六轴水下机械臂的设计

吴振华 石焘 幸运 王诗毓

摘要：近年来，水下环境的重要性日益凸显，水下航行器作为水中执行多样化任务的装备也显得尤为重要，针对水下航行器应用于水下工作的要求，设计了一种六轴的水下机械手臂，可以用以承担水下作业的抓取、采集、拆除、排障等任务。

引言

我国拥有300多万平方公里的海洋面积，油气资源蕴藏丰富，海洋矿藏多样化，是未来经济和战略发展的核心。然而水下工作环境多变，操作条件复杂，恶劣，并且人在水下工作时间和潜水深度受限，因此运用水下航行器已成为开发探索海洋环境是一种比较先进的选项，所以民用开发和经济建设对水下航行器的需求潜力巨大。

1六轴水下机械手总体结构设计

本课题所设计实现的可视机械臂操作系统总体分为五个部分，分别是六自由度机械臂模块、高清摄像头模块、WiFi传输模块、控制主板模块、操作控制终端。五个模块的系统图示如图1。

本课题采用模块化的设计思路对六自由度关节式机械臂进行设计研发。仿形人的手臂设计其机械运动结构，其机械结构本体主要模块包括大臂、小臂、手腕和末端执行器。该机械臂有六个自由度，大臂关节有一个自由度，以大臂为轴可绕垂直扇区旋转；小臂关节有一个自由度，以小臂为轴可绕水平扇区旋转；手腕关节有一个自由度，以手腕为轴可垂直圆面旋转；执行器末端负载有一自由度，控制机械爪以手腕为轴在平圆面开合，进行抓取作业任务。六个自由度高效运动，互相配合，为机臂提供了全方位的作业空间，能够在臂长范围内无死角作业。

本机械臂的传动设计采用了串联结构，即以矩形臂杆为基础结构，利用其模块容易扩展的特性将机械臂的大臂、小臂、手腕和末端执行器连接起来。这种设计方案适用于平行肘关节间的同向等角速度传动以及平行轴间的等角速度传动。其具有结构简单，精度高，耐磨损等优点，适用于具有大量往复运动的机构。

2 机械臂受力分析及计算

在机械臂的设计与实现中，考虑设计指标和具体需求，本文确定的机械臂构型为俯仰——左右——旋转——夹持。

2.1舵机的扭矩计算

对于大臂和小臂关节处的舵机的选型要考虑到相应处关节处受到的扭矩，推迟满足要求扭矩的舵机型号，简化模型，将U型支架近似看作刚体结构简化为杆，运用理论力学和工程力学的相关方法，将整个模型简化成如下图所示：

Ma=Fa×9.37mm=0.1537（N·m）；

考虑到抓收部分的物体的在机械臂抓取和停止过程中存在惯性作用，相应的抓取力应该取得大一点，机械臂的各个关节的力矩也应该略大于计算结果，抓取材料的表面粗糙度可能比较光滑导致摩擦因素小于计算用的摩擦因素，因此在选用舵机的时候舵机的扭力应该保留一定的余量以保证机械臂的设计运行能够打到相应的指标要求。

2.2舵机相关参数设计

根据有关上述臂关节舵机所受力矩的分析计算：

舵机A采用关节1为机械臂的旋转关节，主要承受整个机械臂的重量，经过估算预估机械臂的扭矩3.318N·m，舵机力矩换算： KG·cm舵机的规格至少是33.86KG·cm，采用35KG·cm舵机。

舵机B最少力矩是1.882N·m，舵机力矩换算： KG·cm

采用20KG·cm规格的舵机，选用Power HD LF-20kg型号舵机。

舵机D最少力矩是0.9128N·m，舵机力矩换算： KG·cm

采用13KG·cm规格的舵机.

抓手部分的舵机在计算的输出力矩是0.1537N·m，舵机的力矩换算：

0.1537÷0.01÷9.8=1.568KG·cm。采用3KG·cm左右力矩的舵机。

2.3舵机的密封

密封采取的思路是，将轴端单独密封起来，并将输出轴端放大。输出扭矩通过齿轮啮合传递给输出金属舵盘，在输出金属舵盘的轴径上做三层O型密封圈槽，O型密封圈和轴端套组成O型圈密封，轴端套与舵机之间通过环氧树脂胶接，这种胶起到连接和密封的作用，输出金属舵盘的轴向定位通过M2.5的螺钉和垫片连接输出轴端，舵机输出轴端中间自带一个M2.5的螺纹连接孔，然后在螺钉和垫片周围使用环氧树脂胶进行密封，输出金属舵盘与外部零件的连接通过四个M2的螺纹孔连接，最终舵机的密封结构如图6所示。

3结束语

本文设计了一款UUV的机械手臂，确定了机械臂的自由度、材料、参数、与机器人的连接方式，选择舵机作为驱动输出，设计了舵机的防水结构，机械连接用关节螺纹连接，得到机械臂运动构型为俯仰——左右——旋转——夹持。

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（作者单位：海军工程大学）