外壳法兰盘侧与电机外部上端外壳的法兰盘通过第四内六角头螺栓和螺母连接。

进一步地，所述电机外部接口外壳为圆柱状壳体，沿轴向安装有贯穿的内孔，一端加工有法兰盘，用于与电机外部上端外壳的法兰盘连接；在电机外部接口外壳圆柱外两端表面上各加工有一O型圈槽，用于安装第二O型密封圈和第三O型密封圈；靠近法兰盘处沿圆柱径向加工有均匀分布的通孔，用于电机外部接口外壳与外部设备连接固定。

进一步地，电机外部接口外壳与外部设备连接处加工有O型圈槽，用于安装第四O型密封圈。

优选地，所述驱动转接板呈法兰盘形状，圆盘中心部位加工有一阶梯孔，用以装入丝杆螺母的丝杆；驱动转接板紧贴于精密谐波减速器组件输出轴上，用第二内六角头螺栓与谐波减速器相固定。

优选地，所述电机驱动系统将电机的旋转运动转化为丝杠螺母传动组件的直线运动，丝杠螺母传动组件带动四连杆驱动结构沿中心轴线做直线运动，四连杆驱动结构带动手指执行结构组件的两套手指做开合运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)电驱式机械手手爪系统组成简单，适用范围广。

(2)采用伺服电机、丝杆螺母、四连杆摆动的两对开手指主从结构，系统简单，控制精度高、运动平稳。

(3)四连杆机构的手指夹持力大、运动灵活、不易卡死。

(4)相对于液压驱动机械手，电驱式机械手不存在液压油污染环境的问题。

(5)相对于液压驱动机械手，电驱式机械手适用于不带液压系统的场合。

(6)相对于液压驱动机械手，电驱式机械手手爪体积更加小，方便在空间受限的领域使用。

附图说明

图1是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的立体结构示意图。

图2是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的右视图。

图3是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的A-A剖面图。

图4是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的手爪结构的爆炸图。

图5是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的手爪结构的主视图。

图6是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的手爪结构的俯视图。

图7是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的手爪结构的左视图。

图8是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的丝杆螺母与驱动结构的爆炸图。

图9是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的电机的主视图。

图10是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的电机的俯视图。

图11是本发明所提供的一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪的电机的内部爆炸图。

附图标记说明：1、第一外部夹持器；2、第二外部夹持器；3、第一推杆连接销；4、第一紧固螺钉；5、钳口支撑；6、第二紧固螺钉；7、定位端杆；8、方形驱动杆；9、第一O型密封圈；10、丝杆螺母组件；11、第一内六角头螺栓；12、第二O型密封圈；13、电机外部上端外壳；14、第二内六角头螺栓；15、第三内六角头螺栓；16、精密谐波减速机组件；17、无框力矩电机及摩擦式自动保持器组件；18、外部电气接线端子；19、螺母；20、驱动转接板；21、丝杆紧固螺母；22、第三O型密封圈；23、第四内六角头螺栓；24、电机外部接口外壳；25、第四O型密封圈；26、弹性挡圈；27、第一连杆；28、滑动轴承；29、第一支撑连接销；30、第一连杆连接销；31、第二推杆连接销；32、第二支撑连接销；33、第二连杆连接销；34、第二连杆；35、第三连杆；36、第四连杆。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪，包括手指执行结构组件、四连杆驱动结构、丝杆螺母传动组件、电机驱动系统、密封件及紧固件；所述手指执行结构组件为手指形状的结构组件，用于抓取和夹持物件；所述四连杆驱动结构与手指执行结构组件相连，用于驱动手指执行结构组件进行开合运动；所述丝杆螺母传动组件分别与四连杆驱动结构和电机驱动系统相连，用于带动四连杆驱动结构运动；所述电机驱动系统用于驱动丝杆螺母传动组件进行运动；所述密封件分别安装于各个组件的接口处，用于将整个结构的腔体封闭起来；所述紧固件分别安装于各个结构的的连接位置，用于将整个结构固定连接起来。

具体地，如图1-图11所示，所述手指执行结构组件包括第一外部夹持器1与第二外部夹持器2，所述第一外部夹持器1和第二外部夹持器2的结构均呈L形，对称分布于机械爪轴线的两侧，是夹持物件直接接触的部分；在L形一侧直方向加工有半圆柱凹槽孔，沿夹持器抓合面横向加工有一个半圆柱贯穿型凹槽孔，与竖向的半圆柱型凹槽相贯穿。

所述四连杆驱动结构是由L形夹持器、钳口支撑5的一边、定位杆端7和方形驱动杆8、连杆组组成2套手指的四连杆驱动结构；

所述连杆组包括第一连杆27、第二连杆34、第三连杆35、第四连杆36，连杆呈长方形，沿连杆中心位置对称加工有两个圆销孔，分别用于连接L形外部夹持器、钳口支撑5和定位杆端7；

所述定位杆端7为长方形方块，在正面加工有个两个圆销孔，顶端对称中心处加工有阶梯斜孔；

所述钳口支撑5为左右对称结构，呈Y字形，钳口支撑5中心轴上加工有大方形凹槽和贯穿的圆柱形孔，底端为法兰盘，沿法兰盘均匀加工通孔，通过第一内六角头螺栓11将钳口支撑5与电机外部上端外壳13相连接；钳口支撑5两侧加工有用于固定第一外部夹持器1与第二外部夹持器2的销孔，两个销孔各安装有滑动轴承28；钳口支撑5的圆柱中心通孔上加工有沿轴向分布凹槽，将第一O型密封圈9安装于凹槽中；

所述方形驱动杆8的一侧是阶梯圆柱形轴，另外一侧是方形轴；阶梯圆柱形轴端顶部沿轴向加工有螺纹孔，用于第二紧固螺钉6将方形驱动杆8与定位端杆7位置相固定；方形轴侧内部加工有螺纹孔和圆孔，螺纹孔用于连接丝杆螺母的螺母；方形驱动杆8的圆柱轴安装到钳口支撑5中心圆柱孔上；方形驱动杆8的方形轴与钳口支撑5的方形孔配合，这样方形驱动杆8可在钳口支撑5轴向运动。

所述第一外部夹持器1和第二外部夹持器2的L形另外一侧加工有两个圆柱销孔，第一支撑连接销29和第二支撑连接销32分别将第一外部夹持器1和第二外部夹持器2的外部圆柱销孔固定安装到钳口支撑5的对应销孔上，并通过第一紧固螺钉4固定，在圆销两侧一端各加装一个止动弹性挡圈26；第一外部夹持器1和第二外部夹持器2的内侧圆销孔分别通过第一推杆连接销3、第二推杆连接销31、第一连杆连接销30、第二连杆连接销33安装固定到第一连杆27、第四连杆36和第二连杆34、第三连杆35，在圆销两侧各加装一个止动弹性挡圈26。

所述丝杆螺母传动组件包括丝杆螺母组件10，所述丝杆螺母组件10由丝杆和滚动螺母组成，螺母上外圆处加工有螺纹，丝杆螺母组件10的螺母通过螺纹连接方形驱动杆8方形轴侧的内螺纹孔上；丝杆一侧轴上加工有外螺纹，通过螺纹连接到驱动转接板20的内孔上，并用丝杆紧固螺母21固定。

所述电机驱动系统包括电机外部上端外壳13、电机外部接口外壳24、精密谐波减速机组件16、无框力矩电机及摩擦式制动保持器组件17、驱动转接板20；圆盘状的的驱动转接板20紧贴着精密谐波减速机组件16的输出轴安装并用第二内六角头螺栓14固定，无框力矩电机及摩擦式自动保持器组件17紧贴着精密谐波减速器组件16安装并用第三内六角头螺栓15固定，在它们的外部套有电机外部上端外壳13；电机外部接口外壳24法兰盘侧与电机外部上端外壳13的法兰盘通过第四内六角头螺栓23和螺母19连接。

所述电机外部接口外壳24为圆柱状壳体，沿轴向安装有贯穿的内孔，一端加工有法兰盘，用于与电机外部上端外壳13的法兰盘连接；在电机外部接口外壳24圆柱外两端表面上各加工有一O型圈槽，用于安装第二O型密封圈12和第三O型密封圈22；靠近法兰盘处沿圆柱径向加工有均匀分布的通孔，用于电机外部接口外壳24与外部设备连接固定。

电机外部接口外壳24与外部设备连接处加工有O型圈槽，用于安装第四O型密封圈25。

所述驱动转接板20呈法兰盘形状，圆盘中心部位加工有一阶梯孔，用以装入丝杆螺母的丝杆；驱动转接板20紧贴于精密谐波减速器组件16输出轴上，用第二内六角头螺栓14与谐波减速器相固定。

所述电机驱动系统将电机的旋转运动转化为丝杠螺母传动组件的直线运动，丝杠螺母传动组件带动四连杆驱动结构沿中心轴线做直线运动，四连杆驱动结构带动手指执行结构组件的两套手指做开合运动。

实施例

如图1-图11所示，一种四连杆丝杆螺母电驱式水下机械手手爪，包括手指执行结构组件、四连杆驱动结构、丝杆螺母传动组件、电机驱动系统、密封件及紧固件等；所述手指执行结构组件，由第一外部夹持器1与第二外部夹持器2组成，夹持器呈L形，对称分布于机械爪轴线的两侧，是夹持物件直接接触的部分，且第一外部夹持器1及第二外部夹持器2抓合面均加工有半圆柱型凹槽，用于抓取T形手柄；所述四连杆驱动结构，由L形夹持器、钳口支撑5的一边、定位杆端7和方形驱动杆8、连杆组成；电机作为动力源，将旋转运动传递给丝杆螺母，丝杆螺母组件10的滚动螺母通过螺纹紧固到方形驱动杆8上，方形驱动杆8安装在钳口支撑5中心孔内，方形边和钳口支撑5内四角形孔配合，限制方形驱动杆8的旋转运动而只能做直线运动，方形驱动杆8上端通过第二紧固螺钉6连接定位杆端7，通过定位杆端7的直线运动驱动四连杆结构，使两套手指做开合运动；所述丝杆螺母组件10，由丝杆和滚动螺母组成，丝杆下端通过螺纹连接到驱动转接板20，驱动转接板20固定到电机输出轴并带动丝杆做旋转运动，使得与丝杆配合的滚动螺母沿丝杆做直线和旋转运动；所述电机驱动系统，由无框力矩电机及摩擦式制动保持器组件17、精密谐波减速器组件16、驱动转接板20组成，无框力矩电机及摩擦式自动保持器组件17通过驱动转接板20连接丝杆，精密谐波减速器组件16对电机进行降速同时提高输出扭矩，摩擦式制动保持器组件，当手爪完成抓合运动时，保持器可以利用摩擦力使电机输出轴保持不动，从而使得手爪保持合爪状态；所述密封件分别安装于钳口支撑5内孔凹槽、电机外部上端外壳13、电机外部接口外壳24，将整个结构的腔体封闭起来；所述电机外部接口外壳24的内壁上设有外部电气接线端子18，用于连接外部电源；电机驱动系统通过驱动转接板20带动丝杆螺母的运动，将电机的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动，丝杠螺母带动驱动方形驱动杆8在钳口支撑5内孔中沿中心轴线做直线运动，从而驱动四连杆驱动系统带动两套手指做绕钳口支撑5摆动的开合运动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。