張 吉，田軍委，王 沁，熊靖武，史珂路

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

ROV廣泛應(yīng)用于水下救援、水下目標(biāo)搜索、水下設(shè)備檢查維護(hù)、水下考古、水下科研等領(lǐng)域。它可以代替人類在水下完成各種復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。而在此過(guò)程中ROV必須配備機(jī)械臂才能完成水下作業(yè)任務(wù)[1]。水下機(jī)械臂必須滿足以下要求：由于工作環(huán)境在水下，機(jī)械臂材料需要耐腐蝕性強(qiáng)、密封好、抗壓性高；更具操作者的指令能夠準(zhǔn)確的定位完成水下作業(yè)；由于ROV的本體很小，機(jī)械臂需要材質(zhì)很輕。操作要靈活，操作范圍不小于300mm，抓取重量不低于1kg，操作角度不低于60°。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明與性能參數(shù)

1）機(jī)械臂的坐標(biāo)形式與自由度的配置：考慮到ROV在水下工作環(huán)境復(fù)雜，可能有雜物，礁石，動(dòng)物和水草等物體，對(duì)機(jī)械臂的控制造成影響，并且需要機(jī)械臂具有非常好的壁障性，應(yīng)對(duì)水下的復(fù)雜環(huán)境，完成抓取物體的任務(wù)[6,7]。因此選擇關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械臂，且采用雙目視覺(jué)技術(shù)，就像人的眼睛控制雙手抓取物體。機(jī)械臂自由度的個(gè)數(shù)是由其用途決定的；本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂工作環(huán)境為水下，考慮到水下機(jī)械臂的設(shè)計(jì)要求和操作范圍，將采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，且將機(jī)械臂設(shè)定為四個(gè)自由度。機(jī)械臂自由度布置如圖1所示。機(jī)械臂整體形態(tài)仿照人手臂設(shè)計(jì)，為方便實(shí)現(xiàn)手抓姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的抓取動(dòng)作，將機(jī)械臂自由度設(shè)定為關(guān)節(jié)1為水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、關(guān)節(jié)2為豎直平面的小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)3為豎直平面的轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)節(jié)四為豎直平面的擺動(dòng)。四個(gè)自由度可以使機(jī)械臂能夠更加容易抓取到水下的物體。

圖1 機(jī)械臂自由度設(shè)置

2）安裝方式的確定：裝于潛水器上的機(jī)械臂在水下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，應(yīng)具備兩方面的能力：為完成作業(yè)任務(wù)，提供必要的操作；保持潛水器有穩(wěn)定的方位，因?yàn)闄C(jī)械手作業(yè)受到的反作用力會(huì)影響ROV方位的穩(wěn)定；故兩只機(jī)械臂別設(shè)置在艇首頭部的左、右兩側(cè)[5,8]。可以保證潛水器的平衡。

3）材料選型與性能參數(shù)：由于潛水器的本體非常小，所以要求安裝的機(jī)械手臂必須滿足輕型化、耐高壓等要求。在負(fù)載允許的情況下采用密度小耐腐蝕的鋁作為機(jī)械手臂的材料。經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)雙機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)最遠(yuǎn)可以達(dá)到如下位置，此時(shí)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2的運(yùn)動(dòng)角度為30°，而雙目視覺(jué)測(cè)距模仿人眼觀察物體，故機(jī)械臂的末端必須在視線范圍內(nèi)，再加上機(jī)械臂的操作角度不低于60°，因此關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度定位60°。其中機(jī)械臂極限位置如圖2所示。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度有90°、120°、180°、360°，其余各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以根據(jù)舵機(jī)的角度選取。

圖2 機(jī)械臂極限位置

2 機(jī)械臂的受力分析及計(jì)算

利用理論力學(xué)和材料力學(xué)的方法求得機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至各自力矩最大位置時(shí)各關(guān)節(jié)的力矩，為各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)選型做好基礎(chǔ)。假設(shè)桿件質(zhì)心位于幾何中心。圖3是機(jī)械臂的機(jī)械臂簡(jiǎn)化示意圖，主要顯示各關(guān)節(jié)中心線的距離。

圖3 機(jī)械臂簡(jiǎn)化示意圖

2.1 執(zhí)行單元扭矩估算

逐個(gè)分析各個(gè)關(guān)節(jié)的受力，先從機(jī)械臂末端開(kāi)始，分析關(guān)節(jié)4可以簡(jiǎn)化為如圖4所示的力學(xué)模型。假設(shè)桿件質(zhì)心位于幾何中心。

圖4 關(guān)節(jié)4力矩的計(jì)算等效圖

假設(shè)手抓和重物的質(zhì)量為ms=1kg，則：Gs=ms.g=9.8N。

手腕的質(zhì)量約為：m4=0.05kg，則：G4=m4.g=0.49N。

關(guān)節(jié)4到手抓中心的距離為：d1=140mm，關(guān)節(jié)4到手腕抓取中心的距離為：d2=70mm。

關(guān)節(jié)4的力矩為：M=G4.d4+G5.d5=1.406N.m。

按照以上的計(jì)算方案，先估算各個(gè)關(guān)節(jié)的質(zhì)量，以此計(jì)算出其他關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，如表1所示。

2.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式及選型

驅(qū)動(dòng)方式的選擇非常重要，它的選擇應(yīng)該主要依據(jù)所用在的地方的要求，能否實(shí)現(xiàn)功能，還有就是工作環(huán)境，還要考慮價(jià)格，控制精度等方面?？紤]到該機(jī)械臂用于水下作業(yè)，最終安裝在ROV上，因此體積和重量不能太大。由設(shè)計(jì)要求，抓取1kg的物體，操作范圍300mm可知，該機(jī)械臂抓取重量輕，不需要太大的力矩，故機(jī)械臂最終采用電力驅(qū)動(dòng)形式。

關(guān)節(jié)1為機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要承受整個(gè)機(jī)械臂的重量，經(jīng)過(guò)估算預(yù)估機(jī)械臂的扭矩為3.709N·m，選擇KST X20-8.4-50超大扭力高壓舵機(jī)，舵機(jī)如圖5所示，該款舵機(jī)尺寸為40×20×39.5mm，當(dāng)電壓為8.4V時(shí)舵機(jī)的扭矩為4.5N.m，重量為78g。由于關(guān)節(jié)2的扭矩為3.609N.m，扭矩較大，故選擇與關(guān)節(jié)1型號(hào)一樣的舵機(jī)。關(guān)節(jié)3的扭矩為2.651N.m關(guān)節(jié)4的扭矩為1.406 N.m，選kingmax BLS7731HHV，扭矩為28.42kg.cm的舵機(jī)。

表1 各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)

圖5 kst舵機(jī)

2.3 執(zhí)行單元校核計(jì)算

機(jī)械手臂在加減速運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生慣性力，將各個(gè)力矩值乘以1.1倍做為最終結(jié)果，則關(guān)節(jié)4電機(jī)的最大力矩為：

根據(jù)扭矩，考慮關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩最大且電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度最大的極限情況作為電機(jī)的最大功率。而關(guān)節(jié)的最大角速度為θ=3.7rad/s ，所以關(guān)節(jié)5處電機(jī)的最大功率為：

同理可以計(jì)算出其他關(guān)節(jié)的最大功率情況。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，各個(gè)關(guān)節(jié)的計(jì)算的扭矩均小于對(duì)應(yīng)舵機(jī)的最大扭矩，符合設(shè)計(jì)要求，證明設(shè)計(jì)的機(jī)械臂可以抓取質(zhì)量為1kg的重物，滿足設(shè)計(jì)要求。說(shuō)明舵機(jī)理論上能夠?qū)崿F(xiàn)抓取1kg的物體，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，能夠達(dá)到預(yù)期的要求。

表2 各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率

3 機(jī)械臂的密封

ROV的機(jī)器臂密封是最關(guān)鍵的問(wèn)題。一般有如下五個(gè)要求：

1）當(dāng)壓力超過(guò)范圍時(shí)，不能發(fā)生泄漏；

2）密封要具有較長(zhǎng)的壽命，盡量減少維修；

3）要具有能與環(huán)境相適應(yīng)的能力；

4）易拆易裝， 便于更換；

5）要具備很高的性價(jià)比[5]。

而O型密封圈的優(yōu)勢(shì)在于密封部位機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝部位緊湊，重量較輕且有自密封作用，密封性能較好，對(duì)于壓力交變的場(chǎng)合也能適應(yīng)。并且O型圈及其溝槽已標(biāo)準(zhǔn)化，成本低，便于使用和外購(gòu)。故機(jī)械臂的靜密封使用O型密封圈[3]。

對(duì)舵機(jī)進(jìn)行詳細(xì)防水密封設(shè)計(jì)中，由于舵機(jī)的輸出軸端處的動(dòng)密封非常重要，關(guān)系到舵機(jī)在水下工作的深度。密封采取的思路是，將軸端單獨(dú)密封起來(lái)，并將輸出軸端放大。輸出軸的扭矩通過(guò)內(nèi)齒輪和外齒輪嚙合傳遞給輸出定位法蘭，在輸出定位法蘭的軸徑上做O型密封圈槽，O型密封圈和軸端套組成O型圈密封，軸端套與舵機(jī)之間通過(guò)膠接，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接，這種膠起到連接和密封的作用，輸出定位法蘭的軸向定位，通過(guò)M2.5的螺釘和墊片定位，舵機(jī)輸出軸端中間自帶一個(gè)M2.5的螺紋連接孔，然后在螺釘和墊片周圍使用膠進(jìn)行密封，輸出定位法蘭與外部零件的連接通過(guò)四個(gè)M2的螺紋孔連接，最終舵機(jī)的密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 三圍建模與仿真

最終設(shè)計(jì)的機(jī)械臂如圖7所示，由裝配體可以看出，該機(jī)械臂比例協(xié)調(diào)，無(wú)干涉現(xiàn)象，各部分的都能進(jìn)行裝配，不會(huì)出現(xiàn)能在SolidWorks中能夠裝配，在實(shí)際中無(wú)法裝配的現(xiàn)象，機(jī)械手臂的質(zhì)量為1.936kg，關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)角度為60°，單只機(jī)械手臂的總長(zhǎng)為442mm。

4.1 手抓結(jié)構(gòu)分析

為了能準(zhǔn)確抓取物體，設(shè)計(jì)成兩爪抓取物體，市場(chǎng)上機(jī)械臂手抓選擇的材料是ABS塑料和鋁合金，為了保證手抓有足夠的強(qiáng)度，選擇鋁合金2A12做手抓的主要材料，舵機(jī)支撐架上面需要開(kāi)孔安裝舵機(jī)和手抓，還要與上個(gè)關(guān)節(jié)連接，故采用鋁合金材料，兩個(gè)爪之間是兩個(gè)四分之一齒輪嚙合，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)抓取物體。

手爪由兩個(gè)分離的爪組成，將防水舵機(jī)部件裝在爪座上，爪如圖8所示，下部是齒輪的一部分，將有四個(gè)螺紋孔的一邊與舵機(jī)部件的輸出法蘭連接，另一邊由裝有微型軸承，通過(guò)齒的嚙合控制手抓的張合，由于齒輪只有一部分，為確保齒輪一直在嚙合，選取的可以轉(zhuǎn)動(dòng)90°的舵機(jī)，手抓的張開(kāi)的最大尺寸158mm，手爪閉合時(shí)，如圖8所示。

圖6 舵機(jī)密封結(jié)構(gòu)圖

圖7 機(jī)械手臂的實(shí)體模型

圖8 手抓裝配效果

4.2 手抓的仿真結(jié)果及其分析

手抓是機(jī)械手臂抓取重物的關(guān)鍵零件，與機(jī)械臂的性能有著直接的關(guān)系。作用在手抓上的力主要為抓取重物的重力，抓取重物重量估算為1kg，則作用在手抓上的力F=9.8N。假設(shè)力作用在離驅(qū)動(dòng)電機(jī)最遠(yuǎn)的位置，如圖9所示為手抓尖端位置，仿真時(shí)的固定位置是手抓螺栓空。經(jīng)過(guò)這樣的受力分析，可以模擬實(shí)際的受力情況。

圖9 手抓的受力

通過(guò)手抓的仿真分析，手抓的應(yīng)力分析結(jié)果如圖10所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在手抓下部圓弧過(guò)度的地方，這里是直接從圓弧過(guò)度成直線，且結(jié)構(gòu)比較細(xì)小，故應(yīng)力最大，應(yīng)力值為1.89223×107N/m2小于材料的屈服強(qiáng)度2.75742×107N/m2，因此滿足設(shè)計(jì)要求，為了最大減小應(yīng)力，分析完成后，在此處添加圓弧過(guò)度。

圖10 手抓應(yīng)力圖

爪的在載荷的作用下產(chǎn)生位移變形如圖11所示，最大位移出現(xiàn)在手抓的最遠(yuǎn)處，從上到下位移逐漸減小，最大位移為0.260179mm，位移很小，故此結(jié)構(gòu)合理。

如圖12所示。零件的應(yīng)變呈現(xiàn)不規(guī)則分布，其最大應(yīng)變出現(xiàn)在右端最上邊螺釘連接處，最大為0.000921348，應(yīng)變很小，因此該零件結(jié)構(gòu)合理，滿足設(shè)計(jì)要求，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖11 手抓變形圖

圖12 手抓的應(yīng)變圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款ROV的機(jī)械手臂，對(duì)機(jī)械臂的自由度、坐標(biāo)形式、與水下機(jī)器人本體連接方式、材料、參數(shù)的確定，和對(duì)關(guān)節(jié)處和抓手處的驅(qū)動(dòng)選型，選擇舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了舵機(jī)的詳細(xì)防水結(jié)構(gòu)。本機(jī)械手臂設(shè)計(jì)成連桿結(jié)構(gòu)，充當(dāng)機(jī)械臂的手腕，減小體積，手腕可以調(diào)節(jié)抓取物體的角度，調(diào)節(jié)角度為30°，關(guān)節(jié)1定的定位角為60°。單只機(jī)械臂的總長(zhǎng)為442mm，抓取物體為1千克，通過(guò)對(duì)手抓的仿真，其滿足設(shè)計(jì)要求。終可在水深300m下作業(yè)的四自由度機(jī)械手臂。

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