七功能水下液壓機械臂設計

趙飛,姚震球,凌宏杰

(1.鎮江市高等專科學校 電氣與信息學院,江蘇 鎮江 212028;2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院,江蘇 鎮江 212003)

有纜遙控水下機器人(remotely operated vehicle,ROV)是探索海洋奧秘、開發海洋資源的重要設備。目前國內水下機械臂的技術還尚未成熟,仍處于實驗研究階段,雖然研究人員在一定程度上解決了水下機械臂的設計、仿真,以及實驗問題[1-9],但部分作業型水下機器人搭載的作業機械臂,主要為通用型,針對性不強,尤其是配套水下采油樹作業的專用作業型機械臂尚無成熟產品。為此,針對水下采油樹作業需求,設計一種7功能水下液壓機械臂,并對其進行運動求解、仿真和實驗。

1 總體結構和技術指標

所設計的機械臂采用關節型鉸接結構,可實現包括偏轉和俯仰在內的六自由度位置變化及抓取功能,與其他結構形式機械臂相比具有占地面積小而動作范圍大的特點。該機械臂總體結構見圖1,技術指標見表1。

表1 機械臂設計指標

圖1中的7功能機械臂包括6個活動關節和1個抓取卡爪,具體為6個活動關節的偏轉、俯仰和周向運動功能和卡爪的抓取功能。其中,第一關節、第五關節和第六關節為腕關節;第二關節、第三關節和第四關節為肘關節,抓取卡爪根據作業任務不同可選配,這里介紹設計的專用平動開合型抓取卡爪。

上述6個活動關節的設定技術指標見表2。

表2 活動關節技術指標

根據表2繪制機械臂的工作區域,見圖2。

圖2 機械臂工作區域

2 結構設計

活動關節簡化為擺動導桿機構,結合表1中的技術指標,進行結構設計。

抓取卡爪采用四邊形機構冗余設計,實現平動開合,卡爪的運動關系和受力分析見圖3。

圖3 卡爪的運動關系和受力分析

開合距離2b與液壓缸行程a關系為

(1)

驅動力P與夾緊力F的關系為

(2)

以驅動力P最小和行程a最短為原則建立多目標優化模型,目標函數為

(3)

約束函數為

(4)

根據表1 指標和實際設計情況,為簡化計算,確定已知量：b=60 mm,d=18 mm,r=12 mm,α=600,μ=0.3。此時設計變量為l1、l2、γ及β共4個。

利用Matlab軟件計算并圓整可得：液壓缸行程最小為20 mm時,可以滿足抓取卡爪120 mm的開合范圍。

3 運動仿真分析

采用Matlab軟件建立機械臂的仿真模型,并對仿真模型進行校驗。首先,校驗機械臂各關節轉角為0時,其總長與Solidworks軟件設計的三維模型總長的一致性,校驗結果均為1.068 m,此時機械臂總長仿真校驗結果見圖4。

圖4 機械臂總長仿真校驗結果

然后,校驗機械臂由一個位置運動到另一個位置時的位置姿態,為使計算簡便,選取校驗初始位置A各關節轉角為0°,目標位置B關節轉角為[0pi/4-pi/60pi/60]。此時,機械臂正運動計算的末端位置矢量為

(5)

仿真校驗結果為

(6)

此時機械臂位置仿真校驗結果見圖5。

仿真模型結果與D-H參數法正運動求解結果高度一致,驗證了機械臂仿真模型是正確的,可以借助仿真模型對活動關節的運動軌跡進行分析,探討活動關節在運動過程中的位置、速度和加速度變化特征和規律。

假設各關節轉角為0時為初始位置A點,關節角度為[pi/6pi/-pi/6pi/6pi/6pi/2]時為目標位置B點,由A點至點B,仿真的機械臂運動軌跡動畫見圖6,空間軌跡見圖7。

圖6 機械臂運動軌跡動畫

圖7 機械臂空間軌跡

由A點至B點,仿真的機械臂各關節位置變化見圖8,速度變化見圖9,加速度變化見圖10。

圖8 機械臂各關節位置變化

圖9 機械臂各關節速度變化

圖10 機械臂各關節加速度變化曲線

圖6～10表明,由A點至B點,機械臂各關節的角位移運動平穩,其速度和加速度曲線無突變,呈現正弦規律且相互對應,光滑平順。

4 試驗驗證

為驗證結構設計和仿真的合理性,搭建機械臂的功能樣機,抓取卡爪的開合功能驗證見圖11。

圖11 抓取卡爪開合運動

機械臂單自由度第六關節的周向旋轉運動見圖12。

圖12 第六關節周向旋轉運動

機械臂單自由度第五關節的偏轉運動見圖13。

圖13 第五關節偏轉運動

機械臂抓取卡爪開合功能和單關節運動驗證完成后,進一步進行機械臂的多關節聯動驗證,機械臂多關節聯動驗證見圖14。

圖14 機械臂多關節聯動驗證

功能樣機驗證表明：設計的七功能水下液壓機械臂抓取卡爪可實現120 mm的開合范圍,各活動關節的運動范圍滿足設計指標,并且運動過程中各關節的加減速性能良好。

在上述試驗的基礎上進行結構優化設計,搭建工程化樣機,搭載設計的七功能機械臂的ROV樣機見圖15。

圖15 搭載機械臂的ROV樣機

在ROV設備上輸入機械臂抓取卡爪的開合控制指令,抓取卡爪可以按照指令完成開合動作,同時機械臂各關節可以根據控制指令隨動動作,機械臂第一關節和第二關節運動見圖16。

圖16 機械臂第一關節和第二關節運動

試驗表明,設計的7功能水下液壓機械臂可以滿足設計指標,符合ROV的水下作業要求。

5 結論

1)利用多目標優化模型設計抓取卡爪,求解的液壓缸驅動最短行程20 mm時,可滿足抓取卡爪120 mm的開合范圍。

2)仿真分析結果表明機械臂6個活動關節的位置、速度、加速度曲線在全部限界范圍內均平滑、無突變,運動穩定。

3)抓取卡爪開合范圍符合設計指標要求,單自由度和多自由度陸上試驗及水下試驗驗證了機械臂含抓取卡爪的結構設計是合理的。

為進一步擴展ROV的作業能力和作業范圍,后續將開展ROV上搭載雙機械臂的協同運動研究。