趙飛,姚震球,凌宏杰

(1.鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校 電氣與信息學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212028;2.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

有纜遙控水下機(jī)器人(remotely operated vehicle,ROV)是探索海洋奧秘、開發(fā)海洋資源的重要設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)水下機(jī)械臂的技術(shù)還尚未成熟,仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段,雖然研究人員在一定程度上解決了水下機(jī)械臂的設(shè)計(jì)、仿真,以及實(shí)驗(yàn)問(wèn)題[1-9],但部分作業(yè)型水下機(jī)器人搭載的作業(yè)機(jī)械臂,主要為通用型,針對(duì)性不強(qiáng),尤其是配套水下采油樹作業(yè)的專用作業(yè)型機(jī)械臂尚無(wú)成熟產(chǎn)品。為此,針對(duì)水下采油樹作業(yè)需求,設(shè)計(jì)一種7功能水下液壓機(jī)械臂,并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)求解、仿真和實(shí)驗(yàn)。

1 總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂采用關(guān)節(jié)型鉸接結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)包括偏轉(zhuǎn)和俯仰在內(nèi)的六自由度位置變化及抓取功能,與其他結(jié)構(gòu)形式機(jī)械臂相比具有占地面積小而動(dòng)作范圍大的特點(diǎn)。該機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖1中的7功能機(jī)械臂包括6個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)抓取卡爪,具體為6個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)、俯仰和周向運(yùn)動(dòng)功能和卡爪的抓取功能。其中,第一關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)和第六關(guān)節(jié)為腕關(guān)節(jié);第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)為肘關(guān)節(jié),抓取卡爪根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同可選配,這里介紹設(shè)計(jì)的專用平動(dòng)開合型抓取卡爪。

上述6個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)定技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 活動(dòng)關(guān)節(jié)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)表2繪制機(jī)械臂的工作區(qū)域,見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)械臂工作區(qū)域

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

活動(dòng)關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),結(jié)合表1中的技術(shù)指標(biāo),進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

抓取卡爪采用四邊形機(jī)構(gòu)冗余設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)平動(dòng)開合,卡爪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力分析見(jiàn)圖3。

圖3 卡爪的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力分析

開合距離2b與液壓缸行程a關(guān)系為

(1)

驅(qū)動(dòng)力P與夾緊力F的關(guān)系為

(2)

以驅(qū)動(dòng)力P最小和行程a最短為原則建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,目標(biāo)函數(shù)為

(3)

約束函數(shù)為

(4)

根據(jù)表1 指標(biāo)和實(shí)際設(shè)計(jì)情況,為簡(jiǎn)化計(jì)算,確定已知量：b=60 mm,d=18 mm,r=12 mm,α=600,μ=0.3。此時(shí)設(shè)計(jì)變量為l1、l2、γ及β共4個(gè)。

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

3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

采用Matlab軟件建立機(jī)械臂的仿真模型,并對(duì)仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)。首先,校驗(yàn)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為0時(shí),其總長(zhǎng)與Solidworks軟件設(shè)計(jì)的三維模型總長(zhǎng)的一致性,校驗(yàn)結(jié)果均為1.068 m,此時(shí)機(jī)械臂總長(zhǎng)仿真校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 機(jī)械臂總長(zhǎng)仿真校驗(yàn)結(jié)果

然后,校驗(yàn)機(jī)械臂由一個(gè)位置運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置時(shí)的位置姿態(tài),為使計(jì)算簡(jiǎn)便,選取校驗(yàn)初始位置A各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為0°,目標(biāo)位置B關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為[0pi/4-pi/60pi/60]。此時(shí),機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)計(jì)算的末端位置矢量為

(5)

仿真校驗(yàn)結(jié)果為

(6)

此時(shí)機(jī)械臂位置仿真校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

仿真模型結(jié)果與D-H參數(shù)法正運(yùn)動(dòng)求解結(jié)果高度一致,驗(yàn)證了機(jī)械臂仿真模型是正確的,可以借助仿真模型對(duì)活動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析,探討活動(dòng)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置、速度和加速度變化特征和規(guī)律。

假設(shè)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為0時(shí)為初始位置A點(diǎn),關(guān)節(jié)角度為[pi/6pi/-pi/6pi/6pi/6pi/2]時(shí)為目標(biāo)位置B點(diǎn),由A點(diǎn)至點(diǎn)B,仿真的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫見(jiàn)圖6,空間軌跡見(jiàn)圖7。

圖6 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡動(dòng)畫

圖7 機(jī)械臂空間軌跡

由A點(diǎn)至B點(diǎn),仿真的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)位置變化見(jiàn)圖8,速度變化見(jiàn)圖9,加速度變化見(jiàn)圖10。

圖8 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)位置變化

圖9 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)速度變化

圖10 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)加速度變化曲線

圖6～10表明,由A點(diǎn)至B點(diǎn),機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的角位移運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),其速度和加速度曲線無(wú)突變,呈現(xiàn)正弦規(guī)律且相互對(duì)應(yīng),光滑平順。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真的合理性,搭建機(jī)械臂的功能樣機(jī),抓取卡爪的開合功能驗(yàn)證見(jiàn)圖11。

圖11 抓取卡爪開合運(yùn)動(dòng)

機(jī)械臂單自由度第六關(guān)節(jié)的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖12。

圖12 第六關(guān)節(jié)周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

機(jī)械臂單自由度第五關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖13。

圖13 第五關(guān)節(jié)偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

機(jī)械臂抓取卡爪開合功能和單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證完成后,進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)械臂的多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證,機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證見(jiàn)圖14。

圖14 機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證

功能樣機(jī)驗(yàn)證表明：設(shè)計(jì)的七功能水下液壓機(jī)械臂抓取卡爪可實(shí)現(xiàn)120 mm的開合范圍,各活動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),并且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)的加減速性能良好。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),搭建工程化樣機(jī),搭載設(shè)計(jì)的七功能機(jī)械臂的ROV樣機(jī)見(jiàn)圖15。

圖15 搭載機(jī)械臂的ROV樣機(jī)

在ROV設(shè)備上輸入機(jī)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(dòng)作,同時(shí)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)可以根據(jù)控制指令隨動(dòng)動(dòng)作,機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)見(jiàn)圖16。

圖16 機(jī)械臂第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

試驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的7功能水下液壓機(jī)械臂可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),符合ROV的水下作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1)利用多目標(biāo)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)抓取卡爪,求解的液壓缸驅(qū)動(dòng)最短行程20 mm時(shí),可滿足抓取卡爪120 mm的開合范圍。

2)仿真分析結(jié)果表明機(jī)械臂6個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度曲線在全部限界范圍內(nèi)均平滑、無(wú)突變,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定。

3)抓取卡爪開合范圍符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,單自由度和多自由度陸上試驗(yàn)及水下試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械臂含抓取卡爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

為進(jìn)一步擴(kuò)展ROV的作業(yè)能力和作業(yè)范圍,后續(xù)將開展ROV上搭載雙機(jī)械臂的協(xié)同運(yùn)動(dòng)研究。