靳華偉,季海濤

(安徽理工大學(xué) 1.礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點實驗室;2.機械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

近年來,水下柔性機器人的開發(fā)涉及到多個領(lǐng)域,柔性機械臂的應(yīng)用場景集中在醫(yī)療外科手術(shù)、狹小空間搜救、工業(yè)設(shè)備檢修等領(lǐng)域[1-4],但是在水下環(huán)境進行作業(yè)時,往往由于機器人的不輕便,體積大從而影響水下機器人在水下靈活捕捉目標物,特別是機械臂的柔性抑制機械手的振動,從而在機械臂的末端阻礙了整個機器人的巡檢和捕捉目標物進程,因此傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用受到極大沖擊[5]。

水下機器人在水下作業(yè)時能耗大,巡檢周期大,自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦又對機器人產(chǎn)生了極大地消耗,陶廣宏等提出一種基于平行四邊形機構(gòu)的機器人俯仰關(guān)節(jié),有效地降低了因摩擦和巡游帶來的能耗,并通過對機器人越障運動進行優(yōu)化設(shè)計,低能耗效果明顯[6]。Dalla[7]等對機器人軌跡規(guī)劃進行優(yōu)化,并且通過遺傳算法降低了運行中的能耗,得到最優(yōu)解。Jiang等[8]通過對運動參數(shù)優(yōu)化來驗證高壓線路減震器更換和排水板巡檢作業(yè)過程。水下機器人在水下作業(yè)面積大,作業(yè)周期長,因此國內(nèi)外對水下機器人伸縮臂都有一定探索,并且有重大突破,李峰等[9]在清理灰?guī)旆秶娣e大,整機剛度不足的條件下,對灰?guī)烨謇頇C器人進行優(yōu)化,創(chuàng)新設(shè)計出超大伸縮比機械臂的灰?guī)鞕C器人;Wang等利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分析了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性[10];水下機器人適用的環(huán)境是未知的,所觸碰的水下未知物所產(chǎn)生的阻抗力也是變化多端的,巴瑞特全絲傳動機械臂對交互控制有深遠影響[11]。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足,設(shè)計出一款應(yīng)用于復(fù)雜密集環(huán)境無法捕捉出來的水下微生物環(huán)境的水下柔性機器人,結(jié)構(gòu)更加靈活,可以滿足復(fù)雜地形位置的微生物的捕捉及回收作業(yè)要求,自動化程度高。根據(jù)D-H算法和機器人結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)計算并設(shè)計機械臂伸縮桿的自由度和末端位置,運用有限元軟件對水下柔性機器人伸縮臂進行應(yīng)力設(shè)計和六階固態(tài)響應(yīng),驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 系統(tǒng)原理

鑒于在水下機器人發(fā)現(xiàn)目標不能在一定的范圍內(nèi)捕捉到目標物,目標存在的環(huán)境復(fù)雜多變,普通機器人在水下很難發(fā)現(xiàn)目標物并將目標物捕捉到,本文設(shè)計的機器人搭載六自由度機械臂,并在機械臂前段設(shè)置伸縮桿以便機器人水下能夠更加便捷的捕捉目標物。

1.1 伸縮臂的構(gòu)型及運動理論

機械臂安裝在水下打撈機器人的左側(cè),整個由兩個相互平行的動力源臂為六自由度機械臂提供能源動力,機械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示,機械臂由伸縮臂、小臂、大臂、腰部、基座和動力源臂組成,其中動力源臂一部分連接在水下打撈機器人的左側(cè),將機器人啟動裝置中的控制箱提供的能源轉(zhuǎn)化為電能供給驅(qū)動舵機,另一部分為了讓水下打撈機器人的中心左移保證重心與機械臂相持恒。驅(qū)動舵機在整個機械臂三個關(guān)節(jié)都安裝一個,主要為了給機械臂的每個關(guān)節(jié)提供動力,方便機械臂可以多角度的進行打撈目標。

圖1 機械臂結(jié)構(gòu)

圖2 D-H參數(shù)軸

機械臂如圖1所示主要由三個主要部分組成:伸縮臂部分(伸縮臂)、軸端末端捕捉部分(機械手),動力源部分(基座),由三個主要部分承擔(dān)機械臂伸縮捕捉目標整個過程,首先將水下機器人放入水中,讓機器人在SM-32單片機的指令下接近目標物,機器人的控制器會閃紅燈,然后我們再次通過SM-32單片機向機械臂發(fā)出目標指令,機械臂在一開始的設(shè)計中捕撈范圍在一定的可控范圍內(nèi),智能捕捉目標物4和目標物5,而機械臂所在盲區(qū)的目標物1、目標物2、目標物3是捕捉不到的,因此我們通過增加柔性伸縮桿來擴大機械臂的捕撈范圍,伸縮桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,伸縮桿內(nèi)部搭載三個驅(qū)動小舵機,伸縮桿箱體結(jié)構(gòu)是由具有防水性能良好的鋁合金6061板搭建而成,左右伺服電機驅(qū)動聯(lián)軸器帶動導(dǎo)桿在運行導(dǎo)軌加速旋轉(zhuǎn),將旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩通過三個大小相等的形星齒輪將力傳遞給中間的導(dǎo)桿,原因是如果伸縮桿在伸到極限時,我們的可以借助其他兩根導(dǎo)桿進行傳動力,轉(zhuǎn)化為伸縮桿推進力,進而達到我們不斷接近目標物。

圖3 末端執(zhí)行器運行軌跡

整個機械臂建立在D-H參數(shù)的基礎(chǔ)上,臂桿1代表大臂,臂桿2代表小臂,臂桿3代表伸縮臂,整個機器人的質(zhì)心位于機構(gòu)中央位置。L1、L2、L3分別代表大臂、小臂、伸縮臂的桿長,而τ1、τ2、τ3、τ4分別代表各個關(guān)節(jié)在一定自由度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度,我們在基體的基礎(chǔ)上結(jié)合D-H參數(shù)法搭建機械臂,通過建立如圖3所示的D-H參數(shù)軸,結(jié)合正運動學(xué)來驗證機械臂的合理性。

根據(jù)D-H模型的建立原則,結(jié)合機器人本體結(jié)構(gòu)圖和機械臂連桿系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,依據(jù)水下正運動學(xué)分析,表1是水下機器人機械臂D-H參數(shù)表。

表1 水下機器人機械臂D-H參數(shù)表

將表1中的相應(yīng)參數(shù)代入式子中,可以得機械臂各桿件之間的變換矩陣0T1、1T2、2T3、3T4、4T5、5T6分別如式(1)-式(6)所示。

(2)

(6)

將每個變換矩陣按順序左乘,可得末端執(zhí)行機構(gòu)相對于基坐標的正運動變化矩陣,如式(7)所示。

0T6=0T11T22T33T44T55T6

(7)

鑒于D-H參數(shù)法準確性,我們將機械臂的D-H參數(shù)通過算法引入MATLAB,結(jié)合機械臂在一定時間內(nèi)完成的軌跡及機械臂掃過的概率圖如圖3和圖4所示,求解出機械臂掃過運動空間的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 機械臂運行軌跡及關(guān)節(jié)角度變化圖

仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計的水下機械臂可以規(guī)定的時間范圍內(nèi)完成一定空間的運行和追蹤,圖5所示曲線無突變,整體曲線平滑體現(xiàn)設(shè)計的先進性。

2 系統(tǒng)設(shè)計

啟動裝置搭載STM-32單片機為整個捕撈機器人提供穩(wěn)定的動力源,特別是有兩條控制臂搭載六自由度機械臂,保證機械臂在水下作業(yè)的穩(wěn)定性;航行裝置是由六個不同角度的水下懸浮器,保證水下捕撈機器人上升,下降,前進,后退等多個方向行進;捕撈裝置是由一個三個舵機連載的六自由度機械臂,用于捕撈海底不明生物;識別裝置是水下捕撈機器人前段一個上仰視工業(yè)攝像機和一個下仰式攝像機,它主要處理對于未知路線的探測和識別異物;收集裝置用于機械手捕撈到海底生物之后存放。水下柔性機器人整體流程圖和結(jié)構(gòu)圖如圖6、圖7所示。

圖6 總體流程圖

根據(jù)水下柔性機器人在水下進行多方位巡航并收集水下微生物的要求,作業(yè)時,先啟動裝置內(nèi)部搭載的STM-32單片機,給外部搭載的航行裝置六個推進器提供指令,進而驅(qū)動水下柔性機器人在水中沿著一定的航線,并借助識別裝置進行水中目標物的識別行走至指定目標物位置,再根據(jù)作業(yè)姿態(tài)和高度要求分別調(diào)整機器人在水下的深度,將捕撈裝置調(diào)整合適的回轉(zhuǎn)角度和作業(yè)高度,根據(jù)目標物被卡在水下不同深度的位置,通過調(diào)節(jié)伺服減速電機可實現(xiàn)機械臂末端執(zhí)行器的姿態(tài)調(diào)整。水下柔性機器人機械臂,可滿足大重量、大體積和在水中復(fù)雜地形的生物捕捉等作業(yè)的要求,降低操作人員的勞動強度和生產(chǎn)成本。

3 機構(gòu)力學(xué)特性分析

鑒于機器人捕捉目標物主要依靠伸縮臂搭載末端捕捉機構(gòu)進行捕捉作業(yè),因此通過靜力學(xué)分析對伸縮臂的強度進行驗證是保證伸縮臂完整運動的關(guān)鍵。

3.1 基于有限元法的靜力學(xué)分析

定義機械臂的材料屬性是6061鋁合金,并利用bem188單元模擬,設(shè)置機器人處在水下10m環(huán)境中,安全系數(shù)ηs=1.5,故靜水壓力載荷ρ=ηs·ρgh=750pa,并通過施加預(yù)緊力來代替原有附加載荷。

對伸縮臂分別施加內(nèi)部內(nèi)部、外部、內(nèi)外三個不同條件下的載荷來驗證機械臂末端在受力下是否發(fā)生過大變形,因此分別通過施加位移約束和軸向約束。內(nèi)部加載:在水下深度10m的環(huán)境下施加750Mpa,在水深10m的條件下,外端面固定,內(nèi)環(huán)端面施加位移約束,釋放軸向約束。內(nèi)外加載:外端面固定,內(nèi)端面施加位移約束,釋放軸向約束,內(nèi)外端面施加M2的彎矩200N/min。為部加載我們采取內(nèi)端面固定,外端面施加位移約束,釋放軸向約束,外端面施加M1的彎矩100N/min,得到的仿真效果如圖8所示。

由表2可知,在水下10m深度下機械臂并沒有經(jīng)受巨大的沖擊,變形程度變化不明顯,壓力形變最大部分集中在第二節(jié)機械臂上,其他各機械臂壓力形變較為均勻。內(nèi)外加載我們采取方案將整個機械臂進行外端面固定,將機械臂所在的X、Y方向的位移約束給及機械臂抹去,施加200N/min的彎矩于末端機械臂和中間連接機械臂發(fā)現(xiàn)應(yīng)力形變集中在機械臂末端,且受力變形不大因此我們的機械臂能夠在未知的水下環(huán)境下適應(yīng)一定的雙重向的約束壓力。綜合三次試驗我們總結(jié)出鋁合金6061滿足我們機器人進行水下捕撈作業(yè),由我們對機械臂進行三次有限元分析可以看出我們機器臂設(shè)計的強度基本符合水下作業(yè)的耐壓性條件,且變形程度很小,不會影響到水下機器人的工作力度。

表2 機械臂的靜應(yīng)力分析結(jié)果

3.2 結(jié)構(gòu)固有頻率分析

為探究機械臂在水下運行可靠性的影響,利用ANSYS建立的機械臂結(jié)構(gòu)有限元模型,通過對其6階振型和頻率。為了與含彈性構(gòu)件支撐臂進行高強度及輕量化的對比,設(shè)置預(yù)緊力為1000N約束機械臂各個節(jié)點的全部由自由度,底端固定。分析在內(nèi)部加載,外部加載和內(nèi)外加載三種不同條件下的6階固有頻率,如表3所示,其變化曲線如圖9所示。

加載方向一階二階三階四階五階六階內(nèi)部112.560276.95303.60534.73757.76862.56外部96.646170.24241.21585.19740.68788.93內(nèi)外部96.639170.20241.21584.84740.05788.20

圖9 機械臂的固有頻率

水下機器人機械臂在水中運轉(zhuǎn)依賴的主要是激振器,激振器的頻率調(diào)整要遠高于或者遠低于伸縮臂的固有頻率,才能保證實際生產(chǎn)中機器人不會因為激振器產(chǎn)生共振導(dǎo)致伸縮臂的損壞。通過查閱文獻使用3000～9000r/min的交流電機作為機器人末端激振器所使用的電機,激振頻率在43.3～45.3Hz,如圖9對機器人伸縮臂進行三段不斷外部施壓條件,伸縮臂的固有頻率穩(wěn)定在0.6256～96.646Hz,仿真結(jié)果表明搭載的激振器不會與伸縮臂發(fā)生共振,可以保證機器人進行水下作業(yè)平穩(wěn)運行。

4 動力學(xué)特性分析

4.1 機構(gòu)運動學(xué)分析

鑒于水下機器人在尋找目標的速度是不穩(wěn)定的,特別當我們設(shè)計的伸縮臂接近目標物時,整個機器人水下模擬仿真借助Adams對伸縮式機器人進行模擬仿真,從而驗證機器人的合理性。

仿真完成后,運動ADAMS后處理軟件可輸出各個關(guān)節(jié)驅(qū)動速度等運動過程的仿真參數(shù),各關(guān)節(jié)速度曲線如圖10所示,part_2和part_4代表軸心轉(zhuǎn)動軸、底轉(zhuǎn)動軸,part_3表示軸桿軸桿轉(zhuǎn)動軸。仿真結(jié)果表明當軸端末段接近目標物時,只有伸縮桿繼續(xù)作業(yè),軸心轉(zhuǎn)動軸和底轉(zhuǎn)動軸保持靜止狀態(tài),而與伸縮桿相連的軸桿轉(zhuǎn)動軸速度發(fā)生波動,速度保持在-750～50mm/sec基本保持在與力矩電機相穩(wěn)定的速度區(qū)間,因此機械臂能穩(wěn)定的平穩(wěn)作業(yè)。

(a)機械臂三主軸速度波動圖

4.2 驅(qū)動參數(shù)對伸縮臂軸末端速度影響

改變伸縮臂的驅(qū)動參數(shù),觀察伸縮臂軸端末端接近目標物的速度和加速變化情況,如圖11所示。

(a)軸端末端速度波動圖

仿真結(jié)果表明,線速度曲線過度平滑,角速度曲線在準備階段有較大幅度的波動,在整個伸縮臂捕捉目標物運行過程中,不存在由過大的瞬時加速度,說明不會因為較大沖擊導(dǎo)致無法預(yù)期的振動,所以根據(jù)上述分析,在本文合理設(shè)計下,伸縮臂驅(qū)動平穩(wěn),驅(qū)動效率高,符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

針對水下生物和目標物的復(fù)雜位置,開創(chuàng)性地設(shè)計出基于D-H算法的機器人伸縮臂,規(guī)避了以往水下機器人在水下不能靈活單體作業(yè),解決了在復(fù)雜尤其是被固定在水中特殊環(huán)境的載體生物,提供了一種行之有效的捕捉手段,使結(jié)構(gòu)更加靈活,自動化程度高。運用ANSYS Workbench對機械臂進行靜應(yīng)力分析,通過給定的條件,在一定的三個條件下進行補強實驗,得到伸縮式機器人在極限載荷下的應(yīng)力云圖,進一步驗證了伸縮臂的可行性,為伸縮式機器人的設(shè)計與制造提供了依據(jù)。運動Fluent對整個伸縮式機器人進行水動力分析,在一定水壓條件得到水下模擬的三維星云圖和機械臂壓力云圖,可以看出機器人在一定的壓差阻力和渦旋降低了伸縮式機器人的動力,因此我們通過ADAMS動力學(xué)仿真對水下運行速度進行模擬和優(yōu)化。