[实用新型]多手指、多关节水下作业用水压驱动机械手

说明书

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。