一種載人潛水器用水下電動(dòng)夾持器的設(shè)計(jì)

王璇，古浪，沈允生

（中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082）

0 引言

自我國多型深海載人潛水器投入實(shí)際應(yīng)用以來，在中國南海、印度洋、太平洋累計(jì)下潛多達(dá)數(shù)百次，承擔(dān)了科學(xué)調(diào)查、海洋考古、水下打撈、熱液考察等深海作業(yè)任務(wù)，取得豐碩科研成果。作業(yè)型潛水器大多裝備有一到兩部液壓驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手，各項(xiàng)水下任務(wù)的執(zhí)行基本上都需要借助機(jī)械手來進(jìn)行。隨著潛水器高頻次的使用，其應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展，尤其是針對水下考古取樣、水下生物采樣等領(lǐng)域，譬如陶器、瓷器采集，水下活體生物捕捉等精細(xì)作業(yè)任務(wù)，需要機(jī)械手末端夾持器具備精確的運(yùn)動(dòng)和力/力矩控制，對機(jī)械手末端夾持器的控制精度、反應(yīng)速度和外界交互環(huán)境感知能力等方面提出了更高的要求[1]。

本文設(shè)計(jì)了一款多傳感器融合具備精確位置控制的電動(dòng)夾持器，可搭載于載人潛水器液壓機(jī)械手末端，使得機(jī)械手具備較大有效載荷能力的同時(shí)具有水下精細(xì)作業(yè)能力。

1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

一般來說，液壓機(jī)械手能夠產(chǎn)生比施加在輸入端的力大得多的輸出力/轉(zhuǎn)矩，同時(shí)無需使用如齒輪和連桿等機(jī)械部件輔助。因此，液壓機(jī)械手具有相對電動(dòng)機(jī)械手更高的功率質(zhì)量比（有效載荷能力）。對于現(xiàn)有的商用液壓水下機(jī)械手而言，該比率可達(dá)三個(gè)數(shù)量級，而對于電動(dòng)機(jī)械手而言該比率為一個(gè)或更少的數(shù)量級。正是由于這一原因，以及液壓驅(qū)動(dòng)需要較少的零件，液壓系統(tǒng)在相同的承載能力下更加緊湊。此外，液壓系統(tǒng)具有固有的壓力，即內(nèi)部壓力高于環(huán)境壓力，因此它們不像電氣系統(tǒng)那樣容易受到海水入侵的影響。液壓系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有內(nèi)置的過載保護(hù)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，絕大多數(shù)在水下操作的商業(yè)機(jī)械手都是由液壓油驅(qū)動(dòng)的[2-3]。

盡管液壓機(jī)械手有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)。與電動(dòng)機(jī)控制不同，液壓控制的定位精度和力/力矩控制精度相對較差，不適合在接觸任務(wù)中實(shí)現(xiàn)精確控制。目前潛水器上搭載的機(jī)械臂廣泛采用主從式液壓開環(huán)遙控操作模式，該系統(tǒng)的位置控制是通過駕駛員在控制回路中攝像機(jī)觀察機(jī)械手和場景來實(shí)現(xiàn)的，位置精度的高低考驗(yàn)的是駕駛員的水平。而在一些對位置和速度精度要求較高的場合，單靠駕駛員的操作會(huì)存在效率低和駕駛員疲勞導(dǎo)致的失誤率問題，所以這種場合下就需要帶反饋的位置控制系統(tǒng)了。與機(jī)械臂一樣，在主從控制模式下，大多數(shù)夾持器采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為速度開環(huán)控制。駕駛員在主控制器設(shè)置中預(yù)先確定夾持器的打開和關(guān)閉速度，通過按壓操作手柄上的按鈕，激活?yuàn)A持功能。

為了兼顧液壓機(jī)械手和電動(dòng)機(jī)械手兩者的的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種將電動(dòng)夾持器用于液壓機(jī)械手的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。由于其工作環(huán)境要求，該水下電動(dòng)夾持器具有以下特點(diǎn)：可適用于全海深工作環(huán)境；結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕；可搭載于液壓機(jī)械手的末端；可實(shí)現(xiàn)精確的位置控制；置于海水環(huán)境中的部件應(yīng)進(jìn)行防腐處理，以具有足夠的耐海水腐蝕性能。

2 國外技術(shù)情況

現(xiàn)有的商用水下機(jī)械手和大多數(shù)為研究目的而開發(fā)的實(shí)驗(yàn)/原型水下機(jī)械手都使用液壓機(jī)械手。水下電動(dòng)機(jī)械手在商業(yè)上使用的頻率較低，通常是為研究目的定制的原型。

在電動(dòng)機(jī)械手的早期研究方面，Yoerger在1991年第一次提出了關(guān)于電動(dòng)水下機(jī)械手設(shè)計(jì)的方法，并為伍茲霍爾海洋研究所開發(fā)了三自由度電動(dòng)機(jī)械手。Tecnomare和Ansaldo在1994年于意大利開發(fā)了六自由度電動(dòng)機(jī)械手，其最大有效載荷30 kg，伸長2.1 m。另一個(gè)早期研究的例子是Smith等在1994年開發(fā)了五自由度機(jī)械手“波塞冬”，在當(dāng)時(shí)以伸長1 m、高達(dá)100 m的操作深度和5 kg的起重能力引起關(guān)注。后來安薩爾多與夏威夷大學(xué)的自主系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)了一種名為“MARIS7080”的七自由度機(jī)械手，它的額定深度為6000 m，最大伸長距離為1.4 m，有效載荷為6 kg[4-5]。

在2001年的AMADEUS項(xiàng)目中，研究人員使用了Ansaldo開發(fā)的兩個(gè)七自由度機(jī)械手進(jìn)行合作采樣。2007年，馬里蘭大學(xué)空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室與伍茲霍爾海洋研究所合作，開發(fā)了一種用于水下檢測和自主干預(yù)的六自由度北極水下機(jī)械手（“武士”）[4]。

Fernandez[6]在2013年對商用電動(dòng)機(jī)械手ARM 5E的進(jìn)行了改進(jìn)。主要在西班牙Jaume大學(xué)IRS實(shí)驗(yàn)室和CSIP公司的合作下，為了減小尺寸和質(zhì)量，對該機(jī)械手進(jìn)行了改造，使其能夠安裝在現(xiàn)有的GIRONA 500潛水器上，并且與之具有較少的動(dòng)態(tài)耦合。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)夾持器由兩個(gè)手爪、壓力傳感器、搖桿、連桿、平連桿、移動(dòng)板、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及外殼等部件構(gòu)成，各個(gè)部件之間由銷軸進(jìn)行連接，如圖1所示。使用直流無刷電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)夾持器的驅(qū)動(dòng)器，并通過諧波減速器、滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng)過程，通過電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制電動(dòng)夾持器進(jìn)行開合動(dòng)作。手爪的接觸面由耐磨且柔軟的橡膠材料制成，面上刻有波紋紋路以增加表面摩擦力。在手爪接觸面中添加有力學(xué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)抓取的智能化控制，使手指具有力覺反饋。

圖1 電動(dòng)夾持器結(jié)構(gòu)示意圖

直流無刷電動(dòng)機(jī)通過諧波減速器后，轉(zhuǎn)速降低、力矩提升，并通過滾珠絲杠，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)板伸出時(shí)，搖桿繞鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，手爪張開。反之，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)移動(dòng)板縮回時(shí)，搖桿繞鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，手爪緊閉。搖桿、連桿、手爪與平連桿間為平行四邊形機(jī)構(gòu)，手爪間的開口距離為線性，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制可實(shí)現(xiàn)開口位置的精確控制。

4 電動(dòng)機(jī)耐壓設(shè)計(jì)

4.1 電動(dòng)機(jī)選擇

電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)夾持器的驅(qū)動(dòng)器，也是這個(gè)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部件。電動(dòng)夾持器在水下工作，工作過程中電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低，且要求封裝在關(guān)節(jié)內(nèi)，體積要求小。傳統(tǒng)的有刷電動(dòng)機(jī)，控制精度低，不適宜用于水下環(huán)境。深海潛水器為節(jié)省質(zhì)量，大多采用充油補(bǔ)償密封的方式，有刷電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷每轉(zhuǎn)動(dòng)一次就要碳化絕緣油，長時(shí)間會(huì)使絕緣油絕緣性能下降，嚴(yán)重會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)擊穿等事故[7]。隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直流無刷電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)解決了上述問題。無刷直流電動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是采用電子換向代替機(jī)械換向，其原理如圖2所示。直流無刷電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)[8]：1）控制特性好，電動(dòng)機(jī)力矩與電流成比例，轉(zhuǎn)速與電壓成比例；2）轉(zhuǎn)子慣量小，響應(yīng)快，大大地提高了系統(tǒng)的性能；3）采用電子換向，因而不產(chǎn)生火花干擾，不碳化絕緣油,壽命長，無需特殊的維護(hù)；4）無刷直流電動(dòng)機(jī)功率密度高，體積小，質(zhì)量輕，適合在水下使用；5）無電刷和換向器，適合于大深度時(shí)采用的充油壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

圖2 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理圖

4.2 耐壓設(shè)計(jì)

目前深海環(huán)境下使用的電動(dòng)機(jī)，其耐壓形式主要有兩種：一種為耐壓罐式，另一種為充油補(bǔ)充式。

第一種將電動(dòng)機(jī)密封在一個(gè)耐壓罐內(nèi)。這種電動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)與海水環(huán)境完全隔離，在電動(dòng)機(jī)的輸出傳動(dòng)軸上加有密封圈。雖然該電動(dòng)機(jī)的電氣系統(tǒng)不受海水的侵蝕，但在大深度環(huán)境下，耐高壓的軸密封將增加摩擦損耗，降低效率。而且，其密封部分磨損嚴(yán)重，易出現(xiàn)海水滲漏，可靠性差，需要每隔一段時(shí)間更換密封器件。因此，該結(jié)構(gòu)多出現(xiàn)在小深度潛水器。

另一種為充油補(bǔ)償式，將電動(dòng)機(jī)密封在一個(gè)充滿絕緣油的結(jié)構(gòu)內(nèi)，并且連接壓力補(bǔ)償器或平衡膜。其在電動(dòng)機(jī)內(nèi)充滿非導(dǎo)電的液體，用來傳遞壓力以平衡外界壓力，并具有防止腐蝕、冷卻、潤滑等功效。壓力補(bǔ)償器或平衡膜的作用在于把外界壓力傳遞到電動(dòng)機(jī)內(nèi)，使其壓力等于或略高于海水環(huán)境壓力，防止海水侵人。

由于電動(dòng)夾持器要求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，同時(shí)要滿足全海深環(huán)境使用，此次設(shè)計(jì)選用充油補(bǔ)償式的耐壓設(shè)計(jì)形式。

5 控制系統(tǒng)

5.1 控制系統(tǒng)硬件

電動(dòng)夾持器的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、人機(jī)交互模塊、通信模塊。駕駛員驅(qū)動(dòng)人機(jī)交互模塊的操作手柄發(fā)出指令，其指令信息通過通信模塊并經(jīng)微處理器處理，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊動(dòng)作，并經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)最終形成末端執(zhí)行器（手爪）的開啟或關(guān)閉。末端執(zhí)行器（手爪）上的力傳感器將其壓力信息通過AD轉(zhuǎn)換模塊，并經(jīng)微處理器進(jìn)行信息融合處理，反饋到上位機(jī)（PC機(jī)）進(jìn)行比較。其比較結(jié)果一方面通過人機(jī)交互模塊顯示單元顯示到操作界面，一方面通過操作手柄反饋到駕駛員，可使其進(jìn)一步控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，從而形成精確的力控制。末端執(zhí)行器上位置傳感器（電位器）提供初始位置信息（絕對值），與直流無刷電動(dòng)機(jī)霍爾元件位置信息（相對值）進(jìn)行信息比較融合后，反饋到控制單元，從而實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。電動(dòng)夾持器控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電動(dòng)夾持器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

5.2 功能設(shè)置

電動(dòng)夾持器搭載于液壓機(jī)械手末端，控制系統(tǒng)采用主從遠(yuǎn)程控制方式，作業(yè)過程中，駕駛員只需要通過握住操作手柄即可實(shí)現(xiàn)夾持器的開合動(dòng)作，同時(shí)感知夾持器作業(yè)過程中的夾持力，并且夾持器的開合角度和接觸力均可實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上，以實(shí)現(xiàn)水下采樣“柔性”夾持。

為了實(shí)現(xiàn)水下精細(xì)作業(yè)，電動(dòng)夾持器需要實(shí)現(xiàn)位置、力/力矩反饋雙閉環(huán)控制。

針對位置控制，減速器末端布置位置傳感器，初選電位器，該傳感器與水下伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)水下電動(dòng)夾持器位置的閉環(huán)控制；

針對力反饋控制，在減速機(jī)末端配置力/力矩傳感器，同時(shí)也可在夾持器安裝接口處，即機(jī)械手手腕處安裝壓力傳感器，力/轉(zhuǎn)矩信息用于調(diào)節(jié)位于遙控單元上的電動(dòng)執(zhí)行器的控制信號強(qiáng)度，從而將力反饋給駕駛員。

在執(zhí)行抓取目標(biāo)物體過程中，該電動(dòng)夾持器搭載于液壓機(jī)械手末端的運(yùn)行步驟大致可分為以下幾步：首先，通過人機(jī)交互功能，設(shè)定目標(biāo)物體的三維位置信息，主控器（上位機(jī)）依據(jù)三維位置信息控制其各關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)，來完成對目標(biāo)物體定位；到達(dá)指定目標(biāo)位置后，主控器向電動(dòng)夾持器控制器發(fā)指令，啟動(dòng)抓取目標(biāo)物體操作，并進(jìn)行力覺判斷。其次，在抓穩(wěn)目標(biāo)物體即達(dá)到初始設(shè)定的力后（該力保證目標(biāo)物體的無損等），向主控器請求取回目標(biāo)物體操作。最后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)歸位后，主控器通知電動(dòng)夾持器釋放目標(biāo)物體，作業(yè)完畢。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種具有力反饋功能的水下電動(dòng)夾持器。該夾持器可搭載在液壓機(jī)械手末端，使得機(jī)械手具備較大有效載荷能力同時(shí)可執(zhí)行水下精細(xì)作業(yè)。在完成了電動(dòng)夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的總體方案。后續(xù)工作中，將制作出可搭載于載人潛水器液壓機(jī)械手末端的電動(dòng)夾持器樣機(jī)，并設(shè)置相關(guān)作業(yè)場景，將電動(dòng)夾持器樣機(jī)搭載于水下液壓機(jī)械手末端分別開展陸上試驗(yàn)、壓力筒試驗(yàn)和水池試驗(yàn)，測試該電動(dòng)夾持器的控制性能、作業(yè)能力、定位精度及力反饋性能。