張 吉，田軍委，王 沁，熊靖武，史珂路

（1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(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)。而在此過程中ROV必須配備機械臂才能完成水下作業(yè)任務(wù)[1]。水下機械臂必須滿足以下要求：由于工作環(huán)境在水下，機械臂材料需要耐腐蝕性強、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)計說明與性能參數(shù)

1）機械臂的坐標(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，動物和水草等物體，對機械臂的控制造成影響，并且需要機械臂具有非常好的壁障性，應(yīng)對水下的復(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)式機械臂，且采用雙目視覺技術(shù)，就像人的眼睛控制雙手抓取物體。機械臂自由度的個數(shù)是由其用途決定的；本文設(shè)計的機械手臂工作環(huán)境為水下，考慮到水下機械臂的設(shè)計要求和操作范圍，將采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，且將機械臂設(shè)定為四個自由度。機械臂自由度布置如圖1所示。機械臂整體形態(tài)仿照人手臂設(shè)計，為方便實現(xiàn)手抓姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)對目標(biāo)的抓取動作，將機械臂自由度設(shè)定為關(guān)節(jié)1為水平面的旋轉(zhuǎn)運動、關(guān)節(jié)2為豎直平面的小幅度轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)3為豎直平面的轉(zhuǎn)動，關(guān)節(jié)四為豎直平面的擺動。四個自由度可以使機械臂能夠更加容易抓取到水下的物體。

圖1 機械臂自由度設(shè)置

2）安裝方式的確定：裝于潛水器上的機械臂在水下進(jìn)行作業(yè)時，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，因為機械手作業(yè)受到的反作用力會影響ROV方位的穩(wěn)定；故兩只機械臂別設(shè)置在艇首頭部的左、右兩側(cè)[5,8]?？梢员ＷC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械手臂的材料。經(jīng)過運動分析發(fā)現(xiàn)雙機械臂的運動最遠(yuǎn)可以達(dá)到如下位置，此時機械臂的關(guān)節(jié)2的運動角度為30°，而雙目視覺測距模仿人眼觀察物體，故機械臂的末端必須在視線范圍內(nèi)，再加上機械臂的操作角度不低于60°，因此關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)動角度定位60°。其中機械臂極限位置如圖2所示。舵機的轉(zhuǎn)動角度有90°、120°、180°、360°，其余各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度可以根據(jù)舵機的角度選取。

圖2 機械臂極限位置

2 機械臂的受力分析及計算

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

圖3 機械臂簡化示意圖

2.1 執(zhí)行單元扭矩估算

逐個分析各個關(guān)節(jié)的受力，先從機械臂末端開始，分析關(guān)節(jié)4可以簡化為如圖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。

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

2.2 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式及選型

驅(qū)動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，能否實現(xiàn)功能，還有就是工作環(huán)境，還要考慮價格，控制精度等方面?？紤]到該機械臂用于水下作業(yè)，最終安裝在ROV上，因此體積和重量不能太大。由設(shè)計要求，抓取1kg的物體，操作范圍300mm可知，該機械臂抓取重量輕，不需要太大的力矩，故機械臂最終采用電力驅(qū)動形式。

關(guān)節(jié)1為機械臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，主要承受整個機械臂的重量，經(jīng)過估算預(yù)估機械臂的扭矩為3.709N·m，選擇KST X20-8.4-50超大扭力高壓舵機，舵機如圖5所示，該款舵機尺寸為40×20×39.5mm，當(dāng)電壓為8.4V時舵機的扭矩為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型號一樣的舵機。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。

表1 各個關(guān)節(jié)電機的最大轉(zhuǎn)

圖5 kst舵機

2.3 執(zhí)行單元校核計算

機械手臂在加減速運行過程中會產(chǎn)生慣性力，將各個力矩值乘以1.1倍做為最終結(jié)果，則關(guān)節(jié)4電機的最大力矩為：

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

同理可以計算出其他關(guān)節(jié)的最大功率情況。

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，各個關(guān)節(jié)的計算的扭矩均小于對應(yīng)舵機的最大扭矩，符合設(shè)計要求，證明設(shè)計的機械臂可以抓取質(zhì)量為1kg的重物，滿足設(shè)計要求。說明舵機理論上能夠?qū)崿F(xiàn)抓取1kg的物體，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計任務(wù)的要求，能夠達(dá)到預(yù)期的要求。

表2 各個關(guān)節(jié)電機的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率

3 機械臂的密封

ROV的機器臂密封是最關(guān)鍵的問題。一般有如下五個要求：

1）當(dāng)壓力超過范圍時，不能發(fā)生泄漏；

2）密封要具有較長的壽命，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）要具備很高的性價比[5]。

而O型密封圈的優(yōu)勢在于密封部位機構(gòu)簡單，安裝部位緊湊，重量較輕且有自密封作用，密封性能較好，對于壓力交變的場合也能適應(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。故機械臂的靜密封使用O型密封圈[3]。

對舵機進(jìn)行詳細(xì)防水密封設(shè)計中，由于舵機的輸出軸端處的動密封非常重要，關(guān)系到舵機在水下工作的深度。密封采取的思路是，將軸端單獨密封起來，并將輸出軸端放大。輸出軸的扭矩通過內(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，軸端套與舵機之間通過膠接，采用環(huán)氧樹脂粘接，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M2.5的螺釘和墊片定位，舵機輸出軸端中間自帶一個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四個M2的螺紋孔連接，最終舵機的密封結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4 三圍建模與仿真

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

4.1 手抓結(jié)構(gòu)分析

為了能準(zhǔn)確抓取物體，設(shè)計成兩爪抓取物體，市場上機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度，選擇鋁合金2A12做手抓的主要材料，舵機支撐架上面需要開孔安裝舵機和手抓，還要與上個關(guān)節(jié)連接，故采用鋁合金材料，兩個爪之間是兩個四分之一齒輪嚙合，通過舵機驅(qū)動抓取物體。

手爪由兩個分離的爪組成，將防水舵機部件裝在爪座上，爪如圖8所示，下部是齒輪的一部分，將有四個螺紋孔的一邊與舵機部件的輸出法蘭連接，另一邊由裝有微型軸承，通過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90°的舵機，手抓的張開的最大尺寸158mm，手爪閉合時，如圖8所示。

圖6 舵機密封結(jié)構(gòu)圖

圖7 機械手臂的實體模型

圖8 手抓裝配效果

4.2 手抓的仿真結(jié)果及其分析

手抓是機械手臂抓取重物的關(guān)鍵零件，與機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)動電機最遠(yuǎn)的位置，如圖9所示為手抓尖端位置，仿真時的固定位置是手抓螺栓空。經(jīng)過這樣的受力分析，可以模擬實際的受力情況。

圖9 手抓的受力

通過手抓的仿真分析，手抓的應(yīng)力分析結(jié)果如圖10所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在手抓下部圓弧過度的地方，這里是直接從圓弧過度成直線，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小于材料的屈服強度2.75742×107N/m2，因此滿足設(shè)計要求，為了最大減小應(yīng)力，分析完成后，在此處添加圓弧過度。

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)計要求，符合設(shè)計規(guī)范。

圖11 手抓變形圖

圖12 手抓的應(yīng)變圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款ROV的機械手臂，對機械臂的自由度、坐標(biāo)形式、與水下機器人本體連接方式、材料、參數(shù)的確定，和對關(guān)節(jié)處和抓手處的驅(qū)動選型，選擇舵機作為驅(qū)動，設(shè)計了舵機的詳細(xì)防水結(jié)構(gòu)。本機械手臂設(shè)計成連桿結(jié)構(gòu)，充當(dāng)機械臂的手腕，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°。單只機械臂的總長為442mm，抓取物體為1千克，通過對手抓的仿真，其滿足設(shè)計要求。終可在水深300m下作業(yè)的四自由度機械手臂。

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