一種載人潛水器用水下電動夾持器的設計

王璇，古浪，沈允生

（中國船舶科學研究中心深海載人裝備重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

0 引言

自我國多型深海載人潛水器投入實際應用以來，在中國南海、印度洋、太平洋累計下潛多達數百次，承擔了科學調查、海洋考古、水下打撈、熱液考察等深海作業任務，取得豐碩科研成果。作業型潛水器大多裝備有一到兩部液壓驅動型機械手，各項水下任務的執行基本上都需要借助機械手來進行。隨著潛水器高頻次的使用，其應用領域得到不斷拓展，尤其是針對水下考古取樣、水下生物采樣等領域，譬如陶器、瓷器采集，水下活體生物捕捉等精細作業任務，需要機械手末端夾持器具備精確的運動和力/力矩控制，對機械手末端夾持器的控制精度、反應速度和外界交互環境感知能力等方面提出了更高的要求[1]。

本文設計了一款多傳感器融合具備精確位置控制的電動夾持器，可搭載于載人潛水器液壓機械手末端，使得機械手具備較大有效載荷能力的同時具有水下精細作業能力。

1 設計特點

一般來說，液壓機械手能夠產生比施加在輸入端的力大得多的輸出力/轉矩，同時無需使用如齒輪和連桿等機械部件輔助。因此，液壓機械手具有相對電動機械手更高的功率質量比（有效載荷能力）。對于現有的商用液壓水下機械手而言，該比率可達三個數量級，而對于電動機械手而言該比率為一個或更少的數量級。正是由于這一原因，以及液壓驅動需要較少的零件，液壓系統在相同的承載能力下更加緊湊。此外，液壓系統具有固有的壓力，即內部壓力高于環境壓力，因此它們不像電氣系統那樣容易受到海水入侵的影響。液壓系統的另一個優點是具有內置的過載保護。由于這些優點，絕大多數在水下操作的商業機械手都是由液壓油驅動的[2-3]。

盡管液壓機械手有許多優點，但也有缺點。與電動機控制不同，液壓控制的定位精度和力/力矩控制精度相對較差，不適合在接觸任務中實現精確控制。目前潛水器上搭載的機械臂廣泛采用主從式液壓開環遙控操作模式，該系統的位置控制是通過駕駛員在控制回路中攝像機觀察機械手和場景來實現的，位置精度的高低考驗的是駕駛員的水平。而在一些對位置和速度精度要求較高的場合，單靠駕駛員的操作會存在效率低和駕駛員疲勞導致的失誤率問題，所以這種場合下就需要帶反饋的位置控制系統了。與機械臂一樣，在主從控制模式下，大多數夾持器采用液壓驅動，控制方式為速度開環控制。駕駛員在主控制器設置中預先確定夾持器的打開和關閉速度，通過按壓操作手柄上的按鈕，激活夾持功能。

為了兼顧液壓機械手和電動機械手兩者的的優點，本文提出了一種將電動夾持器用于液壓機械手的混合動力結構。由于其工作環境要求，該水下電動夾持器具有以下特點：可適用于全海深工作環境；結構緊湊、體積小、質量輕；可搭載于液壓機械手的末端；可實現精確的位置控制；置于海水環境中的部件應進行防腐處理，以具有足夠的耐海水腐蝕性能。

2 國外技術情況

現有的商用水下機械手和大多數為研究目的而開發的實驗/原型水下機械手都使用液壓機械手。水下電動機械手在商業上使用的頻率較低，通常是為研究目的定制的原型。

在電動機械手的早期研究方面，Yoerger在1991年第一次提出了關于電動水下機械手設計的方法，并為伍茲霍爾海洋研究所開發了三自由度電動機械手。Tecnomare和Ansaldo在1994年于意大利開發了六自由度電動機械手，其最大有效載荷30 kg，伸長2.1 m。另一個早期研究的例子是Smith等在1994年開發了五自由度機械手“波塞冬”，在當時以伸長1 m、高達100 m的操作深度和5 kg的起重能力引起關注。后來安薩爾多與夏威夷大學的自主系統實驗室合作，開發了一種名為“MARIS7080”的七自由度機械手，它的額定深度為6000 m，最大伸長距離為1.4 m，有效載荷為6 kg[4-5]。

在2001年的AMADEUS項目中，研究人員使用了Ansaldo開發的兩個七自由度機械手進行合作采樣。2007年，馬里蘭大學空間系統實驗室與伍茲霍爾海洋研究所合作，開發了一種用于水下檢測和自主干預的六自由度北極水下機械手（“武士”）[4]。

Fernandez[6]在2013年對商用電動機械手ARM 5E的進行了改進。主要在西班牙Jaume大學IRS實驗室和CSIP公司的合作下，為了減小尺寸和質量，對該機械手進行了改造，使其能夠安裝在現有的GIRONA 500潛水器上，并且與之具有較少的動態耦合。

3 結構設計

電動夾持器由兩個手爪、壓力傳感器、搖桿、連桿、平連桿、移動板、電動機、傳動機構及外殼等部件構成，各個部件之間由銷軸進行連接，如圖1所示。使用直流無刷電動機作為電動夾持器的驅動器，并通過諧波減速器、滾珠絲杠實現整個驅動過程，通過電動機的正轉或反轉控制電動夾持器進行開合動作。手爪的接觸面由耐磨且柔軟的橡膠材料制成，面上刻有波紋紋路以增加表面摩擦力。在手爪接觸面中添加有力學傳感器，可實現抓取的智能化控制，使手指具有力覺反饋。

圖1 電動夾持器結構示意圖

直流無刷電動機通過諧波減速器后，轉速降低、力矩提升，并通過滾珠絲杠，將旋轉運動轉換為直線運動。當直流電動機帶動移動板伸出時，搖桿繞鉸支點轉動，從而帶動連桿擺動，手爪張開。反之，直流電動機帶動移動板縮回時，搖桿繞鉸支點轉動，從而帶動連桿擺動，手爪緊閉。搖桿、連桿、手爪與平連桿間為平行四邊形機構，手爪間的開口距離為線性，通過電動機轉速控制可實現開口位置的精確控制。

4 電動機耐壓設計

4.1 電動機選擇

電動機是電動夾持器的驅動器，也是這個設計中最關鍵的部件。電動夾持器在水下工作，工作過程中電動機工作轉速較低，且要求封裝在關節內，體積要求小。傳統的有刷電動機，控制精度低，不適宜用于水下環境。深海潛水器為節省質量，大多采用充油補償密封的方式，有刷電動機的機械電刷每轉動一次就要碳化絕緣油，長時間會使絕緣油絕緣性能下降，嚴重會產生電動機擊穿等事故[7]。隨著電動機技術的發展，直流無刷電動機的出現解決了上述問題。無刷直流電動機最大的優點是采用電子換向代替機械換向，其原理如圖2所示。直流無刷電動機具有以下優點[8]：1）控制特性好，電動機力矩與電流成比例，轉速與電壓成比例；2）轉子慣量小，響應快，大大地提高了系統的性能；3）采用電子換向，因而不產生火花干擾，不碳化絕緣油,壽命長，無需特殊的維護；4）無刷直流電動機功率密度高，體積小，質量輕，適合在水下使用；5）無電刷和換向器，適合于大深度時采用的充油壓力補償結構。

圖2 直流無刷電動機原理圖

4.2 耐壓設計

目前深海環境下使用的電動機，其耐壓形式主要有兩種：一種為耐壓罐式，另一種為充油補充式。

第一種將電動機密封在一個耐壓罐內。這種電動機的電氣系統與海水環境完全隔離，在電動機的輸出傳動軸上加有密封圈。雖然該電動機的電氣系統不受海水的侵蝕，但在大深度環境下，耐高壓的軸密封將增加摩擦損耗，降低效率。而且，其密封部分磨損嚴重，易出現海水滲漏，可靠性差，需要每隔一段時間更換密封器件。因此，該結構多出現在小深度潛水器。

另一種為充油補償式，將電動機密封在一個充滿絕緣油的結構內，并且連接壓力補償器或平衡膜。其在電動機內充滿非導電的液體，用來傳遞壓力以平衡外界壓力，并具有防止腐蝕、冷卻、潤滑等功效。壓力補償器或平衡膜的作用在于把外界壓力傳遞到電動機內，使其壓力等于或略高于海水環境壓力，防止海水侵人。

由于電動夾持器要求結構緊湊、體積小、質量輕，同時要滿足全海深環境使用，此次設計選用充油補償式的耐壓設計形式。

5 控制系統

5.1 控制系統硬件

電動夾持器的控制系統采用模塊化設計，主要包括電動機驅動模塊、傳感器模塊、人機交互模塊、通信模塊。駕駛員驅動人機交互模塊的操作手柄發出指令，其指令信息通過通信模塊并經微處理器處理，驅動電動機驅動模塊動作，并經傳動機構最終形成末端執行器（手爪）的開啟或關閉。末端執行器（手爪）上的力傳感器將其壓力信息通過AD轉換模塊，并經微處理器進行信息融合處理，反饋到上位機（PC機）進行比較。其比較結果一方面通過人機交互模塊顯示單元顯示到操作界面，一方面通過操作手柄反饋到駕駛員，可使其進一步控制驅動電動機動作，從而形成精確的力控制。末端執行器上位置傳感器（電位器）提供初始位置信息（絕對值），與直流無刷電動機霍爾元件位置信息（相對值）進行信息比較融合后，反饋到控制單元，從而實現精確的位置控制。電動夾持器控制系統硬件整體結構如圖3所示。

圖3 電動夾持器控制系統硬件結構圖

5.2 功能設置

電動夾持器搭載于液壓機械手末端，控制系統采用主從遠程控制方式，作業過程中，駕駛員只需要通過握住操作手柄即可實現夾持器的開合動作，同時感知夾持器作業過程中的夾持力，并且夾持器的開合角度和接觸力均可實時顯示在顯示屏上，以實現水下采樣“柔性”夾持。

為了實現水下精細作業，電動夾持器需要實現位置、力/力矩反饋雙閉環控制。

針對位置控制，減速器末端布置位置傳感器，初選電位器，該傳感器與水下伺服電動機結合使用，可以實現水下電動夾持器位置的閉環控制；

針對力反饋控制，在減速機末端配置力/力矩傳感器，同時也可在夾持器安裝接口處，即機械手手腕處安裝壓力傳感器，力/轉矩信息用于調節位于遙控單元上的電動執行器的控制信號強度，從而將力反饋給駕駛員。

在執行抓取目標物體過程中，該電動夾持器搭載于液壓機械手末端的運行步驟大致可分為以下幾步：首先，通過人機交互功能，設定目標物體的三維位置信息，主控器（上位機）依據三維位置信息控制其各關節的聯動，來完成對目標物體定位；到達指定目標位置后，主控器向電動夾持器控制器發指令，啟動抓取目標物體操作，并進行力覺判斷。其次，在抓穩目標物體即達到初始設定的力后（該力保證目標物體的無損等），向主控器請求取回目標物體操作。最后，機械手運動歸位后，主控器通知電動夾持器釋放目標物體，作業完畢。

6 結語

本文設計了一種具有力反饋功能的水下電動夾持器。該夾持器可搭載在液壓機械手末端，使得機械手具備較大有效載荷能力同時可執行水下精細作業。在完成了電動夾持器結構設計的基礎上，設計了控制系統的總體方案。后續工作中，將制作出可搭載于載人潛水器液壓機械手末端的電動夾持器樣機，并設置相關作業場景，將電動夾持器樣機搭載于水下液壓機械手末端分別開展陸上試驗、壓力筒試驗和水池試驗，測試該電動夾持器的控制性能、作業能力、定位精度及力反饋性能。