海珍品采捕机械手设计

胡昌宇，张国琛，李秀辰，母刚

大连海洋大学机械与动力工程学院 辽宁 大连 116023；辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁 大连 116023



海珍品采捕机械手设计

胡昌宇，张国琛，李秀辰，母刚

大连海洋大学机械与动力工程学院 辽宁 大连 116023；辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁 大连 116023

为了便于海产品的采捕，真正实现机械手代替人工采捕工作，提高工作效率，利用现代化的机械设计理念，从整体上对采捕机械手进行了设计。机械手各部件包括控制回转的腰座、可垂直水平移动的手臂，以及用于抓取的手爪等构件。此外，还对机械手系统控制部分的硬件进行了设计。最后通过实验，随机跟踪机械手的运行方式，可知在实际工作中能达到实验室模拟仿真的效果，具有大量生产的价值。

机械手;液压系统；结构设计

目前对于海产品的采捕，多由人工实现。如果有适合水下采捕的机械手，则既能提高生产效率，解决人工采捕海珍品效率低下问题，同时也可避免意外发生，而且还可缩短海产品工业的生产周期。水下采捕手机械手的设计，相对于陆地上工作的机械手而言，需要考虑的因素更多。本研究应用机械设计和电子信息技术，以及控制编程和液压传动技术，对水下采捕机械手进行了设计，设计兼顾了机械手向模块化、网络化以及大量使用传感器的发展趋势。

1　采捕机械手的结构设计

整体采捕机械手各部件包括控制回转的腰座、可垂直水平移动的手臂以及抓取的手爪等结构。

1.1腰座设计

采捕机器人腰座，回转是它的主要特性，并且它还是可活动的。腰部的基座必须承受机器人上部全部的重量。故应在腰部配上电动机提供一定的驱动力，使其具有回转的能力。在对机器人腰座布局时，要注意下列要求。

1)为了保障构件之间装配的可靠，腰座安装基面的面积必须足够大，为后续的工作提供保障[1]。

2)由于采捕机器人腰座是承受所有重量的场合，为了保障强度和刚度，必须要进行计算验证。

3)第一个回转枢纽腰座是机器人的腰座，务必有充足控制能力，能够满足腰部轴系和传动链的精度与刚度的要求。

4)为了增加腰部轴承传动的可靠性，对腰部机构的尺寸进行计算，保证与手爪连接的可靠性，使之有效协调。

5)设计整个腰座壳体，可采用铝合金质料。这种材料可以帮助减少采捕时一些构件产生的惯量，使控制更加准确。

通过计算，掌握机器人在水下回转时所需要的速度以及所需的驱动力的大小。机械手的最终精度要求是非常高的，所以电机实现腰部的运动非常关键。为了满足速度和转矩的具体要求，应采用大传动齿轮传动系统减速器和扭矩放大。由于齿轮传动具有一定的间隙，因此机器人手臂需要有多个关节，相应地它们都应有配套的轴承，且这些轴承间隙都应控制在一定范围之内，不影响其整体工作。

机器人的腰座上有许多构件，设计计算参数后要尽量保证各构件重量比较相似，这对降低机器人工作时所受载荷和提高机器人工作精度有很大帮助。机器人手臂还应考虑限位开关和接头的机械限位块等机械部件的合理装配，以保证日后使用的可靠性。

1.2手臂的结构设计

1.2.1手臂的设计要求

手臂是机械手的主要执行部件，它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。机器人手臂的运动功能是由机器人正常工作时所需速度所决定的，为了为后续的计算方便，宜将机器人的手臂设计成平行或垂直状态。若机器人的手臂尺寸设计不合理，易导致工作时发生碰撞而使工作不顺畅，进而降低机器人的工作效率。因此，在设计中要求机器人手臂的手腕工作区大于端间距。因为3号铸铁和45号钢载力较好，是设计手臂底座的首选材料[2]。设计整个腰部壳体，采用铝合金质料，这种材料可以减少采捕时一些构件产生的惯量，使控制更加准确；机器人的手臂上有许多构件，设计计算参数后尽量保证其各构件重量比较相似，这利于降低机器人工作时所受载荷和提高机器人工作精度。

1.2.2具体方案

通过比较，采用液压的方式作为驱动方式，其中负责垂直的机械手臂采用液压阀的方式，而控制水平方向的机械手臂则用电动机启动滚珠丝杠。为了更大程度地保证手臂工作的稳定性能，需对手臂的强度等参数进行验算。

1.3腕部的结构设计

腕部是连接手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，腕部动作要灵活，转动惯性小[3]。通过对机器人工作状态的分析，确定手腕部分的形态。同样地，为了防止因机器人的腕部设计尺寸不合理导致工作时发生碰撞，使得工作不顺畅进而降低机器人的工作效率，因此在设计时需保证机器人手臂的手腕工作区大于端间距。

在确定了手臂与腰部等设计以后，可以根据上述已经确定的尺寸加以综合，进而通过已知的运动方式，想象出其运动的大概空间工作形态，通过大体工作形态分析对手腕部分构件加以设计。

1)手腕的设计一方面尽可能地要让其越灵活越好，这样可以满足一切工作情况，但也需要考虑成本问题，毕竟采捕机器人的产生是为了代替人工的低效率，所以成本不能太过高。基于以上考虑，设计的手腕自由度既不能太高，也不可过低，影响工作效率。所以将自由度的数量控制在2～3之间。

2)用铝合金来制作采捕机器人的手爪。因为手爪的设计既要考虑其质量的问题，又必须能使手爪能抓取一定载荷的物体。用铝合金制作采捕机器人的手爪既保证了手爪的重量不过大，而体积也相对缩进一些。

3)用法兰盘连接手爪部件，可以更好地让手爪与其结合构件装配，便于日后进行维修安装处理。

4)设计手腕要考虑其抓取物体的能力，不能因为所抓取的物体重量过大而导致其抓取失败。因为采捕机器人是在水下作业，需要保证其工作的安全可靠。

5)设计各机构传动时，需要对设计的机构的传动比进行不断调整，让能量损失减到最小，避免因为传动的原因而引发安全问题。应减小空回间隙，保证其安全。

1.4末端执行器的结构设计

1.4.1末端执行器的要求

机械手的设计只是保证其基本用途，机械手在它的最后端有一扩展装置，其用途是可以为日后提供额外的辅助作用。

1)机器人的结尾器具有非常大的日后扩展作用，需先通过对其工作情况的设定，再对其进行设计。

2)通过计算机计算出机器人手爪抓取物体的重量标准，来设定额定采捕机器人的额外载荷。通过这些参数的计算可以得出体积不宜过大的结论，避免因为体积过大而给手爪带来负担。

3)不同的执行器拥有不同的特点。因为采捕机械手是在水下作业，其工作环境相对复杂，要考虑各种不同的工作环境。所以要对执行器的快速拆卸、快速安装提出要求[4]。要求能够在不同环境下尽快适应，一方面要保证执行器的灵活性，另一方面也要保证工作的快速可靠性。

1.4.2夹持器的运动和驱动方式

手爪主要分为三指、双指手爪。同时手爪的驱动方式也需要设定，应该采用最好的驱动方式来进行设计，以达到最好的功用。

1)采用气动的方式来完成操作。为了保证抓取的可靠性，需要使用一些辅助方法，一般使用节流阀、单相阀来对运动进行控制，并且由于气体具有一定的扩展压的特性，在传动之前还需要对工作构件的密封特性进行检验处理。

2)采用电动机作为驱动方式，这些电机驱动能有效地实现手爪的功用。

3)液压系统的优点在于能在有限的体积内帮助人们使用机器，可以提供较大的力，控制机器有效运行。

1.4.3具体设计方案

控制手爪张合利用的是齿轮传动的原理，即在活塞缸上连接齿条，通过活塞杆的移动带动连接的齿条运动。齿条再和齿轮相啮合，通过齿轮的传动带动手爪的运动。因此，应通过计算手爪的运动距离来设计齿条的运动行程。

1.5机器人电动驱动系统

通过确定机器人手爪抓取海珍品的重量来设定采捕机器人的额外载荷。抓取的海珍品体积不宜过大，避免因为体积过大而给为手爪设计增加难度。

1.5.1选择电动机的原则

电动机的选择要求一方面要保证有足够的力来使机构运动，同时也需要思考脉冲的规律，尽量能在精度得到保证的情况下，能安全地工作，且不能有过大的振动。本研究采用光电码位移控制器、制动器等设施提高它的启动安全性，采用气动的方式来完成操作。

由于工作环境是在水下，电机的防水特性要格外注意，电机外表面各部件的结合面之间采用无缝隙的结构，紧固螺栓与螺栓孔的结合面之间设有静密封机构。通过这些措施可以获得可靠的防水效果，避免电机内部进水导致短路故障的发生。

1.5.2机器人驱动系统电机的选择

通过对机器人的机构和参数的分析，确定其使用方向。在确定电机驱动参数时，一般要考虑机器人能承受的最大载荷，同时也要规定其最大速度效率，还要考虑一些材料的使用是否合理，以及传动比的规格及额定功率。具体如下：

1)小惯量直流永磁伺服电动机的结构特点是转子直径较小，体积与质量也不是太大，这类电动机主要是用于快速进给和针对那些负载不大的场合。

2)有刷绕组永磁直流伺服电动机相比小惯量直流永磁伺服电动机，由于有刷绕组永磁直流伺服电动机无铁心并且还有轴向的平面的空隙，它的惯量小，响应能力也很好，换向能力出色，输出力矩平稳，可以起到频繁制动的作用，并且能使机器拥有急停、快速启动的能力，是采捕机器人电机的最佳选择。

3)永磁性的电动机的输出力矩相对较大，特别适合负载相对较大的场合，可以用齿轮传动来消除，这种电动机由于输出的力太大，不适合水下抓取海产品。

4)同步的交流伺服交流电动机采用的是中小型速控原件，用交流变频式调速器作为其驱动来源。它的转子和定子从低速通过大电流，并且转子相对较细，大多用来作为大型的驱动系统。

1.5.3电动机的确定

水下微型采捕机械手一般要考虑机器人能承受的最大载荷，同时也要规定其最大速度效率，以及一些材料的使用是否合理。还要考虑传动比的规格，以及传动比的规格及额定功率。因此确定用有刷绕组永磁直流伺服电动机。

1.6水下微型采捕机械手的平衡机构形式

一般来说，水下微型采捕机械手所采用的平衡机构方式主要有以下几种：

1)配重的方法。这种方法的优点是方便安装和拆卸，能有效地随时调动，能适应任何地方，能极大地保证工作安全。但该方法增加了机构重量，特别是手臂的重量不再平均分布，这对机构关键关节的承载能力的要求更高。所以这类方法一般主要在总量差别不太多的情况下使用。

2)弹簧的方法。利用弹簧的可伸展的特性，对机构较重的部位进行支撑，来减轻机构的不平衡特性。这种方法的结构简单，操作简便，缺点是长时间工作会导致弹簧的疲劳失效。

3)活塞杆的方法。与弹簧的方式有类似之处，不过用活塞杆的方法能避免弹簧使用时间过长而导致的疲劳时效，活塞杆设计的材料选择比较关键，要求重量不能太大。

2　机械手控制系统的设计

机械手的机械形态设计后，如何使之运行，其系统控制部分的选择尤为关键，因为控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序、动作的位置与路径、动作的时间。

2.1机械手控制系统硬件设计

2.1.1机械手的作业流程

机械手的工作先是将其放入水中，通过电动机提供的动力，机械手底座带动底座上的机构完成转动。这样让手爪与要抓取的海产品处在一个垂直水平的直线上。在通过液压缸控制上下升降，能让手爪触碰到海产品。在上下的调节完成后，将控制上下的换向阀锁死，保证其不再移动。再通过水平移动的活塞杆抓取海珍品，具体是一个从原点先水平移动，然后再下降一定距离，手爪开始工作，从而完成抓取任务。此外，腰部的回转控制机器人的转向。

2.1.2机械手操作面板布置

因为采捕机械手是在水下作业，由于长时间无人操作，必须分析它的控制方式，设计出一套自动型的无人控制设施。其中，当有人操作时，先是打开启动按钮，将控制面板上的控制选项调为自动状态。再根据要抓取的物品，调动升降、水平移动选项。并且在腰部回转的时候，也要有警醒的控制。通过设计要能达到准确地控制手爪的抓取，并能及时掌控其工作情况。但是并不是所有的工作时刻总是有人在场，应通过程序设计使采捕机械手在无人环境下可以自动工作。这些程序能让机械手自动地通过探测仪锁定所抓取物品的确定位置，再通过腰部回转，以及横竖方向上的液压缸来进行位置调控。

2.2液压传动系统设计

2.2.1液压系统基本方案的确定

控制系统是机械手的重要组成部分，一般采用国际上先进的液压传动系统。液压马达和活塞缸是常用的机构，用来负责往复的直线移动。液压系统整体布局完成之后还需要对其控制元件进行分析，要对一些单向阀、节流阀、换向阀和对流量速度方向进行调控，以保证能够完全可靠地运行。

2.2.2液压执行元件运动控制回路的拟定

根据运行环境，需要在腰部上安装一个来回转动的机构。同时还有一个负责上下升降的活塞缸来控制上下的移动。在上下可移动的活塞缸上有一个可水平移动的活塞缸。通过控制这些可活动构件来完成机械工作。其中底座的控制回转的运动可通过电动机提供一部分动力，使工作运行完好，同时也必须设计一些组合部件保证其运行的完整性。

2.2.3液压系统设计

设计液压系统时，首先要确定流向的问题，要保证液体的进出都是顺畅的。这些液体通过各种阀控制其流向。液体先通过马达提供部分动力，再通过单向阀的控制进入主系统中，随后分成3个分支，其中一个分支用来控制手爪的运动，另一个用来控制横向活塞的伸缩运动，还有一个用来提供上下升降的动力来源。这些都是在调速阀、换向电磁阀等许多元件的调控下进行的操作，同时也必须保证这些液压的走向应满足整体的调控。

2.2.4液压系统的主要参数确定

为了使液压缸的工作安全可靠，必须保证系统的稳定以及人工调节的方便性。先计算整体液压缸的尺寸参数，在工作安全可行的前提下对其强度、刚度进行设计。为了使指标合格，对工作情况进行分析，将这些参数汇成表格形式。同样，针对机械手的运动方式，应对流速进行深入分析。液压系统作为机器驱动的控制执行系统，其作用是非常重要的。通过对参数的计算,选择适合的元件保证其安全。

对手爪执行柱塞缸和垂直液缸的设计，主要是计算其所能承受的外力大小。因为采捕机器人工作环境是在水下，水下具有一定的压强。具体数据见表1与表2。

表1　手爪执行柱塞缸参数

表2　垂直液压缸参数

机械装置在工作时需要承受水下的压力以及自身重量，所以应重视其强度校核，如果强度不够，则会导致工作不安全和工作效率降低。

液压系统的主要部件中，对在直线上运动的液氧缸主要分析载荷对其产生的影响，对控制上下升降的液氧缸需要考虑摩擦力对其产生的影响[5]。

关于受力方面，应通过工程力学的分析，分析杆件受到的包括扭转、弯曲、剪切等各种外力。

3　结语

为了使水下微型采捕机械手工作安全可靠，必须首先保证系统的稳定与安全，以及人工调节的方便性。为此，首先对机械手各部件包括控制回转的腰部、可垂直水平移动的手臂、以及抓取的手爪等构件进行设计，并通过大量实验以符合水下工作环境。其次，在机械手的机械形态设计后，如何使之运行，其系统控制部分的选择尤为关键，机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的，主要控制内容有动作的顺序、动作的位置与路径、动作的时间。此外，准确设计整体液压缸的尺寸，以保证工作的安全可行。为了便于调控机械手，随时跟踪机械手的运动方式，随时对流速进行分析，液压系统作为机器驱动的控制执行系统，随时掌控也是必要的。

[1]王裕清，王红旗，张高峰，等.目标物体抓取机械手的设计与仿真[J].机械设计与制造，2015，(2)：168～169.

[2]吴素珍，郭旭各.仿人机械手设计[J].河南科技学院学报，2015，43(3)：50～51.

[3]段成燕，王金，王东胜，等.四自由度工业机器人的本体结构设计和建模[J].黑龙江科技信息，2010，(36)：31.

[4]纪俐，王宏，王恒.MTi姿态测量系统在机器手抓取中的姿态测量及分析[J].机械与电子，2013，(6)：66～69.

[5]高勇，李园园，张伟民，等.六自由度装夹机械手液压系统设计[J].机床与液压，2013，41(22)：74～76.

2016-03-04

辽宁省科技厅科学技术重点项目(2015103021)。

胡昌宇(1989-)，男，硕士生，主要从事水下海珍品机器人自动化研究。通信作者：母刚，mugang@dlou.cdu.cn。

TP241；TH137

A

1673-1409(2016)21-0059-05

[引著格式]胡昌宇，张国琛，李秀辰，等.海珍品采捕机械手设计[J].长江大学学报(自科版) ，2016，13(21)：59～63.