水下目標抓取及打撈裝置結構設計*

韓 巖，劉 暢，李建榮，劉玉生，馬文家

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

海洋的開發和利用是世界各國關注的重點，水下機器人是海洋探索和開發的必備工具[1－2]，機械手可大大增加水下機器人的工作能力。按功能來分，機械手主要可分為單自由度夾持器和適應多種場景的多關節結構[3]，單自由度加持器結構簡單，操作方便，承載力大，靈活性差，多關節結構適應能力強，能適應多種不同任務需要，但采用大量串聯關節，控制困難，結構復雜。機械手的驅動力通常采用液壓或電機驅動[4－6]，同等體積下液壓驅動輸出的力比電機驅動大的多，因此使得液壓驅動機械手在商業機械手中占據重要地位[7]，但同時為保證系統功能正常，針對水下工作環境還需考慮機械結構密封，為了進行深海探索，現在的機械手已有一些能夠到達7 000 m深度甚至更深海域[8－9]，同樣對密封要求也就越高。

本文所設計的機械手主要針對水下圓柱形目標進行打撈，驅動結構采用純機械方式，具有承載力大、動作可靠、結構簡單、無需密封等特點。

1 整體結構設計

本裝置主要實現對水下圓柱形目標的抓取及水面打撈，其主要由主開關、機械手、位置鎖定機構、浮球脫離機構、固定板、棘輪、箱體等組成，其驅動力來源為彈簧的彈性勢能，系統組成如圖1所示。固定板構成機械手的支撐平臺，固定板兩側各設置一個機械手實現對目標的抓取，機械手對稱設計能夠有效減輕對本體的擾動力[10]，機械手與固定板之間安裝壓縮彈簧，且機械手與固定板配合方式為鉸接，壓縮彈簧安裝在伸縮桿上，伸縮桿一端與機械手鉸接另一端與固定板鉸接，在固定板兩側各設置一個位置鎖定機構，使機械手在彈簧力作用下仍保持張開狀態，浮球脫離機構與主開關之間為齒輪齒條配合，主開關與固定板之間裝有壓縮彈簧，保證彈簧觸碰目標壓縮后可復位。

圖1 整體結構Fig1 The whole sructure

當主開關觸碰到目標被壓縮后，位置鎖定機構失效，機械手閉合實現對目標的抓取，同時箱體蓋被打開。通過齒輪齒條配合，浮球脫離機構首先對浮球充氣，當浮球內氣體壓強達到一定值后浮球與裝置本體分開浮出水面，浮球與裝置本體通過繩索連接，即可實現對水下目標的打撈。

2 執行機構設計

2.1 機械手結構

本裝置主要針對圓柱形目標進行設計，為減小整個裝置在水下的運動阻力和裝置的重量，并實現對目標的抓取，機械手采用弧形板材和連桿固連的裝配方式，如圖2所示。

圖2 機械手結構Fig2 Structureofmanipulator

機械手的鎖定是通過位置鎖定機構的鎖定銷與機械手上的銷孔配合實現的，當主開關觸碰目標被壓縮后，位置鎖定機構的鎖定銷從銷孔中退出，鎖定功能失效，機械手在彈簧力作用下實現抓取動作。為保證鎖定銷退出動作的可靠性，機械手上的銷孔為球形，鎖定銷一端為滾珠，當機械手在張開狀態時，由于壓縮彈簧的作用，鎖定銷始終受到退出銷孔方向的力。

在機械手與固定板旋轉軸下部安裝棘輪結機構（圖1）。棘輪、旋轉軸、機械手之間采用花鍵方式配合，在固定板上安裝棘爪，通過棘輪棘爪配合可實現對機械手抓取目標時張開方向單向鎖定，同時在機械手的抓取部位上增設防滑紋以增大摩擦力[11]，從而使打撈過程中目標不會脫落。

2.2 位置鎖定機構

位置鎖定機構的生效與失效是通過與固定在主開關上異形槽板配合實現的（圖1）。由于機械手在張開狀態時鎖定銷受到退出銷孔的力，為使此時異形板不受力，位置鎖定機構主要采用鎖定銷、杠桿銷、楔塊、彈簧來實現，杠桿銷與彈簧配合安裝，鎖定銷與銷孔配合的球端采用滾珠設計，減小與機械手表面的摩擦。具體結構如圖3所示。

圖3 位置鎖定機構Fig3 Position locking mechanism

在機械手張開時，鎖定銷通過杠桿機構使杠桿銷受到擠壓楔塊的力，此時杠桿銷與楔塊上的平面接觸，楔塊沿連桿軸向不受力。當主開關被壓縮時帶動異形槽板運動，楔塊沿連桿軸向運動，杠桿銷與楔塊斜面接觸，鎖定銷從機械手銷孔中退出，機械手實現閉合抓取動作，由于彈簧力的作用，鎖定銷始終保持與機械手弧形板表面接觸，同時由于異形槽板與連桿配合，主開關被壓縮后不會復位。當機械手張開復位時，主開關在彈簧力作用下彈出，鎖定銷自動落入機械手銷孔內，即可實現對機械手的再次鎖定，實現重復使用。

2.3 浮球脫離機構

為實現抓取目標后的水面打撈，設計充氣浮球浮出水面，即需要完成對浮球的充氣及與裝置本體脫離動作，脫離機構由CO2氣瓶、充氣開關、齒輪齒條、氣動接頭、撥叉、滑塊、撥叉桿、調壓彈簧、調壓螺桿、扭簧等組成，如圖4所示。

圖4 浮球脫離機構Fig4 Floating ball separation mechanism

在抓取目標前浮球疊放在箱體內部，氣瓶與充氣開關采用螺紋連接，且可更換，齒輪與充氣開關固連，齒條與主開關固連，氣動接頭的公頭與充氣開關連接，母頭與浮球連接，公頭母頭可脫離。當主開關被壓縮后，箱體蓋被打開，齒輪齒條配合使充氣開關打開通過氣動接頭向浮球充氣，當浮球內壓力達到一定值后，活塞受力大于調壓彈簧力，活塞運動，帶動撥叉桿與撥叉脫離，撥叉在扭轉彈簧力作用下推動滑塊運動使氣動接頭公頭與母頭脫離，浮球連同母頭一起浮出水面，浮球進氣口處帶有單向截止閥，不會漏氣。

調節調壓螺桿可調節浮球內氣壓大小。浮球與裝置本體采用繩索連接，可實現對水下目標的打撈。當主開關復位后，齒輪齒條配合使充氣開關關閉，使用專用工具排空浮球內氣體并疊裝在箱體內，更換氣瓶，整個裝置即可重復使用。

3 彈簧設計

本裝置為純機械結構，采用彈簧力進行驅動，因此彈簧力計算的準確性直接決定了裝置運行的可靠性與穩定性，主要選擇脫離機構和主開關彈簧進行計算。

3.1 撥叉彈簧

撥叉起到脫離氣動接頭的作用，其作用的扭簧扭力大小直接決定了脫離機構是否能夠順利脫離使浮球浮出水面。

根據圖4所示結構及運動關系對撥叉進行受力分析，不考慮零件質量，受力分析如圖5所示。

圖5 氣動接頭、滑塊受力分析Fig5 Force analysis of pneumatic joints and sliders

氣動接頭豎直方向受力平衡關系式：

式中：f2為氣動接頭與滑塊斜面摩擦力；μ2為接頭與滑塊間摩擦系數；F1為氣動接頭脫離所需力；α為滑塊斜面角度。

滑塊水平方向受力平衡關系式：

式中：N1為導槽對滑塊的支撐力；f1為滑塊在導槽內滑動的摩擦力；μ1為滑塊與導槽間摩擦因數；F為撥叉對滑塊作用力。

對上述公式進行整理得：

其中，F1可通過氣動接頭脫離實驗測得，α為已知設計值。

脫離時彈簧扭矩為最小工作扭矩，對此時撥叉進行受力分析，如圖6所示。

圖6 撥叉受力分析Fig6 Force analysis of the fork

根據受力簡圖可列撥叉力矩平衡關系式：

式中：F2為滑塊對垂直撥叉方向的反作用力；F3為彈簧扭力；L1、L2分別為F2、F3的力臂；θ為撥叉與豎直方向角度，即扭簧工作扭轉角。

扭簧最小工作扭矩：

式中：T為扭簧最小工作扭矩。

其中，θ、L1、L2為已知設計值，根據T、θ值為限定條件進行扭簧設計。

由于本裝置為水下作業，為保證裝置長期穩定可靠勻性，彈簧材料選用不銹鋼絲，可有效耐腐蝕，扭簧設計計算過程參照文獻[12]，經設計計算最終得到扭簧鋼絲直徑1.6 mm，中徑6.4 mm，工作圈數為6圈。

3.2 調壓彈簧

由于浮球在箱體內為折疊狀態，且箱體內空間緊湊，雖然活塞密封圈于缸體存在一定摩擦力，但其值很小可忽略不計。撥叉桿扭轉彈簧力只需克服自身繞旋轉軸的摩擦力，使其可保持與活塞一端接觸即可，當撥叉與撥叉桿脫離時最大扭矩設計值為T1，在無其他外力情況下，試驗結果顯示浮球未充氣即與裝置本體脫離。因此浮球需要滿足最小壓強條件才可將浮球內充滿空氣，否則在充氣量極小或者未充進氣體時浮球即會脫離，這樣浮球無法浮出水面，也就無法進行水面打撈。同時由于浮球折疊狀態不同、放置方式不同，最小壓強值很難確定，因此調壓彈簧設計顯得非常必要，調壓彈簧調壓最大值設置為浮球所能承受的最大壓強，這樣可通過調節彈簧力大小使浮球內充滿氣體浮出水面。活塞受力分析如圖7所示。

圖7 活塞受力分析Fig7 Force analysis ofpiston

活塞運行距離h時撥叉桿與撥叉脫離，撥叉執行脫離動作，以極限情況脫離時浮球內壓強達到最大值進行計算，此時彈簧的極限載荷可表示為：

式中：F4為調壓彈簧在極限載荷；P為浮球承受最大壓強；A為活塞與氣體接觸面積；T1為撥叉桿扭簧最大工作扭矩；L3為撥叉桿對活塞作用力的力臂。

其中，P、A、h、T1、L3均為已知設計值，根據F4、h為限定條件進行調壓彈簧的設計。

彈簧材料選用不銹鋼絲，經設計計算得到扭簧鋼絲直徑0.6 mm，中徑4.5 mm，有效權圈數為11圈，總圈數13圈，自由高度20 mm。

4 產品樣機與試驗

根據上述的結構和計算，進行了產品樣機的試制和試驗工作，機械手的材料主要為鋁和不銹鋼，既保證了結構強度又提高了抗腐蝕性，如圖8所示。

圖8 產品樣機Fig8 Product prototype

試驗結果表明，機械手順利實現抓取動作，浮球充氣量可達到滿容量的80%～90%，脫離機構順力工作，浮球與裝置本體脫離，裝置各個機構之間動作銜接連貫，無卡滯，此裝置可實現對水下圓柱形目標的抓取及水面打撈功能。

5 結束語

針對水下大質量目標打撈困難，水下作業對機械手密封要求高等問題，本文設計了一款純機械結構的機械手，可實現在水下對目標抓取，在水面進行打撈的功能，其主要通過主開關、機械手、位置鎖定機構、浮球脫離機構之間的緊密配合來實現完整的功能，無任何電子及液壓器件，所有執行機構均采用彈簧力作為驅動力，結構簡單、質量小，無需考慮密封、作業深度等問題，且采用鋁和不銹鋼材料，有效保證了強度，提高了抗腐蝕性。

產品樣機試驗結果表明，開發的樣機各機構運動順暢、安全可靠，可實現抓取及浮球脫離等各項設計功能。此裝置可人工攜帶，也可安裝在各類型潛水器上，攜帶方便、適應性強。