水下機器人的機械手臂設計與仿真

張 吉，田軍委，王 沁，熊靖武，史珂路

（1.西安工業大學 機電工程學院，西安 710021；2.西安工業大學 電子信息工程學院，西安 710021）

0 引言

ROV廣泛應用于水下救援、水下目標搜索、水下設備檢查維護、水下考古、水下科研等領域。它可以代替人類在水下完成各種復雜的作業任務。而在此過程中ROV必須配備機械臂才能完成水下作業任務[1]。水下機械臂必須滿足以下要求：由于工作環境在水下，機械臂材料需要耐腐蝕性強、密封好、抗壓性高；更具操作者的指令能夠準確的定位完成水下作業；由于ROV的本體很小，機械臂需要材質很輕。操作要靈活，操作范圍不小于300mm，抓取重量不低于1kg，操作角度不低于60°。

1 整體結構設計說明與性能參數

1）機械臂的坐標形式與自由度的配置：考慮到ROV在水下工作環境復雜，可能有雜物，礁石，動物和水草等物體，對機械臂的控制造成影響，并且需要機械臂具有非常好的壁障性，應對水下的復雜環境，完成抓取物體的任務[6,7]。因此選擇關節坐標式機械臂，且采用雙目視覺技術，就像人的眼睛控制雙手抓取物體。機械臂自由度的個數是由其用途決定的；本文設計的機械手臂工作環境為水下，考慮到水下機械臂的設計要求和操作范圍，將采用轉動關節式結構，且將機械臂設定為四個自由度。機械臂自由度布置如圖1所示。機械臂整體形態仿照人手臂設計，為方便實現手抓姿態調整，實現對目標的抓取動作，將機械臂自由度設定為關節1為水平面的旋轉運動、關節2為豎直平面的小幅度轉動，關節3為豎直平面的轉動，關節四為豎直平面的擺動。四個自由度可以使機械臂能夠更加容易抓取到水下的物體。

圖1 機械臂自由度設置

2）安裝方式的確定：裝于潛水器上的機械臂在水下進行作業時，應具備兩方面的能力：為完成作業任務，提供必要的操作；保持潛水器有穩定的方位，因為機械手作業受到的反作用力會影響ROV方位的穩定；故兩只機械臂別設置在艇首頭部的左、右兩側[5,8]。可以保證潛水器的平衡。

3）材料選型與性能參數：由于潛水器的本體非常小，所以要求安裝的機械手臂必須滿足輕型化、耐高壓等要求。在負載允許的情況下采用密度小耐腐蝕的鋁作為機械手臂的材料。經過運動分析發現雙機械臂的運動最遠可以達到如下位置，此時機械臂的關節2的運動角度為30°，而雙目視覺測距模仿人眼觀察物體，故機械臂的末端必須在視線范圍內，再加上機械臂的操作角度不低于60°，因此關節1的轉動角度定位60°。其中機械臂極限位置如圖2所示。舵機的轉動角度有90°、120°、180°、360°，其余各個關節的轉動角度可以根據舵機的角度選取。

圖2 機械臂極限位置

2 機械臂的受力分析及計算

利用理論力學和材料力學的方法求得機械臂運動至各自力矩最大位置時各關節的力矩，為各關節的驅動舵機選型做好基礎。假設桿件質心位于幾何中心。圖3是機械臂的機械臂簡化示意圖，主要顯示各關節中心線的距離。

圖3 機械臂簡化示意圖

2.1 執行單元扭矩估算

逐個分析各個關節的受力，先從機械臂末端開始，分析關節4可以簡化為如圖4所示的力學模型。假設桿件質心位于幾何中心。

圖4 關節4力矩的計算等效圖

假設手抓和重物的質量為ms=1kg，則：Gs=ms.g=9.8N。

手腕的質量約為：m4=0.05kg，則：G4=m4.g=0.49N。

關節4到手抓中心的距離為：d1=140mm，關節4到手腕抓取中心的距離為：d2=70mm。

關節4的力矩為：M=G4.d4+G5.d5=1.406N.m。

按照以上的計算方案，先估算各個關節的質量，以此計算出其他關節的驅動力矩，如表1所示。

2.2 關節驅動方式及選型

驅動方式的選擇非常重要，它的選擇應該主要依據所用在的地方的要求，能否實現功能，還有就是工作環境，還要考慮價格，控制精度等方面?？紤]到該機械臂用于水下作業，最終安裝在ROV上，因此體積和重量不能太大。由設計要求，抓取1kg的物體，操作范圍300mm可知，該機械臂抓取重量輕，不需要太大的力矩，故機械臂最終采用電力驅動形式。

關節1為機械臂的旋轉關節，主要承受整個機械臂的重量，經過估算預估機械臂的扭矩為3.709N·m，選擇KST X20-8.4-50超大扭力高壓舵機，舵機如圖5所示，該款舵機尺寸為40×20×39.5mm，當電壓為8.4V時舵機的扭矩為4.5N.m，重量為78g。由于關節2的扭矩為3.609N.m，扭矩較大，故選擇與關節1型號一樣的舵機。關節3的扭矩為2.651N.m關節4的扭矩為1.406 N.m，選kingmax BLS7731HHV，扭矩為28.42kg.cm的舵機。

表1 各個關節電機的最大轉

圖5 kst舵機

2.3 執行單元校核計算

機械手臂在加減速運行過程中會產生慣性力，將各個力矩值乘以1.1倍做為最終結果，則關節4電機的最大力矩為：

根據扭矩，考慮關節驅動扭矩最大且電機旋轉角速度最大的極限情況作為電機的最大功率。而關節的最大角速度為θ=3.7rad/s ，所以關節5處電機的最大功率為：

同理可以計算出其他關節的最大功率情況。

經過對比分析發現，各個關節的計算的扭矩均小于對應舵機的最大扭矩，符合設計要求，證明設計的機械臂可以抓取質量為1kg的重物，滿足設計要求。說明舵機理論上能夠實現抓取1kg的物體，能夠實現設計任務的要求，能夠達到預期的要求。

表2 各個關節電機的最大轉矩和最大功率

3 機械臂的密封

ROV的機器臂密封是最關鍵的問題。一般有如下五個要求：

1）當壓力超過范圍時，不能發生泄漏；

2）密封要具有較長的壽命，盡量減少維修；

3）要具有能與環境相適應的能力；

4）易拆易裝， 便于更換；

5）要具備很高的性價比[5]。

而O型密封圈的優勢在于密封部位機構簡單，安裝部位緊湊，重量較輕且有自密封作用，密封性能較好，對于壓力交變的場合也能適應。并且O型圈及其溝槽已標準化，成本低，便于使用和外購。故機械臂的靜密封使用O型密封圈[3]。

對舵機進行詳細防水密封設計中，由于舵機的輸出軸端處的動密封非常重要，關系到舵機在水下工作的深度。密封采取的思路是，將軸端單獨密封起來，并將輸出軸端放大。輸出軸的扭矩通過內齒輪和外齒輪嚙合傳遞給輸出定位法蘭，在輸出定位法蘭的軸徑上做O型密封圈槽，O型密封圈和軸端套組成O型圈密封，軸端套與舵機之間通過膠接，采用環氧樹脂粘接，這種膠起到連接和密封的作用，輸出定位法蘭的軸向定位，通過M2.5的螺釘和墊片定位，舵機輸出軸端中間自帶一個M2.5的螺紋連接孔，然后在螺釘和墊片周圍使用膠進行密封，輸出定位法蘭與外部零件的連接通過四個M2的螺紋孔連接，最終舵機的密封結構如圖6所示。

4 三圍建模與仿真

最終設計的機械臂如圖7所示，由裝配體可以看出，該機械臂比例協調，無干涉現象，各部分的都能進行裝配，不會出現能在SolidWorks中能夠裝配，在實際中無法裝配的現象，機械手臂的質量為1.936kg，關節1的旋轉角度為60°，單只機械手臂的總長為442mm。

4.1 手抓結構分析

為了能準確抓取物體，設計成兩爪抓取物體，市場上機械臂手抓選擇的材料是ABS塑料和鋁合金，為了保證手抓有足夠的強度，選擇鋁合金2A12做手抓的主要材料，舵機支撐架上面需要開孔安裝舵機和手抓，還要與上個關節連接，故采用鋁合金材料，兩個爪之間是兩個四分之一齒輪嚙合，通過舵機驅動抓取物體。

手爪由兩個分離的爪組成，將防水舵機部件裝在爪座上，爪如圖8所示，下部是齒輪的一部分，將有四個螺紋孔的一邊與舵機部件的輸出法蘭連接，另一邊由裝有微型軸承，通過齒的嚙合控制手抓的張合，由于齒輪只有一部分，為確保齒輪一直在嚙合，選取的可以轉動90°的舵機，手抓的張開的最大尺寸158mm，手爪閉合時，如圖8所示。

圖6 舵機密封結構圖

圖7 機械手臂的實體模型

圖8 手抓裝配效果

4.2 手抓的仿真結果及其分析

手抓是機械手臂抓取重物的關鍵零件，與機械臂的性能有著直接的關系。作用在手抓上的力主要為抓取重物的重力，抓取重物重量估算為1kg，則作用在手抓上的力F=9.8N。假設力作用在離驅動電機最遠的位置，如圖9所示為手抓尖端位置，仿真時的固定位置是手抓螺栓空。經過這樣的受力分析，可以模擬實際的受力情況。

圖9 手抓的受力

通過手抓的仿真分析，手抓的應力分析結果如圖10所示，最大應力出現在手抓下部圓弧過度的地方，這里是直接從圓弧過度成直線，且結構比較細小，故應力最大，應力值為1.89223×107N/m2小于材料的屈服強度2.75742×107N/m2，因此滿足設計要求，為了最大減小應力，分析完成后，在此處添加圓弧過度。

圖10 手抓應力圖

爪的在載荷的作用下產生位移變形如圖11所示，最大位移出現在手抓的最遠處，從上到下位移逐漸減小，最大位移為0.260179mm，位移很小，故此結構合理。

如圖12所示。零件的應變呈現不規則分布，其最大應變出現在右端最上邊螺釘連接處，最大為0.000921348，應變很小，因此該零件結構合理，滿足設計要求，符合設計規范。

圖11 手抓變形圖

圖12 手抓的應變圖

5 結束語

本文設計了一款ROV的機械手臂，對機械臂的自由度、坐標形式、與水下機器人本體連接方式、材料、參數的確定，和對關節處和抓手處的驅動選型，選擇舵機作為驅動，設計了舵機的詳細防水結構。本機械手臂設計成連桿結構，充當機械臂的手腕，減小體積，手腕可以調節抓取物體的角度，調節角度為30°，關節1定的定位角為60°。單只機械臂的總長為442mm，抓取物體為1千克，通過對手抓的仿真，其滿足設計要求。終可在水深300m下作業的四自由度機械手臂。

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