二自由度水下電動機械手設計

項鯤

摘 要：水下機械手要跟隨深海潛水器進入深海進行各項作業任務，對于樣本采集來說至關重要。本論文對水下電動機械手關鍵關節處的傳動方式進行了討論，對其中幾個主要的可行性方案進行了對比。

關鍵詞：水下；機械手；密封

水下作業功能一直是水下機器人技術開發與應用的關鍵技術[1]。作為一種通用作業工具的水下機械手一直是作業型水下機器人的首選配置，一般概念上的作業型水下機器人均配備有各種類型的機械手[2]。

國外水下作業型機械手的研究史中，美國最早開始從事這方面的研究，美國NOSC（Naval Ocean Systems Center）主持研制的WSP（Work Systems Package），從整體功能上講，仍是目前最成功和具有代表性的遙控水下作業系統之一[3]。目前世界上，美國、法國、日本和俄羅斯的整體水平比較高，美國的技術最為先進，而日本在商業化方面做得較好。相對國外，對于水下作業機械手的運動控制研究起步較晚，技術尚不成熟，與先進水平差距比較大，國內目前使用的海洋高新技術裝備90%以上需要進口[4]。

1 機械設計

1.1 傳動方式選擇

軸角為90°兩相交軸之間傳動主要有蝸輪蝸桿和錐齒輪兩種傳動方式[3]，錐齒輪的優點是壽命長，高負荷承載力，耐化學和腐蝕性強，降噪和減震，重量輕，成本低，易于成型，潤滑性好。缺點是傳動比小，不能自鎖。相對而言，蝸輪蝸桿在動力傳動中單級傳動比i即可達到10～80，這對于降低減速器傳動比，縮小機械手臂中的減速電機尺寸，提高力矩等具有明顯優勢。且蝸輪蝸桿傳動在海水中亦可以有較好的傳動效率，結構緊湊，傳動重合度大于1，傳動平穩，沖擊和噪聲小，可以自鎖，使用壽命也能滿足設計要求。因此最終選擇蝸輪蝸桿的傳動方式。

1.2 電機選型

電機分為直流有刷電機和直流無刷電機，分析他們的特點。直流有刷電機：隨著水深增加，密封后結構尺寸和重量不斷增加。直流無刷電機：沒有換向器和電刷，均壓密封，實現可靠密封。綜上，選擇直流無刷電機。為簡便設計，選購市場上壽命長，噪音小的行星減速機。

1.3 機械臂腔的選型與計算

深海環境復雜，各項因素對金屬及合金材料腐蝕的影響腐蝕嚴重，故需要選擇耐腐蝕的材料以保證機械手臂的穩定運作[5]。

不銹鋼的比重太高，鈦價格又過于昂貴，而鋁材雖然機械強度不如不銹鋼和鈦合金，但其強度已經能夠滿足本次設計需求，故選擇常用的鋁材，表面通過陽極氧化處理以保證其耐腐蝕性。為了減輕機械手臂的整體質量，機械手臂做成中空結構，即機械臂腔。

2 密封

2.1 密封圈選材

由于不熟悉深海環境的pH、溶解CO2含量等因素，因此需要密封圈除了必要的密封特性，其材料還需要具有一定的耐腐蝕性[5]。氟橡膠適用于熱油、蒸汽、空氣、無機酸、鹵素類溶劑等廣泛的介質，故可以選取氟橡膠材料的O型密封圈來作為本次機械手的密封圈材料，以應對深海復雜未知的海洋環境。

2.2 靜密封設計

O型密封圈被譽為自密封技術發展以來最佳的靜密封。由于深海壓力大，為了保證密封效果，設計中采用了雙密封圈設計，在實際實驗取得了良好的密封效果。

3 機械手的總體結構設計

3.1 固定座的結構設計

固定座在整個水下電動機械手中起著支撐的作用。

內支撐套筒固定在相應的水下機器人上，如ROV、AUV等。電機密封安放在內支撐筒內，與內支撐筒通過螺紋固定。當電機接通電源后，通過電機軸輸出轉矩帶動外套筒旋轉（電機軸與外套筒剛性固定），外套筒繼續帶動機械手大臂水平旋轉，并通電的時間來控制相應轉過的角度。

3.2 機械手大臂的結構設計

機械手大臂主要完成水平方向的旋轉運動以及提供一個垂直平面的旋轉自由度，由蝸輪蝸桿傳動完成。

電機軸輸出力矩后，通過聯軸器帶動蝸桿旋轉，然后蝸輪蝸桿嚙合運動，將力矩傳遞到機械小臂上。在聯軸器靠蝸桿一端設計了動密封以保證海水不進入電機。在轉動座與電機套筒旋合處采用雙密封圈靜密封設計，以保證良好的密封性。

3.3 機械手小臂的結構設計

減速電機軸通過輸出力矩帶動聯軸節旋轉，同時，聯軸節與螺旋滑塊構成螺旋傳動，帶動末端執行器（End-effector）進行“夾持”運動。為保證電機的正常運作和良好的密封性，聯軸節處依然采用了同前面的密封環設計，原理和機械結構類似。

[參考文獻]

[1]張銘鈞.水下機器人[M].北京：海洋出版社.2000：41-45.

[2]蔣新松.水下機器人[M].遼寧：遼寧科學技術出版.2000：256-267.

[3]張立峰.三自由度水下機械手本體結構及阻抗控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學.2008：1-4.

[4]安江波，孫昌將，凌華.水下機械手結構設計與研究[J].2009.機械工程與自動化.第二期：1-4.

[5]周建龍，李曉剛，程學群，董朝芳，杜翠微.深海環境下金屬及合金材料腐蝕研究進展[J].北京：北京科技大學腐蝕與防護中心，2010：3-10.