水下捕撈機械手結構設計與研究*

蔣紹博，吳玉瑋，丁海旭，邢 瑤

(昆明海威機電技術研究所(有限公司)，云南 昆明 650236)

0 引 言

隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的實施，有效促進了海洋捕撈行業(yè)的發(fā)展，開展棲居海床的海洋生物(如海參、海星、海膽、貝類等)的捕撈具有廣闊的海洋經(jīng)濟價值。傳統(tǒng)的海生物捕撈主要依靠人工水下作業(yè)、拖網(wǎng)捕撈等方式完成海生物的捕撈，但是這些傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式，不僅風險大、安全性差、效率低，而且作業(yè)成本高。

開展水下捕撈機械手的研制，可直接解決海生物捕撈傳統(tǒng)作業(yè)風險大、安全性差、效率低、成本高等現(xiàn)狀，有效促進漁業(yè)的發(fā)展，提高海生物的經(jīng)濟價值。也可用于軍事無人偵察、安全搜救、海洋輸油管道檢查、水下考古等領域[1]。

水下作業(yè)專用機械手主要是根據(jù)水下機器人的作業(yè)需求而發(fā)展起來的一項技術；目前全球約有上千臺水下機器人用于水下的各個領域，機械手搭載于實現(xiàn)不同目的的UUV(Unmaned Underwater Vehicle，無人潛水器)及HOV(Human Operated Vehicle，載人潛水器)上。隨著水下機器人的飛速發(fā)展，將水下機器人應用到漁業(yè)捕撈方面成為可能[2]。水下機器人本身僅是一種運載工具，如果要完成水下作業(yè)任務，則必須配備相應功能的水下機械手[3]。

為適應目前海洋捕撈行業(yè)的迫切需求，筆者提出了一種并聯(lián)機械手臂、聯(lián)動的球形透水式捕撈手、搭載可自動識別目標及定位的雙目系統(tǒng)，可對目標海生物進行迅速識別、定位、準確、無損捕撈。本設計的提出為后續(xù)捕撈機械手的研制奠定堅實的基礎，同時也能有效推動海洋捕撈行業(yè)的發(fā)展。

1 水下捕撈機械手技術方案

水下捕撈機器人主要有水下機器人平臺及捕撈機械手等組成。圖1為水下捕撈機器人總體結構示意圖。水下捕撈機械手由并聯(lián)機械手臂、捕撈手、雙目識別系統(tǒng)、照明燈及支架等部分組成。

圖1 水下捕撈機器人總體結構示意圖

圖2為水下捕撈機械手結構示意圖。捕撈機械手的一切動作均居于雙目系統(tǒng)對捕撈目標的捕捉、識別及定位，將目標物的方向、距離、位置等信息解算，控制三個并聯(lián)機械手舵機執(zhí)行偏轉動作，使機械手到達目標位置；控制捕撈手的舵機旋轉及捕撈籠的張合，實現(xiàn)對目標的捕捉及釋放。圖3表示其工作原理流程。

圖2 水下捕撈機械手結構示意圖

圖3 捕撈流程圖

聚丙烯材料具有無毒、無味、密度小(0.89～0.91 g/cm3)，同時具備優(yōu)良的強度、剛度、硬度、耐熱性、抗彎曲疲勞性、耐腐蝕性、不吸水等特點，是水下機器人框架的優(yōu)質材料，可為機器人提供額外的正浮力及克服海水的強腐蝕性。為此，捕撈機械手設計的支架采用聚丙烯板組合而成，該支架一端與機器人的連接，另一端與并聯(lián)機械手臂、照明燈、雙目識別系統(tǒng)相連，包括兩塊橫梁、三塊水平支架板。

照明燈用于水下照明，便于雙目系統(tǒng)對海底捕撈物的識別與定位。雙目識別系統(tǒng)用于對海底捕撈物的成像、識別、跟蹤及定位，為捕撈機械手提供捕撈的距離、方向及位置信息。雙目識別系統(tǒng)由殼體、觀察窗、壓蓋、密封圈、雙目及水密插座等組成。圖4為雙目識別系統(tǒng)結構示意圖。

并聯(lián)機械手臂采用了懸掛式機構，設計成為大范圍抓取機載平臺，可以通過更換不同尺寸的主動臂或從動臂，實現(xiàn)不同的抓取范圍。并聯(lián)機械手臂具有負重比大、成本低、慣量低、動態(tài)性能好、運動精度高等優(yōu)點。并聯(lián)機械手臂由電子艙、舵機組、定盤、動盤、主動臂、從動臂、球鉸鏈等組成，圖5為并聯(lián)機械手臂結構示意圖。

圖4 雙目識別系統(tǒng)結構示意圖

圖5 并聯(lián)機械手臂結構示意圖

2 捕撈機械手主要指標計算及分析

捕撈機械手的主要指標之一為捕撈手的開合速度及抓取扭矩。

2.1 減速比計算

根據(jù)捕撈手的設計結果，舵機經(jīng)過齒輪減速及蝸輪蝸桿減速，其中一級主動齒輪齒數(shù)Z1=37, 一級被動齒輪齒數(shù)Z2=23，二級主動齒輪齒數(shù)Z3=37，二級被動齒輪齒數(shù)Z4=23，蝸桿頭數(shù)Z5=2，蝸輪齒數(shù)Z6=38。計算減速比i：

(1)

計算得減速比i=0.136。

2.2 機械手開合速度計算

根據(jù)減速比計算，由于舵機的輸出轉速V1=60 r/min。得捕撈籠開合速度V：

V=V1·i=8.16 r/min=0.136 r/s

(2)

由于捕撈籠開合角度為N=0.25圈，得捕撈籠開合至最大開合角度的時間T：

(3)

2.3 夾持扭矩計算

捕撈籠的夾持力矩T為：

(4)

式中：i為傳動比；TS為輸入扭矩(NM)；η1為一級齒輪效率；η2為二級齒輪效率；η3為蝸輪蝸桿傳動效率；舵機的額定扭矩Ti=1.2 Nm；η1η2為漸開線齒輪傳動，取效率為0.97；蝸桿傳動效率計算：蝸桿傳動的功率損失主要包括：①嚙合損失；②攪動潤滑油的油阻損失；③軸承的摩擦損失。

蝸桿傳動的效率η3為：

η3=ηaηbηc[4]

式中：ηa為嚙合效率；ηb為攪油效率(一般為0.95～0.99取0.98)；ηc：軸承效率(對滾動軸承取0.99,對滑動軸承取0.98～0.99，取0.99)。

蝸桿傳動的嚙合效率ηa由蝸桿蝸輪的材料組合、齒面精度、相對滑動速度、導程角、蝸桿頭數(shù)等因素決定，綜合以上因素及經(jīng)驗，取ηa=0.85。

得夾持力矩T=6.846 Nm。

3 捕撈機械手運動學分析

3.1 建立坐標系

建立的動、靜盤兩個坐標系，如圖6為動、靜盤坐標系。靜盤坐標系O-XYZ的原點O位于靜平臺的幾何中心，即等邊三角形A1A2A3的幾何中心，Z軸垂直于靜平臺，OX垂直于A1A3。動平臺上建立O2-X2Y2Z2坐標系，原點O2為動平臺等邊三角形C1C2C3的幾何中心，Z2軸垂直于動平臺，O2X2垂直于C1C3。其中主動臂AiBi=La，從動臂CiBi=Lb，靜平臺的外接圓半徑為靜盤半徑R，即OAi=R；動平臺外接圓半徑為動盤半徑r,即O2Ci=r。機構運動時主動臂與垂直方向之間的夾角為θi，其中并聯(lián)數(shù)i=1、2、3。

圖6 動、靜盤坐標系

3.2 位置求解

機器人通過三個球鉸鏈將上下平臺連接起來,主動臂在電機的驅動下作一定角度的反復擺動,再通過平行四邊形閉環(huán)和轉動副使動平臺作平移運動。然后需要進行運動學分析，求逆解，位置逆解就是已知機器人動平臺在靜平臺坐標系O-XYZ中的位置，求解主動臂AiBi與靜平臺平面之間的夾角θi。通常可以用解析表達式來描述這種運動學逆解關系。即當已知空間一點坐標(x,y,z)時，可以先設舵角為αi，設ti=tan(αi/2)。則列出關于ti的約束方程：

(5)

由求根公式得：

(6)

(7)

式中：Ki，Mi，Ni可以通過以下公式求出速經(jīng)驗公式：

(8)

M1=4.z

(9)

(10)

(11)

M2=4.z

(12)

(13)

(R-r+y)

(14)

M3=2.z

(15)

(R-r+y)

(16)

式中：R為靜盤半徑(即靜基座O到主動臂旋轉中心Ai的長度，即OAi長)；r為動盤半徑(即動基座O2到從動臂旋轉中心Ci的長度，即O2Ci長)；La為主動臂長度(即AiBi長度)；Lb為從動臂長度(即BiCi長度)；θi為三個主動臂與靜基座中間的夾角；并聯(lián)數(shù)i=1、2、3。本研究中靜盤半徑R=100 mm；動盤半徑r=55.5 mm；主動臂長度La=185,225,260 mm(三種方案)；從動臂長度Lb=450,550 mm(兩種方案)；并聯(lián)數(shù)i=3。

完成目標的位置進行定位之后，基于位置的視覺定位根據(jù)目標相對于機械臂的位姿和運動狀態(tài)，可利用上式可推導出在目標坐標下三個舵機的理論轉角，給出機械臂在柱坐標系內的運動指令并發(fā)送給下位機。利用STM32輸入捕獲接收信號，輸出PWM波控制機械臂抓取目標。

3.3 機械手工作區(qū)域

機械手工作空間是機器人捕撈的工作區(qū)域，是衡量機械手性能的重要指標。在機械手設計中，工作空間的分析有著重要作用，它決定機械手的整體尺寸。機械手工作空間可以定義為末端執(zhí)行器能夠到達的所有點的集合，但并聯(lián)機械手工作空間的求解是十分復雜的問題，在很大程度上依賴于機構的位置解。

目前并聯(lián)機構工作空間的確定主要有解析法和數(shù)值法[5]。此研究采用解析法和數(shù)值法相結合的方法確定并聯(lián)采摘機器人工作空間，利用Matlab編程，繪制工作空間的邊界圖形。抓取工作范圍為三軸對稱的橢圓型，圖7為捕撈機械手工作空間邊界圖形。

圖7 捕撈機械手工作空間邊界圖形

4 捕撈機械手設計

4.1 捕撈機械手結構設計

捕撈手采用一種籠式多指聯(lián)動水下捕撈手，包括驅動裝置和捕撈籠。捕撈籠安裝于驅動裝置的搖臂上，采用籠式透水結構。驅動裝置提供輸出轉矩，采用多級齒輪及蝸輪蝸桿減速，實現(xiàn)轉矩輸出，停電自鎖及限位。圖8為捕撈手結構示意圖。

圖8 捕撈機械手結構示意圖

4.2 機械手驅動裝置

驅動裝置包括舵機組件、減速裝置、密封殼體、聯(lián)動裝置，采用伺服舵機實現(xiàn)電能與機械能的轉換；減速裝置采用多級齒輪減速實現(xiàn)舵機減速及扭矩提高；聯(lián)動裝置采用蝸輪蝸桿結構，實現(xiàn)旋轉換向、進一步減速及停電自鎖，提供捕撈籠的安裝接口及捕撈籠極限位置的限位；密封殼體提供減速裝置及舵機組件的安裝空間及密封；圖9為驅動裝置結構示意圖。

舵機組件實現(xiàn)電能與機械能的轉化，根據(jù)機器人或上位機指令實現(xiàn)啟、停，正轉、反轉動作，實現(xiàn)捕撈籠的開、合功能。參見圖9驅動裝置結構示意圖。

減速裝置包括主動齒輪、舵機輸出軸、中間齒輪、輸出齒輪、輸出軸、密封套、軸承、連桿等。減速裝置將舵機的轉速增(或減)至合適的轉速，通過主動齒輪與從動齒輪的齒數(shù)差實現(xiàn)變速。參見圖9驅動裝置結構示意圖。

密封殼體包括殼體、基座、水密插座、密封圈、連接螺釘。密封殼體為圓柱體殼體，為舵機組件、減速裝置提供安裝接口、密封空間；為舵機組件提供驅動及控制電路通道。參見圖9驅動裝置結構示意圖。

圖9 驅動裝置結構示意圖

聯(lián)動裝置包括座、軸、搖臂、蝸輪、蝸桿、蓋板。聯(lián)動裝置通過蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)減速、提高扭轉力矩，停電自鎖，將蝸桿的旋轉方向變向90°。采用一個蝸桿驅動在圓周方向均勻分布的兩個以上的蝸輪，實現(xiàn)所述捕撈籠單體的聯(lián)動及同步張、合。圖10為聯(lián)動裝置結構示意圖。

圖10 聯(lián)動裝置結構示意圖

捕撈籠采用透水的柵格結構形式，整個捕撈籠由完全相同且在圓周上等分的捕撈籠單體組成，閉合的捕撈籠為球形；各捕撈籠單體在作業(yè)過程中同時及同步聯(lián)動張合。參見圖11捕撈籠結構示意圖。采用捕撈籠的主要優(yōu)點如下：①捕撈動作多樣化，除主要的包裹式捕撈動作外，還具有“夾、捏、鏟”等捕撈動作，針對不同捕撈目標，自由采取不同捕撈動作，適用范圍廣；②捕撈籠的開角范圍大，適用不同形狀、不同大小捕撈物，對捕撈物的位置精度要求較低；③使用球形捕撈籠，采用非接觸式捕撈形式，實現(xiàn)無損捕撈，利于對捕撈物的保護；④使用透水鏤空式捕撈籠，減少開合阻力，減少能源消耗，提高捕撈籠開合動作速度，利于對移動目標的捕捉。

捕撈手在海洋環(huán)境中與在陸地上及空氣中工作的顯著的區(qū)別是需充分考慮密封與防腐問題。

為保證控制電路在水下正常可靠的工作，本捕撈手采取的密封設計為：電子元器件、電路板、傳感器等控制元器件均安裝在金屬密封箱內，用O型密封圈保證密封；穿墻插座采用水密插座，連接電纜采用成品水密電纜，連接部位采取硫化措施保證密封。

圖11 捕撈籠結構示意圖

捕撈手工作在海水里會受到多種腐蝕，如海洋大氣的鹽霧腐蝕、海水的化學腐蝕、不同金屬在海水中的電位差腐蝕、海水的應力腐蝕和金屬零件之間的間隙腐蝕等[6]。若不考慮這些因素，將會大大縮短設備的使用壽命，還會使系統(tǒng)發(fā)生故障，從而降低其工作的可靠性。本捕撈手采取的防腐設計為：在選擇材料時，采用耐海水腐蝕的合金材料及非金屬材料，如不銹鋼、防銹鋁、炭纖維、丙烯板、特種尼龍，丁腈橡膠等；表面處理措施，金屬件表面鍍鉻、鍍鎳、鍍鋅、氧化等，鋁合金件表面陽極氧化等。

5 結 語

本設計綜合考慮了目前捕撈設備及捕撈方式的現(xiàn)狀、市場需求和在海洋中作業(yè)的特殊環(huán)境因素，提出了捕撈機械手的總體方案，分析計算了主要技術指標，研制了原理樣機，驗證了關鍵技術，解決了試驗中存在的問題，具備生產投放市場的產品的條件。

該捕撈機械手采用懸掛式并聯(lián)機械手、透水式捕撈籠、雙目自動識別系統(tǒng)，具有自動化程度高、動作迅速、目標自動識別和定位、無損捕撈等特點，解決了目前海生物等捕撈的主要問題，可搭載至水下機器人完成復雜任務，具有比較高的市場投放價值。