韓 巖，劉 暢，李建榮，劉玉生，馬文家

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

海洋的開發(fā)和利用是世界各國關(guān)注的重點(diǎn)，水下機(jī)器人是海洋探索和開發(fā)的必備工具[1－2]，機(jī)械手可大大增加水下機(jī)器人的工作能力。按功能來分，機(jī)械手主要可分為單自由度夾持器和適應(yīng)多種場景的多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)[3]，單自由度加持器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，承載力大，靈活性差，多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力強(qiáng)，能適應(yīng)多種不同任務(wù)需要，但采用大量串聯(lián)關(guān)節(jié)，控制困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)力通常采用液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)[4－6]，同等體積下液壓驅(qū)動(dòng)輸出的力比電機(jī)驅(qū)動(dòng)大的多，因此使得液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在商業(yè)機(jī)械手中占據(jù)重要地位[7]，但同時(shí)為保證系統(tǒng)功能正常，針對水下工作環(huán)境還需考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)密封，為了進(jìn)行深海探索，現(xiàn)在的機(jī)械手已有一些能夠到達(dá)7 000 m深度甚至更深海域[8－9]，同樣對密封要求也就越高。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要針對水下圓柱形目標(biāo)進(jìn)行打撈，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用純機(jī)械方式，具有承載力大、動(dòng)作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、無需密封等特點(diǎn)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置主要實(shí)現(xiàn)對水下圓柱形目標(biāo)的抓取及水面打撈，其主要由主開關(guān)、機(jī)械手、位置鎖定機(jī)構(gòu)、浮球脫離機(jī)構(gòu)、固定板、棘輪、箱體等組成，其驅(qū)動(dòng)力來源為彈簧的彈性勢能，系統(tǒng)組成如圖1所示。固定板構(gòu)成機(jī)械手的支撐平臺，固定板兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的抓取，機(jī)械手對稱設(shè)計(jì)能夠有效減輕對本體的擾動(dòng)力[10]，機(jī)械手與固定板之間安裝壓縮彈簧，且機(jī)械手與固定板配合方式為鉸接，壓縮彈簧安裝在伸縮桿上，伸縮桿一端與機(jī)械手鉸接另一端與固定板鉸接，在固定板兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)位置鎖定機(jī)構(gòu)，使機(jī)械手在彈簧力作用下仍保持張開狀態(tài)，浮球脫離機(jī)構(gòu)與主開關(guān)之間為齒輪齒條配合，主開關(guān)與固定板之間裝有壓縮彈簧，保證彈簧觸碰目標(biāo)壓縮后可復(fù)位。

圖1 整體結(jié)構(gòu)Fig1 The whole sructure

當(dāng)主開關(guān)觸碰到目標(biāo)被壓縮后，位置鎖定機(jī)構(gòu)失效，機(jī)械手閉合實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的抓取，同時(shí)箱體蓋被打開。通過齒輪齒條配合，浮球脫離機(jī)構(gòu)首先對浮球充氣，當(dāng)浮球內(nèi)氣體壓強(qiáng)達(dá)到一定值后浮球與裝置本體分開浮出水面，浮球與裝置本體通過繩索連接，即可實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)的打撈。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

本裝置主要針對圓柱形目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為減小整個(gè)裝置在水下的運(yùn)動(dòng)阻力和裝置的重量，并實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的抓取，機(jī)械手采用弧形板材和連桿固連的裝配方式，如圖2所示。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)Fig2 Structureofmanipulator

機(jī)械手的鎖定是通過位置鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定銷與機(jī)械手上的銷孔配合實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)主開關(guān)觸碰目標(biāo)被壓縮后，位置鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定銷從銷孔中退出，鎖定功能失效，機(jī)械手在彈簧力作用下實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。為保證鎖定銷退出動(dòng)作的可靠性，機(jī)械手上的銷孔為球形，鎖定銷一端為滾珠，當(dāng)機(jī)械手在張開狀態(tài)時(shí)，由于壓縮彈簧的作用，鎖定銷始終受到退出銷孔方向的力。

在機(jī)械手與固定板旋轉(zhuǎn)軸下部安裝棘輪結(jié)機(jī)構(gòu)（圖1）。棘輪、旋轉(zhuǎn)軸、機(jī)械手之間采用花鍵方式配合，在固定板上安裝棘爪，通過棘輪棘爪配合可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手抓取目標(biāo)時(shí)張開方向單向鎖定，同時(shí)在機(jī)械手的抓取部位上增設(shè)防滑紋以增大摩擦力[11]，從而使打撈過程中目標(biāo)不會脫落。

2.2 位置鎖定機(jī)構(gòu)

位置鎖定機(jī)構(gòu)的生效與失效是通過與固定在主開關(guān)上異形槽板配合實(shí)現(xiàn)的（圖1）。由于機(jī)械手在張開狀態(tài)時(shí)鎖定銷受到退出銷孔的力，為使此時(shí)異形板不受力，位置鎖定機(jī)構(gòu)主要采用鎖定銷、杠桿銷、楔塊、彈簧來實(shí)現(xiàn)，杠桿銷與彈簧配合安裝，鎖定銷與銷孔配合的球端采用滾珠設(shè)計(jì)，減小與機(jī)械手表面的摩擦。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 位置鎖定機(jī)構(gòu)Fig3 Position locking mechanism

在機(jī)械手張開時(shí)，鎖定銷通過杠桿機(jī)構(gòu)使杠桿銷受到擠壓楔塊的力，此時(shí)杠桿銷與楔塊上的平面接觸，楔塊沿連桿軸向不受力。當(dāng)主開關(guān)被壓縮時(shí)帶動(dòng)異形槽板運(yùn)動(dòng)，楔塊沿連桿軸向運(yùn)動(dòng)，杠桿銷與楔塊斜面接觸，鎖定銷從機(jī)械手銷孔中退出，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)閉合抓取動(dòng)作，由于彈簧力的作用，鎖定銷始終保持與機(jī)械手弧形板表面接觸，同時(shí)由于異形槽板與連桿配合，主開關(guān)被壓縮后不會復(fù)位。當(dāng)機(jī)械手張開復(fù)位時(shí)，主開關(guān)在彈簧力作用下彈出，鎖定銷自動(dòng)落入機(jī)械手銷孔內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的再次鎖定，實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

2.3 浮球脫離機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)抓取目標(biāo)后的水面打撈，設(shè)計(jì)充氣浮球浮出水面，即需要完成對浮球的充氣及與裝置本體脫離動(dòng)作，脫離機(jī)構(gòu)由CO2氣瓶、充氣開關(guān)、齒輪齒條、氣動(dòng)接頭、撥叉、滑塊、撥叉桿、調(diào)壓彈簧、調(diào)壓螺桿、扭簧等組成，如圖4所示。

圖4 浮球脫離機(jī)構(gòu)Fig4 Floating ball separation mechanism

在抓取目標(biāo)前浮球疊放在箱體內(nèi)部，氣瓶與充氣開關(guān)采用螺紋連接，且可更換，齒輪與充氣開關(guān)固連，齒條與主開關(guān)固連，氣動(dòng)接頭的公頭與充氣開關(guān)連接，母頭與浮球連接，公頭母頭可脫離。當(dāng)主開關(guān)被壓縮后，箱體蓋被打開，齒輪齒條配合使充氣開關(guān)打開通過氣動(dòng)接頭向浮球充氣，當(dāng)浮球內(nèi)壓力達(dá)到一定值后，活塞受力大于調(diào)壓彈簧力，活塞運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)撥叉桿與撥叉脫離，撥叉在扭轉(zhuǎn)彈簧力作用下推動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)使氣動(dòng)接頭公頭與母頭脫離，浮球連同母頭一起浮出水面，浮球進(jìn)氣口處帶有單向截止閥，不會漏氣。

調(diào)節(jié)調(diào)壓螺桿可調(diào)節(jié)浮球內(nèi)氣壓大小。浮球與裝置本體采用繩索連接，可實(shí)現(xiàn)對水下目標(biāo)的打撈。當(dāng)主開關(guān)復(fù)位后，齒輪齒條配合使充氣開關(guān)關(guān)閉，使用專用工具排空浮球內(nèi)氣體并疊裝在箱體內(nèi)，更換氣瓶，整個(gè)裝置即可重復(fù)使用。

3 彈簧設(shè)計(jì)

本裝置為純機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用彈簧力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此彈簧力計(jì)算的準(zhǔn)確性直接決定了裝置運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，主要選擇脫離機(jī)構(gòu)和主開關(guān)彈簧進(jìn)行計(jì)算。

3.1 撥叉彈簧

撥叉起到脫離氣動(dòng)接頭的作用，其作用的扭簧扭力大小直接決定了脫離機(jī)構(gòu)是否能夠順利脫離使浮球浮出水面。

根據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)關(guān)系對撥叉進(jìn)行受力分析，不考慮零件質(zhì)量，受力分析如圖5所示。

圖5 氣動(dòng)接頭、滑塊受力分析Fig5 Force analysis of pneumatic joints and sliders

氣動(dòng)接頭豎直方向受力平衡關(guān)系式：

式中：f2為氣動(dòng)接頭與滑塊斜面摩擦力；μ2為接頭與滑塊間摩擦系數(shù)；F1為氣動(dòng)接頭脫離所需力；α為滑塊斜面角度。

滑塊水平方向受力平衡關(guān)系式：

式中：N1為導(dǎo)槽對滑塊的支撐力；f1為滑塊在導(dǎo)槽內(nèi)滑動(dòng)的摩擦力；μ1為滑塊與導(dǎo)槽間摩擦因數(shù)；F為撥叉對滑塊作用力。

對上述公式進(jìn)行整理得：

其中，F(xiàn)1可通過氣動(dòng)接頭脫離實(shí)驗(yàn)測得，α為已知設(shè)計(jì)值。

脫離時(shí)彈簧扭矩為最小工作扭矩，對此時(shí)撥叉進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6 撥叉受力分析Fig6 Force analysis of the fork

根據(jù)受力簡圖可列撥叉力矩平衡關(guān)系式：

式中：F2為滑塊對垂直撥叉方向的反作用力；F3為彈簧扭力；L1、L2分別為F2、F3的力臂；θ為撥叉與豎直方向角度，即扭簧工作扭轉(zhuǎn)角。

扭簧最小工作扭矩：

式中：T為扭簧最小工作扭矩。

其中，θ、L1、L2為已知設(shè)計(jì)值，根據(jù)T、θ值為限定條件進(jìn)行扭簧設(shè)計(jì)。

由于本裝置為水下作業(yè)，為保證裝置長期穩(wěn)定可靠勻性，彈簧材料選用不銹鋼絲，可有效耐腐蝕，扭簧設(shè)計(jì)計(jì)算過程參照文獻(xiàn)[12]，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算最終得到扭簧鋼絲直徑1.6 mm，中徑6.4 mm，工作圈數(shù)為6圈。

3.2 調(diào)壓彈簧

由于浮球在箱體內(nèi)為折疊狀態(tài)，且箱體內(nèi)空間緊湊，雖然活塞密封圈于缸體存在一定摩擦力，但其值很小可忽略不計(jì)。撥叉桿扭轉(zhuǎn)彈簧力只需克服自身繞旋轉(zhuǎn)軸的摩擦力，使其可保持與活塞一端接觸即可，當(dāng)撥叉與撥叉桿脫離時(shí)最大扭矩設(shè)計(jì)值為T1，在無其他外力情況下，試驗(yàn)結(jié)果顯示浮球未充氣即與裝置本體脫離。因此浮球需要滿足最小壓強(qiáng)條件才可將浮球內(nèi)充滿空氣，否則在充氣量極小或者未充進(jìn)氣體時(shí)浮球即會脫離，這樣浮球無法浮出水面，也就無法進(jìn)行水面打撈。同時(shí)由于浮球折疊狀態(tài)不同、放置方式不同，最小壓強(qiáng)值很難確定，因此調(diào)壓彈簧設(shè)計(jì)顯得非常必要，調(diào)壓彈簧調(diào)壓最大值設(shè)置為浮球所能承受的最大壓強(qiáng)，這樣可通過調(diào)節(jié)彈簧力大小使浮球內(nèi)充滿氣體浮出水面?；钊芰Ψ治鋈鐖D7所示。

圖7 活塞受力分析Fig7 Force analysis ofpiston

活塞運(yùn)行距離h時(shí)撥叉桿與撥叉脫離，撥叉執(zhí)行脫離動(dòng)作，以極限情況脫離時(shí)浮球內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到最大值進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)彈簧的極限載荷可表示為：

式中：F4為調(diào)壓彈簧在極限載荷；P為浮球承受最大壓強(qiáng)；A為活塞與氣體接觸面積；T1為撥叉桿扭簧最大工作扭矩；L3為撥叉桿對活塞作用力的力臂。

其中，P、A、h、T1、L3均為已知設(shè)計(jì)值，根據(jù)F4、h為限定條件進(jìn)行調(diào)壓彈簧的設(shè)計(jì)。

彈簧材料選用不銹鋼絲，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算得到扭簧鋼絲直徑0.6 mm，中徑4.5 mm，有效權(quán)圈數(shù)為11圈，總?cè)?shù)13圈，自由高度20 mm。

4 產(chǎn)品樣機(jī)與試驗(yàn)

根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)和計(jì)算，進(jìn)行了產(chǎn)品樣機(jī)的試制和試驗(yàn)工作，機(jī)械手的材料主要為鋁和不銹鋼，既保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又提高了抗腐蝕性，如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品樣機(jī)Fig8 Product prototype

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械手順利實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作，浮球充氣量可達(dá)到滿容量的80%～90%，脫離機(jī)構(gòu)順力工作，浮球與裝置本體脫離，裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)之間動(dòng)作銜接連貫，無卡滯，此裝置可實(shí)現(xiàn)對水下圓柱形目標(biāo)的抓取及水面打撈功能。

5 結(jié)束語

針對水下大質(zhì)量目標(biāo)打撈困難，水下作業(yè)對機(jī)械手密封要求高等問題，本文設(shè)計(jì)了一款純機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)在水下對目標(biāo)抓取，在水面進(jìn)行打撈的功能，其主要通過主開關(guān)、機(jī)械手、位置鎖定機(jī)構(gòu)、浮球脫離機(jī)構(gòu)之間的緊密配合來實(shí)現(xiàn)完整的功能，無任何電子及液壓器件，所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用彈簧力作為驅(qū)動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小，無需考慮密封、作業(yè)深度等問題，且采用鋁和不銹鋼材料，有效保證了強(qiáng)度，提高了抗腐蝕性。

產(chǎn)品樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，開發(fā)的樣機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順暢、安全可靠，可實(shí)現(xiàn)抓取及浮球脫離等各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能。此裝置可人工攜帶，也可安裝在各類型潛水器上，攜帶方便、適應(yīng)性強(qiáng)。