水下作業(yè)機械手與工具自動對接技術研究

王東良

（交通運輸部上海打撈局 上海 200090）

水下作業(yè)機械手與工具自動對接技術研究

王東良

（交通運輸部上海打撈局 上海 200090）

水下作業(yè)系統(tǒng)是水下作業(yè)研究重點，對此，本文將對水下作業(yè)機械手與自動工具對接技術進行詳細探究，并對油路系統(tǒng)和對接機構提出改進對策，以期更好的實現作業(yè)工具的自動換接操作。

機械手；工具；對接

1 引言

通過對水下作業(yè)系統(tǒng)進行深入研究，有利于進行水下作業(yè)機械手、作業(yè)工具以及工具庫的遙控作業(yè)實驗，從而更好的適應水下工程施工、水下打撈作業(yè)需要，因此，具有十分重要的意義。

2 水下作業(yè)機械手的結構

水下作業(yè)遙操作實驗系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)所組成的，包括水下作業(yè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、網絡操作系統(tǒng)以及攝像系統(tǒng)等等，其中，水下作業(yè)系統(tǒng)包括水下作業(yè)工具、水下作業(yè)機械手以及水下作業(yè)工具庫，而控制系統(tǒng)又包括控制系統(tǒng)軟件和硬件。

水下作業(yè)機械手總共有5個自由度，具體包括4個回轉自由度和一個繞腕部軸線旋轉的自由度，其中，4個回轉自由度分別指的是手腕俯仰、肩部轉動、小臂俯仰以及大臂擺動。手腕俯仰、大臂擺動以及小臂俯仰這三個自由度是通過電液位置伺服系統(tǒng)來實現控制的，而執(zhí)行部件是單出桿液壓缸，其是液壓缸為不對稱狀態(tài)，對于執(zhí)行部件的控制是通過電液伺服閥來實現的。通常情況下，水下作業(yè)系統(tǒng)的水下作業(yè)工具庫可以同時攜帶四把水下作業(yè)工具。但是，在實際操作過程中，為了節(jié)約制造成本，一般只需要配備兩件工具，分別是夾持器和切割器。并且工具的一端能夠與機械手的對接腕實現有效連接。作業(yè)機械手的制作原材料一般是鋁合金材料，質量比較輕，機械手的機構簡圖如圖1所示。

圖1 水下作業(yè)機械手機構簡圖

3 水下作業(yè)工具庫及水下作業(yè)工具

水下作業(yè)系統(tǒng)工具庫是一種以圓盤旋轉為運動形式的工具庫，如圖2所示。在實際應用過程中，在圓盤的轉動作用下，可以將水下作業(yè)工具輸送至對接位置，這樣就能夠將手腕與不同工具進行有效對接。綜合考慮自動換接實驗以及制造成本，還需要為水下作業(yè)系統(tǒng)研制夾持器和切割器這兩種輔助工具。工具的一端能夠與水下作業(yè)機械手的對接腕進行有效連接，由于液壓回路末端有自封接頭，因此，當與機械手對接腕脫開時，液壓回路就能夠與外界環(huán)境進行有效隔離。當工具與機械手手腕對接完成后，電磁閥可以對工具進行控制，并進行作業(yè)。與在水下使用的自動作業(yè)工具相比，夾持器和切割器缺少耐腐蝕防護，但是在使用性能方面沒有較大區(qū)別。

圖2 自動工具庫的工作原理圖

4 水下作業(yè)系統(tǒng)的對接位姿分析

4.1 水下作業(yè)系統(tǒng)的對接位姿分析

水下作業(yè)機械手連桿坐標系圖如圖3所示。水下作業(yè)機械手總共有五個自由度，具體包括肩翻轉、腕回轉、腕俯仰、大臂擺動、小臂俯仰這五個關節(jié)。擺角范圍如下：①肩關節(jié)：0～90°；②腕回轉：-1800～1800°；③手腕俯仰：-30～90°；④大臂擺動：-30～45°；⑤小臂俯仰：-300～900°；⑥最大回轉半徑：R=l.2m。在圖3中，各連桿坐標系{1}，{2}，{3}，{4}，{5}可以應用下關節(jié)設置法，可以通過右手法則合理確定坐標軸的位置關系。為了更加準確清楚的對接時機械手以及工具的位姿關系進行分析，還應該要在機械手的端部位置建立坐標系{S}。坐標系{S}與坐標系{5}保持平行狀態(tài)，坐標原點取在機械手的端面中心位置上。

圖3 水下作業(yè)機械手連桿坐標系圖

4.2 工具庫對接姿態(tài)與位置

工具庫連桿坐標系如圖4所示，其中連桿坐標系{1′}和{2′}采用主要下關節(jié)設置法，根據右手法則，可以對坐標軸的位置關系進行確定。表1指的是工具庫連桿對應關節(jié)的轉角范圍以及連桿尺寸。值得注意的是，工具庫的位姿需要綜合考慮機械手的對接位進行確定，另外，工具相對于手端的對接位姿應為{T}={n，o，a，p}。

p=（0，0，X），0＜X＜200mm

即O（z）與O（′z）共線，工具坐標繞O（z）旋轉θ5，θ5=0時機械手和工具庫位姿關系如圖5所示。為了有效實現對接，機械手和工具上油路接口必須嚴格對準。

圖4 工具庫連桿坐標系圖

表1 工具庫坐標參數

圖5 機械手工具對接位姿示意圖

4.3 鎖緊與油路的接通

在實際操作過程中，為了確保機械手與工具能夠鎖緊，需要通過機械手手腕上的三個鎖緊油缸和工具上的三個對應孔進行配合。

5 現有系統(tǒng)分析

油路自封接頭與手腕與工具之間的油路是相互聯通的，并且主要功能是對油路進行導通或關閉。另外，油路自封接頭是由兩部分所構成的，其中一部分為凸對接頭，安裝在手腕側，另一部分為凹對接頭，安裝在工具一側。一旦工具和手腕對接成功后，可以通過凹對接頭導通油路，這樣能夠為工具提供壓力油。如果手腕與工具相分離，則手腕和工具上的對接頭就會自動封閉，有利于避免海水侵入。

5.1 油路分析

工具的驅動元件即為電磁閥控單出桿液壓缸，控制元件是O型電磁換向閥。當在中間位置時，油口處于全封閉的狀態(tài)，并且液壓缸鎖緊，液壓泵不需要卸荷，值得注意的是，由于O型電磁換向閥的特殊性，在進行工具換接時，很可能出現質量問題。當完成機械手與第一把工具的對接后，電磁閥即可去掉控制信號，在這種情況下，閥芯處于中心位置，油口處于全封閉狀態(tài)，與電磁閥A、B口相連的兩條油路中，必然有一條油路充滿高壓油。

5.2 機械結構分析

在手腕和工具的對接過程中，在凹對接頭和凸對接頭的作用下，可以有效實現油路的聯通，在外力的作用下，自封接頭可以有效實現對接，當接頭對接成功后，油路即可自行導通，其工作狀態(tài)與供油方向沒有較大關聯，對于供油壓力也沒有過多要求。但是，對接頭必須比對接基面略高，在對接過程中，兩側自封接頭首先進行接觸，而定位錐面并沒有接觸，因此，無法起到定心作用，為了有效確保兩側對接頭能夠順利對接，要求手腕和工具具有較高的精度。

6 系統(tǒng)的改進

6.1 油路改進

通過上文分析可知，當O型電磁換向閥處于工具換接狀態(tài)時，對接難度比較大，在這種情況下，如果改用Y型中位機能電磁閥，就能夠有效解決對接難的問題。Y型電磁閥閥芯在中位時，進油口處于關閉狀態(tài)，此時工作腔與回油腔保持聯通，液壓缸浮動，液壓泵不需要有卸荷，在這種情況下，并聯的其他執(zhí)行元件的運動情況并不會受到干擾。在對接或者換接工具狀態(tài)下，凹對接頭和凸對接頭到電磁閥A、B口的油路始終與回油口O保持相通狀態(tài)，而且油壓較小，對接難度較低。

6.2 機械結構改進

通過上文分析可知，為了確保順利對接，手腕和工具必須具備較高的定位精度，因此對接難度比較大。為了簡化對接方法，可以在現有的機構基礎上設計導向機構，如圖6所示，在手腕側面，每隔120°安裝一個導向鍵，需要注意的是，對應工具上的開鍵槽以及導向鍵必須確保在凹對接頭和凸對接頭進行對接時，已經將接頭對正，因此，工具和手腕軸向及周向上必須提前定位好，周向定位需要導向鍵輔助，而軸向定位則需要導向鍵和導向錐面的工作作用，在圖6中，必須確保L1=L3，L2=L6，L2> L1，L4>L3，L5>L3。

圖6 導向結構示意圖

7 結語

綜上所述，本文主要對水下作業(yè)與工具自動化對接技術進行了詳細探究，通過對對接關鍵技術進行分析，并且對系統(tǒng)進行改進，實驗獲得了成功。通過機械手，能夠從工具庫中取下工具，并且在使用過后能夠自動放回。

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TP241

A

1004-7344（2016）15-0226-02

2016-4-16

王東良（1981-），男，工程師，碩士，主要從事海洋工程及打撈求助工作。