六軸水下機械臂的設計

吳振華 石燾 幸運 王詩毓

摘要：近年來，水下環境的重要性日益凸顯，水下航行器作為水中執行多樣化任務的裝備也顯得尤為重要，針對水下航行器應用于水下工作的要求，設計了一種六軸的水下機械手臂，可以用以承擔水下作業的抓取、采集、拆除、排障等任務。

引言

我國擁有300多萬平方公里的海洋面積，油氣資源蘊藏豐富，海洋礦藏多樣化，是未來經濟和戰略發展的核心。然而水下工作環境多變，操作條件復雜，惡劣，并且人在水下工作時間和潛水深度受限，因此運用水下航行器已成為開發探索海洋環境是一種比較先進的選項，所以民用開發和經濟建設對水下航行器的需求潛力巨大。

1六軸水下機械手總體結構設計

本課題所設計實現的可視機械臂操作系統總體分為五個部分，分別是六自由度機械臂模塊、高清攝像頭模塊、WiFi傳輸模塊、控制主板模塊、操作控制終端。五個模塊的系統圖示如圖1。

本課題采用模塊化的設計思路對六自由度關節式機械臂進行設計研發。仿形人的手臂設計其機械運動結構，其機械結構本體主要模塊包括大臂、小臂、手腕和末端執行器。該機械臂有六個自由度，大臂關節有一個自由度，以大臂為軸可繞垂直扇區旋轉；小臂關節有一個自由度，以小臂為軸可繞水平扇區旋轉；手腕關節有一個自由度，以手腕為軸可垂直圓面旋轉；執行器末端負載有一自由度，控制機械爪以手腕為軸在平圓面開合，進行抓取作業任務。六個自由度高效運動，互相配合，為機臂提供了全方位的作業空間，能夠在臂長范圍內無死角作業。

本機械臂的傳動設計采用了串聯結構，即以矩形臂桿為基礎結構，利用其模塊容易擴展的特性將機械臂的大臂、小臂、手腕和末端執行器連接起來。這種設計方案適用于平行肘關節間的同向等角速度傳動以及平行軸間的等角速度傳動。其具有結構簡單，精度高，耐磨損等優點，適用于具有大量往復運動的機構。

2 機械臂受力分析及計算

在機械臂的設計與實現中，考慮設計指標和具體需求，本文確定的機械臂構型為俯仰——左右——旋轉——夾持。

2.1舵機的扭矩計算

對于大臂和小臂關節處的舵機的選型要考慮到相應處關節處受到的扭矩，推遲滿足要求扭矩的舵機型號，簡化模型，將U型支架近似看作剛體結構簡化為桿，運用理論力學和工程力學的相關方法，將整個模型簡化成如下圖所示：

Ma=Fa×9.37mm=0.1537（N·m）；

考慮到抓收部分的物體的在機械臂抓取和停止過程中存在慣性作用，相應的抓取力應該取得大一點，機械臂的各個關節的力矩也應該略大于計算結果，抓取材料的表面粗糙度可能比較光滑導致摩擦因素小于計算用的摩擦因素，因此在選用舵機的時候舵機的扭力應該保留一定的余量以保證機械臂的設計運行能夠打到相應的指標要求。

2.2舵機相關參數設計

根據有關上述臂關節舵機所受力矩的分析計算：

舵機A采用關節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3.318N·m，舵機力矩換算： KG·cm舵機的規格至少是33.86KG·cm，采用35KG·cm舵機。

舵機B最少力矩是1.882N·m，舵機力矩換算： KG·cm

采用20KG·cm規格的舵機，選用Power HD LF-20kg型號舵機。

舵機D最少力矩是0.9128N·m，舵機力矩換算： KG·cm

采用13KG·cm規格的舵機.

抓手部分的舵機在計算的輸出力矩是0.1537N·m，舵機的力矩換算：

0.1537÷0.01÷9.8=1.568KG·cm。采用3KG·cm左右力矩的舵機。

2.3舵機的密封

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。輸出扭矩通過齒輪嚙合傳遞給輸出金屬舵盤，在輸出金屬舵盤的軸徑上做三層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環氧樹脂膠接，這種膠起到連接和密封的作用，輸出金屬舵盤的軸向定位通過M2.5的螺釘和墊片連接輸出軸端，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環氧樹脂膠進行密封，輸出金屬舵盤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。

3結束語

本文設計了一款UUV的機械手臂，確定了機械臂的自由度、材料、參數、與機器人的連接方式，選擇舵機作為驅動輸出，設計了舵機的防水結構，機械連接用關節螺紋連接，得到機械臂運動構型為俯仰——左右——旋轉——夾持。

參考文獻

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（作者單位：海軍工程大學）