海珍品采捕機械手設計

胡昌宇，張國琛，李秀辰，母剛

大連海洋大學機械與動力工程學院 遼寧 大連 116023；遼寧省漁業裝備工程技術研究中心，遼寧 大連 116023

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海珍品采捕機械手設計

胡昌宇，張國琛，李秀辰，母剛

大連海洋大學機械與動力工程學院 遼寧 大連 116023；遼寧省漁業裝備工程技術研究中心，遼寧 大連 116023

為了便于海產品的采捕，真正實現機械手代替人工采捕工作，提高工作效率，利用現代化的機械設計理念，從整體上對采捕機械手進行了設計。機械手各部件包括控制回轉的腰座、可垂直水平移動的手臂，以及用于抓取的手爪等構件。此外，還對機械手系統控制部分的硬件進行了設計。最后通過實驗，隨機跟蹤機械手的運行方式，可知在實際工作中能達到實驗室模擬仿真的效果，具有大量生產的價值。

機械手;液壓系統；結構設計

目前對于海產品的采捕，多由人工實現。如果有適合水下采捕的機械手，則既能提高生產效率，解決人工采捕海珍品效率低下問題，同時也可避免意外發生，而且還可縮短海產品工業的生產周期。水下采捕手機械手的設計，相對于陸地上工作的機械手而言，需要考慮的因素更多。本研究應用機械設計和電子信息技術，以及控制編程和液壓傳動技術，對水下采捕機械手進行了設計，設計兼顧了機械手向模塊化、網絡化以及大量使用傳感器的發展趨勢。

1　采捕機械手的結構設計

整體采捕機械手各部件包括控制回轉的腰座、可垂直水平移動的手臂以及抓取的手爪等結構。

1.1腰座設計

采捕機器人腰座，回轉是它的主要特性，并且它還是可活動的。腰部的基座必須承受機器人上部全部的重量。故應在腰部配上電動機提供一定的驅動力，使其具有回轉的能力。在對機器人腰座布局時，要注意下列要求。

1)為了保障構件之間裝配的可靠，腰座安裝基面的面積必須足夠大，為后續的工作提供保障[1]。

2)由于采捕機器人腰座是承受所有重量的場合，為了保障強度和剛度，必須要進行計算驗證。

3)第一個回轉樞紐腰座是機器人的腰座，務必有充足控制能力，能夠滿足腰部軸系和傳動鏈的精度與剛度的要求。

4)為了增加腰部軸承傳動的可靠性，對腰部機構的尺寸進行計算，保證與手爪連接的可靠性，使之有效協調。

5)設計整個腰座殼體，可采用鋁合金質料。這種材料可以幫助減少采捕時一些構件產生的慣量，使控制更加準確。

通過計算，掌握機器人在水下回轉時所需要的速度以及所需的驅動力的大小。機械手的最終精度要求是非常高的，所以電機實現腰部的運動非常關鍵。為了滿足速度和轉矩的具體要求，應采用大傳動齒輪傳動系統減速器和扭矩放大。由于齒輪傳動具有一定的間隙，因此機器人手臂需要有多個關節，相應地它們都應有配套的軸承，且這些軸承間隙都應控制在一定范圍之內，不影響其整體工作。

機器人的腰座上有許多構件，設計計算參數后要盡量保證各構件重量比較相似，這對降低機器人工作時所受載荷和提高機器人工作精度有很大幫助。機器人手臂還應考慮限位開關和接頭的機械限位塊等機械部件的合理裝配，以保證日后使用的可靠性。

1.2手臂的結構設計

1.2.1手臂的設計要求

手臂是機械手的主要執行部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。機器人手臂的運動功能是由機器人正常工作時所需速度所決定的，為了為后續的計算方便，宜將機器人的手臂設計成平行或垂直狀態。若機器人的手臂尺寸設計不合理，易導致工作時發生碰撞而使工作不順暢，進而降低機器人的工作效率。因此，在設計中要求機器人手臂的手腕工作區大于端間距。因為3號鑄鐵和45號鋼載力較好，是設計手臂底座的首選材料[2]。設計整個腰部殼體，采用鋁合金質料，這種材料可以減少采捕時一些構件產生的慣量，使控制更加準確；機器人的手臂上有許多構件，設計計算參數后盡量保證其各構件重量比較相似，這利于降低機器人工作時所受載荷和提高機器人工作精度。

1.2.2具體方案

通過比較，采用液壓的方式作為驅動方式，其中負責垂直的機械手臂采用液壓閥的方式，而控制水平方向的機械手臂則用電動機啟動滾珠絲杠。為了更大程度地保證手臂工作的穩定性能，需對手臂的強度等參數進行驗算。

1.3腕部的結構設計

腕部是連接手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，腕部動作要靈活，轉動慣性小[3]。通過對機器人工作狀態的分析，確定手腕部分的形態。同樣地，為了防止因機器人的腕部設計尺寸不合理導致工作時發生碰撞，使得工作不順暢進而降低機器人的工作效率，因此在設計時需保證機器人手臂的手腕工作區大于端間距。

在確定了手臂與腰部等設計以后，可以根據上述已經確定的尺寸加以綜合，進而通過已知的運動方式，想象出其運動的大概空間工作形態，通過大體工作形態分析對手腕部分構件加以設計。

1)手腕的設計一方面盡可能地要讓其越靈活越好，這樣可以滿足一切工作情況，但也需要考慮成本問題，畢竟采捕機器人的產生是為了代替人工的低效率，所以成本不能太過高。基于以上考慮，設計的手腕自由度既不能太高，也不可過低，影響工作效率。所以將自由度的數量控制在2～3之間。

2)用鋁合金來制作采捕機器人的手爪。因為手爪的設計既要考慮其質量的問題，又必須能使手爪能抓取一定載荷的物體。用鋁合金制作采捕機器人的手爪既保證了手爪的重量不過大，而體積也相對縮進一些。

3)用法蘭盤連接手爪部件，可以更好地讓手爪與其結合構件裝配，便于日后進行維修安裝處理。

4)設計手腕要考慮其抓取物體的能力，不能因為所抓取的物體重量過大而導致其抓取失敗。因為采捕機器人是在水下作業，需要保證其工作的安全可靠。

5)設計各機構傳動時，需要對設計的機構的傳動比進行不斷調整，讓能量損失減到最小，避免因為傳動的原因而引發安全問題。應減小空回間隙，保證其安全。

1.4末端執行器的結構設計

1.4.1末端執行器的要求

機械手的設計只是保證其基本用途，機械手在它的最后端有一擴展裝置，其用途是可以為日后提供額外的輔助作用。

1)機器人的結尾器具有非常大的日后擴展作用，需先通過對其工作情況的設定，再對其進行設計。

2)通過計算機計算出機器人手爪抓取物體的重量標準，來設定額定采捕機器人的額外載荷。通過這些參數的計算可以得出體積不宜過大的結論，避免因為體積過大而給手爪帶來負擔。

3)不同的執行器擁有不同的特點。因為采捕機械手是在水下作業，其工作環境相對復雜，要考慮各種不同的工作環境。所以要對執行器的快速拆卸、快速安裝提出要求[4]。要求能夠在不同環境下盡快適應，一方面要保證執行器的靈活性，另一方面也要保證工作的快速可靠性。

1.4.2夾持器的運動和驅動方式

手爪主要分為三指、雙指手爪。同時手爪的驅動方式也需要設定，應該采用最好的驅動方式來進行設計，以達到最好的功用。

1)采用氣動的方式來完成操作。為了保證抓取的可靠性，需要使用一些輔助方法，一般使用節流閥、單相閥來對運動進行控制，并且由于氣體具有一定的擴展壓的特性，在傳動之前還需要對工作構件的密封特性進行檢驗處理。

2)采用電動機作為驅動方式，這些電機驅動能有效地實現手爪的功用。

3)液壓系統的優點在于能在有限的體積內幫助人們使用機器，可以提供較大的力，控制機器有效運行。

1.4.3具體設計方案

控制手爪張合利用的是齒輪傳動的原理，即在活塞缸上連接齒條，通過活塞桿的移動帶動連接的齒條運動。齒條再和齒輪相嚙合，通過齒輪的傳動帶動手爪的運動。因此，應通過計算手爪的運動距離來設計齒條的運動行程。

1.5機器人電動驅動系統

通過確定機器人手爪抓取海珍品的重量來設定采捕機器人的額外載荷。抓取的海珍品體積不宜過大，避免因為體積過大而給為手爪設計增加難度。

1.5.1選擇電動機的原則

電動機的選擇要求一方面要保證有足夠的力來使機構運動，同時也需要思考脈沖的規律，盡量能在精度得到保證的情況下，能安全地工作，且不能有過大的振動。本研究采用光電碼位移控制器、制動器等設施提高它的啟動安全性，采用氣動的方式來完成操作。

由于工作環境是在水下，電機的防水特性要格外注意，電機外表面各部件的結合面之間采用無縫隙的結構，緊固螺栓與螺栓孔的結合面之間設有靜密封機構。通過這些措施可以獲得可靠的防水效果，避免電機內部進水導致短路故障的發生。

1.5.2機器人驅動系統電機的選擇

通過對機器人的機構和參數的分析，確定其使用方向。在確定電機驅動參數時，一般要考慮機器人能承受的最大載荷，同時也要規定其最大速度效率，還要考慮一些材料的使用是否合理，以及傳動比的規格及額定功率。具體如下：

1)小慣量直流永磁伺服電動機的結構特點是轉子直徑較小，體積與質量也不是太大，這類電動機主要是用于快速進給和針對那些負載不大的場合。

2)有刷繞組永磁直流伺服電動機相比小慣量直流永磁伺服電動機，由于有刷繞組永磁直流伺服電動機無鐵心并且還有軸向的平面的空隙，它的慣量小，響應能力也很好，換向能力出色，輸出力矩平穩，可以起到頻繁制動的作用，并且能使機器擁有急停、快速啟動的能力，是采捕機器人電機的最佳選擇。

3)永磁性的電動機的輸出力矩相對較大，特別適合負載相對較大的場合，可以用齒輪傳動來消除，這種電動機由于輸出的力太大，不適合水下抓取海產品。

4)同步的交流伺服交流電動機采用的是中小型速控原件，用交流變頻式調速器作為其驅動來源。它的轉子和定子從低速通過大電流，并且轉子相對較細，大多用來作為大型的驅動系統。

1.5.3電動機的確定

水下微型采捕機械手一般要考慮機器人能承受的最大載荷，同時也要規定其最大速度效率，以及一些材料的使用是否合理。還要考慮傳動比的規格，以及傳動比的規格及額定功率。因此確定用有刷繞組永磁直流伺服電動機。

1.6水下微型采捕機械手的平衡機構形式

一般來說，水下微型采捕機械手所采用的平衡機構方式主要有以下幾種：

1)配重的方法。這種方法的優點是方便安裝和拆卸，能有效地隨時調動，能適應任何地方，能極大地保證工作安全。但該方法增加了機構重量，特別是手臂的重量不再平均分布，這對機構關鍵關節的承載能力的要求更高。所以這類方法一般主要在總量差別不太多的情況下使用。

2)彈簧的方法。利用彈簧的可伸展的特性，對機構較重的部位進行支撐，來減輕機構的不平衡特性。這種方法的結構簡單，操作簡便，缺點是長時間工作會導致彈簧的疲勞失效。

3)活塞桿的方法。與彈簧的方式有類似之處，不過用活塞桿的方法能避免彈簧使用時間過長而導致的疲勞時效，活塞桿設計的材料選擇比較關鍵，要求重量不能太大。

2　機械手控制系統的設計

機械手的機械形態設計后，如何使之運行，其系統控制部分的選擇尤為關鍵，因為控制系統是機械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統起著與人腦相似的作用。機械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關機械的協調動作都是通過控制系統來實現的。主要控制內容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。

2.1機械手控制系統硬件設計

2.1.1機械手的作業流程

機械手的工作先是將其放入水中，通過電動機提供的動力，機械手底座帶動底座上的機構完成轉動。這樣讓手爪與要抓取的海產品處在一個垂直水平的直線上。在通過液壓缸控制上下升降，能讓手爪觸碰到海產品。在上下的調節完成后，將控制上下的換向閥鎖死，保證其不再移動。再通過水平移動的活塞桿抓取海珍品，具體是一個從原點先水平移動，然后再下降一定距離，手爪開始工作，從而完成抓取任務。此外，腰部的回轉控制機器人的轉向。

2.1.2機械手操作面板布置

因為采捕機械手是在水下作業，由于長時間無人操作，必須分析它的控制方式，設計出一套自動型的無人控制設施。其中，當有人操作時，先是打開啟動按鈕，將控制面板上的控制選項調為自動狀態。再根據要抓取的物品，調動升降、水平移動選項。并且在腰部回轉的時候，也要有警醒的控制。通過設計要能達到準確地控制手爪的抓取，并能及時掌控其工作情況。但是并不是所有的工作時刻總是有人在場，應通過程序設計使采捕機械手在無人環境下可以自動工作。這些程序能讓機械手自動地通過探測儀鎖定所抓取物品的確定位置，再通過腰部回轉，以及橫豎方向上的液壓缸來進行位置調控。

2.2液壓傳動系統設計

2.2.1液壓系統基本方案的確定

控制系統是機械手的重要組成部分，一般采用國際上先進的液壓傳動系統。液壓馬達和活塞缸是常用的機構，用來負責往復的直線移動。液壓系統整體布局完成之后還需要對其控制元件進行分析，要對一些單向閥、節流閥、換向閥和對流量速度方向進行調控，以保證能夠完全可靠地運行。

2.2.2液壓執行元件運動控制回路的擬定

根據運行環境，需要在腰部上安裝一個來回轉動的機構。同時還有一個負責上下升降的活塞缸來控制上下的移動。在上下可移動的活塞缸上有一個可水平移動的活塞缸。通過控制這些可活動構件來完成機械工作。其中底座的控制回轉的運動可通過電動機提供一部分動力，使工作運行完好，同時也必須設計一些組合部件保證其運行的完整性。

2.2.3液壓系統設計

設計液壓系統時，首先要確定流向的問題，要保證液體的進出都是順暢的。這些液體通過各種閥控制其流向。液體先通過馬達提供部分動力，再通過單向閥的控制進入主系統中，隨后分成3個分支，其中一個分支用來控制手爪的運動，另一個用來控制橫向活塞的伸縮運動，還有一個用來提供上下升降的動力來源。這些都是在調速閥、換向電磁閥等許多元件的調控下進行的操作，同時也必須保證這些液壓的走向應滿足整體的調控。

2.2.4液壓系統的主要參數確定

為了使液壓缸的工作安全可靠，必須保證系統的穩定以及人工調節的方便性。先計算整體液壓缸的尺寸參數，在工作安全可行的前提下對其強度、剛度進行設計。為了使指標合格，對工作情況進行分析，將這些參數匯成表格形式。同樣，針對機械手的運動方式，應對流速進行深入分析。液壓系統作為機器驅動的控制執行系統，其作用是非常重要的。通過對參數的計算,選擇適合的元件保證其安全。

對手爪執行柱塞缸和垂直液缸的設計，主要是計算其所能承受的外力大小。因為采捕機器人工作環境是在水下，水下具有一定的壓強。具體數據見表1與表2。

表1　手爪執行柱塞缸參數

表2　垂直液壓缸參數

機械裝置在工作時需要承受水下的壓力以及自身重量，所以應重視其強度校核，如果強度不夠，則會導致工作不安全和工作效率降低。

液壓系統的主要部件中，對在直線上運動的液氧缸主要分析載荷對其產生的影響，對控制上下升降的液氧缸需要考慮摩擦力對其產生的影響[5]。

關于受力方面，應通過工程力學的分析，分析桿件受到的包括扭轉、彎曲、剪切等各種外力。

3　結語

為了使水下微型采捕機械手工作安全可靠，必須首先保證系統的穩定與安全，以及人工調節的方便性。為此，首先對機械手各部件包括控制回轉的腰部、可垂直水平移動的手臂、以及抓取的手爪等構件進行設計，并通過大量實驗以符合水下工作環境。其次，在機械手的機械形態設計后，如何使之運行，其系統控制部分的選擇尤為關鍵，機械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關機械的協調動作都是通過控制系統來實現的，主要控制內容有動作的順序、動作的位置與路徑、動作的時間。此外，準確設計整體液壓缸的尺寸，以保證工作的安全可行。為了便于調控機械手，隨時跟蹤機械手的運動方式，隨時對流速進行分析，液壓系統作為機器驅動的控制執行系統，隨時掌控也是必要的。

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2016-03-04

遼寧省科技廳科學技術重點項目(2015103021)。

胡昌宇(1989-)，男，碩士生，主要從事水下海珍品機器人自動化研究。通信作者：母剛，mugang@dlou.cdu.cn。

TP241；TH137

A

1673-1409(2016)21-0059-05

[引著格式]胡昌宇，張國琛，李秀辰，等.海珍品采捕機械手設計[J].長江大學學報(自科版) ，2016，13(21)：59～63.