胡昌宇，張國(guó)琛，李秀辰，母剛

大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 遼寧 大連 116023；遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023

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海珍品采捕機(jī)械手設(shè)計(jì)

胡昌宇，張國(guó)琛，李秀辰，母剛

大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 遼寧 大連 116023；遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023

為了便于海產(chǎn)品的采捕，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)械手代替人工采捕工作，提高工作效率，利用現(xiàn)代化的機(jī)械設(shè)計(jì)理念，從整體上對(duì)采捕機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)。機(jī)械手各部件包括控制回轉(zhuǎn)的腰座、可垂直水平移動(dòng)的手臂，以及用于抓取的手爪等構(gòu)件。此外，還對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)控制部分的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)跟蹤機(jī)械手的運(yùn)行方式，可知在實(shí)際工作中能達(dá)到實(shí)驗(yàn)室模擬仿真的效果，具有大量生產(chǎn)的價(jià)值。

機(jī)械手;液壓系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前對(duì)于海產(chǎn)品的采捕，多由人工實(shí)現(xiàn)。如果有適合水下采捕的機(jī)械手，則既能提高生產(chǎn)效率，解決人工采捕海珍品效率低下問(wèn)題，同時(shí)也可避免意外發(fā)生，而且還可縮短海產(chǎn)品工業(yè)的生產(chǎn)周期。水下采捕手機(jī)械手的設(shè)計(jì)，相對(duì)于陸地上工作的機(jī)械手而言，需要考慮的因素更多。本研究應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)和電子信息技術(shù)，以及控制編程和液壓傳動(dòng)技術(shù)，對(duì)水下采捕機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)兼顧了機(jī)械手向模塊化、網(wǎng)絡(luò)化以及大量使用傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

1　采捕機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體采捕機(jī)械手各部件包括控制回轉(zhuǎn)的腰座、可垂直水平移動(dòng)的手臂以及抓取的手爪等結(jié)構(gòu)。

1.1腰座設(shè)計(jì)

采捕機(jī)器人腰座，回轉(zhuǎn)是它的主要特性，并且它還是可活動(dòng)的。腰部的基座必須承受機(jī)器人上部全部的重量。故應(yīng)在腰部配上電動(dòng)機(jī)提供一定的驅(qū)動(dòng)力，使其具有回轉(zhuǎn)的能力。在對(duì)機(jī)器人腰座布局時(shí)，要注意下列要求。

1)為了保障構(gòu)件之間裝配的可靠，腰座安裝基面的面積必須足夠大，為后續(xù)的工作提供保障[1]。

2)由于采捕機(jī)器人腰座是承受所有重量的場(chǎng)合，為了保障強(qiáng)度和剛度，必須要進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

3)第一個(gè)回轉(zhuǎn)樞紐腰座是機(jī)器人的腰座，務(wù)必有充足控制能力，能夠滿足腰部軸系和傳動(dòng)鏈的精度與剛度的要求。

4)為了增加腰部軸承傳動(dòng)的可靠性，對(duì)腰部機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行計(jì)算，保證與手爪連接的可靠性，使之有效協(xié)調(diào)。

5)設(shè)計(jì)整個(gè)腰座殼體，可采用鋁合金質(zhì)料。這種材料可以幫助減少采捕時(shí)一些構(gòu)件產(chǎn)生的慣量，使控制更加準(zhǔn)確。

通過(guò)計(jì)算，掌握機(jī)器人在水下回轉(zhuǎn)時(shí)所需要的速度以及所需的驅(qū)動(dòng)力的大小。機(jī)械手的最終精度要求是非常高的，所以電機(jī)實(shí)現(xiàn)腰部的運(yùn)動(dòng)非常關(guān)鍵。為了滿足速度和轉(zhuǎn)矩的具體要求，應(yīng)采用大傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)減速器和扭矩放大。由于齒輪傳動(dòng)具有一定的間隙，因此機(jī)器人手臂需要有多個(gè)關(guān)節(jié)，相應(yīng)地它們都應(yīng)有配套的軸承，且這些軸承間隙都應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)，不影響其整體工作。

機(jī)器人的腰座上有許多構(gòu)件，設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)后要盡量保證各構(gòu)件重量比較相似，這對(duì)降低機(jī)器人工作時(shí)所受載荷和提高機(jī)器人工作精度有很大幫助。機(jī)器人手臂還應(yīng)考慮限位開(kāi)關(guān)和接頭的機(jī)械限位塊等機(jī)械部件的合理裝配，以保證日后使用的可靠性。

1.2手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1手臂的設(shè)計(jì)要求

手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)功能是由機(jī)器人正常工作時(shí)所需速度所決定的，為了為后續(xù)的計(jì)算方便，宜將機(jī)器人的手臂設(shè)計(jì)成平行或垂直狀態(tài)。若機(jī)器人的手臂尺寸設(shè)計(jì)不合理，易導(dǎo)致工作時(shí)發(fā)生碰撞而使工作不順暢，進(jìn)而降低機(jī)器人的工作效率。因此，在設(shè)計(jì)中要求機(jī)器人手臂的手腕工作區(qū)大于端間距。因?yàn)?號(hào)鑄鐵和45號(hào)鋼載力較好，是設(shè)計(jì)手臂底座的首選材料[2]。設(shè)計(jì)整個(gè)腰部殼體，采用鋁合金質(zhì)料，這種材料可以減少采捕時(shí)一些構(gòu)件產(chǎn)生的慣量，使控制更加準(zhǔn)確；機(jī)器人的手臂上有許多構(gòu)件，設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)后盡量保證其各構(gòu)件重量比較相似，這利于降低機(jī)器人工作時(shí)所受載荷和提高機(jī)器人工作精度。

1.2.2具體方案

通過(guò)比較，采用液壓的方式作為驅(qū)動(dòng)方式，其中負(fù)責(zé)垂直的機(jī)械手臂采用液壓閥的方式，而控制水平方向的機(jī)械手臂則用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)滾珠絲杠。為了更大程度地保證手臂工作的穩(wěn)定性能，需對(duì)手臂的強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。

1.3腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腕部是連接手部和臂部的部件，腕部運(yùn)動(dòng)主要用來(lái)改變被夾物體的方位，腕部動(dòng)作要靈活，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小[3]。通過(guò)對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的分析，確定手腕部分的形態(tài)。同樣地，為了防止因機(jī)器人的腕部設(shè)計(jì)尺寸不合理導(dǎo)致工作時(shí)發(fā)生碰撞，使得工作不順暢進(jìn)而降低機(jī)器人的工作效率，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需保證機(jī)器人手臂的手腕工作區(qū)大于端間距。

在確定了手臂與腰部等設(shè)計(jì)以后，可以根據(jù)上述已經(jīng)確定的尺寸加以綜合，進(jìn)而通過(guò)已知的運(yùn)動(dòng)方式，想象出其運(yùn)動(dòng)的大概空間工作形態(tài)，通過(guò)大體工作形態(tài)分析對(duì)手腕部分構(gòu)件加以設(shè)計(jì)。

1)手腕的設(shè)計(jì)一方面盡可能地要讓其越靈活越好，這樣可以滿足一切工作情況，但也需要考慮成本問(wèn)題，畢竟采捕機(jī)器人的產(chǎn)生是為了代替人工的低效率，所以成本不能太過(guò)高?；谝陨峡紤]，設(shè)計(jì)的手腕自由度既不能太高，也不可過(guò)低，影響工作效率。所以將自由度的數(shù)量控制在2～3之間。

2)用鋁合金來(lái)制作采捕機(jī)器人的手爪。因?yàn)槭肿Φ脑O(shè)計(jì)既要考慮其質(zhì)量的問(wèn)題，又必須能使手爪能抓取一定載荷的物體。用鋁合金制作采捕機(jī)器人的手爪既保證了手爪的重量不過(guò)大，而體積也相對(duì)縮進(jìn)一些。

3)用法蘭盤連接手爪部件，可以更好地讓手爪與其結(jié)合構(gòu)件裝配，便于日后進(jìn)行維修安裝處理。

4)設(shè)計(jì)手腕要考慮其抓取物體的能力，不能因?yàn)樗ト〉奈矬w重量過(guò)大而導(dǎo)致其抓取失敗。因?yàn)椴刹稒C(jī)器人是在水下作業(yè)，需要保證其工作的安全可靠。

5)設(shè)計(jì)各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比進(jìn)行不斷調(diào)整，讓能量損失減到最小，避免因?yàn)閭鲃?dòng)的原因而引發(fā)安全問(wèn)題。應(yīng)減小空回間隙，保證其安全。

1.4末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.4.1末端執(zhí)行器的要求

機(jī)械手的設(shè)計(jì)只是保證其基本用途，機(jī)械手在它的最后端有一擴(kuò)展裝置，其用途是可以為日后提供額外的輔助作用。

1)機(jī)器人的結(jié)尾器具有非常大的日后擴(kuò)展作用，需先通過(guò)對(duì)其工作情況的設(shè)定，再對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算出機(jī)器人手爪抓取物體的重量標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)設(shè)定額定采捕機(jī)器人的額外載荷。通過(guò)這些參數(shù)的計(jì)算可以得出體積不宜過(guò)大的結(jié)論，避免因?yàn)轶w積過(guò)大而給手爪帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

3)不同的執(zhí)行器擁有不同的特點(diǎn)。因?yàn)椴刹稒C(jī)械手是在水下作業(yè)，其工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，要考慮各種不同的工作環(huán)境。所以要對(duì)執(zhí)行器的快速拆卸、快速安裝提出要求[4]。要求能夠在不同環(huán)境下盡快適應(yīng)，一方面要保證執(zhí)行器的靈活性，另一方面也要保證工作的快速可靠性。

1.4.2夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式

手爪主要分為三指、雙指手爪。同時(shí)手爪的驅(qū)動(dòng)方式也需要設(shè)定，應(yīng)該采用最好的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到最好的功用。

1)采用氣動(dòng)的方式來(lái)完成操作。為了保證抓取的可靠性，需要使用一些輔助方法，一般使用節(jié)流閥、單相閥來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，并且由于氣體具有一定的擴(kuò)展壓的特性，在傳動(dòng)之前還需要對(duì)工作構(gòu)件的密封特性進(jìn)行檢驗(yàn)處理。

2)采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式，這些電機(jī)驅(qū)動(dòng)能有效地實(shí)現(xiàn)手爪的功用。

3)液壓系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能在有限的體積內(nèi)幫助人們使用機(jī)器，可以提供較大的力，控制機(jī)器有效運(yùn)行。

1.4.3具體設(shè)計(jì)方案

控制手爪張合利用的是齒輪傳動(dòng)的原理，即在活塞缸上連接齒條，通過(guò)活塞桿的移動(dòng)帶動(dòng)連接的齒條運(yùn)動(dòng)。齒條再和齒輪相嚙合，通過(guò)齒輪的傳動(dòng)帶動(dòng)手爪的運(yùn)動(dòng)。因此，應(yīng)通過(guò)計(jì)算手爪的運(yùn)動(dòng)距離來(lái)設(shè)計(jì)齒條的運(yùn)動(dòng)行程。

1.5機(jī)器人電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

通過(guò)確定機(jī)器人手爪抓取海珍品的重量來(lái)設(shè)定采捕機(jī)器人的額外載荷。抓取的海珍品體積不宜過(guò)大，避免因?yàn)轶w積過(guò)大而給為手爪設(shè)計(jì)增加難度。

1.5.1選擇電動(dòng)機(jī)的原則

電動(dòng)機(jī)的選擇要求一方面要保證有足夠的力來(lái)使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也需要思考脈沖的規(guī)律，盡量能在精度得到保證的情況下，能安全地工作，且不能有過(guò)大的振動(dòng)。本研究采用光電碼位移控制器、制動(dòng)器等設(shè)施提高它的啟動(dòng)安全性，采用氣動(dòng)的方式來(lái)完成操作。

由于工作環(huán)境是在水下，電機(jī)的防水特性要格外注意，電機(jī)外表面各部件的結(jié)合面之間采用無(wú)縫隙的結(jié)構(gòu)，緊固螺栓與螺栓孔的結(jié)合面之間設(shè)有靜密封機(jī)構(gòu)。通過(guò)這些措施可以獲得可靠的防水效果，避免電機(jī)內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致短路故障的發(fā)生。

1.5.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇

通過(guò)對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和參數(shù)的分析，確定其使用方向。在確定電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)時(shí)，一般要考慮機(jī)器人能承受的最大載荷，同時(shí)也要規(guī)定其最大速度效率，還要考慮一些材料的使用是否合理，以及傳動(dòng)比的規(guī)格及額定功率。具體如下：

1)小慣量直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子直徑較小，體積與質(zhì)量也不是太大，這類電動(dòng)機(jī)主要是用于快速進(jìn)給和針對(duì)那些負(fù)載不大的場(chǎng)合。

2)有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)相比小慣量直流永磁伺服電動(dòng)機(jī)，由于有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)無(wú)鐵心并且還有軸向的平面的空隙，它的慣量小，響應(yīng)能力也很好，換向能力出色，輸出力矩平穩(wěn)，可以起到頻繁制動(dòng)的作用，并且能使機(jī)器擁有急停、快速啟動(dòng)的能力，是采捕機(jī)器人電機(jī)的最佳選擇。

3)永磁性的電動(dòng)機(jī)的輸出力矩相對(duì)較大，特別適合負(fù)載相對(duì)較大的場(chǎng)合，可以用齒輪傳動(dòng)來(lái)消除，這種電動(dòng)機(jī)由于輸出的力太大，不適合水下抓取海產(chǎn)品。

4)同步的交流伺服交流電動(dòng)機(jī)采用的是中小型速控原件，用交流變頻式調(diào)速器作為其驅(qū)動(dòng)來(lái)源。它的轉(zhuǎn)子和定子從低速通過(guò)大電流，并且轉(zhuǎn)子相對(duì)較細(xì)，大多用來(lái)作為大型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1.5.3電動(dòng)機(jī)的確定

水下微型采捕機(jī)械手一般要考慮機(jī)器人能承受的最大載荷，同時(shí)也要規(guī)定其最大速度效率，以及一些材料的使用是否合理。還要考慮傳動(dòng)比的規(guī)格，以及傳動(dòng)比的規(guī)格及額定功率。因此確定用有刷繞組永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)。

1.6水下微型采捕機(jī)械手的平衡機(jī)構(gòu)形式

一般來(lái)說(shuō)，水下微型采捕機(jī)械手所采用的平衡機(jī)構(gòu)方式主要有以下幾種：

1)配重的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是方便安裝和拆卸，能有效地隨時(shí)調(diào)動(dòng)，能適應(yīng)任何地方，能極大地保證工作安全。但該方法增加了機(jī)構(gòu)重量，特別是手臂的重量不再平均分布，這對(duì)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵關(guān)節(jié)的承載能力的要求更高。所以這類方法一般主要在總量差別不太多的情況下使用。

2)彈簧的方法。利用彈簧的可伸展的特性，對(duì)機(jī)構(gòu)較重的部位進(jìn)行支撐，來(lái)減輕機(jī)構(gòu)的不平衡特性。這種方法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)導(dǎo)致彈簧的疲勞失效。

3)活塞桿的方法。與彈簧的方式有類似之處，不過(guò)用活塞桿的方法能避免彈簧使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致的疲勞時(shí)效，活塞桿設(shè)計(jì)的材料選擇比較關(guān)鍵，要求重量不能太大。

2　機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的機(jī)械形態(tài)設(shè)計(jì)后，如何使之運(yùn)行，其系統(tǒng)控制部分的選擇尤為關(guān)鍵，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用。機(jī)械手的手部、腕部、臂部等的動(dòng)作以及相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序、動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。

2.1機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1機(jī)械手的作業(yè)流程

機(jī)械手的工作先是將其放入水中，通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力，機(jī)械手底座帶動(dòng)底座上的機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣讓手爪與要抓取的海產(chǎn)品處在一個(gè)垂直水平的直線上。在通過(guò)液壓缸控制上下升降，能讓手爪觸碰到海產(chǎn)品。在上下的調(diào)節(jié)完成后，將控制上下的換向閥鎖死，保證其不再移動(dòng)。再通過(guò)水平移動(dòng)的活塞桿抓取海珍品，具體是一個(gè)從原點(diǎn)先水平移動(dòng)，然后再下降一定距離，手爪開(kāi)始工作，從而完成抓取任務(wù)。此外，腰部的回轉(zhuǎn)控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

2.1.2機(jī)械手操作面板布置

因?yàn)椴刹稒C(jī)械手是在水下作業(yè)，由于長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作，必須分析它的控制方式，設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)型的無(wú)人控制設(shè)施。其中，當(dāng)有人操作時(shí)，先是打開(kāi)啟動(dòng)按鈕，將控制面板上的控制選項(xiàng)調(diào)為自動(dòng)狀態(tài)。再根據(jù)要抓取的物品，調(diào)動(dòng)升降、水平移動(dòng)選項(xiàng)。并且在腰部回轉(zhuǎn)的時(shí)候，也要有警醒的控制。通過(guò)設(shè)計(jì)要能達(dá)到準(zhǔn)確地控制手爪的抓取，并能及時(shí)掌控其工作情況。但是并不是所有的工作時(shí)刻總是有人在場(chǎng)，應(yīng)通過(guò)程序設(shè)計(jì)使采捕機(jī)械手在無(wú)人環(huán)境下可以自動(dòng)工作。這些程序能讓機(jī)械手自動(dòng)地通過(guò)探測(cè)儀鎖定所抓取物品的確定位置，再通過(guò)腰部回轉(zhuǎn)，以及橫豎方向上的液壓缸來(lái)進(jìn)行位置調(diào)控。

2.2液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1液壓系統(tǒng)基本方案的確定

控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，一般采用國(guó)際上先進(jìn)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓馬達(dá)和活塞缸是常用的機(jī)構(gòu)，用來(lái)負(fù)責(zé)往復(fù)的直線移動(dòng)。液壓系統(tǒng)整體布局完成之后還需要對(duì)其控制元件進(jìn)行分析，要對(duì)一些單向閥、節(jié)流閥、換向閥和對(duì)流量速度方向進(jìn)行調(diào)控，以保證能夠完全可靠地運(yùn)行。

2.2.2液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路的擬定

根據(jù)運(yùn)行環(huán)境，需要在腰部上安裝一個(gè)來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。同時(shí)還有一個(gè)負(fù)責(zé)上下升降的活塞缸來(lái)控制上下的移動(dòng)。在上下可移動(dòng)的活塞缸上有一個(gè)可水平移動(dòng)的活塞缸。通過(guò)控制這些可活動(dòng)構(gòu)件來(lái)完成機(jī)械工作。其中底座的控制回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)可通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供一部分動(dòng)力，使工作運(yùn)行完好，同時(shí)也必須設(shè)計(jì)一些組合部件保證其運(yùn)行的完整性。

2.2.3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，首先要確定流向的問(wèn)題，要保證液體的進(jìn)出都是順暢的。這些液體通過(guò)各種閥控制其流向。液體先通過(guò)馬達(dá)提供部分動(dòng)力，再通過(guò)單向閥的控制進(jìn)入主系統(tǒng)中，隨后分成3個(gè)分支，其中一個(gè)分支用來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)用來(lái)控制橫向活塞的伸縮運(yùn)動(dòng)，還有一個(gè)用來(lái)提供上下升降的動(dòng)力來(lái)源。這些都是在調(diào)速閥、換向電磁閥等許多元件的調(diào)控下進(jìn)行的操作，同時(shí)也必須保證這些液壓的走向應(yīng)滿足整體的調(diào)控。

2.2.4液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)確定

為了使液壓缸的工作安全可靠，必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定以及人工調(diào)節(jié)的方便性。先計(jì)算整體液壓缸的尺寸參數(shù)，在工作安全可行的前提下對(duì)其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使指標(biāo)合格，對(duì)工作情況進(jìn)行分析，將這些參數(shù)匯成表格形式。同樣，針對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式，應(yīng)對(duì)流速進(jìn)行深入分析。液壓系統(tǒng)作為機(jī)器驅(qū)動(dòng)的控制執(zhí)行系統(tǒng)，其作用是非常重要的。通過(guò)對(duì)參數(shù)的計(jì)算,選擇適合的元件保證其安全。

對(duì)手爪執(zhí)行柱塞缸和垂直液缸的設(shè)計(jì)，主要是計(jì)算其所能承受的外力大小。因?yàn)椴刹稒C(jī)器人工作環(huán)境是在水下，水下具有一定的壓強(qiáng)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1與表2。

表1　手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)

表2　垂直液壓缸參數(shù)

機(jī)械裝置在工作時(shí)需要承受水下的壓力以及自身重量，所以應(yīng)重視其強(qiáng)度校核，如果強(qiáng)度不夠，則會(huì)導(dǎo)致工作不安全和工作效率降低。

液壓系統(tǒng)的主要部件中，對(duì)在直線上運(yùn)動(dòng)的液氧缸主要分析載荷對(duì)其產(chǎn)生的影響，對(duì)控制上下升降的液氧缸需要考慮摩擦力對(duì)其產(chǎn)生的影響[5]。

關(guān)于受力方面，應(yīng)通過(guò)工程力學(xué)的分析，分析桿件受到的包括扭轉(zhuǎn)、彎曲、剪切等各種外力。

3　結(jié)語(yǔ)

為了使水下微型采捕機(jī)械手工作安全可靠，必須首先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全，以及人工調(diào)節(jié)的方便性。為此，首先對(duì)機(jī)械手各部件包括控制回轉(zhuǎn)的腰部、可垂直水平移動(dòng)的手臂、以及抓取的手爪等構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)以符合水下工作環(huán)境。其次，在機(jī)械手的機(jī)械形態(tài)設(shè)計(jì)后，如何使之運(yùn)行，其系統(tǒng)控制部分的選擇尤為關(guān)鍵，機(jī)械手的手部、腕部、臂部等的動(dòng)作以及相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序、動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。此外，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)整體液壓缸的尺寸，以保證工作的安全可行。為了便于調(diào)控機(jī)械手，隨時(shí)跟蹤機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式，隨時(shí)對(duì)流速進(jìn)行分析，液壓系統(tǒng)作為機(jī)器驅(qū)動(dòng)的控制執(zhí)行系統(tǒng)，隨時(shí)掌控也是必要的。

[1]王裕清，王紅旗，張高峰，等.目標(biāo)物體抓取機(jī)械手的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015，(2)：168～169.

[2]吳素珍，郭旭各.仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，43(3)：50～51.

[3]段成燕，王金，王東勝，等.四自由度工業(yè)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模[J].黑龍江科技信息，2010，(36)：31.

[4]紀(jì)俐，王宏，王恒.MTi姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)器手抓取中的姿態(tài)測(cè)量及分析[J].機(jī)械與電子，2013，(6)：66～69.

[5]高勇，李園園，張偉民，等.六自由度裝夾機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2013，41(22)：74～76.

2016-03-04

遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目(2015103021)。

胡昌宇(1989-)，男，碩士生，主要從事水下海珍品機(jī)器人自動(dòng)化研究。通信作者：母剛，mugang@dlou.cdu.cn。

TP241；TH137

A

1673-1409(2016)21-0059-05

[引著格式]胡昌宇，張國(guó)琛，李秀辰，等.海珍品采捕機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版) ，2016，13(21)：59～63.