一種模塊化深海采樣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

李 林,柴永生,殷守民,劉希寬,王 琦,劉宇航,李 巖,張紀磊,2

(1.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺 264005;2.海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院,山東 煙臺 264001)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們越來越重視海洋和依賴海洋,海洋經(jīng)濟已成為國家國民經(jīng)濟新的增長點．近年來,海洋開發(fā)領(lǐng)域由近海向遠海、由淺海向深海不斷推進[1]．因此,提高深海采樣工作效率,對我國經(jīng)濟、國防和科研的發(fā)展和進步有著至關(guān)重要的作用．

由于深海環(huán)境存在復(fù)雜性和不確定性,因此要求不同的采樣任務(wù)配備不同的采樣工具．然而,目前的深海采樣機械手只能配戴一種采樣工具．在工作時更換機械手或是更換工具需要將設(shè)備拉回水面,這種做法不但造成能源浪費,更會顯著降低深海采樣的工作效率．因此,尋求一種有效方法來解決此類問題,對提高深海采樣工作的效率極為重要．

本文提出了一種模塊化深海采樣裝置,力求最大限度地改進采樣工具更換方式,進一步提高深海采樣工作的效率．

1 一種模塊化深海采樣裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文的模塊化深海采樣裝置在滿足采樣裝置共性的基礎(chǔ)上,還應(yīng)滿足以下要求:高強度、耐腐蝕、內(nèi)置化、輕量化．原因如下:

深海環(huán)境具有壓力高、鹽度高、溫度低及氧含量豐富等特點,故本文的深海采樣裝置在材料的選擇上,要求具有高的強度和耐腐蝕性．深海沉積物多,且多為軟泥和黏土,為避免海底生物的纏繞或沉積物的淤塞,應(yīng)將電機、電線等全部裝置放置于設(shè)計的特殊結(jié)構(gòu)內(nèi)部,以免發(fā)生損壞．此外,本裝置作業(yè)時需搭載自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)系統(tǒng)等載體[2],受此限制,本裝置在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力裝置等方面的選擇上,應(yīng)遵循輕量化原則,以期最大化地降低AUV的能耗．搭載的AUV系統(tǒng)由中國遠洋科學(xué)考察船“大洋一號”項目特殊研制,其接口可直接與采樣裝置控制器對接作信息交換,在實際應(yīng)用中體現(xiàn)出穩(wěn)定高效且兼容性好等優(yōu)點．

為保證裝置在使用中具有良好的穩(wěn)定性與可靠性,一種模塊化深海采樣裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．主要由機械手和模塊化工具庫兩大部分組成,通過二者配合完成工具的取放工作．裝置主要部位的材料均選用316L不銹鋼．

圖1 整體結(jié)構(gòu)

模塊化深海采樣裝置的工作過程如圖2所示.

圖2 模塊化深海采樣裝置的工作流程

2 一種模塊化深海采樣裝置的模塊化設(shè)計

在采樣裝置工作過程中,有以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)會影響采樣工作的精度和穩(wěn)定性:(1)采樣機械手動力源的放置;(2)機械手手部與采樣工具匹配的準確性;(3)機械手取、放采樣工具過程的平穩(wěn)性;(4)采樣工具處于備用狀態(tài)時的自鎖性．因此,該裝置的整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計．

采樣裝置工作時,最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是采樣工具的取放,該環(huán)節(jié)會直接影響采樣工作的效率、精度及穩(wěn)定性．在實現(xiàn)采樣工具的取放時,需要機械手與工具配合完成以下程序:

(1)工具取出:自鎖存在→機械手與工具匹配→自鎖解除→工具成功取出;

(2)工具放回:工具進入工具庫→自鎖存在→機械手與工具解除匹配→工具成功放回．

2.1 模塊化工具庫

如圖3所示,模塊化工具庫由鼓輪式工具架、箱體以及各類采樣工具組成．其中,采樣工具包括(a)針對塊狀物體的三爪齒工具、(b)針對小顆粒物體的貝形爪齒工具、(c)針對慢速移動物體的網(wǎng)狀工具、(d)針對桿狀物體的夾取爪齒工具．依照采樣對象的特征取用不同的工具,能夠提高采樣的準確性及效率．

圖3 模塊化工具庫結(jié)構(gòu)

工具架置于箱體內(nèi),其內(nèi)部設(shè)有信號檢測模塊,執(zhí)行采樣任務(wù)時,依據(jù)采樣對象特征,總控制系統(tǒng)發(fā)出不同的采樣信號,工具庫接收到采樣信號后,工具架旋轉(zhuǎn),使與采樣信號相匹配的采樣工具正對箱體缺口部位,與機械手接口完成匹配,二者沿y方向(如圖3空間直角坐標系所示)平移離開工具庫;采樣任務(wù)完成后,采樣工具由機械手放置回工具架并解除二者接口的匹配關(guān)系,采樣工具復(fù)位．

采樣工具置于工具架時的穩(wěn)定狀態(tài)需要進行合理的控制,既要保證采樣工具易于取出,又要防止工具從工具架上滑落．基于以上分析,設(shè)計工具架與采樣工具匹配接口,如圖4所示,工具架上端面開槽,與工具接口的軸肩相配合;與工具接口相接觸的側(cè)面開通孔,安裝推拉式直流電磁鐵(如圖4(a)局部放大圖所示);上端蓋通過緊固螺栓與工具架固連,其上設(shè)置擋板,二者均為“U”型,且上端面沿對稱軸各開兩通孔放置L銷,L銷與孔采用過渡配合方式．

圖4 工具架與工具匹配細節(jié)

2.2 機械手

機械手作為采樣裝置的另一核心模塊,其作業(yè)空間及結(jié)構(gòu)的可靠性,對整個采樣裝置的功能和作業(yè)范圍有著極大影響．如圖5所示,采用關(guān)節(jié)式采樣機械手,主要由底座、肩部、臂部(4—大臂、5—小臂后端、6—小臂前端)、腕部、手部組成,共有6個自由度．機械手性能指標如表1所示．

圖5 機械手基本結(jié)構(gòu)

表1 機械手性能指標

為滿足重量輕、動力足的要求,采取液壓驅(qū)動與電機驅(qū)動相結(jié)合的方式．機械手工作時,需提供給大臂和小臂足夠的動力,故在大臂與肩部相連、大臂與小臂相連的關(guān)節(jié)處設(shè)置液壓系統(tǒng),一方面為大臂和小臂的動作提供動力;另一方面,液壓缸與大臂、小臂構(gòu)成穩(wěn)定的“三角形”,對大、小臂起到一定的支撐作用;在肩部與底座相連處設(shè)置旋轉(zhuǎn)液壓缸,帶動肩部完成360°旋轉(zhuǎn);腕部與手部采用電機驅(qū)動,由于空間狹小,設(shè)計將驅(qū)動電機放置于小臂內(nèi),以充分利用內(nèi)部空間,使機械手結(jié)構(gòu)更為緊湊．

由于小臂內(nèi)既要放置腕部及手部的驅(qū)動電機,又要實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作,故設(shè)計小臂結(jié)構(gòu)如圖6所示,采用圓筒形殼體結(jié)構(gòu),由小臂前端、連接件和小臂后端組成．小臂前端與連接件頭部通過螺栓固連,連接件尾部通過聯(lián)軸器3與小臂后端內(nèi)的電機軸固連,并與電機同步旋轉(zhuǎn),帶動小臂前端一同運動,使小臂前端相對小臂后端可完成360°旋轉(zhuǎn)．將小臂沿軸截面切分為兩殼體,以方便電機和減速器的取放．

圖6 小臂結(jié)構(gòu)

2.3 機械手與工具的匹配接口

機械手與采樣工具的匹配,需要依靠機械手手部與工具接口的精確配合實現(xiàn),選用圓柱形吸盤式電磁鐵和液壓快速接頭實現(xiàn)這一功能．機械手手部下端與工具接口上端均內(nèi)嵌電磁鐵與液壓快速接頭,并設(shè)有局部控制系統(tǒng)．電磁鐵提供手部與工具接口匹配的吸合力,液壓快速接頭將動力經(jīng)機械手傳至采樣工具,并實現(xiàn)安全自鎖．工作原理如圖7.

圖7 接口結(jié)構(gòu)

取出工具時,機械手移動至工具上方,使手部下端的電磁鐵和液壓快速接頭與工具接口上端的電磁鐵和液壓快速接頭兩兩正對接觸,電磁鐵通電,通過強磁力將機械手與采樣工具吸合到一起;放回工具時,機械手將采用工具放入工具架,電磁鐵斷電,磁力消除,機械手與工具分離,工具復(fù)位．

為保證在深海高壓環(huán)境下系統(tǒng)可靠工作的密封性與耐壓性,采用業(yè)內(nèi)常用的外接深海壓力補償器的方式．設(shè)備在下降或者上升過程中,壓力補償器自動進行動態(tài)調(diào)整以補償壓差．設(shè)備工作時,水下裝置的壓力值會始終維持在70～101 kPa,不會影響設(shè)備的正常運行．

3 小 結(jié)

根據(jù)深海作業(yè)環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,本文提出了一種新型模塊化深海采樣裝置,能夠滿足多種樣品的采樣需求．

將深海采樣工具庫的結(jié)構(gòu)進行合理布局,將采集塊狀、桿狀、小顆粒狀及慢速移動物的多種功能的工具集成一體,實現(xiàn)多功能性.

根據(jù)深海采樣特殊性,機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用動力源內(nèi)置,滿足使用要求的同時減小了重量及空間.

通過對設(shè)計機械手與工具接口的合理匹配接口,保證了取、放工具過程的精度和平穩(wěn)性．