多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手的製作方法

2023-04-24 20:44:11 1

專利名稱：多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及水下機械人技術領域，尤其是水下機器人作業機械手 驅動技術領域。
背景技術：
作業機械手的功能是維持對操縱目標的形狀和力約束，完成特定作業 任務，如抓取、裝配作業等。依據功能不同，作業機械手通常劃分為夾持 器和靈巧手兩大類。其中，靈巧手具備採用多手指、多關節特徵。在現有 技術條件下，關節驅動一般有三種動力形式。 一是電磁驅動，如電機、電 磁鐵等，二是流體驅動，包括氣動、液壓和水壓驅動，三是特殊驅動元件， 例如壓電陶資驅動，/磁致伸縮驅動等。
考察作業機械手作業能力的主要指標有兩個 一是操縱目標的靈活性， 二是負荷能力。其中，機械手操縱目標靈活性一般用手指個數和關節個數 衡量，當手指個數和關節個數越多時，機械手操縱目標的靈活性越強，即 可以選擇多種方式操縱目標；負荷能力指機械手針對目標所能提供的最大 約束力。水下機械手作業環境比較特殊，涉及密封和水下壓力補償兩大難 題。很顯然，當手指和關節個數增多時，機械結構將變得複雜，增加了密 封困難。因此，目前水下機械手通常採用兩爪夾持器，主動關節個數一般 只有1個。另外，水下作業通常要求機械手負荷比較大，且結構緊湊，因 此關節一般採用液壓驅動，且液壓驅動的介質通常選擇礦物型液壓油。
以礦物型液壓油作為介質的液壓驅動雖然實現比較簡單，技術非常成 熟，油壓元件選擇非常方便，但洩漏和汙染問題難以從根本上克服，同時 需要攜帶液壓油，配置油箱等輔助裝置，整個系統顯得比較龐大。另外， 水下載體空間有限，難以攜帶比較龐大的水下液壓系統。鑑於上述原因，
本專利提出水下作業機械手水壓直接驅動。雖然，水壓驅動可以取用工作現場的水源，不需要攜帶工作介質，也不需要配置水箱，筒化了液壓系統，
但水壓驅動面臨較多技術困難，主要表現為
1) 水的粘性低。
純水在50。C時的粘度為(0.55。1.0)x l(T6m2/s，而油的粘度則為(15^70) xl(T6m2/s。從水/油特性比4交看，水動力粘度(40。C)為礦物型液壓油的^，
水的運動粘度(50。C)為礦物型液壓油的丄。丄。在壓力相同的條件下，通
120 130
過相同間隙時，水的洩漏量比油大10^20倍。
2) 磨損性
水介質的粘壓係數只有液壓油的1/30，在同等工作情況下，水的最小 潤滑膜厚度只有液壓油的0.16倍，潤滑膜厚度的減小伴隨摩擦副表面的直 接接觸，引起邊界摩擦或幹摩擦，產生嚴重的粘著磨損、磨粒磨損、疲勞 磨損。同時，低粘度會導致高速水流，引起沖蝕磨損，這些磨損將大大縮 短摩擦副壽命，進一步擴大工作表面之間的配合間隙並加劇內部洩漏，從 而使元件和系統失效。
3) 腐蝕性
水介質的導電率是液壓油的IOIO倍，腐蝕性強，極易引起水壓系統元 件的電化學腐蝕。
4) 氣蝕性與水擊
水介質的蒸汽壓是液壓油的107倍，更易汽化和沸騰。水的密度較液 壓油大，高速流動時慣性大，容易在元件和系統的過流通道中形成局部真 空，使水汽化或使水中溶解的氣體氣析產生大量氣穴並在高壓區潰滅，從 而導致過流表面的嚴重氣蝕，引起水液壓系統的振動與噪聲、縮短元件壽 命、降低容積效率和工作性能。此外，水的彈性模量是液壓油的1.5^2.4 倍，水的壓縮性小、剛性大，當系統中水流速度和方向突然變化時會產生 壓力衝擊，其形成的水擊在系統中會導致振動與噪聲，降低元件和系統的 性能與可靠性。
5針對上述問題，水下作業機械手水壓驅動往往採用特殊的技術措施。
例如l)歐洲有關國家科學家合作研製的AMADEUS三指水下機械手驅動 元件，每個手指上配置三才艮圓柱桶，並向圓柱桶內通入不同壓力，則三根 圓柱桶的軸向深縮量不同，驅動手指做開合運動。2)日本小松實驗室 (Research Division KOMATUS Ltb)研製的水下三指機械手驅動器，指關節採 用橡皮肌肉驅動元件，原理是往橡皮管內通入壓力，使橡皮管膨脹變形驅 動手指開合。
國內涉及水下機械手專利有5項，分別是"一種強作業水下機器人用 水下機械手腕部結構(200510136710.8)"、"水下機械抓手(200420069960.5)"、
"水下機械手腕部結構(200520145995.7)"、"強作業型水下機器人用水下機 械手伸縮關節(200620168723.3)"、"水下機械手多功能平行手爪 (90207036.3)，，。其中，"一種強作業水下機器人用水下機械手腕部結構"和
"水下機械手腕部結構"釆用液壓擺線馬達驅動，流體介質為液壓油；"水 下機械抓手，，釆用磁鐵夾緊；"強作業型水下機器人用水下機械手伸縮關節" 採用液壓缸驅動，介質也是液壓油；"水下機械手多功能平行手爪，，是一種 水下手動作業工具，無動力配置，通過潛水員手動操縱。
國內上述5項專利，都不具備本專利所述的水下作業機械手水壓驅動 特徵。
常見的液壓驅動元件有兩種基本形式，即液壓缸和液壓馬達。其中， 液壓缸驅動運動部件^L直線運動，液壓馬達驅動運動部件^L旋轉運動。液 壓缸和液壓馬達都是利用高壓腔和低壓腔的壓力差，驅動運動部件做旋轉 或直線運動。為了滿足常M/液壓缸和液壓馬達活動部件與固定部件間相互 運動的要求，活動部件與固定部件之間必須維持一定間隙。高壓腔的流體 經過活動部件與固定部件間的間隙流向低壓腔時，將伴隨能量損失。
目前，通過陶瓷、不鏽鋼、鋁合金等特殊材料和特定成型工藝的運用， 在解決水壓驅動元件耐磨損、抗氣蝕性與水擊等方面，技術日益成熟、可 靠。日本川崎重工業技術研究所、日本NABCO公司、芬蘭Tampere科技大學和丹麥Danfoss公司都有商業化產品出售，尤其是Danfoss公司，其產 品包含各種規格的流量控制閥、壓力控制閥、方向控制閥、水壓泵、水壓 馬達等，種類比較齊全，能滿足本專利水下作業機械手水壓驅動系統水壓 元件選型要求。另外，水下作業機械手驅動功率比較小，水壓驅動系統的 流量比較小，流速也比較低，氣蝕性與水擊問題不太突出，能較好地獲得
在水下作業機械手水壓驅動系統中，主要技術難點在於洩漏和功率損 失。因水的粘度不足礦物型液壓油粘度的百分之一，洩漏比油壓驅動要嚴 重得多，驅動效率將迅速下降。在無纜水下機器人中，能源的供應來自於 蓄電池，為了最大限度地提高無纜水下機器人的續航能力，對作業系統能 源利用效率的要求極為嚴格。因此，最大限度地降低洩漏造成的能量損失， 是水下作業機械手水壓驅動的首要問題，需要採用特殊技術手段，才能有 希望克服這一技術難題。
發明內容
為了解決水壓驅動水下作業機械手因洩漏造成的能量損失問題，本實 用新型提供一種新結構多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手。 實現上述目的的技術方案如下
多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手的根關節殼體1包括圓柱 筒狀的根關節體14和位於其軸向內的下盤絲杆15;
根關節體14 一側軸向端面設有三個徑嚮導向槽18,下盤絲杆15的軸 向截面為T形，下盤絲杆15的頂面為下盤絲軌跡面19,下盤絲軌跡面19 對應著導向槽18;
每個導向槽18內設有指關節支架12,指關節支架12為L形，其一端 連接著隔膜式水壓缸的缸體25，其另一端位於導向槽內，且與下盤絲杆頂 面配合的對應面上設有上盤絲齒22;隔膜式水壓缸的活塞杆31的外伸端連 接著機械手指中部，機械手指的底部活動連接著指關節支架12的上盤絲齒 22的背部；根關節體14另 一側軸向端面通過上連接法蘭6連接著六維腕力傳感器 7，六維腕力傳感器7的另一端通過下連接法蘭8連接著水壓馬達；
所述隔膜式水壓缸包括彈性軸承28、缸體25、活塞杆31、過載限位板 29和隔膜27，缸體25內由隔膜27軸向分隔為高壓腔和低壓腔，隔膜27 通過環狀彈性軸承28連接著缸體25內壁，與過載限位板29對應的隔膜27 側壁連接著活塞杆31,活塞杆31另一端經低壓腔伸至缸體25外；高壓腔 一側壁設有高壓水入口 26,低壓腔側壁設有出水口 30。
所述水壓馬達為水壓擺線馬達，或水壓柱塞馬達，或水壓齒輪馬達。 所述下盤絲軌跡面19的盤絲軌跡為漸開線軌跡，或拋物線軌跡，或阿 基米德渦線軌跡，或橢圓軌跡，或雙曲線軌跡。
所述隔膜27通過環狀彈性軸承28連接著缸體25內壁。 所述下盤絲杆15的下部軸身20上設有平鍵21。下盤絲杆15的下部軸 身20通過彈性聯軸器與馬達輸出軸連接。
所述下連接法蘭8另一側面通過四根連接螺杆連接著安裝法蘭10。 所述環狀彈性軸承28是在水壓缸內可動部件隔膜27和固定部件缸體 25內壁之間的圓環形連接部位處，連接部位處採用圓弧過渡，缸體25、隔 膜27和彈性軸承28為一體式。
本實用新型的有益效果是用於水下作業多手指、多關節機械手，運 用水壓驅動，通過驅動器的獨特設計思想，成功地解決了水壓驅動洩漏嚴 重，傳動效率低下的關^^建問題。
多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手結構的特點有 一是根關節傳動採用上盤絲齒22與下盤絲齒19相互嚙合的形式，借 助相互嚙合盤絲齒間的摩擦角，實現了單向傳動功能，即下盤絲齒19轉動 能驅動上盤絲齒22運動，而上盤絲齒22不能驅動下盤絲齒19轉動，也就 是說有逆向傳動自鎖功能。這種傳動形式最大優點是，在機械手維持對操 縱目標的夾持力時，驅動根關節的水壓馬達9不需要繼續注入高壓水，可 以最大限度地減少水壓馬達9高、低壓腔壓力差維持的時間，減小洩漏造
8成的功率損失。
二是指關節驅動元件採用為多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械
手專門設計的隔膜式水壓缸2。與普通水壓缸結構相比，隔膜式水壓缸可動 部件不採用活塞而是用隔膜27替代。普通水壓缸活塞利用固定部件的缸體 內壁圓柱面導向、支撐，而隔膜式水壓缸的隔膜採用彈性軸承28導向、支 撐。兩種水壓缸的根本區別在於，普通水壓缸的活塞與缸體的內壁圓柱面 間存在間隙，無法杜絕洩漏造成的功率損失；隔膜式水壓缸的隔膜27、彈 性軸承28與缸體25估支成整體結構，隔膜27與缸體25間通過彈性軸承28 連接，其可動部件與固定部件間不存在間隙，杜絕洩漏造成的功率損失。
多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手的根關節和指關節驅動器 的特殊設計，有結構緊湊、傳動效率高，洩漏造成的功率損失小等特點， 滿足了水下作業機械手傳動效率高、體積小型化、重量輕和能源利用率高 的特殊要求。


圖1是本實用新型3指6關節水下作業機械手結構示意圖。
圖2是圖1的A-A剖視圖。
圖3是4艮關節組件示意圖。
圖4是下盤絲杆結構示意圖。
圖5是指關節支架結構示意圖。
圖6是圖1的B-B剖切圖。
圖7是隔膜、缸體組件示意圖。
圖8是圖7的C-C剖切圖。
具體實施方式
以下結合附圖，通過實施例對本實用新型作進一步地說明。 實施例1:
參見圖1和圖2，多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手的根關節 殼體1包括圓柱筒狀的根關節體14和位於其軸向內的下盤絲杆15;
9根關節體14一側軸向端面設有三個徑嚮導向槽18,見圖3,下盤絲杆 15的軸向截面為T形，下盤絲杆15的頂面為下盤絲軌跡面19,下盤絲軌 跡面19對應著導向槽18;每個導向槽18內設有指關節支架12，指關節支 架12為L形，見圖5和圖6，其一端通過銷軸孔23、銷軸與隔膜式水壓缸 的缸體25—端的孔24鉸接，其另一端位於導向槽內，且與下盤絲杆頂面 配合的對應面上設有上盤絲齒22;隔膜式水壓缸的活塞杆31的外伸端連接 著機械手指中部，才幾械手指的底部鉸接連接著指關節支架12的上盤絲齒22 的背部；指關節支架12藉助上盤絲齒22與下盤絲杆15的下盤絲齒19相 互嚙合，實現手指與根關節組件間的連接。機械手指共有三個，即左手指3、 中手指4和右手指5。
螺栓11穿過光孔17,將根關節體14和上法蘭6連接起來，上連接法 蘭6另 一面連接著六維腕力傳感器7,用於感知手爪操縱目標的六個方向力， 六維腕力傳感器7的另一端通過下連接法蘭8連接著水壓擺線馬達9，水壓 擺線馬達9是根關節驅動元件。下蓋板13安裝在上連接法蘭6的下端面， 密封上連接法蘭6體內設置的電纜槽。
下連接法蘭8另一側面通過四根連接螺杆16連接著安裝法蘭10，安裝 法蘭IO用於機械手和機械臂間相互連接。
由圖6可見，隔膜式水壓缸包括彈性軸承28、缸體25、活塞杆31、過 載限位板29和隔膜27,缸體25內由隔膜27軸向分隔為高壓腔和低壓腔， 隔膜27通過環狀彈性軸承28連接著缸體25內壁，徹底消除了可動部件隔 膜27和固定部件缸體25之間的間隙。與過載限位板29對應的隔膜27側 壁連接著活塞杆31,活塞杆31另一端經低壓腔伸至缸體25外；高壓腔一 側壁設有高壓水入口 26，低壓腔側壁設有出水口 30。過載限位板29旨在 防止高壓腔內的壓力過大，隔膜27或彈性軸承28的變形超過許可範圍， 導致隔膜27或彈性軸承28產生不可恢復的彈性變形，造成損壞。
環狀彈性軸承28是在水壓缸內可動部件隔膜27和固定部件缸體25內 壁之間的圓環形連接部位處，不採用直角過渡，而是採用1。3個圓弧過渡，目的是在實現隔膜27導向和支撐的同時，增大了隔膜27的行程範圍；缸 體25、隔膜27和彈性軸承28的整體結構，徹底消除了可動部件隔膜27和 固定部件缸體25之間的間隙。
下盤絲杆15的下部軸身20上設有平鍵21。下盤絲杆15的下部軸身 20通過彈性聯軸器與液壓馬達輸出軸連接。
該機械手包括3個手指和6個關節，三個機械手指為左手指3、中手 指4和右手指5， 6個關節包括3個指關節和3個根關節。其中，3個指關 節用3個隔膜式水壓缸分別驅動(也稱獨立驅動)，3個才艮關節用1個水壓擺 線馬達驅動(也稱欠驅動)。
擺線馬達9旋轉，經彈性聯軸器驅動下盤絲軸20轉動，通過下盤絲齒 19和上盤絲齒22的相互嚙合，把運動傳遞給指關節支架12。因為，指關 節支架12隻能在根關節組件的導向槽18內滑動，所以當擺線馬達9旋轉 時，左手指3、中手指4和右手指5同時作徑向開合運動，即3個根關節共 用1個水壓擺線馬達9驅動元件。
當高壓水流通過高壓水入口 26進入缸體25的高壓腔後，隔膜27產生 形變，驅動活塞杆31做直線運動。因為手指通過活塞杆31的孔32鉸接， 當活塞杆31做直線伸縮運動時，手指產生相應擺動，即活塞杆31的直線 運動可以驅動相應手指收攏或張開。當高壓水入口 26停止通高壓水流，壓 力切換到與出水口 30相等時，隔膜27的形變逐步恢復，驅動活塞杆31隨 之做直線恢復運動，驅動相應手指張開。藉此，實現指關節開合動作，指 頭與操縱目標之間的接觸力，通過高壓腔內的壓力實現調節。
實施例2:
所用水壓馬達9為水壓柱塞馬達；其它同實施例l。 實施例3:
所作水壓馬達9為水壓齒輪馬達；其它同實施例l。 實施例4:
下盤絲軌跡面19的盤絲軌跡為拋物線軌跡；其它同實施例1。
ii實施例5:
下盤絲軌跡面19的盤絲軌跡為阿基米德渦線軌跡；其它同實施例1。 實施例6:
下盤絲軌跡面19的盤絲軌跡為雙曲線軌跡；其它同實施例1。 實施例7:
下盤絲軌跡面19的盤絲軌跡為橢圓軌跡；其它同實施例l。
權利要求1、多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手，其特徵在於該機械手的根關節殼體(1)包括圓柱筒狀的根關節體(14)和位於其軸向內的下盤絲杆(15)；根關節體(14)一側軸向端面設有三個徑嚮導向槽(18)，下盤絲杆(15)的軸向截面為T形，下盤絲杆(15)的頂面為下盤絲軌跡面(19)，下盤絲軌跡面(19)對應著導向槽(18)；每個導向槽(18)內設有指關節支架(12)，指關節支架(12)為L形，其一端連接著隔膜式水壓缸的缸體(25)，其另一端位於導向槽內，且與下盤絲杆頂面配合的對應面上設有上盤絲齒(22)；隔膜式水壓缸的活塞杆(31)的外伸端連接著機械手指中部，機械手指的底部活動連接著指關節支架(12)的上盤絲齒(22)的背部；根關節體(14)另一側軸向端面通過上連接法蘭(6)連接著六維腕力傳感器(7)，六維腕力傳感器(7)的另一端通過下連接法蘭(8)連接著水壓馬達；所述隔膜式水壓缸包括彈性軸承(28)、缸體(25)、活塞杆(31)、過載限位板(29)和隔膜(27)，缸體(25)內由隔膜(27)軸向分隔為高壓腔和低壓腔，隔膜(27)通過環狀彈性軸承(28)連接著缸體(25)內壁，與過載限位板(29)對應的隔膜(27)側壁連接著活塞杆(31)，活塞杆(31)另一端經低壓腔伸至缸體(25)外；高壓腔一側壁設有高壓水入口(26)，低壓腔側壁設有出水口(30)。
2、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手， 其特徵在於所述水壓馬達為水壓擺線馬達，或水壓柱塞馬達，或水壓齒 輪馬達。
3、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手， 其特徵在於所述下盤絲軌跡面(19)的盤絲軌跡為漸開線軌跡，或拋物線軌 跡，或阿基米德渦線專九跡，或橢圓4九跡，或雙曲線4九跡。
4、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手，其特徵在於所述隔膜(27)通過環狀彈性軸承(28)連接著缸體(25)內壁。
5、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手， 其特徵在於所述下盤絲杆(15)的下部軸身(20)上設有平鍵(21)。下盤絲杆(15) 的下部軸身(20)通過彈性聯軸器與馬達輸出軸連接。
6、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手， 其特徵在於所述下連接法蘭(8)另一側面通過四根連接螺杆連接著安裝法蘭(io)。
7、 根據權利要求1所述的多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手， 其特徵在於所述環狀彈性軸承(28)是在水壓缸內可動部件隔膜(27)和固定 部件缸體(25)內壁之間的圓環形連接部位處，連接部位處採用圓弧過渡，缸 體(25)、隔膜(27)和彈性軸承(28)為一體式。
專利摘要本實用新型涉及多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手。其包括3個手指、6個關節。其中，3個手指的根關節由水壓擺線馬達驅動；3個手指的指關節分別由隔膜式水壓缸獨立驅動，根關節組件的端面盤絲齒與3個手指根部齒相互嚙合，由擺線馬達驅動，將運動傳遞到3個手指根部，驅使手指根部分別在各自導向槽內做徑向運動，實現3個手指大行程開合動作。根關節採用端面盤絲齒傳動機構，運用其機械自鎖機構特性，最大限度地減少高、低壓腔壓力差維持的時間，減小洩漏造成的功率損失。隔膜式水壓缸的可動部件(隔膜)與缸體間採用機械彈性軸承連接，徹底杜絕洩漏造成的功率損失。本實用新型成功地解決了水壓驅動洩漏嚴重，傳動效率低下的關鍵問題。
文檔編號B63C11/52GK201268397SQ20082003872
公開日2009年7月8日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者明 楊, 汪步雲, 葛運建, 許德章 申請人:安徽工程科技學院