一种深海水液压机械臂末端手爪

技术领域

本发明属于深海水液压机械臂领域，更具体地，涉及一种深海水液压机械臂末端手爪。

背景技术

随着深海装备的蓬勃发展，搭载有机械臂的水下机器人及探测器等深海作业设备已活跃在海洋资源开发的诸多领域。无论是深海资源勘探，还是水下打捞任务等都需要通过水下机械手辅助完成，深海机械手对促进海洋事业的发展发挥着越来越重要的作用。

由于电力驱动系统在深海环境中的可靠性较低，无法适应深海机械手长时间重载作业的恶劣工况以及严苛的性能要求。同时，传统油液压驱动系统在深海作业时存在油水互渗、性能退化等问题。且现有低速大扭矩水液压马达均处于研究阶段，而现有叶片式水液压马达等压力等级低，输出扭矩小，不能满足水压驱动下深海水高压重载的使用需求，目前尚未有深海重载水液压机械手的问世。

因此，本领域亟需研发一种适用于深海液压机械臂的、高压重载的末端手爪，以满足深海资源的探索、取样及携带其他作业工装完成水下长时间重载作业等工作的任务要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深海水液压机械臂末端手爪，其目的在于，通过对机械臂末端手爪的结构改进，使之能够用水压驱动代替油压驱动，且提高手爪工作压力，能够适应深海水高压重载使用需求，由此解决传统油液压驱动系统的机械臂手爪性能无法满足深海水高压重载使用需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种深海水液压机械臂末端手爪，包括：水压液压缸缸体、水压液压缸活塞、T型推杆、固定基座、滚轴、上手爪和下手爪，其中，

所述水压液压缸活塞的活塞头超高压动、静密封设置于所述水压液压缸缸体内，所述活塞头左侧面与所述水压液压缸缸体之间形成密封空间I；所述水压液压缸活塞的活塞杆右端超高压动、静密封设置于所述固定基座的第一孔内，所述活塞杆与所述水压液压缸缸体、所述固定基座之间形成密封空间II；所述T型推杆竖臂端螺纹接入所述活塞杆右侧中心螺纹孔内，其横臂两端各通过一个滚轴分别与上手爪、下手爪可滚动地相连；所述上手爪、所述下手爪上下对称地、均左端可转动地固定于所述固定基座上；以此方式，通过水压液压缸活塞带动T型推杆移动，T型推杆通过滚轴带动上手爪、下手爪开/合；

所述水压液压缸缸体左部插入齿轮齿条摆动缸的固定支座内，该左部设有前后贯通的第二孔；齿轮齿条摆动缸的输出轴从前至后穿过所述齿轮齿条摆动缸的固定支座和所述第二孔，并相对水压液压缸缸体压紧固定；以此方式，水压液压缸缸体随同液压摆动缸的输出轴可在齿轮齿条摆动缸的固定支座内摆动；

自所述齿轮齿条摆动缸的输出轴下部起、依次穿过齿轮齿条摆动缸的输出轴内部、固定基座内部，至水流通至所述密封空间I密封设置第一配流孔、至水流通至所述密封空间II密封设置第二配流孔。

优选地，在所述第一配流孔的第一端口位置，所述齿轮齿条摆动缸的固定支座设置了第一环形槽；在所述第二配流孔的第一端口位置，所述齿轮齿条摆动缸的固定支座设置了第二环形槽；以此方式，在齿轮齿条摆动缸的输出轴摆动过程中外部部件可通过所述第一环形槽持续向所述第一配流孔、所述密封空间I传输水，通过所述第二环形槽持续向所述第二配流孔、所述密封空间II传输水。

优选地，上述深海水液压机械臂末端手爪还包括插拔键，所述插拔键自所述水压液压缸缸体表面插入将所述齿轮齿条摆动缸的输出轴相对水压液压缸缸体压紧固定。

优选地，所述滚轴包括不锈钢17-4PH的基体，以及通过注塑附着在所述不锈钢17-4PH的基体表面的经过碳纤维加强的聚醚醚酮材料。

优选地，所述T型推杆、所述插拔键采用不锈钢17-4PH材质；

所述水压液压缸缸体、所述水压液压缸活塞、所述固定基座、所述上手爪和所述下手爪采用钛合金。

优选地，所述超高压动、静密封是指在工作压力31.5Mpa以上仍然实现可靠的动密封和静密封。

优选地，所述活塞头运行至左侧止点时，其与所述水压液压缸缸体内壁之间留有第一间隙，以保证从所述第一配流孔的第二端口能顺利流通水至所述密封空间I；

所述活塞头运行至右侧止点时，其与所述固定基座之间留有第二间隙，以保证从所述第二配流孔的第二端口能顺利流通水至所述密封空间II。

优选地，用于加工所述第一配流孔和所述第二配流孔的加工孔用堵头封堵，以保证所述第一配流孔和所述第二配流孔相对外界的密封。

优选地，所述上手爪和所述下手爪结构相同，所述上手爪包括传动曲柄、连杆、蹄形手指，其中，

所述传动曲柄的左端通过所述滚轴与所述T型推杆横臂一端可滚动地相连，其左部通过第一销轴组可转动地固定于所述固定基座上，其右端通过第二销轴组可转动地固定于所述蹄形手指左端；

所述连杆的左端通过第三销轴组可转动地固定于所述固定基座上，其右端通过第四销轴组可转动地固定于所述蹄形手指左端；所述传动曲柄、所述连杆与所述固定基座、所述蹄形手指构成平行四边形连杆结构，使得所述上手爪和所述下手爪开合时保持平行。

优选地，所述第一销轴组、所述第二销轴组、所述第三销轴组和所述第四销轴组均包括销轴、套设于销轴外周的销轴套，以及垫设于销轴端面的端面垫。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，水压液压缸活塞的活塞头与活塞杆均采用超高压动、静密封(可通过提高密封圈安装孔加工精度等方式实现)，使得液压缸满足水压驱动的超高压密封条件；水压液压缸活塞直接带动T型推杆，通过滚轴相对T型推杆的滑移及相对于上手爪/下手爪的滚动将T型推杆的直线运动转化为上手爪/下手爪的开合动作，使其在较短的活塞行程内即可实现上下手爪的大幅开合动作，且在不同开度下手爪夹紧力趋于平稳，且机械臂末端手爪简单紧凑；

本发明还设计了水压液压缸缸体与机械臂上一关节的齿轮齿条摆动缸的集成方式，并在该集成方式下设计了第一配流孔、第二配流孔，由此实现水压驱动缸的动力源-水介质的输送与回流。齿轮齿条摆动缸的输出轴从前至后穿过齿轮齿条的固定支座和水压液压缸缸体，齿轮齿条摆动缸的输出轴相对于手爪是垂直布置的，第一配流孔自液压摆动缸的输出轴下部起、依次穿过齿轮齿条摆动缸的输出轴内部、固定基座内部，至水流通至水压液压缸缸体内密封空间I，第二配流孔自自液压摆动缸的输出轴下部起、依次穿过齿轮齿条摆动缸的输出轴内部、固定基座内部，至水流通至水压液压缸缸体内密封空间II。当高压水介质通过第一配流孔流入密封空间I，由于压差的作用，水压液压缸活塞带动T型推杆向右运动，进而通过滚轴推动上下手爪张开；当高压水介质通过第二配流孔流入密封空间II，在反向压差的作用下，水压液压缸活塞带动T型推杆向左运动，进而通过滚轴带动上下手爪闭合。

本发明通过上述结构改进，在机械臂上一关节齿轮齿条摆动缸的动力驱动下，能够通过水压代替油压驱动机械臂末端手爪开合，且机械臂末端手爪能够适应深海高压重载工作环境，手爪整体能承受31.5Mpa的工作压力，深海下手爪夹持力达5000N以上，满足深海高压重载机械臂手爪重载工作性能需求。

2、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，通过第一配流孔、第二配流孔的设计，实现与机械臂上一关节之间的配流与集成，优化了液压机械臂的布管(配流孔流道与接管)位置，避免由于布管不合理带来的干扰手爪工作和不美观问题。假如没有本发明两个配流孔(第一配流孔、第二配流孔)的设计，流道直接通向两个腔体(密封空间I、密封空间II)，则需要用水管接入，水管吊装在手爪缸体外部，一来不美观，二来工作时缸体和手爪随同齿轮齿条摆动缸的输出轴转动，吊装的水管也会干扰手爪工作；

此外，通过在第一配流孔、第二配流孔的第一端口位置，设置第一环形槽、第二环形槽，使得在齿轮齿条摆动缸的输出轴摆动过程中外部部件可通过第一环形槽、第二环形槽持续向第一配流孔、密封空间I，及第二配流孔、密封空间II传输水，保证机械臂末端手爪稳定开合抓取工作。

3、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，设计了自水压液压缸缸体表面插入将齿轮齿条摆动缸的输出轴压紧固定的插拔键，而没有采用传统的平键插入第二孔内键槽固定。如此设计，是由于传统的平键是通过插入在孔(第二孔)圆周上开的键槽内实现对轴的固定，因此会使得孔不再是完整的圆形孔，在配流孔流道需要静密封的位置，也即传动轴与水压液压缸缸体的接触面的位置，不再是圆形，直接套密封圈不能实现可靠静密封。因而本发明设计了插拔键，避免了对第一、第二配流孔环形密封面的破坏，保证了水压液压缸的超高压密封。

4、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，对滚轴做了加强设计，滚轴采用在不锈钢17-4PH的基体上注塑经过碳纤维加强的聚醚醚酮材料构成。滚轴是在T型推杆的带动下在上/下手爪的槽内滚动的部件，滚动过程中承受了很大的负载力，如果是纯金属(不锈钢)磨损会非常严重，甚至直接黏着无法滚动，本发明在不锈钢17-4PH的基体外表面注塑一层经过碳纤维加强的PEEK材料，经过碳纤维加强的PEEK(聚醚醚酮)材料减磨耐磨性能优异，使得滚轴滚动过程中摩擦大大减小，从而磨损量大幅减小，保证滚动顺滑。同时不锈钢17-4PH的基体屈服极限一般为1180Mpa级别，因而使得手爪整体能承受重载达31.5Mpa的工作压力，功率密度得以提高。

5、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，T型推杆、插拔键采用不锈钢17-4PH材质，其他部件采用钛合金，使得整个机械臂末端手爪具备在深海恶劣环境的耐腐蚀特性。

6、本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，第一销轴组、第二销轴组、第三销轴组和第四销轴组内均加装轴套，提高耐磨性，提升机械臂末端手爪寿命。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中一种深海水液压机械臂末端手爪的轴测图；

图2是本发明较佳实施例中一种深海水液压机械臂末端手爪的剖面示意图(图1主视方向剖视图)；

图3是本发明较佳实施例中抓取最大直径物体示意图；

图4是本发明较佳实施例中驱动液压缸流道集成示意图(图1俯视方向剖视图)。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、插拔键，2、水压液压缸缸体，3、水压液压缸活塞，4、格莱圈，5、导向环，6、活塞杆导向环，7、固定基座，8、反格莱圈，9、T型推杆，10、第一销轴，11、传动曲柄，12、连杆，13、蹄形手指，14、第二销轴，15、第一销轴套，16、滚轴，17、双鼓形密封圈，18、第一连接螺栓，19、第一弹簧垫片，20、第二弹簧垫片，21、第二连接螺栓，22、第二销轴套，23、端面垫，24、轴位螺钉，25、第三销轴，26、齿轮齿条摆动缸的固定支座，27、支撑轴套，28、齿轮齿条摆动缸的输出轴，29、密封圈，30、小堵头，31、小格莱圈，32、大堵头，33、支撑环。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；另外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

本发明提供一种水液压驱动的高压重载深海机械臂末端手爪，其是水介质驱动的、适用于深海液压机械臂的、高压重载的末端手爪，以水压代替油压驱动手爪动作，并且提高手爪工作压力，使之能够适应深海水高压重载使用需求，满足深海资源的探索、取样及携带其他作业工装完成水下长时间重载作业等工作的任务要求。深海液压机械臂末端手爪以海水作为工作介质，不仅简化液压系统，实现深海装备绿色化，还从根本上解决了油压系统在深海作业时由于油水互渗导致的污染及装备可靠性下降等问题。

本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪，包括水压驱动液压缸(即水压液压缸缸体和水压液压缸活塞)、回转式机械手爪(即上手爪/下手爪)；所述回转式机械手爪包括手爪的固定基座、传动曲柄、连杆、蹄形手指及销轴等，其中手爪的固定基座与液压缸的缸盖合为一体，固定基座上加工有四个支撑侧板，每个支撑侧板上分别开有销孔，通过销轴与手爪传动曲柄及连杆一端相连，蹄形手指的尾端侧板上同样加工有两对等距的销孔，通过销轴与手爪传动曲柄及连杆另一端相连，由此使手爪的传动曲柄、连杆、固定基座侧板及手爪尾部侧板组成平行四边形结构，以实现蹄形手指的平行开合。

进一步地，驱动液压缸的尾部结构可通过插拔键与机械臂末端的水液压摆动缸的输出轴直接相连，并通过摆动缸的输出轴和驱动液压缸的缸体内部流道将配流口集成至机械臂的上一关节，其中，流道间的密封及摆动缸的输出轴和驱动液压缸的缸体过度流道均通过密封圈密封。

进一步地，液压缸的缸体通过法兰盘和紧定螺栓与缸盖，亦即机械手爪的固定基座相连，缸筒与缸盖的密封通过双鼓形密封圈实现。

进一步地，驱动液压缸的活塞杆的端部带有内螺纹，可穿过固定基座与机械手爪的推杆T型推杆的尾部螺纹直接连接。

进一步地，手爪的推杆T型推杆通过滚轴与传动曲柄相连，并向传动曲柄传递驱动力，通过滚轴的相对滑移及滚动将推杆T型推杆的直线运动转化为传动曲柄的回转运动。

进一步地，手爪的传动曲柄通过销轴一端固定在机械手爪的固定基座上，另一端通过销轴连接蹄形手指。

进一步地，每个销轴均由金属轴心与PEEK轴套组合而成。

进一步地，蹄形手指上开有数个不同标准尺寸的齿槽，以实现对标准深海作业工具的夹具的夹取。

所述深海水液压机械臂末端手爪的驱动液压缸和回转式机械手爪都选用TC4、17-4PH不锈钢及PEEK等耐海水腐蚀的材料，能够适应深海环境。通过格莱圈来实现驱动液压缸的活塞头和缸体及活塞杆和缸盖之间微小间隙密封，使驱动液压缸适用于高压水介质驱动且无泄漏；通过导向环来避免液压缸的金属对摩；通过PEEK轴套减小销轴的摩擦磨损。对滚轴采取注塑工艺，其基体材料为17-4PH不锈钢，外表注塑PEEK，以此使其减小摩擦磨损的同时能够适用高压下的大应力工况。

以下结合附图和实例对本发明提供的深海水液压机械臂末端手爪进行进一步详细的说明。

如图1和图2所示，深海水液压机械臂末端手爪的固定基座7、第一销轴10、传动曲柄11、连杆12、蹄形手指13、第二销轴14、第一销轴套15、第二销轴套22、端面垫23、轴位螺钉24、第三销轴25等共同组成机械手爪主体结构。其中，手爪的固定基座7即为缸盖，手爪的固定基座7的上方有4个支撑侧板，且每个支撑侧板上均开有销轴孔；传动曲柄11通过第一销轴10、第一销轴套15及端面垫23组成的销轴组连接到手爪的固定基座7的支撑侧板上的销轴孔处，其中第一销轴10由轴位螺钉24定位并固定；传动曲柄11与蹄形手指13通过第一销轴10、第一销轴套15及端面垫23组成的销轴组连接，其中第一销轴10由轴位螺钉24定位并固定；手爪的固定基座7与连杆12通过第三销轴25、第二销轴套22及端面垫23组成的销轴组连接，其中第三销轴25由轴位螺钉24定位并固定；连杆12与蹄形手指13通过第二销轴14、第二销轴套22及端面垫23组成的销轴组连接，其中第二销轴14由轴位螺钉24定位并固定。

水压液压缸缸体2与液压缸活塞水压液压缸活塞3、格莱圈4、导向环5、活塞杆导向环6、手爪的固定基座7、反格莱圈8、双鼓形密封圈17等零件共同组成高压重载深海水液压机械臂末端手爪的驱动液压缸部分。其中，液压缸缸体水压液压缸缸体2通过法兰盘和第一连接螺栓18与手爪的固定基座7连接；格莱圈4和导向环5实现了驱动液压缸的内部动密封与活塞的导向；活塞杆导向环6和反格莱圈8实现了活塞杆的动密封和导向；双鼓形密封圈17实现了驱动液压缸的静密封。

驱动液压缸和手爪之间的传动通过推杆T型推杆9和滚轴16实现，其中推杆T型推杆9尾部的螺纹可直接连接到液压缸活塞水压液压缸活塞3的尾部螺纹孔，并通过液压缸活塞水压液压缸活塞3头部的扳手位锁紧；液压缸活塞水压液压缸活塞3运动时直接带动推杆T型推杆9进行直线运动，推杆T型推杆9呈T字形，推杆T型推杆9在滚轴16的槽内滑移并通过滚轴16进行将液压缸活塞水压液压缸活塞3轴向方向的直线运动完转化为传动曲柄11绕第一销轴10的旋转运动，进而带动机械手爪开合。

如图2和图3所示，当高压水介质进入液压缸缸体水压液压缸缸体2和活塞3组成的密封空间时，由于压差的作用，活塞3向手爪的固定基座7方向移动，将带动推杆T型推杆9向外伸出，进而通过滚轴16推动传动曲柄11绕第一销轴10转动，由于第一销轴10和第二销轴14之间的轴心距离与第一销轴10和第三销轴25之间的轴心距离相同，且驱动曲柄传动曲柄11和连杆12上的孔间距相同，手爪的固定基座7的基座孔、驱动曲柄传动曲柄11、连杆12和蹄形手指13共同组成了一个平行四边形结构，使得上下两个蹄形手指13在手爪完成打开动作的过程中始终保持平行，反之亦然。

如图4所示，在液压缸缸体水压液压缸缸体2的内部开有两条配流孔，其中一条直接通液压缸活塞水压液压缸活塞3的头部上端，另一条通至液压缸活塞水压液压缸活塞3的头部下端，且机械手爪在完全打开时液压缸活塞水压液压缸活塞3凹槽底部与手爪的固定基座7上的凸台接触，此时保持液压缸活塞水压液压缸活塞3的头部下端留有一定受压面(也即保持配流孔的水流入口畅通)，避免手爪全开后不能闭合；机械手爪在完全闭合时液压缸活塞水压液压缸活塞3头部与液压缸缸体水压液压缸缸体2的底部仍留有缝隙，此时保持液压缸活塞水压液压缸活塞3的头部上端留有一定受压面(也即保持配流孔的水流入口畅通)，避免手爪闭合后不能打开。

进一步地，液压缸缸体水压液压缸缸体2尾部的插拔键1用于将液压摆动缸的输出轴28与水压液压缸缸体2固定，由此避免了对两配流孔环形密封面的破坏。传统的平键是通过插入在孔(第二孔)圆周上开的键槽内实现对轴的固定，因此会使得孔不再是完整的圆形孔，在配流孔流道需要静密封的位置，也即传动轴与水压液压缸缸体2的接触面的位置，不再是圆形，直接套密封圈不能实现可靠静密封。因而本发明设计了插拔建1，避免了对两配流孔环形密封面的破坏。

水压液压缸缸体2的内部的两条配流孔可分别通过机械臂上一关节的摆动缸的输出轴28内的配流孔引至摆动缸的固定支座齿轮齿条摆动缸的输出轴齿轮齿条摆动缸的输出轴26处，类似的还可继续与上一关节集成，具体地，各流道的入口位置，缸体上设置环形槽，使得液压摆动缸的输出轴28带动手爪在孔内转动时，外部部件可通过环形槽向流道持续流通水；各流道与外界相通处用小堵头30和大堵头32堵死，各流道间通过密封圈29实现静密封，通过小格莱圈31实现动密封，液压摆动缸的输出轴28通过支撑轴套27和支撑环33支撑和固定。

本发明的动作原理及使用过程如下：

当高压水介质进入液压缸缸体水压液压缸缸体2和活塞3组成的密封空间I时，由于压差的作用，活塞3向手爪的固定基座7方向移动，将带动推杆T型推杆9向外伸出，进而通过滚轴16推动传动曲柄11绕第一销轴10转动，传动曲柄11带动蹄形手指13分开，同时连杆12也随之转动，保持蹄形手指13相对平行，机械手爪打开。

当高压水介质进入液压缸缸体水压液压缸缸体2、活塞3及手爪的固定基座7组成的密封空间II时，由于压差的作用，活塞3向液压缸缸体水压液压缸缸体2的底部方向移动，将带动推杆T型推杆9向内收回，进而通过滚轴16拉动传动曲柄11绕第一销轴10转动，传动曲柄11带动蹄形手指13合拢，同时连杆12也随之转动，保持蹄形手指13相对平行，机械手爪闭合。

本发明取得如下有益效果为：本发明可采用水液压驱动，搭载到机械臂上进行深海高压连续重载作业，避免了对海洋环境的污染。结构上，用一个零件同时实现了滑移和回转运动的转换，减化了机械手爪的连杆结构；实现了机械手爪和机械臂末端关节的集成，大大简化了机械臂的布管问题；在较短的活塞行程内即可实现蹄形手指的大幅开合动作，且在不同开度下其夹紧力趋于平稳，有利于手爪的夹持力的调节。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。