郭志明，陳子暄，戴娟，龔雄，曾廣勝

（長(zhǎng)沙學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410022）

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，海洋環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，絕大部分陸地垃圾污染物通過(guò)各種途徑最終進(jìn)入海洋。這些有害物質(zhì)進(jìn)入海洋環(huán)境而造成的污染，會(huì)損害生物資源，危害人類健康。據(jù)估算，每天約有八百萬(wàn)件垃圾被排放到海洋中，預(yù)計(jì)到2025年，海洋塑料垃圾的數(shù)量相比2010年將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)［1］。當(dāng)前海洋環(huán)境中的垃圾以塑料垃圾為主，由于塑料垃圾在水中難以自然降解，進(jìn)入海洋中的塑料垃圾至少能夠保留數(shù)百年，不僅會(huì)威脅海洋環(huán)境，還會(huì)逐步進(jìn)入食物鏈中，對(duì)生物資源造成巨大危害［2-3］。

目前針對(duì)水下垃圾的清理方式主要包括人工打撈和機(jī)械打撈［4］。人工打撈不僅成本高、效率低，還具有一定的危險(xiǎn)性。而機(jī)械打撈則主要是以垃圾清理船為主的機(jī)械產(chǎn)品在人工的遙控指揮下進(jìn)行清理。例如劉伯運(yùn)等研制的MC120號(hào)水面清潔船，采用雙螺旋筒式推進(jìn)裝置，可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水面垃圾的快速清理［5］；嚴(yán)蘇豫等設(shè)計(jì)的一種水上垃圾清理船，可通過(guò)垃圾收集裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)油類垃圾和固體垃圾的分類清理［6］；張國(guó)洲等研發(fā)的雙體船式水面垃圾清理機(jī)器人，依靠水泵提供動(dòng)力，使垃圾自動(dòng)流入艙體，實(shí)現(xiàn)水域清理［7］。

上述垃圾清理船主要適用于近海、江河等水域中，體積較為龐大，制造成本較高，難以應(yīng)用在中小型水域中。因此，為機(jī)動(dòng)解決湖泊、池塘等中小型水域中垃圾污染的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新型水下垃圾打撈機(jī)器人。該機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了框架式外形設(shè)計(jì)，搭載了膠囊式耐壓艙、圖像采集裝置等，能夠快速高效地執(zhí)行水下作業(yè)，針對(duì)中小型水域中的塑料垃圾進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和打撈。

圖1 水下機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)

1 機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們所設(shè)計(jì)的水下打撈機(jī)器人在外形上采用了框架式概念設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)684 mm，總寬275 mm，總高256 mm，主要由水下驅(qū)動(dòng)裝置、圖像采集裝置、水下打撈裝置以及膠囊式耐壓艙構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。

為了防止機(jī)器人在工作過(guò)程中出現(xiàn)損壞，電子控制模塊和照明等元器件被安裝在膠囊式耐壓艙中，耐壓艙固定在框架中心。耐壓艙前端安裝了攝像頭，用于提供工作視野，后端設(shè)計(jì)了臍帶纜接口，在工作時(shí)可通過(guò)臍帶纜與母船進(jìn)行連接，從而進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)傳輸。耐壓艙的正下方安裝了水下打撈裝置，包括一個(gè)三自由度水下機(jī)械臂，可進(jìn)行大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在機(jī)械臂末端裝配了夾持式機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下垃圾的打撈清理。

在機(jī)器人的工作過(guò)程中，我們首先在母船上通過(guò)耐壓艙后端連接的臍帶纜向控制模塊發(fā)出信號(hào)使推進(jìn)器啟動(dòng)，保證機(jī)器人平穩(wěn)下潛，調(diào)整作業(yè)深度后，開啟耐壓艙前端的攝像頭進(jìn)行水下圖像采集，必要時(shí)可啟動(dòng)攝像頭周圍的LED燈環(huán)進(jìn)行補(bǔ)光，采集到的圖像信息可通過(guò)尾部的臍帶纜傳輸給水面上的母船。當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要打撈的垃圾時(shí)，母船向控制模塊發(fā)出信號(hào)，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至合適位置，指揮機(jī)械手進(jìn)行抓取，成功抓取垃圾后，再控制機(jī)器人上浮至水面進(jìn)行垃圾回收。

我們通過(guò)調(diào)整機(jī)器人自身重量、浮力和推進(jìn)力等影響因素，確保機(jī)器人在水下處于相對(duì)平衡狀態(tài)，從而能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)器人整體上配置了較多機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，自身重力較大，易沉入水中，需要選擇合適的材料來(lái)產(chǎn)生浮力。我們采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料制作耐壓艙，這樣可以有效增加機(jī)器人的浮力，但若只用耐壓艙的殼體產(chǎn)生機(jī)器人的浮力，必然要增加殼體體積，增大流動(dòng)阻力，因此要在機(jī)器人框架式結(jié)構(gòu)上布置合適的浮力材料。

目前大部分機(jī)器人采用人工合成的固體材料來(lái)提供浮力，這主要是將玻璃微球以一定比例填充到環(huán)氧樹脂中，在合適的溫度、壓力下經(jīng)反應(yīng)合成的復(fù)合材料。相比于其他浮力材料，這種材料密度低、承受靜水壓強(qiáng)能力好、彈性模量與海水相近。我們所設(shè)計(jì)的新型垃圾打撈機(jī)器人根據(jù)工作環(huán)境與水深條件，選用牌號(hào)為CFC-400的固體材料，布置在耐壓艙周圍，為機(jī)器人提供必需的浮力。該材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 浮力材料參數(shù)

2 機(jī)器人關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 膠囊式耐壓艙設(shè)計(jì)

機(jī)器人在水下作業(yè)的過(guò)程中會(huì)受到靜水壓力和流動(dòng)阻力等多種載荷。耐壓艙作為主要承壓部件，能夠保護(hù)電控模塊，為機(jī)器人在水下作業(yè)提供密封和安全保障［8］，因此需要設(shè)計(jì)合理的耐壓艙結(jié)構(gòu)，保證機(jī)器人水下工作時(shí)的安全。

圖2為機(jī)器人耐壓艙的結(jié)構(gòu)，為了減少流動(dòng)阻力，同時(shí)最大程度利用內(nèi)部空間，耐壓艙外形采用膠囊式結(jié)構(gòu)，即采用圓柱形內(nèi)部艙室與半球形封頭組合。在艙室前端采用了螺栓將前透明罩、前部支架與前圈固定，后端采用螺釘將后圈、尾部支架、尾蓋固定。

圖2 水下機(jī)器人耐壓艙結(jié)構(gòu)

艙室內(nèi)部安裝了支撐桿與環(huán)形支架，可承受較大靜水壓力和撞擊力等，有效提高了艙體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圓柱形艙室設(shè)計(jì)了半圓形凹槽，并裝配了O形密封圈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)密封，以保證內(nèi)部控制模塊能夠正常工作。

2.2 水下驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

為保證機(jī)器人在水下正常推進(jìn)和沉浮，同時(shí)補(bǔ)償機(jī)械手在工作過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)使其保持穩(wěn)定，必須配置高效可控的驅(qū)動(dòng)裝置。我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置主要由耐壓艙周圍布置的水下推進(jìn)器和中間的控制模塊組成，如圖3所示。機(jī)器人總共有6個(gè)水下推進(jìn)器，在外部框架上成對(duì)布置，通過(guò)推進(jìn)器之間的協(xié)同作用使機(jī)器人在水下完成不同動(dòng)作。其中，推進(jìn)器3、4垂直安裝在耐壓艙兩側(cè)，當(dāng)它們以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)上浮、下沉動(dòng)作，差速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作；推進(jìn)器1、2、5、6水平安裝在機(jī)器人框架下方，當(dāng)它們以相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退，差速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。考慮到制造難度和應(yīng)用場(chǎng)景，我們選用了螺旋槳式推進(jìn)器。每個(gè)推進(jìn)器的內(nèi)部都安裝了直流電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)螺旋槳順時(shí)針、逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 水下推進(jìn)器布局

2.3 圖像采集裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器人的圖像采集裝置主要由耐壓艙前部的攝像頭、二自由度云臺(tái)、LED燈環(huán)組成。攝像頭用于拍攝水下雜物，LED燈環(huán)用于補(bǔ)光，二自由度云臺(tái)則用于改變攝像頭的拍攝角度，減小工作時(shí)的視野盲區(qū)。

傳統(tǒng)的水下機(jī)器人往往采用固定式攝像頭的設(shè)計(jì)，通過(guò)控制機(jī)器人的移動(dòng)來(lái)采集圖像。這樣的設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要求較高，并且攝像視野有限，在實(shí)際應(yīng)用中易出現(xiàn)較大的視野盲區(qū)。而云臺(tái)可使攝像頭繞固定軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，為機(jī)器人提供更廣泛的視野?？紤]到耐壓艙的內(nèi)部空間有限，一般的云臺(tái)難以放置［9］，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型二自由度攝像云臺(tái)，如圖4所示。

圖4 二自由度攝像云臺(tái)結(jié)構(gòu)

為保證攝像頭能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的空間轉(zhuǎn)動(dòng)，我們采用機(jī)構(gòu)學(xué)中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將動(dòng)平臺(tái)（攝像頭）與定平臺(tái)（機(jī)架）采用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)鏈相連接。如圖4所示，搖桿3、連桿4、下曲柄6之間通過(guò)鉸鏈連接，在平面上組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)下曲柄6的轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)攝像頭在YOZ平面上進(jìn)行90°擺動(dòng)。為避免發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，在上曲柄1與連架桿2以及攝像頭平臺(tái)之間均采用球面副連接，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)上曲柄1的擺動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)攝像頭在XOZ平面上進(jìn)行90°擺動(dòng)。水下機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)控制上曲柄1與下曲柄6的協(xié)同作用，使攝像頭完成復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步減少其視野盲區(qū)。

由于攝像頭的擺動(dòng)幅度與各桿長(zhǎng)度有關(guān)，為保證攝像頭的擺動(dòng)幅度盡可能大，獲得更大的工作視野，需要確定各桿最優(yōu)長(zhǎng)度。下面將對(duì)組成攝像云臺(tái)的兩個(gè)獨(dú)立桿組的尺寸進(jìn)行計(jì)算分析。

2.3.1 下曲柄、連桿、搖桿長(zhǎng)度計(jì)算

圖5即為二自由度攝像云臺(tái)中下曲柄6、搖桿3、連桿4組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意。假設(shè)其中，曲柄AB為原動(dòng)件，在其轉(zhuǎn)動(dòng)一周過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)兩次曲柄AB與連桿BC共線的情況，此時(shí)搖桿CD分別處于兩極限位置C1D和C2D，原動(dòng)件AB所在兩個(gè)位置之間所夾銳角θ為極位夾角，搖桿CD所在兩個(gè)極限位置之間所夾角φ為擺角。由圖5中幾何關(guān)系可知：

圖5 攝像云臺(tái)中的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意

即有：

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具有急回運(yùn)動(dòng)特性［10］，則有：

其中，K為行程速比系數(shù)，θ為極位夾角。極位夾角決定著機(jī)構(gòu)的急回運(yùn)動(dòng)特性。θ越大，K越大，急回運(yùn)動(dòng)越明顯，攝像頭擺動(dòng)效率越高，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)保證極位夾角盡可能大。

在圖5所示機(jī)構(gòu)ABCD中，令lBC為最長(zhǎng)桿，lAB為最短桿，搖桿lCD= 17.5 mm，機(jī)架lAD= 55 mm。為滿足曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)條件，則有：

同時(shí)為保證lCD能夠在平面上進(jìn)行90°往復(fù)擺動(dòng)，擺角φ取為90°，帶入式（4）中，得：

通過(guò)MATLAB編程計(jì)算滿足桿長(zhǎng)條件式（6）以及擺角約束式（7）時(shí)，當(dāng)lAB= 10.1 mm，lBC= 47.6 mm時(shí)，極位夾角θ達(dá)到最大，為17.6°。此時(shí)，lCD擺動(dòng)效率最高。

故 圖4中，l下曲柄=10.1 mm，l連桿=47.6 mm，l搖桿=17.5 mm。

2.3.2 上曲柄、連架桿長(zhǎng)度計(jì)算

在攝像云臺(tái)的實(shí)際裝配中，圖4中的上曲柄與下曲柄均作為舵機(jī)搖臂，由舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。為保證設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，設(shè)定舵機(jī)搖臂長(zhǎng)度相同，即l上曲柄=l下曲柄=10.1mm。由于空間連桿運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，難以直接求解桿長(zhǎng)，故通過(guò)SolidWorks對(duì)攝像云臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)模擬分析得到連架桿長(zhǎng)度。經(jīng)不斷建模優(yōu)化后最終確定，l連架桿=33.7 mm時(shí)，可使攝像頭在另一垂直平面上進(jìn)行90°往復(fù)擺動(dòng)。

綜上可得到攝像云臺(tái)各構(gòu)件尺寸，如表2所示。

表2 攝像云臺(tái)各構(gòu)件尺寸

2.4 水下打撈裝置設(shè)計(jì)

機(jī)器人的水下打撈裝置主要由三自由度水下機(jī)械臂和末端的夾持式機(jī)械手組成。機(jī)械臂是水下打撈裝置中重要的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)配合調(diào)整機(jī)械手的位置，再通過(guò)控制機(jī)械手的夾持實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的打撈。

為了將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到指定位置，水下機(jī)械臂需要具備一定的自由度。我們綜合考慮選擇了“4功能”，即“三自由度+機(jī)械手”組成的水下機(jī)械臂作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。如圖6所示，水下機(jī)械臂主要由基座5、大臂4、小臂2以及末端的機(jī)械手1組成。在基座處安裝了直流伺服電機(jī)，使大臂以及之后的部分能在X1O1Y1平面上轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣地，在大臂間的套筒內(nèi)部以及小臂內(nèi)部也安裝了直流伺服電機(jī)，使小臂及之后的部分能在X2O2Z2平面上轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)械手能繞著Z3軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的機(jī)械臂中各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度參數(shù)如表3所示。

表3 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)

為保證機(jī)器人的順利作業(yè)，我們?cè)跈C(jī)械臂末端安裝了一個(gè)夾持式機(jī)械手。如圖7所示，機(jī)械手末端安裝了驅(qū)動(dòng)電機(jī)8，通過(guò)電機(jī)固定座7與絲杠相連，絲杠帶動(dòng)傳動(dòng)螺母5沿著絲杠軸線直線運(yùn)動(dòng)，再帶動(dòng)連桿6轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)折桿1的擺動(dòng)。由于折桿1、機(jī)械手指3、連架桿2構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，折桿1擺動(dòng)時(shí)，連架桿2會(huì)進(jìn)行同步擺動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指3實(shí)現(xiàn)平行對(duì)捏運(yùn)動(dòng)。

圖7 夾持式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

考慮到機(jī)械手結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，只需對(duì)其左側(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析即可確定機(jī)械手各桿長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖8為機(jī)械手左側(cè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意，圖中機(jī)構(gòu)可視為偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的串聯(lián)，其中滑塊為主動(dòng)件。為保證機(jī)械手指能夠?qū)崿F(xiàn)平行對(duì)捏運(yùn)動(dòng)，在上方曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，令，使之成為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)。在下方偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，取偏距為如圖8中虛線表示機(jī)械手指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的初末位置，鉸鏈E運(yùn)動(dòng)的水平距離X即為單個(gè)機(jī)械手指的捏合距離。

所以，上述幾何參數(shù)應(yīng)滿足關(guān)系式：

令e=5 mm，lAB=a=10 mm，lBC=b=15 mm，機(jī)械手捏合2距離H=60mm則代入上式可得，擺動(dòng)角度θ2= 84.7°，lAD=lEF=l2= 33.1 mm。由上方推導(dǎo)知l1大小不影響捏合距離與擺動(dòng)角，為保證結(jié)構(gòu)的合理性，取lAF=lDF=l1= 30 mm。

綜上分析可得，圖7所示夾持式機(jī)械手最大張開距離為60 mm，最大擺動(dòng)角度為84.7°。

3 結(jié)論

我們針對(duì)當(dāng)前海洋塑料垃圾污染問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款新型膠囊框架式水下垃圾打撈機(jī)器人，主要包括膠囊式耐壓艙、螺旋槳式推進(jìn)器、寬視野攝像裝置和抓取執(zhí)行機(jī)械手。此外，基于機(jī)械原理對(duì)攝像云臺(tái)和機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析。主要結(jié)論如下。

（1）設(shè)計(jì)的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)水下的前進(jìn)、后退、上浮、下沉、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，有效提高了機(jī)器人的靈活性。通過(guò)將攝像頭與曲柄連桿機(jī)構(gòu)和球面副連桿并聯(lián)，設(shè)計(jì)了一種二自由度攝像云臺(tái)，使攝像頭能夠在兩個(gè)垂直平面內(nèi)完成90°擺動(dòng)，有效減少了水下機(jī)器人工作時(shí)的視野盲區(qū)。

（2）水下打撈裝置主要由三自由度機(jī)械臂與夾持式機(jī)械手組成。機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)大范圍的空間擺動(dòng)。在機(jī)械臂的末端安裝了機(jī)械手，能夠配合攝像裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)水下垃圾的識(shí)別和清理打撈。通過(guò)對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，可得機(jī)械手最大張開距離為60 mm，最大擺動(dòng)角度為84.7°。