专利名称：多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水下机械人技术领域，尤其是水下机器人作业机械手 驱动技术领域。
背景技术：
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，技术非常成 熟，油压元件选择非常方便，但泄漏和污染问题难以从根本上克服，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，筒化了液压系统，
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(0.55。1.0)x l(T6m2/s，而油的粘度则为(15^70) xl(T6m2/s。从水/油特性比4交看，水动力粘度(40。C)为矿物型液压油的^，
水的运动粘度(50。C)为矿物型液压油的丄。丄。在压力相同的条件下，通
120 130
过相同间隙时，水的泄漏量比油大10^20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 而使元件和系统失效。
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。
5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，每个手指上配置三才艮圆柱桶，并向圆柱桶内通入不同压力，则三根 圓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，指关节采 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"釆用液压摆线马达驱动，流体介质为液压油；"水 下机械抓手，，釆用磁铁夹紧；"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^L直线运动，液压马达驱动运动部件^L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 品包含各种规格的流量控制阀、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
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。
发明内容
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，本实 用新型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。
所述水压马达为水压摆线马达，或水压柱塞马达，或水压齿轮马达。 所述下盘丝轨迹面19的盘丝轨迹为渐开线轨迹，或抛物线轨迹，或阿 基米德涡线轨迹，或椭圆轨迹，或双曲线轨迹。
所述隔膜27通过环状弹性轴承28连接着缸体25内壁。 所述下盘丝杆15的下部轴身20上设有平键21。下盘丝杆15的下部轴 身20通过弹性联轴器与马达输出轴连接。
所述下连接法兰8另一侧面通过四根连接螺杆连接着安装法兰10。 所述环状弹性轴承28是在水压缸内可动部件隔膜27和固定部件缸体 25内壁之间的圆环形连接部位处，连接部位处采用圆弧过渡，缸体25、隔 膜27和弹性轴承28为一体式。
本实用新型的有益效果是用于水下作业多手指、多关节机械手，运 用水压驱动，通过驱动器的独特设计思想，成功地解决了水压驱动泄漏严 重，传动效率低下的关^^建问题。
多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手结构的特点有 一是根关节传动采用上盘丝齿22与下盘丝齿19相互啮合的形式，借 助相互啮合盘丝齿间的摩擦角，实现了单向传动功能，即下盘丝齿19转动 能驱动上盘丝齿22运动，而上盘丝齿22不能驱动下盘丝齿19转动，也就 是说有逆向传动自锁功能。这种传动形式最大优点是，在机械手维持对操 纵目标的夹持力时，驱动根关节的水压马达9不需要继续注入高压水，可 以最大限度地减少水压马达9高、低压腔压力差维持的时间，减小泄漏造
8成的功率损失。
二是指关节驱动元件采用为多手指、多关节水下作业用水压驱动机械
手专门设计的隔膜式水压缸2。与普通水压缸结构相比，隔膜式水压缸可动 部件不采用活塞而是用隔膜27替代。普通水压缸活塞利用固定部件的缸体 内壁圆柱面导向、支撑，而隔膜式水压缸的隔膜采用弹性轴承28导向、支 撑。两种水压缸的根本区别在于，普通水压缸的活塞与缸体的内壁圆柱面 间存在间隙，无法杜绝泄漏造成的功率损失；隔膜式水压缸的隔膜27、弹 性轴承28与缸体25估支成整体结构，隔膜27与缸体25间通过弹性轴承28 连接，其可动部件与固定部件间不存在间隙，杜绝泄漏造成的功率损失。
多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手的根关节和指关节驱动器 的特殊设计，有结构紧凑、传动效率高，泄漏造成的功率损失小等特点， 满足了水下作业机械手传动效率高、体积小型化、重量轻和能源利用率高 的特殊要求。
图1是本实用新型3指6关节水下作业机械手结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是4艮关节组件示意图。
图4是下盘丝杆结构示意图。
图5是指关节支架结构示意图。
图6是图1的B-B剖切图。
图7是隔膜、缸体组件示意图。
图8是图7的C-C剖切图。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地说明。 实施例1:
参见图1和图2，多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手的根关节 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;
9根关节体14一侧轴向端面设有三个径向导向槽18,见图3,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，见图5和图6，其一端通过销轴孔23、销轴与隔膜式水压缸 的缸体25—端的孔24铰接，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，才几械手指的底部铰接连接着指关节支架12的上盘丝齿22 的背部；指关节支架12借助上盘丝齿22与下盘丝杆15的下盘丝齿19相 互啮合，实现手指与根关节组件间的连接。机械手指共有三个，即左手指3、 中手指4和右手指5。
螺栓11穿过光孔17,将根关节体14和上法兰6连接起来，上连接法 兰6另 一面连接着六维腕力传感器7,用于感知手爪操纵目标的六个方向力， 六维腕力传感器7的另一端通过下连接法兰8连接着水压摆线马达9，水压 摆线马达9是根关节驱动元件。下盖板13安装在上连接法兰6的下端面， 密封上连接法兰6体内设置的电缆槽。
下连接法兰8另一侧面通过四根连接螺杆16连接着安装法兰10，安装 法兰IO用于机械手和机械臂间相互连接。
由图6可见，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，彻底消除了可动部件隔 膜27和固定部件缸体25之间的间隙。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。过载限位板29旨在 防止高压腔内的压力过大，隔膜27或弹性轴承28的变形超过许可范围， 导致隔膜27或弹性轴承28产生不可恢复的弹性变形，造成损坏。
环状弹性轴承28是在水压缸内可动部件隔膜27和固定部件缸体25内 壁之间的圆环形连接部位处，不采用直角过渡，而是采用1。3个圓弧过渡，目的是在实现隔膜27导向和支撑的同时，增大了隔膜27的行程范围；缸 体25、隔膜27和弹性轴承28的整体结构，彻底消除了可动部件隔膜27和 固定部件缸体25之间的间隙。
下盘丝杆15的下部轴身20上设有平键21。下盘丝杆15的下部轴身 20通过弹性联轴器与液压马达输出轴连接。
该机械手包括3个手指和6个关节，三个机械手指为左手指3、中手 指4和右手指5， 6个关节包括3个指关节和3个根关节。其中，3个指关 节用3个隔膜式水压缸分别驱动(也称独立驱动)，3个才艮关节用1个水压摆 线马达驱动(也称欠驱动)。
摆线马达9旋转，经弹性联轴器驱动下盘丝轴20转动，通过下盘丝齿 19和上盘丝齿22的相互啮合，把运动传递给指关节支架12。因为，指关 节支架12只能在根关节组件的导向槽18内滑动，所以当摆线马达9旋转 时，左手指3、中手指4和右手指5同时作径向开合运动，即3个根关节共 用1个水压摆线马达9驱动元件。
当高压水流通过高压水入口 26进入缸体25的高压腔后，隔膜27产生 形变，驱动活塞杆31做直线运动。因为手指通过活塞杆31的孔32铰接， 当活塞杆31做直线伸缩运动时，手指产生相应摆动，即活塞杆31的直线 运动可以驱动相应手指收拢或张开。当高压水入口 26停止通高压水流，压 力切换到与出水口 30相等时，隔膜27的形变逐步恢复，驱动活塞杆31随 之做直线恢复运动，驱动相应手指张开。借此，实现指关节开合动作，指 头与操纵目标之间的接触力，通过高压腔内的压力实现调节。
实施例2:
所用水压马达9为水压柱塞马达；其它同实施例l。 实施例3:
所作水压马达9为水压齿轮马达；其它同实施例l。 实施例4:
下盘丝轨迹面19的盘丝轨迹为抛物线轨迹；其它同实施例1。
ii实施例5:
下盘丝轨迹面19的盘丝轨迹为阿基米德涡线轨迹；其它同实施例1。 实施例6:
下盘丝轨迹面19的盘丝轨迹为双曲线轨迹；其它同实施例1。 实施例7:
下盘丝轨迹面19的盘丝轨迹为椭圓轨迹；其它同实施例l。
权利要求1、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)。
2、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手， 其特征在于所述水压马达为水压摆线马达，或水压柱塞马达，或水压齿 轮马达。
3、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手， 其特征在于所述下盘丝轨迹面(19)的盘丝轨迹为渐开线轨迹，或抛物线轨 迹，或阿基米德涡线專九迹，或椭圆4九迹，或双曲线4九迹。
4、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手，其特征在于所述隔膜(27)通过环状弹性轴承(28)连接着缸体(25)内壁。
5、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手， 其特征在于所述下盘丝杆(15)的下部轴身(20)上设有平键(21)。下盘丝杆(15) 的下部轴身(20)通过弹性联轴器与马达输出轴连接。
6、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手， 其特征在于所述下连接法兰(8)另一側面通过四根连接螺杆连接着安装法兰(io)。
7、 根据权利要求1所述的多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手， 其特征在于所述环状弹性轴承(28)是在水压缸内可动部件隔膜(27)和固定 部件缸体(25)内壁之间的圆环形连接部位处，连接部位处采用圆弧过渡，缸 体(25)、隔膜(27)和弹性轴承(28)为一体式。
专利摘要本实用新型涉及多手指、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。本实用新型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。
文档编号B63C11/52GK201268397SQ20082003872
公开日2009年7月8日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者明 杨, 汪步云, 葛运建, 许德章 申请人:安徽工程科技学院