黄森、陈宏、王彭彭、何光辉
西安工程大学 710660
摘要：现有的水下作业机械手产品,很多情况下功能单一且造价高昂、结构复杂，若用于小规模、小抓取力作业会造成资源的浪费。本文是对用于水下试验取样机械手的设计，以适应与小规模、小抓取力环境作业，降低使用成本。水下机械手最重要结构是机械手臂，故初步对机械手臂进行研究并进行机械手结构设计。
关键词：小抓取力；机械手臂；结构设计
0引言
水下机器人本身仅是一种运载工具，如果要完成水下作业任务，则必须配备相应功能的水下机械手。由于水压、腐蚀、海流、潮汐、浪涌等特定水下因素的存在，水下机械手的研制必须考虑其复杂的水下作业环境。水下机械手最重要的结构就是机械手臂，目前，机械手臂已发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中一个重要组成部分。机械手臂的大规模运用能降低生产事故的发生率，改善劳作环境，从而使社会生产力水平得到进步，所以，开展机械手臂的研究设计具备重要的社会意义和经济意义。
1机械手臂的结构组成
机械臂由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.1执行机构
（1）手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。按照形式分为外抓式和内抓式两种，传动机构方式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
（2）腕部：是衔接手部和臂部的部件，并可用来改变被 抓物体的方位，以扩展机械手的工作空间。手腕有独立的自由度，有回转运动、上下摆动、左右摆动。目前，回转液压缸普遍用于控制机械手腕部的运动，它的优缺点都较为明显，优点是体积小结构紧凑，运动灵活；缺点是回转角度小并且对密封要求高。基于本设计要求，使用齿轮齿条传力结构。
（3）臂部：带动腕部和手部等前端部件进行规律性运动，传递力矩。
1.2驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同，工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。
2机械手臂的结构类型
机械臂的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。其特点介绍如下：
（1）直角坐标结构：用三个彼此垂直的直线运动的合成来实现机械臂的运动，运动空间与机械臂的体积比值较小。
（2）圆柱坐标结构：用两个互相垂直的直线运动和一个旋转运动实现机械臂的运动，构造比较简略，定位精度较高，常用于搬运作业环境。
（3）球坐标结构：用两个回转运动和一个直线运动完成机械臂的运动。
（4）关节型结构：机械臂的空间运动是由三个回转运动完成的，机械臂动作灵便，体积小。工作空间与机械手体积比值较大，该类型机械臂使用场景多，显著应用于打捞、装配和焊接等场景。
由水下作业环境可知本设计是一个用于抓取的机械臂，要能实现三自由度的空间定位、三自由度的姿势更换，为了满足设计要求，综合以上几种坐标结构的优缺点，最终选用二维关节型机械臂结构。
为了满足工作要求，本设计要求机械臂要有6个自由度即：手爪抓松、腕部旋转、腕部俯仰、手臂伸缩、小臂偏转、大臂偏转。
3机械手臂的设计
3.1手部设计
手爪张合角 =60°，夹取重量为1kg，通过综合考虑，本设计选择两指回转型手爪结构，采用丝杠传动方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在伺服电机的作用下控制机械手臂手爪张开、闭和，从而达到抓取与松开的功能。（图1）
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图 1 手部设计 3D 示意图
3.2腕部设计
本设计要求腕部旋转，结合腕部设计要求，选择具有三个自由度的翻转、俯仰、偏转驱动腕部结构。（图2）
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图1 腕部设计 3D 示意图
3.3臂部设计
在水下复杂的工作环境中，为了提高机械手工作效率，要求手爪与手臂的执行速度较快，且要避免振动与自锁现象发生，而在动力源确定的情况下只有通过优化臂部设计参数实现设计要求，其中通过减小臂部重量使最经济的方法。本设计采用电机-传动轴-齿轮传动机构控制臂部运动，（图3）。
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图 3 臂部设计 3D 示意图
3.4 水下机械手整体 3D 模型图
通过以上部件的设计，与传动方式的确定，最终设计出的水下机械手整体模型图如图4所示。
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图4 机械手整体模型图
结论
基于水下作业环境的特殊性，完成了水下试验取样机械手的结构设计。该机械手结构简单，驱动器少、容易控制，稳定性好，生产成本低，适用于小规模小抓取力环境作业，且对被抓取物体的形状适应性较强。
参考文献
[1]张奇峰, 唐元贵, 李强,等. 水下机器人-机械手系统构建与研究[J]. 海洋技术学报, 2007, 26(001):10-15.
[2]徐长密. 水下机器人—机械手系统动力学建模及运动控制研究[D]. 中国海洋大学.
[3]张奇峰. 自治水下机器人-机械手系统运动规划与协调控制研究[J]. 2007.
[4]黄海, 周则兴, 李宏伟,等. 一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法:, 2019.