二自由度水下电动机械手设计

项鲲

摘 要：水下机械手要跟随深海潜水器进入深海进行各项作业任务，对于样本采集来说至关重要。本论文对水下电动机械手关键关节处的传动方式进行了讨论，对其中几个主要的可行性方案进行了对比。

关键词：水下；机械手；密封

水下作业功能一直是水下机器人技术开发与应用的关键技术[1]。作为一种通用作业工具的水下机械手一直是作业型水下机器人的首选配置，一般概念上的作业型水下机器人均配备有各种类型的机械手[2]。

国外水下作业型机械手的研究史中，美国最早开始从事这方面的研究，美国NOSC（Naval Ocean Systems Center）主持研制的WSP（Work Systems Package），从整体功能上讲，仍是目前最成功和具有代表性的遥控水下作业系统之一[3]。目前世界上，美国、法国、日本和俄罗斯的整体水平比较高，美国的技术最为先进，而日本在商业化方面做得较好。相对国外，对于水下作业机械手的运动控制研究起步较晚，技术尚不成熟，与先进水平差距比较大，国内目前使用的海洋高新技术装备90%以上需要进口[4]。

1 机械设计

1.1 传动方式选择

轴角为90°两相交轴之间传动主要有蜗轮蜗杆和锥齿轮两种传动方式[3]，锥齿轮的优点是寿命长，高负荷承载力，耐化学和腐蚀性强，降噪和减震，重量轻，成本低，易于成型，润滑性好。缺点是传动比小，不能自锁。相对而言，蜗轮蜗杆在动力传动中单级传动比i即可达到10～80，这对于降低减速器传动比，缩小机械手臂中的减速电机尺寸，提高力矩等具有明显优势。且蜗轮蜗杆传动在海水中亦可以有较好的传动效率，结构紧凑，传动重合度大于1，传动平稳，冲击和噪声小，可以自锁，使用寿命也能满足设计要求。因此最终选择蜗轮蜗杆的传动方式。

1.2 电机选型

电机分为直流有刷电机和直流无刷电机，分析他们的特点。直流有刷电机：随着水深增加，密封后结构尺寸和重量不断增加。直流无刷电机：没有换向器和电刷，均压密封，实现可靠密封。综上，选择直流无刷电机。为简便设计，选购市场上寿命长，噪音小的行星减速机。

1.3 机械臂腔的选型与计算

深海环境复杂，各项因素对金属及合金材料腐蚀的影响腐蚀严重，故需要选择耐腐蚀的材料以保证机械手臂的稳定运作[5]。

不锈钢的比重太高，钛价格又过于昂贵，而铝材虽然机械强度不如不锈钢和钛合金，但其强度已经能够满足本次设计需求，故选择常用的铝材，表面通过阳极氧化处理以保证其耐腐蚀性。为了减轻机械手臂的整体质量，机械手臂做成中空结构，即机械臂腔。

2 密封

2.1 密封圈选材

由于不熟悉深海环境的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，其材料还需要具有一定的耐腐蚀性[5]。氟橡胶适用于热油、蒸汽、空气、无机酸、卤素类溶剂等广泛的介质，故可以选取氟橡胶材料的O型密封圈来作为本次机械手的密封圈材料，以应对深海复杂未知的海洋环境。

2.2 静密封设计

O型密封圈被誉为自密封技术发展以来最佳的静密封。由于深海压力大，为了保证密封效果，设计中采用了双密封圈设计，在实际实验取得了良好的密封效果。

3 机械手的总体结构设计

3.1 固定座的结构设计

固定座在整个水下电动机械手中起着支撑的作用。

内支撑套筒固定在相应的水下机器人上，如ROV、AUV等。电机密封安放在内支撑筒内，与内支撑筒通过螺纹固定。当电机接通电源后，通过电机轴输出转矩带动外套筒旋转（电机轴与外套筒刚性固定），外套筒继续带动机械手大臂水平旋转，并通电的时间来控制相应轉过的角度。

3.2 机械手大臂的结构设计

机械手大臂主要完成水平方向的旋转运动以及提供一个垂直平面的旋转自由度，由蜗轮蜗杆传动完成。

电机轴输出力矩后，通过联轴器带动蜗杆旋转，然后蜗轮蜗杆啮合运动，将力矩传递到机械小臂上。在联轴器靠蜗杆一端设计了动密封以保证海水不进入电机。在转动座与电机套筒旋合处采用双密封圈静密封设计，以保证良好的密封性。

3.3 机械手小臂的结构设计

减速电机轴通过输出力矩带动联轴节旋转，同时，联轴节与螺旋滑块构成螺旋传动，带动末端执行器（End-effector）进行“夹持”运动。为保证电机的正常运作和良好的密封性，联轴节处依然采用了同前面的密封环设计，原理和机械结构类似。

[参考文献]

[1]张铭钧.水下机器人[M].北京：海洋出版社.2000：41-45.

[2]蒋新松.水下机器人[M].辽宁：辽宁科学技术出版.2000：256-267.

[3]张立峰.三自由度水下机械手本体结构及阻抗控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学.2008：1-4.

[4]安江波，孙昌将，凌华.水下机械手结构设计与研究[J].2009.机械工程与自动化.第二期：1-4.

[5]周建龙，李晓刚，程学群，董朝芳，杜翠微.深海环境下金属及合金材料腐蚀研究进展[J].北京：北京科技大学腐蚀与防护中心，2010：3-10.