小型水下机械手设计与研究

摘要院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用solidworks进行机械手结构设计。

关键词院小抓取力；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[1]。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[2]。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执行机构淤手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平[3]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。于腕部：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[4]。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。盂臂部：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、电础上改进，进行动作可靠性的检测。3.2PLC的I/O接口数量的拓展当要被检测的触点数量过多时，PLC本身的I/O触点存在不够用的情况，可以使用西门子S7-200smartPLC提供的输入模块进行拓展，简单快捷。3.3上位机的设计以昆仑通态MCGS触摸屏组态为上位机软件，采用模块化的组态，使用简捷、功能强大，通过简单的组态即可实现对机电设备的复杂控制。参考文献院[1]李德英，任婕灵.基于PLC和MCGS的步进电动机监控系统设计[J].仪表与自动化装置，2019，3.

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图5PLC采样及分析示意

其它诸如继电器、接触器、微动开关等均可在此装置的基InternalCombustionEngine&Parts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。成来淤实直现角机坐械标臂结构的运：动，用三个运动彼空间此其垂特点介绍如下：与直机的械直臂线的运体动的合积比值较小。旋转于运圆动柱实坐现标机结构械臂：的用运两动，个互构相造比垂直较的简直略线，定运动和位精一个度较高，常机械盂用于臂球坐搬标运结构作业：环用境两。个回转运动和一个直完成榆的线运动完成的，关运机节动。械型臂结构动作：机灵械便臂，体的积空间小。运工动作是空间由三个与机回械转手运体动积比值较大，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驻酌=60毅，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）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·225·图2腕部设计3D示意图

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4所示。图4水下机械手整体3D示意图

4结语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。参考文献造，2014.

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