深海机械手是海洋探测的必要装备,现有液压驱动工业级深海机械手体积庞大且手部为钳指型结构不够灵活,难以在小型潜航器上应用、难以捕获活动的海洋生物;灵活的小型水下机械手多选用电磁式无刷电机作为作动器,采用充油方法平衡海水压力。但随着水深增加水压增大,密封元件的变形不仅导致电机输出能力的下降而且还伴有海水渗入或油液泄漏的可能。本课题面向微小型潜航器配备水下灵巧机械手的应用需求,利用压电激励和摩擦驱动原理构建水下开放式机械手指。开放式压电驱动机械手指内部没有空腔,与海水之间不存在压差,在高水压环境下结构不会发生破坏,有望解除深海水压对机械关节驱动系统的制约。另外,每个机械手指关节具有两个自由度,相邻指节能在两个正交平面内运动,结构简单、紧凑且十分灵活。本文的主要研究内容包括:1.为了消除夹心式压电换能器因预紧压电陶瓷片而产生的空腔,提出了一种用于驱动机械手指的双作动头贴片式压电换能器。该贴片式压电换能器利用压电陶瓷片的d₃₁模式进行工作,无需对压电陶瓷片进行预紧,与夹心式压电换能器相比体积更小、重量更轻。2.针对不同关节角度预压力不一致导致输出力矩不均的问题,提出了一种预压力恒定施加方法。对双作动头贴片式压电换能器进行了结构优化,通过放大作动头处的振幅提高了输出扭矩,同时减轻了整个机械手指的重量。3.加工制作了水下机械手指原理样机,其质量为83 g,总长为220 mm,每个关节的工作角度范围为-75°至75°。为了防电源短路,对压电陶瓷片进行了绝缘隔水处理。水中和空气中的对比实验表明,压电换能器的最佳驱动频率和带宽无明显差异;在69 k Hz、450 V_pp条件下,水环境机械手指的最大输出扭矩较空气环境下降约三分之二。虽然水环境导致摩擦系数降低进而导致机械手指最大输出扭矩的下降,但由于水的润滑作用可望提高驱动系统的稳定性和使用寿命。