图 五功能机械手结构简图
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水下手的结构包括底座!摆动臂! 俯仰臂! 伸缩 臂!腕部和夹钳 以及各关节的驱动液压缸 结构部 件全部由铝合金和不锈钢材料制造 各个部件均为 开式结构 易于安装与维修 并为液压管提供空间 其中摆动关节以销轴连接 在连接处以非金属材料
作为水下轴承 以减小阻力 并降低电位腐蚀 伸缩 关节为滑动关节 在滑动导轨上也以非金属材料作 为支承元件
开关式机械手的所有控制功能均由控制盒上的 开关和操纵单杆实现 机械手的工作状态由控制盒 上的指示灯显示 通过操纵单杆及开关控制其每个 关节分别运动
图 所示的五功能机械手是一套结构紧凑 重 量轻 负荷能力大 开关控制的机械手系统 该五功 能机械手的总体结构包括控制盒 水下手 液压阀箱 与水下控制器 液压系统及管路 水下手具有 个自 由度和 个夹持功能 全部由控制盒上的操纵单杆 和开关进行控制 该五功能机械手具有摆动! 俯仰! 伸缩及腕转四个关节和一个夹持功能 各关节均为 开关控制方式 结构形式见图
图 六功能机械手从手示意图
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机械手各个臂的驱动部件是双杆双作用的直线 液压缸 缸体安装在机械手的臂上 活塞杆连接到下 一个臂的驱动轴上 能使下一个臂进行一定范围内 的回转运动 在直线液压缸的内部装有直线电位计 反馈活塞杆的位置 电位计的电缆通过一根充油的 软管连接到阀箱上 将反馈信号传给控制系统
六功能机械手的从手每个自由度均为位置伺服 控制 从手的结构包括底座! 肩部! 大臂! 小臂! 腕部 和夹钳 液压缸安装在各个臂的中间 腕部回转以一 个安装在腕部基座上的低速大扭矩液压马达驱动 夹钳由一组在腕部回转套上的液压缸驱动 带动连 杆机构 完成平行的开闭运动
腕部是用一个安装在腕部基座上的回转液压马 达带动腕套和夹钳进行回转 内部装有回转电位计 作为位置反馈 夹钳为一个直线液压缸驱动连杆机 构带动两个钳指完成平行的开闭运动 没有位置反 馈
主从式水下机械手采用主从操作方式进行工 作 所有控制功能均由操作控制盒上的功能开关和 主手实现 主手与水下机械手是同构配置的 它的各 个关节与水下机械手的各个关节是一一对应的 其 结构尺寸很小 可以握在手中 机械手的工作状态由 指示灯来指示 通过操纵主手及功能开关来控制水 下机械手各个关节的运动
图 所示的六功能机械手是一套结构紧凑 重 量轻 速度快 主从操作位置伺服控制的关节式机械 手系统 从手的 个功能为肩转! 肩摆! 肘摆! 腕摆!
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1 引言 Ιντροδυχτιον
目前人类开发和利用海洋得到了迅速地发展 海洋石油开发! 深海矿产资源开采! 科学考察! 救助 打捞和军事用途所涉及的海洋工程日益增多 所有 这些 都需要完成很多重要的水下工作 现今我国的 水下工程作业大多由潜水员完成 随着人员价值的 不断提高和作业水深的加大 水下机器人在海洋工 程和救助打捞中起到越来越重要的作用 水下机器 人的基本配置是一个配备各种传感器的水下运动载 体 其水下作业任务的实现需通过各种通用和专用 的水下工具完成 结合各种水下任务而实现的水下 工具是实现作业目标的关键
3 通 用 水 下 工 具 Γ ενεραλ τοολσ φορ
υνδερωατερ ροβοτ
由原子能遥控操作手技术发展起来的水下机械 手 在近年来已成为很普遍的技术了 据统计 的水下机器人至少都装有一只机械手 通常的作业 型水下机器人的前端一般都装有两个机械手 一只 手较灵活 作业精度高 自由度相对多些 而另一只 手较简单 但臂力大 能可靠地实施机器人水下悬浮 作业的定位功能 并可兼顾部分作业任务 另外机械
力作用也明显增加 试验表明 若以
转Ù分的速
度在水中空转 只有 Ù 的功率用于有效工作 其余
都消耗在克服粘滞阻力上了 但使用较硬的钢丝 即
使刷具以较低的转速旋转 也可达到理想的清刷效
果 综合考虑 清洗刷应采用低于 转Ù分的转速
比较适宜
清洗刷由前框架!刷具装置组成 刷具装置有清
机器人
年月
洗刷! 液压马达及刷具的可调支撑装置构成 见图
运动方式
动力形式
工具名称
用途
旋转型
摆线马达Biblioteka 清洗刷 水下结构物清洗高速马达
砂轮锯 水下切割和打磨
低速马达
水下钻具 钻眼!攻丝
直线型
直线油缸
剪切器
钢缆切割
夹持器
沉物打捞
冲击型 冲击油缸和马达 破碎锤
岩石破碎
冲击扳手 螺栓拧紧和松开
往复油缸和马达 冲洗枪
沉积物清除
水下工具作为深水遥控作业的专用施工工具 具有易于操作! 能承受较高的海水压力! 耐海水腐 蚀! 重量轻! 体积小等特点 水下作业工具包一般都 采用液压系统作为动力驱动系统 水下机械手与水 下工具共同使用一个液压源和控制装置
多功能作业工具包是水下机器人工作系统的核 心 没有它 水下机器人充其量只是个观察台架而 已 因此 水下机器人的作业工具包从五十年代末期 第一次应用在 ≤ ∂ 2 水下机器人时起 便得以迅 速发展 特别是近十年来军事方面的用途和海洋石
油开发的需求加大 进一步促进了作业工具包的发 展 由于携带水下作业工具包 使水下机器人扩大了 使用范围 增强了实用性
4 专用水下工具 Σπεχιαλ−πυρποσε τοολσ φορ
υνδερωατερ ροβοτ
专用水下工具主要完成一些特定的水下作业 如用于水下军事装置和平台表面进行高效! 连续清
洗的水下清洗刷 可在水下对钢丝绳及铠装电缆进 行切割的液压剪切器 用于打捞某些圆柱形水下沉 物的夹持器 用于水下设施各种表面清除沉积物工 作的海水冲洗枪 用于水下金属表面打磨!钢筋切断 的砂轮锯等等 4 1 救助!打捞专用工具
手各关节需要可靠的密封 运转灵活 3 1 机械手的类型
水下机械手按操作方式一般可分成主从式和开 关式 主从式机械手是把水下机械手当作从动手 另 设一个与从动手自由度配置相同 尺寸成一定比例 关系的主动手 操作者操动主动手 由于采用位置2位 置型伺服系统 主动手的瞬时动作被从动手复映 主 从手的位姿保持空间对应 开关式机械手是当开关 接通后 动作的传动机构以一种固定的或受到控制 的速度进行运动 它通过电磁阀的开关来控制机械 手的运动方向 开关式机械手较主从式机械手结构 简单 价格低 容易操作和维修 所以得到了广泛的 应用 3 2 开关式水下机械手
2 多功能作业工具包 Μ υλτι−φυνχτιοναλ τασκ
ωορκ παχκαγ ε
多功能作业工具包主要分通用水下工具和专用 水下工具两种
通用水下工具一般是指适应多种水下作业任务 的水下工具 通常是指水下机械手 目前所有作业型 水下机器人都装备 ∗ 只水下机械手 同时水下机 械手作为一些水下工具的安装基座 扩展了水下工 具的工作空间
海水冲洗枪 海水冲洗枪是一种低压水力喷射式水下作业工 具 喷嘴出口处压力 ° 左右 它主要用于水下 设备表面覆盖泥浆的清除工作 海水冲洗枪的工作 原理是通过双作用液压油缸活塞杆的往复运动 使 海水加压缸的海水增压到规定压力值 然后经喷嘴 把具有一定压力和速度的海水喷射到需要清理的物 体表面上 去掉其上的各种污物 海水冲洗枪主要由 一个双作用液压油缸! 海水加压缸! 进水单向阀! 排 水单向阀!安装座! 喷嘴等组成 双作用液压油缸与 海水加压缸的缸体做成一体 海水加压缸的两个腔
专用水下工具主要是完成一些特定的水下作 业 可用来扩大水下机械手的作业能力和效率 专用 工具按运动方式可分为旋转型!直线型和冲击型 具 体分类如下
Ξ 收稿日期
第 卷第 期
滕宇浩等 水下机器人多功能作业工具包
表 1 专用工具分类 Ταβλε 1 Χατεγ ορψ οφ τηε σπεχιαλ−πυρποσε τοολσ
第 卷第 期 年月
文章编号
2
22
机器人 ΡΟΒΟΤ
∂ √
水下机器人多功能作业工具包Ξ
滕宇浩 张 将 刘 健
中科院沈阳自动化所 沈阳
中科院研究生院 北京
摘 要 本文首先阐述了水下机器人作业工具包的重要性 重点研究了水下机械手的原理!功能及两种主要结
构 并以沈阳自动化所研制的缆控水下机器人为背景 讨论了水下作业工具包的一些专用工具的原理及其结构
关键词 水下机器人 工具包 机械手
中图分类号 × °
文献标识码
Μ Υ ΛΤΙ−ΦΥ ΝΧΤΙΟΝΑΛ Τ ΑΣΚ Ω ΟΡ Κ ΠΑΧΚ ΑΓ Ε ΦΟΡ Υ ΝΔ Ε Ρ Ω ΑΤΕ Ρ Ρ ΟΒΟΤ
× ∞ ≠ ∏2
Σ ηενψανγ Ι νστιτυτε οφ Α υτομ ατιον Χηινεσε Α χαδ εμ ψ οφ Σ χιενχεσ Σ ηενψανγ Γ ραδ υατε Σ χηοολ οφ τηε Χηινεσε Α χαδ εμ ψ οφ Σ χιενχεσ Β ειϕινγ
滑环式密封圈和方向式密封圈 为减轻重量 除少量 轴外 夹持器绝大多数零件都是采用防腐性能好的
⁄ 铝合金材料制成 水下轴承则由水下润滑性能 较好的非金属材料制成 夹持器通过联结梁安装在 潜器底架的两个槽铝上
图 夹持器结构图
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缆绳释放器 缆绳释放器是一种无动力型水下打捞工具 不 受液压系统和控制系统控制即可作业 它可用于打 捞各种带有起吊环的水下沉物 缆绳释放器的工作 原理是采用内抽头式放缆 实现了缆绳无动力驱动 且无机械零件动作的由里层到外层的自动释放 缆 绳释放器主要由左法兰! 右法兰! 支撑套! 回转支撑 轴!手柄!缆绳和弹簧碰钩等组成 且具有缠绕和释 放两种状态 4 2 水下清洗工具 水下清洗工具是利用钢丝刷或喷射高压水流 将附着在船体 海底设施或钻井平台上的海洋生物 或锈蚀清洗掉