[發明專利]多手指、多關節水下作業用水壓驅動機械手

有效

• 申請號: 200810021928.2
• 申請日: 2008-08-08
• 公開（公告）號: CN101337577A
• 公開（公告）日: 2009-01-07
• 發明（設計）人: 許德章;楊明;葛運建;汪步云
• 申請（專利權）人: 安徽工程科技學院
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52
• 代理公司: 合肥金安專利事務所
• 代理人: 金惠貞

技術領域

本發明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，靈巧手具備采用多手指、多關節特征。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，例如壓電陶瓷驅動，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，機械結構將變得復雜，增加了密封困難。因此，目前水下機械手通常采用兩爪夾持器，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，因此關節一般采用液壓驅動，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，但泄漏和污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。鑒于上述原因，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，簡化了液壓系統，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℃時的粘度為(0.55∽1.0)×10^-6m²/s，而油的粘度則為(15∽70)×10^-6m²/s。從水/油特性比較看，水動力粘度(40℃)為礦物型液壓油的水的運動粘度(50℃)為礦物型液壓油的在壓力相同的條件下，通過相同間隙時，水的泄漏量比油大10∽20倍。

2)磨損性

水介質的粘壓系數只有液壓油的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，引起邊界摩擦或干摩擦，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并加劇內部泄漏，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1010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并在高壓區潰滅，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沖擊，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。

針對上述問題，水下作業機械手水壓驅動往往采用特殊的技術措施。例如：1)歐洲有關國家科學家合作研制的AMADEUS三指水下機械手驅動元件，每個手指上配置三根圓柱桶，并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)研制的水下三指機械手驅動器，指關節采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。