水下作業(yè)機(jī)械手軟連接操作包

劉江平，楊向前，王沙利

（1.三一重工股份有限公司，長沙 410100；2.中海油研究總院，北京 100028；3.重慶夢馬致新科技有限公司，重慶 400065）

0 引言

水下機(jī)器人（ROV）作為海洋資源開發(fā)的重要工具之一，其需求也日漸增大。作業(yè)功能是水下機(jī)器人技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，作為作業(yè)功能主要承擔(dān)者，水下機(jī)械手是大中型水下機(jī)器人的必備裝置[1-4]。液壓機(jī)械手是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到機(jī)械、液壓、材料、流體力學(xué)、自動(dòng)控制、通信系統(tǒng)等多學(xué)科，它的性能水平直接反映了一個(gè)國家的綜合工業(yè)水平[5-8]。為滿足大多數(shù)作業(yè)型ROV作業(yè)需求，需要設(shè)計(jì)操作靈活的深海七功能機(jī)械手（帶夾爪）。同陸地機(jī)械手相比，水下機(jī)械手長期浸泡在海水中，因此選取的相關(guān)材料必須耐腐蝕。

本文研制了一款水下作業(yè)機(jī)械手，旨在提升水下環(huán)境下重載作業(yè)的靈活性，需要研究設(shè)計(jì)具有多關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)、高強(qiáng)度且耐海水腐蝕的機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，來滿足深水應(yīng)用要求[9-10]。絕大多數(shù)ROV配有水下機(jī)械手，用于主要作業(yè)。本項(xiàng)目所研制的作業(yè)機(jī)械手為七功能機(jī)械手，符合當(dāng)前世界上大多數(shù)ROV使用需求。同時(shí)，所研制機(jī)械手具有操作簡單、作業(yè)水深大、耐腐蝕、強(qiáng)度高及易維護(hù)等特點(diǎn)，產(chǎn)品技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平[11-18]。

隨著機(jī)械手技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手的性能不斷提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)展。為了滿足不斷提高的任務(wù)復(fù)雜性、操作智能性及系統(tǒng)柔順性等要求，雙機(jī)械手乃至多機(jī)械手之間的協(xié)調(diào)和協(xié)同作業(yè)是機(jī)械手技術(shù)在工業(yè)環(huán)境中的推廣和應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一[19]。目前國內(nèi)水下機(jī)械手技術(shù)尚未成熟，水下作業(yè)型ROV所采用的機(jī)械手產(chǎn)品大都依賴進(jìn)口。美國、日本、法國及俄羅斯的水下作業(yè)機(jī)械手研究和運(yùn)用水平較高。典型的七功能機(jī)械手皆為6自由度帶夾具的結(jié)構(gòu)，其自由度配置方式和順序大致相同，區(qū)別在于運(yùn)動(dòng)范圍及動(dòng)作能力[20]。

通過本項(xiàng)目的成功研制，實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)機(jī)械手的國產(chǎn)化，同時(shí)將機(jī)械手以操作包模塊的方式應(yīng)用到水下作業(yè)，該技術(shù)的掌控將打破國外多年來的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，逐步實(shí)現(xiàn)我國海洋油氣資源裝備開發(fā)的完全自主化，為我國海洋油氣資源的安全開發(fā)提供保障。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

水下作業(yè)機(jī)械手是完成水下作業(yè)的最理想設(shè)備，它可以模擬人的手臂在一般潛水技術(shù)無法達(dá)到的深度進(jìn)行綜合考察和研究，并完成多種作業(yè)。本項(xiàng)目所研制的機(jī)械手對標(biāo)FMC T4機(jī)械手，處于國際領(lǐng)先水平，技術(shù)成熟。該機(jī)械手采用內(nèi)置油路，整個(gè)機(jī)械手只有一進(jìn)一出2根油管，極大地減輕了設(shè)備質(zhì)量，且避免了軟管纏繞的操作風(fēng)險(xiǎn)。另外，該機(jī)械手采用內(nèi)置控制模塊，精簡了整體結(jié)構(gòu)，使得其能在小體積情況下，提供大承載力和操作轉(zhuǎn)矩。為了方便平臺(tái)操作，配合長液壓缸臂架設(shè)計(jì)了水下操作包，可以模擬實(shí)現(xiàn)水下ROV的部分功能，實(shí)現(xiàn)對淺水裝置觀察和操作。水下操作包的主要參數(shù)如表1所示。

表1 水下操作包主要參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下操作包主要由七功能機(jī)械手、五功能機(jī)械手、上下補(bǔ)償裝置、照明燈與攝像頭、減速機(jī)組件、蓄能器、晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、鎖定缸、控制箱和安裝架等組成，其總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 水下作業(yè)機(jī)械手軟連接結(jié)構(gòu)組成

1.2.1 水下作業(yè)機(jī)械手

水下軟連接操作包配備有五功能和七功能作業(yè)機(jī)械手各1套。七功能機(jī)械手主要由基座、肩部、上臂、關(guān)節(jié)、前臂、腕部和夾爪組成。與七功能相比，五功能機(jī)械手精簡了腕部的上下翻轉(zhuǎn)和左右翻轉(zhuǎn)功能。七功能機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示，五功能機(jī)械手如圖3所示，兩種機(jī)械手的主要性能參數(shù)如表2所示。

圖2 七功能機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖3 五功能機(jī)械手結(jié)構(gòu)

表2 機(jī)械手主要性能參數(shù)表

七功能機(jī)械手實(shí)現(xiàn)主要的作業(yè)操作，功能及操作范圍廣，可以在較為復(fù)雜的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)操作；五功能機(jī)械手主要用來固定七功能機(jī)械手基座，減少外部晃動(dòng)對作業(yè)的影響，同時(shí)其抓緊力大，可以用來移動(dòng)較重的物體，二者相互配合，形成互補(bǔ)。

1.2.2 上下補(bǔ)償裝置

上下補(bǔ)償裝置主要由外臂、內(nèi)臂和液壓缸組成。其中外臂連接對接法蘭，內(nèi)臂連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。內(nèi)外臂通過液壓缸相連。液壓缸活塞桿端連接蓄能器，由蓄能器提供上下補(bǔ)償?shù)牧??；钊诉B接伺服閥，可以通過打壓調(diào)節(jié)上下位置，實(shí)現(xiàn)操作包的微調(diào)操作。水下補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要參數(shù)如表3所示。軟連接下端質(zhì)量為473 kg，液壓缸最大作用力為22 000 N，足夠承受豎直方向上4.7倍重力加速度的沖擊。

圖4 上下補(bǔ)償裝置

表3 上下補(bǔ)償裝置主要性能參數(shù)表

1.2.3 照明燈與攝像頭

攝像機(jī)是一款面向水下機(jī)器人、水下監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)ｉT設(shè)計(jì)的深水?dāng)z像機(jī)。攝像機(jī)采用低光照星光級CMOS傳感器，高達(dá)300萬像素，性能穩(wěn)定可靠。窗口選用高透光率復(fù)合材料透鏡，成像效果更佳。水下照明燈為四合一型，即4 個(gè) 燈 共 用1 組線。線纜長度為88 m，直接連接平臺(tái)控制中心，由平臺(tái)進(jìn)行控制，其布置示意如圖5所示。

圖5 照明燈與攝像頭布置示意圖

1.2.4 減速機(jī)組件

減速機(jī)組件為安裝架的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，配置有一個(gè)OMM 50液壓馬達(dá)和定制1:30減速機(jī)，安裝在一個(gè)長度為540 mm的滑軌上，可滿足上下補(bǔ)償裝置400 mm的行程范圍。減速機(jī)輸出軸通過萬向軸連接旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 減速機(jī)組件結(jié)構(gòu)圖

1.2.5 晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由球座、球關(guān)節(jié)、固定塊、滑塊、鎖定球和鎖定液壓缸組成，可實(shí)現(xiàn)操作包±20°晃動(dòng)和±180°旋轉(zhuǎn)。鎖定球上有鎖定槽，可通過液壓缸推動(dòng)鎖定球到槽內(nèi)完成晃動(dòng)鎖定，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

1.2.6 控制箱

控制箱主要由防水殼、控制模塊、電磁閥、伺服閥和閥板等組成。通過螺栓和框架固定在一起?？刂葡淇蓪?shí)現(xiàn)五功能機(jī)械手的操作、上下補(bǔ)償控制、操作包旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)鎖定等功能。七功能機(jī)械手自帶控制模塊，控制箱僅提供接線箱的功能，其布置如圖8所示。

圖8 控制箱布置圖

2 工作模塊

2.1 水下作業(yè)模塊

本軟連接操作包安裝五功能和七功能水下作業(yè)機(jī)械手，水下作業(yè)時(shí)一個(gè)夾持，另一個(gè)操作，既消除了操作包的晃動(dòng)對作業(yè)的影響，又?jǐn)U大了操作包的作業(yè)范圍。同時(shí)選擇五功能和七功能機(jī)械手，有效降低整體控制復(fù)雜程度，減輕操作包的質(zhì)量，二者相互配合，形成互補(bǔ)，更加經(jīng)濟(jì)適用。

機(jī)械手固定在安裝架上，安裝架頂部設(shè)置有軟連接調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，包含升降驅(qū)動(dòng)組件、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件和下放應(yīng)力消除組件，既能用于與水下作業(yè)機(jī)械手操作包下放和上提的整體升降系統(tǒng)連接，又能微調(diào)水下作業(yè)機(jī)械手操作包的位置和姿態(tài)。

2.2 位置調(diào)整模塊

升降驅(qū)動(dòng)主要通過上下補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)的，其外臂上端與基座固定，內(nèi)臂基座通過晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，升降液壓缸的缸體安裝在前臂上，活塞桿與內(nèi)臂基座相連，通過升降液壓缸活塞桿的伸縮調(diào)節(jié)上下補(bǔ)償裝置的長度，從而調(diào)整操作包安裝架的上下位置。

旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)主要通過減速機(jī)組件和晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，減速機(jī)組件安裝在前臂滑軌上，升降驅(qū)動(dòng)裝置和下放應(yīng)力消除組件的位置變化對旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置不會(huì)造成影響。減速機(jī)組件通過萬向軸連接晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)通過蝸桿減速機(jī)傳遞到萬向軸，帶動(dòng)晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部球關(guān)節(jié)和安裝架旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整操作包安裝架的圓周運(yùn)動(dòng)。

球關(guān)節(jié)上開設(shè)有一環(huán)形凹槽，其中心軸線與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合。球座沿圓周方向分布有至少3個(gè)沿徑向貫穿的鎖定球引導(dǎo)孔，該孔的內(nèi)端均正對環(huán)槽，孔中配置有鎖定球；球座的外周面上配置鎖定液壓缸，分別與引導(dǎo)孔一一對應(yīng)，各鎖定液壓缸的活塞桿分別向內(nèi)插入對應(yīng)的孔中，當(dāng)液壓缸的活塞桿將對應(yīng)的鎖定球頂入環(huán)槽時(shí)，各鎖定球均部分位于環(huán)槽中，部分位于引導(dǎo)孔中，以使球關(guān)節(jié)只能沿上連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。采用以上結(jié)構(gòu)，在水下作業(yè)機(jī)械臂操作包下放到位以后，能夠通過各鎖定液壓缸將球體鎖定為絕對水平的姿態(tài)，即將下放的安裝架和機(jī)械手鎖定為絕對水平的姿態(tài)，確保機(jī)械手后續(xù)作業(yè)的精確可控。

2.3 應(yīng)力消除模塊

應(yīng)力消除組件主要包括升降驅(qū)動(dòng)裝置、萬向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和晃動(dòng)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。主軸、萬向軸和上連接軸組成多連桿結(jié)構(gòu)，配合滑軌和滑塊，使升降驅(qū)動(dòng)組件能夠通過球座帶動(dòng)安裝架升降，使旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)組件的主軸能夠通過萬向軸和支撐球帶動(dòng)安裝架旋轉(zhuǎn)，使安裝架承受應(yīng)力變化時(shí)，能夠通過球座自適應(yīng)地進(jìn)行晃動(dòng)，消除應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)軟連接。

在操作包下放和回收的過程中，通過下放應(yīng)力消除組件自適應(yīng)地相對主軸進(jìn)行晃動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)安裝架與主軸的軟連接，進(jìn)而能夠完全自適應(yīng)地消除海水對水下作業(yè)機(jī)械手操作包各部分產(chǎn)生的應(yīng)力，有效保護(hù)水下作業(yè)機(jī)械手操作包，避免水下作業(yè)機(jī)械手操作包出現(xiàn)損壞。同時(shí)，連接件安裝有與升降液壓缸的油路連通的蓄能器，當(dāng)升降液壓缸油路的瞬間壓力增大時(shí)，蓄能器可以吸收這部分能量，起到很好的緩沖作用，以保證升降液壓缸的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 聯(lián)合調(diào)試

該水下作業(yè)機(jī)械手軟連接操作包用在三一泵送公司75 m水下機(jī)械臂末端，用于水下作業(yè)。最大作業(yè)深度為55 m，可以完全替代水下深潛器進(jìn)行油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)作業(yè)，也可拓展應(yīng)用在船舶水下檢修、大壩水下檢修、海底電纜油管檢修、水下打撈和救援等眾多領(lǐng)域，具有較為廣泛的水下作業(yè)用途。

現(xiàn)場進(jìn)行陸上模擬安裝調(diào)試，對于軟連接操作包，只需機(jī)械臂端提供壓力為20 MPa一進(jìn)一出的液壓回路，通過軟連接操作包控制系統(tǒng)即可完成水下作業(yè)、位置調(diào)整、應(yīng)力消除等功能，如圖9所示。經(jīng)過現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試，水下機(jī)械臂與機(jī)械手軟連接操作包陸地操作配合默契，軟連接操作包各功能模塊能正常運(yùn)行，符合前期設(shè)計(jì)需求，目前計(jì)劃在渤海海域進(jìn)行水下調(diào)試。

圖9 現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試

4 結(jié)論

本文介紹了一款水下作業(yè)機(jī)械手軟連接操作包，不僅具備升降和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的功能，應(yīng)對更加復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境，還通過增設(shè)下放應(yīng)力消除組件，使安裝架在主軸的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在下放和回收過程中，通過下放應(yīng)力消除組件自適應(yīng)地相對主軸進(jìn)行晃動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)安裝架與主軸的軟連接，能完全自適應(yīng)地消除海水對水下作業(yè)機(jī)械手操作包各部分產(chǎn)生的應(yīng)力，有效避免水下作業(yè)機(jī)械手操作包出現(xiàn)損壞。經(jīng)過和三一水下機(jī)械臂聯(lián)合調(diào)試，基本達(dá)到水下作業(yè)要求，為避免采油作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備被國外卡脖子做出了貢獻(xiàn)，有效防范國外就采油水下深潛器對我國的出口限制。