水下作業(yè)機械手與工具自動對接技術(shù)研究

王東良

（交通運輸部上海打撈局 上海 200090）

水下作業(yè)機械手與工具自動對接技術(shù)研究

王東良

（交通運輸部上海打撈局 上海 200090）

水下作業(yè)系統(tǒng)是水下作業(yè)研究重點，對此，本文將對水下作業(yè)機械手與自動工具對接技術(shù)進行詳細探究，并對油路系統(tǒng)和對接機構(gòu)提出改進對策，以期更好的實現(xiàn)作業(yè)工具的自動換接操作。

機械手；工具；對接

1 引言

通過對水下作業(yè)系統(tǒng)進行深入研究，有利于進行水下作業(yè)機械手、作業(yè)工具以及工具庫的遙控作業(yè)實驗，從而更好的適應(yīng)水下工程施工、水下打撈作業(yè)需要，因此，具有十分重要的意義。

2 水下作業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)

水下作業(yè)遙操作實驗系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)所組成的，包括水下作業(yè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)以及攝像系統(tǒng)等等，其中，水下作業(yè)系統(tǒng)包括水下作業(yè)工具、水下作業(yè)機械手以及水下作業(yè)工具庫，而控制系統(tǒng)又包括控制系統(tǒng)軟件和硬件。

水下作業(yè)機械手總共有5個自由度，具體包括4個回轉(zhuǎn)自由度和一個繞腕部軸線旋轉(zhuǎn)的自由度，其中，4個回轉(zhuǎn)自由度分別指的是手腕俯仰、肩部轉(zhuǎn)動、小臂俯仰以及大臂擺動。手腕俯仰、大臂擺動以及小臂俯仰這三個自由度是通過電液位置伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)控制的，而執(zhí)行部件是單出桿液壓缸，其是液壓缸為不對稱狀態(tài)，對于執(zhí)行部件的控制是通過電液伺服閥來實現(xiàn)的。通常情況下，水下作業(yè)系統(tǒng)的水下作業(yè)工具庫可以同時攜帶四把水下作業(yè)工具。但是，在實際操作過程中，為了節(jié)約制造成本，一般只需要配備兩件工具，分別是夾持器和切割器。并且工具的一端能夠與機械手的對接腕實現(xiàn)有效連接。作業(yè)機械手的制作原材料一般是鋁合金材料，質(zhì)量比較輕，機械手的機構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 水下作業(yè)機械手機構(gòu)簡圖

3 水下作業(yè)工具庫及水下作業(yè)工具

水下作業(yè)系統(tǒng)工具庫是一種以圓盤旋轉(zhuǎn)為運動形式的工具庫，如圖2所示。在實際應(yīng)用過程中，在圓盤的轉(zhuǎn)動作用下，可以將水下作業(yè)工具輸送至對接位置，這樣就能夠?qū)⑹滞笈c不同工具進行有效對接。綜合考慮自動換接實驗以及制造成本，還需要為水下作業(yè)系統(tǒng)研制夾持器和切割器這兩種輔助工具。工具的一端能夠與水下作業(yè)機械手的對接腕進行有效連接，由于液壓回路末端有自封接頭，因此，當(dāng)與機械手對接腕脫開時，液壓回路就能夠與外界環(huán)境進行有效隔離。當(dāng)工具與機械手手腕對接完成后，電磁閥可以對工具進行控制，并進行作業(yè)。與在水下使用的自動作業(yè)工具相比，夾持器和切割器缺少耐腐蝕防護，但是在使用性能方面沒有較大區(qū)別。

圖2 自動工具庫的工作原理圖

4 水下作業(yè)系統(tǒng)的對接位姿分析

4.1 水下作業(yè)系統(tǒng)的對接位姿分析

水下作業(yè)機械手連桿坐標(biāo)系圖如圖3所示。水下作業(yè)機械手總共有五個自由度，具體包括肩翻轉(zhuǎn)、腕回轉(zhuǎn)、腕俯仰、大臂擺動、小臂俯仰這五個關(guān)節(jié)。擺角范圍如下：①肩關(guān)節(jié)：0～90°；②腕回轉(zhuǎn)：-1800～1800°；③手腕俯仰：-30～90°；④大臂擺動：-30～45°；⑤小臂俯仰：-300～900°；⑥最大回轉(zhuǎn)半徑：R=l.2m。在圖3中，各連桿坐標(biāo)系{1}，{2}，{3}，{4}，{5}可以應(yīng)用下關(guān)節(jié)設(shè)置法，可以通過右手法則合理確定坐標(biāo)軸的位置關(guān)系。為了更加準(zhǔn)確清楚的對接時機械手以及工具的位姿關(guān)系進行分析，還應(yīng)該要在機械手的端部位置建立坐標(biāo)系{S}。坐標(biāo)系{S}與坐標(biāo)系{5}保持平行狀態(tài)，坐標(biāo)原點取在機械手的端面中心位置上。

圖3 水下作業(yè)機械手連桿坐標(biāo)系圖

4.2 工具庫對接姿態(tài)與位置

工具庫連桿坐標(biāo)系如圖4所示，其中連桿坐標(biāo)系{1′}和{2′}采用主要下關(guān)節(jié)設(shè)置法，根據(jù)右手法則，可以對坐標(biāo)軸的位置關(guān)系進行確定。表1指的是工具庫連桿對應(yīng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍以及連桿尺寸。值得注意的是，工具庫的位姿需要綜合考慮機械手的對接位進行確定，另外，工具相對于手端的對接位姿應(yīng)為{T}={n，o，a，p}。

p=（0，0，X），0＜X＜200mm

即O（z）與O（′z）共線，工具坐標(biāo)繞O（z）旋轉(zhuǎn)θ5，θ5=0時機械手和工具庫位姿關(guān)系如圖5所示。為了有效實現(xiàn)對接，機械手和工具上油路接口必須嚴(yán)格對準(zhǔn)。

圖4 工具庫連桿坐標(biāo)系圖

表1 工具庫坐標(biāo)參數(shù)

圖5 機械手工具對接位姿示意圖

4.3 鎖緊與油路的接通

在實際操作過程中，為了確保機械手與工具能夠鎖緊，需要通過機械手手腕上的三個鎖緊油缸和工具上的三個對應(yīng)孔進行配合。

5 現(xiàn)有系統(tǒng)分析

油路自封接頭與手腕與工具之間的油路是相互聯(lián)通的，并且主要功能是對油路進行導(dǎo)通或關(guān)閉。另外，油路自封接頭是由兩部分所構(gòu)成的，其中一部分為凸對接頭，安裝在手腕側(cè)，另一部分為凹對接頭，安裝在工具一側(cè)。一旦工具和手腕對接成功后，可以通過凹對接頭導(dǎo)通油路，這樣能夠為工具提供壓力油。如果手腕與工具相分離，則手腕和工具上的對接頭就會自動封閉，有利于避免海水侵入。

5.1 油路分析

工具的驅(qū)動元件即為電磁閥控單出桿液壓缸，控制元件是O型電磁換向閥。當(dāng)在中間位置時，油口處于全封閉的狀態(tài)，并且液壓缸鎖緊，液壓泵不需要卸荷，值得注意的是，由于O型電磁換向閥的特殊性，在進行工具換接時，很可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。當(dāng)完成機械手與第一把工具的對接后，電磁閥即可去掉控制信號，在這種情況下，閥芯處于中心位置，油口處于全封閉狀態(tài)，與電磁閥A、B口相連的兩條油路中，必然有一條油路充滿高壓油。

5.2 機械結(jié)構(gòu)分析

在手腕和工具的對接過程中，在凹對接頭和凸對接頭的作用下，可以有效實現(xiàn)油路的聯(lián)通，在外力的作用下，自封接頭可以有效實現(xiàn)對接，當(dāng)接頭對接成功后，油路即可自行導(dǎo)通，其工作狀態(tài)與供油方向沒有較大關(guān)聯(lián)，對于供油壓力也沒有過多要求。但是，對接頭必須比對接基面略高，在對接過程中，兩側(cè)自封接頭首先進行接觸，而定位錐面并沒有接觸，因此，無法起到定心作用，為了有效確保兩側(cè)對接頭能夠順利對接，要求手腕和工具具有較高的精度。

6 系統(tǒng)的改進

6.1 油路改進

通過上文分析可知，當(dāng)O型電磁換向閥處于工具換接狀態(tài)時，對接難度比較大，在這種情況下，如果改用Y型中位機能電磁閥，就能夠有效解決對接難的問題。Y型電磁閥閥芯在中位時，進油口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時工作腔與回油腔保持聯(lián)通，液壓缸浮動，液壓泵不需要有卸荷，在這種情況下，并聯(lián)的其他執(zhí)行元件的運動情況并不會受到干擾。在對接或者換接工具狀態(tài)下，凹對接頭和凸對接頭到電磁閥A、B口的油路始終與回油口O保持相通狀態(tài)，而且油壓較小，對接難度較低。

6.2 機械結(jié)構(gòu)改進

通過上文分析可知，為了確保順利對接，手腕和工具必須具備較高的定位精度，因此對接難度比較大。為了簡化對接方法，可以在現(xiàn)有的機構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計導(dǎo)向機構(gòu)，如圖6所示，在手腕側(cè)面，每隔120°安裝一個導(dǎo)向鍵，需要注意的是，對應(yīng)工具上的開鍵槽以及導(dǎo)向鍵必須確保在凹對接頭和凸對接頭進行對接時，已經(jīng)將接頭對正，因此，工具和手腕軸向及周向上必須提前定位好，周向定位需要導(dǎo)向鍵輔助，而軸向定位則需要導(dǎo)向鍵和導(dǎo)向錐面的工作作用，在圖6中，必須確保L1=L3，L2=L6，L2> L1，L4>L3，L5>L3。

圖6 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

7 結(jié)語

綜上所述，本文主要對水下作業(yè)與工具自動化對接技術(shù)進行了詳細探究，通過對對接關(guān)鍵技術(shù)進行分析，并且對系統(tǒng)進行改進，實驗獲得了成功。通過機械手，能夠從工具庫中取下工具，并且在使用過后能夠自動放回。

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TP241

A

1004-7344（2016）15-0226-02

2016-4-16

王東良（1981-），男，工程師，碩士，主要從事海洋工程及打撈求助工作。