水下机器人的机械手臂设计与仿真

水下机器人的机械手臂设计与仿真

Simulation and design of manipulator of remote operated vehicle

张 吉1，田军委1，王 沁1，熊靖武1，史珂路2

ZHANG Ji 1, TIAN Jun-wei 1, WANG Qin 1, XIONG Jing-wu 1, SHI Ke-lu 2

（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021）摘 要：针对水下机器人(ROV)应用于水下工作的要求，设计了一款在水深300M以下工作的四关节机械手臂。为了保证机械手臂可靠性，在对ROV的机械手臂在水下进行实际测试之前，我们完

成对机械手臂关节单元进行力学分析以及扭矩计算，并对机械手臂的驱动模块选型和详细的密封。同时，通过SoildWorks进行机械手臂的三维建模，并对机械手抓进行有限元分析仿真实验。实验结果表明本设计的机械结构强度满足工作要求。

关键词：水下机器人；机械手臂；可靠性；SoildWorks建模中图分类号：TH122 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2018)03-0009-04

收稿日期：2017-09-06

基金项目：陕西省科技统筹创新工程（2015KTZDGY-02-01）；陕西省工业科技攻关项目（2016GY-175）

作者简介：张吉（1991 -），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向为框架式水下机器人的设计与控制系统。

0 引言

ROV 广泛应用于水下救援、水下目标搜索、水下设备检查维护、水下考古、水下科研等领域。它可以代替人类在水下完成各种复杂的作业任务。而在此过程中ROV 必须配备机械臂才能完成水下作业任务[1]。水下机械臂必须满足以下要求：由于工作环境在水下，机械臂材料需要耐腐蚀性强、密封好、抗压性高；更具操作者的指令能够准确的定位完成水下作业；由于ROV 的本体很小，机械臂需要材质很轻。操作要灵活，操作范围不小于300mm ，抓取重量不低于1kg ，操作角度不低于60°。

1 整体结构设计说明与性能参数

1）机械臂的坐标形式与自由度的配置：考虑到ROV 在水下工作环境复杂，可能有杂物，礁石，动物和水草等物体，对机械臂的控制造成影响，并且需要机械臂具有非常好的壁障性，应对水下的复杂环境，完成抓取物体的任务[6,7]。因此选择关节坐标式机械臂，且采用双目视觉技术，就像人的眼睛控制双手抓取物体。机械臂自由度的个数是由其用途决定的；本文设计的机械手臂工作环境为水下，考虑到水下机械臂的设计要求和操作范围，将采用转动关节式结构，且将机械臂设定为四个自由度。机械臂自由度布置如图1所示。机械臂整体形态仿照人手臂设计，为方便实现手抓姿态调整，实现对目标的抓取动作，将机械臂自由度设定为关节1为水平面的旋转运动、关节2为竖直平面的小幅度转动，关节3为竖直平面的转动，关节四为竖直平面的摆动。四个自由度可以使机械臂能够更加容易抓取到水下的

物体。

图1 机械臂自由度设置

2）安装方式的确定：装于潜水器上的机械臂在水下进行作业时，应具备两方面的能力：为完成作业任务，提供必要的操作；保持潜水器有稳定的方位，因为机械手作业受到的反作用力会影响ROV 方位的稳定；故两只机械臂别设置在艇首头部的左、右两侧[5,8]。可以保证潜水器的平衡。

3）材料选型与性能参数：由于潜水器的本体非常小，所以要求安装的机械手臂必须满足轻型化、耐高压等要求。在负载允许的情况下采用密度小耐腐蚀的铝作为机械手臂的材料。经过运动分析发现双机械臂的运动最远可以达到如下位置，此时机械臂的关节2的运动角度为30°，而双目视觉测距模仿人眼观察物体，故机械臂的末端必须在视线范围内，再加上机械臂的操作角度不低于60°，因此关节1的转动角度定位60°。其中机械臂极限位置如图2所示。舵机的转动角度有90°、120°、180°、360°，其余各个关节的转动角度可以根据舵机的角度选取。

图2 机械臂极限位置

2 机械臂的受力分析及计算

利用理论力学和材料力学的方法求得机械臂运动至各自力矩最大位置时各关节的力矩，为各关节的驱动舵机选型做好基础。假设杆件质心位于几何中心。图3是机械臂的机械臂简化示意图，主要显示各关节中心线的

距离。

图3 机械臂简化示意图

2.1 执行单元扭矩估算

逐个分析各个关节的受力，先从机械臂末端开始，分析关节4可以简化为如图4所示的力学模型。假设杆件

质心位于几何中心。

图4 关节4力矩的计算等效图

假设手抓和重物的质量为m s =1kg ，则：G s =m s .g=9.8N 。

手腕的质量约为：m 4=0.05k g ，则：G 4=m 4.g=0.49N 。

关节4到手抓中心的距离为：d 1=140mm ，关节4到手腕抓取中心的距离为：d 2=70mm 。

关节4的力矩为：M=G 4.d 4+G 5.d 5=1.406N .m 。

按照以上的计算方案，先估算各个关节的质量，以此计算出其他关节的驱动力矩，如表1所示。2.2 关节驱动方式及选型

驱动方式的选择非常重要，它的选择应该主要依据所用在的地方的要求，能否实现功能，还有就是工作

环境，还要考虑价格，控制精度等方面。考虑到该机械臂用于水下作业，最终安装在ROV 上，因此体积和重

量不能太大。由设计要求，抓取1kg 的物体，操作范围300mm 可知，该机械臂抓取重量轻，不需要太大的力矩，故机械臂最终采用电力驱动形式。

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为3.709N·m ，选择KST X20-8.4-50超大扭力高压舵机，舵机如图5所示，该款舵机尺寸为40×20×39.5mm ，当电压为8.4V 时舵机的扭矩为4.5N .m ，重量为78g 。由于关节2的扭矩为3.609N .m ，扭矩较大，故选择与关节1型号一样的舵机。关节3的扭矩为2.651N .m 关节4的扭矩为1.406 N .m ，选kingmax BLS7731HHV ，扭矩为28.42kg .cm 的

舵机。

图5 kst 舵机

2.3 执行单元校核计算

机械手臂在加减速运行过程中会产生惯性力，将各

个力矩值乘以1.1倍做为最终结果，则关节4电机的最大力矩为：

M max =1.1.M=1.65N .m

根据扭矩，考虑关节驱动扭矩最大且电机旋转角

速度最大的极限情况作为电机的最大功率。而关节的最大角速度为θ=3.7rad/s ，所以关节5处电机的最大功率为：

P max =M max .θ=4.3W

同理可以计算出其他关节的最大功率情况。经过对比分析发现，各个关节的计算的扭矩均小于对应舵机的最大扭矩，符合设计要求，证明设计的机械臂可以抓取质量为1kg 的重物，满足设计要求。说明舵机理论上能够实现抓取1kg 的物体，能够实现设计任务的要求，能够达到预期的要求。

表1 各个关节电机的最大转

关节关节1关节2关节3关节4关节质量/kg 0.40.30.41力矩/（N .m ）

3.709

3.609

2.651

1.406