項(xiàng)鯤

摘 要：水下機(jī)械手要跟隨深海潛水器進(jìn)入深海進(jìn)行各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，對(duì)于樣本采集來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本論文對(duì)水下電動(dòng)機(jī)械手關(guān)鍵關(guān)節(jié)處的傳動(dòng)方式進(jìn)行了討論，對(duì)其中幾個(gè)主要的可行性方案進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：水下；機(jī)械手；密封

水下作業(yè)功能一直是水下機(jī)器人技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[1]。作為一種通用作業(yè)工具的水下機(jī)械手一直是作業(yè)型水下機(jī)器人的首選配置，一般概念上的作業(yè)型水下機(jī)器人均配備有各種類型的機(jī)械手[2]。

國(guó)外水下作業(yè)型機(jī)械手的研究史中，美國(guó)最早開始從事這方面的研究，美國(guó)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(yè)系統(tǒng)之一[3]。目前世界上，美國(guó)、法國(guó)、日本和俄羅斯的整體水平比較高，美國(guó)的技術(shù)最為先進(jìn)，而日本在商業(yè)化方面做得較好。相對(duì)國(guó)外，對(duì)于水下作業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制研究起步較晚，技術(shù)尚不成熟，與先進(jìn)水平差距比較大，國(guó)內(nèi)目前使用的海洋高新技術(shù)裝備90%以上需要進(jìn)口[4]。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)方式選擇

軸角為90°兩相交軸之間傳動(dòng)主要有蝸輪蝸桿和錐齒輪兩種傳動(dòng)方式[3]，錐齒輪的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，高負(fù)荷承載力，耐化學(xué)和腐蝕性強(qiáng)，降噪和減震，重量輕，成本低，易于成型，潤(rùn)滑性好。缺點(diǎn)是傳動(dòng)比小，不能自鎖。相對(duì)而言，蝸輪蝸桿在動(dòng)力傳動(dòng)中單級(jí)傳動(dòng)比i即可達(dá)到10～80，這對(duì)于降低減速器傳動(dòng)比，縮小機(jī)械手臂中的減速電機(jī)尺寸，提高力矩等具有明顯優(yōu)勢(shì)。且蝸輪蝸桿傳動(dòng)在海水中亦可以有較好的傳動(dòng)效率，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)重合度大于1，傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊和噪聲小，可以自鎖，使用壽命也能滿足設(shè)計(jì)要求。因此最終選擇蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式。

1.2 電機(jī)選型

電機(jī)分為直流有刷電機(jī)和直流無(wú)刷電機(jī)，分析他們的特點(diǎn)。直流有刷電機(jī)：隨著水深增加，密封后結(jié)構(gòu)尺寸和重量不斷增加。直流無(wú)刷電機(jī)：沒有換向器和電刷，均壓密封，實(shí)現(xiàn)可靠密封。綜上，選擇直流無(wú)刷電機(jī)。為簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)，選購(gòu)市場(chǎng)上壽命長(zhǎng)，噪音小的行星減速機(jī)。

1.3 機(jī)械臂腔的選型與計(jì)算

深海環(huán)境復(fù)雜，各項(xiàng)因素對(duì)金屬及合金材料腐蝕的影響腐蝕嚴(yán)重，故需要選擇耐腐蝕的材料以保證機(jī)械手臂的穩(wěn)定運(yùn)作[5]。

不銹鋼的比重太高，鈦價(jià)格又過(guò)于昂貴，而鋁材雖然機(jī)械強(qiáng)度不如不銹鋼和鈦合金，但其強(qiáng)度已經(jīng)能夠滿足本次設(shè)計(jì)需求，故選擇常用的鋁材，表面通過(guò)陽(yáng)極氧化處理以保證其耐腐蝕性。為了減輕機(jī)械手臂的整體質(zhì)量，機(jī)械手臂做成中空結(jié)構(gòu)，即機(jī)械臂腔。

2 密封

2.1 密封圈選材

由于不熟悉深海環(huán)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(wú)機(jī)酸、鹵素類溶劑等廣泛的介質(zhì)，故可以選取氟橡膠材料的O型密封圈來(lái)作為本次機(jī)械手的密封圈材料，以應(yīng)對(duì)深海復(fù)雜未知的海洋環(huán)境。

2.2 靜密封設(shè)計(jì)

O型密封圈被譽(yù)為自密封技術(shù)發(fā)展以來(lái)最佳的靜密封。由于深海壓力大，為了保證密封效果，設(shè)計(jì)中采用了雙密封圈設(shè)計(jì)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)取得了良好的密封效果。

3 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 固定座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定座在整個(gè)水下電動(dòng)機(jī)械手中起著支撐的作用。

內(nèi)支撐套筒固定在相應(yīng)的水下機(jī)器人上，如ROV、AUV等。電機(jī)密封安放在內(nèi)支撐筒內(nèi)，與內(nèi)支撐筒通過(guò)螺紋固定。當(dāng)電機(jī)接通電源后，通過(guò)電機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)外套筒旋轉(zhuǎn)（電機(jī)軸與外套筒剛性固定），外套筒繼續(xù)帶動(dòng)機(jī)械手大臂水平旋轉(zhuǎn)，并通電的時(shí)間來(lái)控制相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

3.2 機(jī)械手大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械手大臂主要完成水平方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及提供一個(gè)垂直平面的旋轉(zhuǎn)自由度，由蝸輪蝸桿傳動(dòng)完成。

電機(jī)軸輸出力矩后，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，然后蝸輪蝸桿嚙合運(yùn)動(dòng)，將力矩傳遞到機(jī)械小臂上。在聯(lián)軸器靠蝸桿一端設(shè)計(jì)了動(dòng)密封以保證海水不進(jìn)入電機(jī)。在轉(zhuǎn)動(dòng)座與電機(jī)套筒旋合處采用雙密封圈靜密封設(shè)計(jì)，以保證良好的密封性。

3.3 機(jī)械手小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

減速電機(jī)軸通過(guò)輸出力矩帶動(dòng)聯(lián)軸節(jié)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，聯(lián)軸節(jié)與螺旋滑塊構(gòu)成螺旋傳動(dòng)，帶動(dòng)末端執(zhí)行器（End-effector）進(jìn)行“夾持”運(yùn)動(dòng)。為保證電機(jī)的正常運(yùn)作和良好的密封性，聯(lián)軸節(jié)處依然采用了同前面的密封環(huán)設(shè)計(jì)，原理和機(jī)械結(jié)構(gòu)類似。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張銘鈞.水下機(jī)器人[M].北京：海洋出版社.2000：41-45.

[2]蔣新松.水下機(jī)器人[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版.2000：256-267.

[3]張立峰.三自由度水下機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)及阻抗控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué).2008：1-4.

[4]安江波，孫昌將，凌華.水下機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究[J].2009.機(jī)械工程與自動(dòng)化.第二期：1-4.

[5]周建龍，李曉剛，程學(xué)群，董朝芳，杜翠微.深海環(huán)境下金屬及合金材料腐蝕研究進(jìn)展[J].北京：北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心，2010：3-10.