二自由度水下電動機械手設(shè)計

項鯤

摘 要：水下機械手要跟隨深海潛水器進入深海進行各項作業(yè)任務(wù)，對于樣本采集來說至關(guān)重要。本論文對水下電動機械手關(guān)鍵關(guān)節(jié)處的傳動方式進行了討論，對其中幾個主要的可行性方案進行了對比。

關(guān)鍵詞：水下；機械手；密封

水下作業(yè)功能一直是水下機器人技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[1]。作為一種通用作業(yè)工具的水下機械手一直是作業(yè)型水下機器人的首選配置，一般概念上的作業(yè)型水下機器人均配備有各種類型的機械手[2]。

國外水下作業(yè)型機械手的研究史中，美國最早開始從事這方面的研究，美國NOSC（Naval Ocean Systems Center）主持研制的WSP（Work Systems Package），從整體功能上講，仍是目前最成功和具有代表性的遙控水下作業(yè)系統(tǒng)之一[3]。目前世界上，美國、法國、日本和俄羅斯的整體水平比較高，美國的技術(shù)最為先進，而日本在商業(yè)化方面做得較好。相對國外，對于水下作業(yè)機械手的運動控制研究起步較晚，技術(shù)尚不成熟，與先進水平差距比較大，國內(nèi)目前使用的海洋高新技術(shù)裝備90%以上需要進口[4]。

1 機械設(shè)計

1.1 傳動方式選擇

軸角為90°兩相交軸之間傳動主要有蝸輪蝸桿和錐齒輪兩種傳動方式[3]，錐齒輪的優(yōu)點是壽命長，高負荷承載力，耐化學(xué)和腐蝕性強，降噪和減震，重量輕，成本低，易于成型，潤滑性好。缺點是傳動比小，不能自鎖。相對而言，蝸輪蝸桿在動力傳動中單級傳動比i即可達到10～80，這對于降低減速器傳動比，縮小機械手臂中的減速電機尺寸，提高力矩等具有明顯優(yōu)勢。且蝸輪蝸桿傳動在海水中亦可以有較好的傳動效率，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動重合度大于1，傳動平穩(wěn)，沖擊和噪聲小，可以自鎖，使用壽命也能滿足設(shè)計要求。因此最終選擇蝸輪蝸桿的傳動方式。

1.2 電機選型

電機分為直流有刷電機和直流無刷電機，分析他們的特點。直流有刷電機：隨著水深增加，密封后結(jié)構(gòu)尺寸和重量不斷增加。直流無刷電機：沒有換向器和電刷，均壓密封，實現(xiàn)可靠密封。綜上，選擇直流無刷電機。為簡便設(shè)計，選購市場上壽命長，噪音小的行星減速機。

1.3 機械臂腔的選型與計算

深海環(huán)境復(fù)雜，各項因素對金屬及合金材料腐蝕的影響腐蝕嚴重，故需要選擇耐腐蝕的材料以保證機械手臂的穩(wěn)定運作[5]。

不銹鋼的比重太高，鈦價格又過于昂貴，而鋁材雖然機械強度不如不銹鋼和鈦合金，但其強度已經(jīng)能夠滿足本次設(shè)計需求，故選擇常用的鋁材，表面通過陽極氧化處理以保證其耐腐蝕性。為了減輕機械手臂的整體質(zhì)量，機械手臂做成中空結(jié)構(gòu)，即機械臂腔。

2 密封

2.1 密封圈選材

由于不熟悉深海環(huán)境的pH、溶解CO2含量等因素，因此需要密封圈除了必要的密封特性，其材料還需要具有一定的耐腐蝕性[5]。氟橡膠適用于熱油、蒸汽、空氣、無機酸、鹵素類溶劑等廣泛的介質(zhì)，故可以選取氟橡膠材料的O型密封圈來作為本次機械手的密封圈材料，以應(yīng)對深海復(fù)雜未知的海洋環(huán)境。

2.2 靜密封設(shè)計

O型密封圈被譽為自密封技術(shù)發(fā)展以來最佳的靜密封。由于深海壓力大，為了保證密封效果，設(shè)計中采用了雙密封圈設(shè)計，在實際實驗取得了良好的密封效果。

3 機械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 固定座的結(jié)構(gòu)設(shè)計

固定座在整個水下電動機械手中起著支撐的作用。

內(nèi)支撐套筒固定在相應(yīng)的水下機器人上，如ROV、AUV等。電機密封安放在內(nèi)支撐筒內(nèi)，與內(nèi)支撐筒通過螺紋固定。當(dāng)電機接通電源后，通過電機軸輸出轉(zhuǎn)矩帶動外套筒旋轉(zhuǎn)（電機軸與外套筒剛性固定），外套筒繼續(xù)帶動機械手大臂水平旋轉(zhuǎn)，并通電的時間來控制相應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度。

3.2 機械手大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械手大臂主要完成水平方向的旋轉(zhuǎn)運動以及提供一個垂直平面的旋轉(zhuǎn)自由度，由蝸輪蝸桿傳動完成。

電機軸輸出力矩后，通過聯(lián)軸器帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，然后蝸輪蝸桿嚙合運動，將力矩傳遞到機械小臂上。在聯(lián)軸器靠蝸桿一端設(shè)計了動密封以保證海水不進入電機。在轉(zhuǎn)動座與電機套筒旋合處采用雙密封圈靜密封設(shè)計，以保證良好的密封性。

3.3 機械手小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計

減速電機軸通過輸出力矩帶動聯(lián)軸節(jié)旋轉(zhuǎn)，同時，聯(lián)軸節(jié)與螺旋滑塊構(gòu)成螺旋傳動，帶動末端執(zhí)行器（End-effector）進行“夾持”運動。為保證電機的正常運作和良好的密封性，聯(lián)軸節(jié)處依然采用了同前面的密封環(huán)設(shè)計，原理和機械結(jié)構(gòu)類似。

[參考文獻]

[1]張銘鈞.水下機器人[M].北京：海洋出版社.2000：41-45.

[2]蔣新松.水下機器人[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版.2000：256-267.

[3]張立峰.三自由度水下機械手本體結(jié)構(gòu)及阻抗控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué).2008：1-4.

[4]安江波，孫昌將，凌華.水下機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].2009.機械工程與自動化.第二期：1-4.

[5]周建龍，李曉剛，程學(xué)群，董朝芳，杜翠微.深海環(huán)境下金屬及合金材料腐蝕研究進展[J].北京：北京科技大學(xué)腐蝕與防護中心，2010：3-10.