本发明专利技术涉及多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手。其包括３个手指、６个关节。其中，３个手指的根关节由水压摆线马达驱动；３个手指的指关节分别由隔膜式水压缸独立驱动，根关节组件的端面盘丝齿与３个手指根部齿相互啮合，由摆线马达驱动，将运动传递到３个手指根部，驱使手指根部分别在各自导向槽内做径向运动，实现３个手指大行程开合动作。根关节采用端面盘丝齿传动机构，运用其机械自锁机构特性，最大限度地减少高、低压腔压力差维持的时间，减小泄漏造成的功率损失。隔膜式水压缸的可动部件（隔膜）与缸体间采用机械弹性轴承连接，彻底杜绝泄漏造成的功率损失。本发明专利技术成功地解决了水压驱动泄漏严重，传动效率低下的关键问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下机械人
，尤其是水下机器人作业机械手驱动
技术介绍
作业机械手的功能是维持对操纵目标的形状和力约束，完成特定作业 任务，如抓取、装配作业等。依据功能不同，作业机械手通常划分为夹持 器和灵巧手两大类。其中，灵巧手具备采用多手指、多关节特征。在现有 技术条件下，关节驱动一般有三种动力形式。 一是电磁驱动，如电机、电 磁铁等，二是流体驱动，包括气动、液压和水压驱动，三是特殊驱动元件， 例如压电陶资驱动，^磁致伸缩驱动等。考察作业机械手作业能力的主要指标有两个 一是操纵目标的灵活性， 二是负荷能力。其中，机械手操纵目标灵活性一般用手指个数和关节个数 衡量，当手指个数和关节个数越多时，机械手操纵目标的灵活性越强，即 可以选择多种方式操纵目标；负荷能力指机械手针对目标所能提供的最大 约束力。水下机械手作业环境比较特殊，涉及密封和水下压力补偿两大难 题。很显然，当手指和关节个数增多时，机械结构将变得复杂，增加了密 封困难。因此，目前水下机械手通常采用两爪夹持器，主动关节个数一般 只有1个。另外，水下作业通常要求机械手负荷比较大，且结构紧凑，因 此关节一般采用液压驱动，且液压驱动的介质通常选择矿物型液压油。以矿物型液压油作为介质的液压驱动虽然实现比较简单，4支术非常成 熟，油压元件选择非常方便，但泄漏和污染问题难以从才艮本上克服，同时 需要携带液压油，配置油箱等辅助装置，整个系统显得比较庞大。另外， 水下载体空间有限，难以携带比较庞大的水下液压系统。鉴于上述原因，本专利提出水下作业机械手水压直接驱动。虽然，水压驱动可以取用工作现场的水源，不需要携带工作介质，也不需要配置水箱，简化了液压系统，但水压驱动面临较多技术困难，主要表现为1) 水的粘性低。纯水在50。C时的粘度为(0.55wi.o)x 10-6m2/s，而油的粘度则为(15^70) xl(T6m2/s。从水/油特性比较看，水动力粘度(40。C)为矿物型液压油的^， 水的运动粘度(50。C)为矿物型液压油的^。^。在压力相同的条件下，通过相同间隙时，水的泄漏量比油大10 w20倍。2) 磨损性水介质的粘压系数只有液压油的1/30,在同等工作情况下，水的最小 润滑膜厚度只有液压油的0.16倍，润滑膜厚度的减小伴随摩擦副表面的直 接接触，引起边界摩擦或干摩擦，产生严重的粘着磨损、磨粒磨损、疲劳 磨损。同时，低粘度会导致高速水流，引起沖蚀磨损，这些磨损将大大缩 短摩擦副寿命，进一步扩大工作表面之间的配合间隙并加剧内部泄漏，从 而4吏元件和系统失岁文。3) 腐蚀性水介质的导电率是液压油的IOIO倍，腐蚀性强，极易引起水压系统元 件的电化学腐蚀。4) 气蚀性与水击水介质的蒸汽压是液压油的107倍，更易汽化和沸腾。水的密度较液 压油大，高速流动时惯性大，容易在元件和系统的过流通道中形成局部真 空，使水汽化或使水中溶解的气体气析产生大量气穴并在高压区溃灭，从 而导致过流表面的严重气蚀，引起水液压系统的振动与噪声、缩短元件寿 命、降低容积效率和工作性能。此外，水的弹性模量是液压油的1.5。2.4 倍，水的压缩性小、刚性大，当系统中水流速度和方向突然变化时会产生 压力冲击，其形成的水击在系统中会导致振动与噪声，降低元件和系统的 性能与可靠性。 针对上述问题，水下作业机械手水压驱动往往采用特殊的技术措施。例如l)欧洲有关国家科学家合作研制的AMADEUS三指水下机械手驱动 元件，每个手指上配置三^f艮圆柱桶，并向圆柱桶内通入不同压力，则三才艮 圆柱桶的轴向深缩量不同，驱动手指做开合运动。2)日本小松实验室 (Research Division KOMATUS Ltb)研制的水下三指机械手驱动器，指关节釆 用橡皮肌肉驱动元件，原理是往橡皮管内通入压力，使橡皮管膨胀变形驱 动手指开合。国内涉及水下机械手专利有5项，分别是"一种强作业水下机器人用 水下机械手腕部结构(200510136710.8)"、"水下机械抓手(200420069960.5)"、"水下机械手腕部结构(200520145995.7)"、"强作业型水下机器人用水下机 械手伸缩关节(200620168723.3)"、"水下机械手多功能平行手爪 (90207036.3)，，。其中，"一种强作业水下机器人用水下机械手腕部结构"和"水下机械手腕部结构"采用液压摆线马达驱动，流体介质为液压油；"水 下机械抓手"采用磁铁夹紧；"强作业型水下机器人用水下机械手伸缩关节" 采用液压缸驱动，介质也是液压油；"水下机械手多功能平行手爪"是一种 水下手动作业工具，无动力配置，通过潜水员手动操纵。国内上述5项专利，都不具备本专利所述的水下作业机械手水压驱动 特征。常见的液压驱动元件有两种基本形式，即液压缸和液压马达。其中， 液压缸驱动运动部件^故直线运动，液压马达驱动运动部件^f故;旋转运动。液 压缸和液压马达都是利用高压腔和低压腔的压力差，驱动运动部件做旋转 或直线运动。为了满足常M/液压缸和液压马达活动部件与固定部件间相互 运动的要求，活动部件与固定部件之间必须维持一定间隙。高压腔的流体 经过活动部件与固定部件间的间隙流向低压腔时，将伴随能量损失。目前，通过陶瓷、不锈钢、铝合金等特殊材料和特定成型工艺的运用， 在解决水压驱动元件耐磨损、抗气蚀性与水击等方面，技术日益成熟、可 靠。日本川崎重工业技术研究所、日本NABCO公司、芬兰Tampere科技大学和丹麦Danfoss公司都有商业化产品出售，尤其是Danfoss公司，其产 品包含各种M^格的流量控制阀、压力控制阀、方向控制阀、水压泵、水压 马达等，种类比较齐全，能满足本专利水下作业机械手水压驱动系统水压 元件选型要求。另外，水下作业机械手驱动功率比较小，水压驱动系统的 流量比较小，流速也比较低，气蚀性与水击问题不太突出，能较好地获得 解决。在水下作业机械手水压驱动系统中，主要技术难点在于泄漏和功率损 失。因水的粘度不足矿物型液压油粘度的百分之一，泄漏比油压驱动要严 重得多，驱动效率将迅速下降。在无缆水下机器人中，能源的供应来自于 蓄电池，为了最大限度地提高无缆水下机器人的续航能力，对作业系统能 源利用效率的要求极为严格。因此，最大限度地降低泄漏造成的能量损失， 是水下作业机械手水压驱动的首要问题，需要采用特殊技术手段，才能有 希望克服这一技术难题。
技术实现思路
为了解决水压驱动水下作业机械手因泄漏造成的能量损失问题，本发 明提供一种新结构多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手。 实现上述目的的技术方案如下多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手的才艮关节壳体1包括圆柱 筒状的根关节体14和位于其轴向内的下盘丝杆15;根关节体14 一侧轴向端面设有三个径向导向槽18，下盘丝杆15的轴 向截面为T形，下盘丝杆15的顶面为下盘丝轨迹面19,下盘丝轨迹面19 对应着导向槽18;每个导向槽18内设有指关节支架12,指关节支架12为L形，其一端 连接着隔膜式水压缸的缸体25，其另一端位于导向槽内，且与下盘丝杆顶 面配合的对应面上设有上盘丝齿22;隔膜式水压缸的活塞杆31的外伸端连 接着机械手指中部，机械手指的底部活动连接着指关节支架12的上盘丝齿 22的背部本文档来自技高网...
【技术保护点】
多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手，其特征在于： 该机械手的根关节壳体（１）包括圆柱筒状的根关节体（１４）和位于其轴向内的下盘丝杆（１５）； 根关节体（１４）一侧轴向端面设有三个径向导向槽（１８），下盘丝杆（１５）的轴向截面为Ｔ形，下盘丝杆（１５）的顶面为下盘丝轨迹面（１９），下盘丝轨迹面（１９）对应着导向槽（１８）； 每个导向槽（１８）内设有指关节支架（１２），指关节支架（１２）为Ｌ形，其一端连接着隔膜式水压缸的缸体（２５），其另一端位于导向槽内，且与下盘丝杆顶面配合的对应面上设有上盘丝齿（２２）；隔膜式水压缸的活塞杆（３１）的外伸端连接着机械手指中部，机械手指的底部活动连接着指关节支架（１２）的上盘丝齿（２２）的背部； 根关节体（１４）另一侧轴向端面通过上连接法兰（６）连接着六维腕力传感器（７），六维腕力传感器（７）的另一端通过下连接法兰（８）连接着水压马达； 所述隔膜式水压缸包括弹性轴承（２８）、缸体（２５）、活塞杆（３１）、过载限位板（２９）和隔膜（２７），缸体（２５）内由隔膜（２７）轴向分隔为高压腔和低压腔，隔膜（２７）通过环状弹性轴承（２８）连接着缸体（２５）内壁，与过载限位板（２９）对应的隔膜（２７）侧壁连接着活塞杆（３１），活塞杆（３１）另一端经低压腔伸至缸体（２５）外；高压腔一侧壁设有高压水入口（２６），低压腔侧壁设有出水口（３０）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：许德章，杨明，葛运建，汪步云，
申请(专利权)人：安徽工程科技学院，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]
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