CN100575187C - 多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多手指、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。

Description

多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手

技术领域

本发明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，例如压电陶瓷驱动，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，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℃时的粘度为(0.55∽1.0)×10^-6m²/s，而油的粘度则为(15∽70)×10^-6m²/s。从水/油特性比较看，水动力粘度(40℃)为矿物型液压油的

水的运动粘度(50℃)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∽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，引起冲蚀磨损，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1010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：1)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，每个手指上配置三根圆柱桶，并向圆柱桶内通入不同压力，则三根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”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做直线运动，液压马达驱动运动部件做旋转运动。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。为了满足常规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。

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。

本发明的有益效果是：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，传动效率低下的关键问题。

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做成整体结构，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。

附图说明

图1是本发明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是根关节组件示意图。

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

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

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；

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25一端的孔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，机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10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个圆弧过渡，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个根关节用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1。

实施例3：

所作水压马达9为水压齿轮马达；其它同实施例1。

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。

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的盘丝轨迹为椭圆轨迹；其它同实施例1。

Claims (7)

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环状弹性轴承(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，或阿基米德涡线轨迹，或椭圆轨迹，或双曲线轨迹。

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)通过弹性联轴器与水压马达输出轴连接。

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)另一侧面通过四根连接螺杆连接着安装法兰(10)。

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)和环状弹性轴承(28)为一体式。

Images