六軸水下機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

吳振華 石燾 幸運(yùn) 王詩(shī)毓

摘要：近年來(lái)，水下環(huán)境的重要性日益凸顯，水下航行器作為水中執(zhí)行多樣化任務(wù)的裝備也顯得尤為重要，針對(duì)水下航行器應(yīng)用于水下工作的要求，設(shè)計(jì)了一種六軸的水下機(jī)械手臂，可以用以承擔(dān)水下作業(yè)的抓取、采集、拆除、排障等任務(wù)。

引言

我國(guó)擁有300多萬(wàn)平方公里的海洋面積，油氣資源蘊(yùn)藏豐富，海洋礦藏多樣化，是未來(lái)經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略發(fā)展的核心。然而水下工作環(huán)境多變，操作條件復(fù)雜，惡劣，并且人在水下工作時(shí)間和潛水深度受限，因此運(yùn)用水下航行器已成為開發(fā)探索海洋環(huán)境是一種比較先進(jìn)的選項(xiàng)，所以民用開發(fā)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)水下航行器的需求潛力巨大。

1六軸水下機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可視機(jī)械臂操作系統(tǒng)總體分為五個(gè)部分，分別是六自由度機(jī)械臂模塊、高清攝像頭模塊、WiFi傳輸模塊、控制主板模塊、操作控制終端。五個(gè)模塊的系統(tǒng)圖示如圖1。

本課題采用模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)六自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)。仿形人的手臂設(shè)計(jì)其機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)本體主要模塊包括大臂、小臂、手腕和末端執(zhí)行器。該機(jī)械臂有六個(gè)自由度，大臂關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度，以大臂為軸可繞垂直扇區(qū)旋轉(zhuǎn)；小臂關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度，以小臂為軸可繞水平扇區(qū)旋轉(zhuǎn)；手腕關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度，以手腕為軸可垂直圓面旋轉(zhuǎn)；執(zhí)行器末端負(fù)載有一自由度，控制機(jī)械爪以手腕為軸在平圓面開合，進(jìn)行抓取作業(yè)任務(wù)。六個(gè)自由度高效運(yùn)動(dòng)，互相配合，為機(jī)臂提供了全方位的作業(yè)空間，能夠在臂長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)死角作業(yè)。

本機(jī)械臂的傳動(dòng)設(shè)計(jì)采用了串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即以矩形臂桿為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用其模塊容易擴(kuò)展的特性將機(jī)械臂的大臂、小臂、手腕和末端執(zhí)行器連接起來(lái)。這種設(shè)計(jì)方案適用于平行肘關(guān)節(jié)間的同向等角速度傳動(dòng)以及平行軸間的等角速度傳動(dòng)。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，適用于具有大量往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

2 機(jī)械臂受力分析及計(jì)算

在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)和具體需求，本文確定的機(jī)械臂構(gòu)型為俯仰——左右——旋轉(zhuǎn)——夾持。

2.1舵機(jī)的扭矩計(jì)算

對(duì)于大臂和小臂關(guān)節(jié)處的舵機(jī)的選型要考慮到相應(yīng)處關(guān)節(jié)處受到的扭矩，推遲滿足要求扭矩的舵機(jī)型號(hào)，簡(jiǎn)化模型，將U型支架近似看作剛體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為桿，運(yùn)用理論力學(xué)和工程力學(xué)的相關(guān)方法，將整個(gè)模型簡(jiǎn)化成如下圖所示：

Ma=Fa×9.37mm=0.1537（N·m）；

考慮到抓收部分的物體的在機(jī)械臂抓取和停止過(guò)程中存在慣性作用，相應(yīng)的抓取力應(yīng)該取得大一點(diǎn)，機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩也應(yīng)該略大于計(jì)算結(jié)果，抓取材料的表面粗糙度可能比較光滑導(dǎo)致摩擦因素小于計(jì)算用的摩擦因素，因此在選用舵機(jī)的時(shí)候舵機(jī)的扭力應(yīng)該保留一定的余量以保證機(jī)械臂的設(shè)計(jì)運(yùn)行能夠打到相應(yīng)的指標(biāo)要求。

2.2舵機(jī)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)有關(guān)上述臂關(guān)節(jié)舵機(jī)所受力矩的分析計(jì)算：

舵機(jī)A采用關(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3.318N·m，舵機(jī)力矩?fù)Q算： KG·cm舵機(jī)的規(guī)格至少是33.86KG·cm，采用35KG·cm舵機(jī)。

舵機(jī)B最少力矩是1.882N·m，舵機(jī)力矩?fù)Q算： KG·cm

采用20KG·cm規(guī)格的舵機(jī)，選用Power HD LF-20kg型號(hào)舵機(jī)。

舵機(jī)D最少力矩是0.9128N·m，舵機(jī)力矩?fù)Q算： KG·cm

采用13KG·cm規(guī)格的舵機(jī).

抓手部分的舵機(jī)在計(jì)算的輸出力矩是0.1537N·m，舵機(jī)的力矩?fù)Q算：

0.1537÷0.01÷9.8=1.568KG·cm。采用3KG·cm左右力矩的舵機(jī)。

2.3舵機(jī)的密封

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。輸出扭矩通過(guò)齒輪嚙合傳遞給輸出金屬舵盤，在輸出金屬舵盤的軸徑上做三層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)環(huán)氧樹脂膠接，這種膠起到連接和密封的作用，輸出金屬舵盤的軸向定位通過(guò)M2.5的螺釘和墊片連接輸出軸端，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環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行密封，輸出金屬舵盤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。

3結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款UUV的機(jī)械手臂，確定了機(jī)械臂的自由度、材料、參數(shù)、與機(jī)器人的連接方式，選擇舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輸出，設(shè)計(jì)了舵機(jī)的防水結(jié)構(gòu)，機(jī)械連接用關(guān)節(jié)螺紋連接，得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)構(gòu)型為俯仰——左右——旋轉(zhuǎn)——夾持。

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（作者單位：海軍工程大學(xué)）