水下机械手（共3篇）
水下机械手 篇1
水下作业功能一直是水下机器人技术开发与应用的关键技术[1]。作为一种通用作业工具的水下机械手一直是作业型水下机器人的首选配置, 一般概念上的作业型水下机器人均配备有各种类型的机械手[2]。
国外水下作业型机械手的研究史中, 美国最早开始从事这方面的研究, 美国NOSC (Naval Ocean Systems Center) 主持研制的WSP (Work Systems Package) , 从整体功能上讲, 仍是目前最成功和具有代表性的遥控水下作业系统之一[3]。目前世界上, 美国、法国、日本和俄罗斯的整体水平比较高, 美国的技术最为先进, 而日本在商业化方面做得较好。相对国外, 对于水下作业机械手的运动控制研究起步较晚, 技术尚不成熟, 与先进水平差距比较大, 国内目前使用的海洋高新技术装备90%以上需要进口[4]。
1 机械设计
1.1 传动方式选择
轴角为90°两相交轴之间传动主要有蜗轮蜗杆和锥齿轮两种传动方式[3], 锥齿轮的优点是寿命长, 高负荷承载力, 耐化学和腐蚀性强, 降噪和减震, 重量轻, 成本低, 易于成型, 润滑性好。缺点是传动比小, 不能自锁。相对而言, 蜗轮蜗杆在动力传动中单级传动比i即可达到10~80, 这对于降低减速器传动比, 缩小机械手臂中的减速电机尺寸, 提高力矩等具有明显优势。且蜗轮蜗杆传动在海水中亦可以有较好的传动效率, 结构紧凑, 传动重合度大于1, 传动平稳, 冲击和噪声小, 可以自锁, 使用寿命也能满足设计要求。因此最终选择蜗轮蜗杆的传动方式。
1.2 电机选型
电机分为直流有刷电机和直流无刷电机, 分析他们的特点。直流有刷电机:随着水深增加, 密封后结构尺寸和重量不断增加。直流无刷电机:没有换向器和电刷, 均压密封, 实现可靠密封。综上, 选择直流无刷电机。为简便设计, 选购市场上寿命长, 噪音小的行星减速机。
1.3 机械臂腔的选型与计算
深海环境复杂, 各项因素对金属及合金材料腐蚀的影响腐蚀严重, 故需要选择耐腐蚀的材料以保证机械手臂的稳定运作[5]。
不锈钢的比重太高, 钛价格又过于昂贵, 而铝材虽然机械强度不如不锈钢和钛合金, 但其强度已经能够满足本次设计需求, 故选择常用的铝材, 表面通过阳极氧化处理以保证其耐腐蚀性。为了减轻机械手臂的整体质量, 机械手臂做成中空结构, 即机械臂腔。
2 密封
2.1 密封圈选材
由于不熟悉深海环境的pH、溶解CO2含量等因素, 因此需要密封圈除了必要的密封特性, 其材料还需要具有一定的耐腐蚀性[5]。氟橡胶适用于热油、蒸汽、空气、无机酸、卤素类溶剂等广泛的介质, 故可以选取氟橡胶材料的O型密封圈来作为本次机械手的密封圈材料, 以应对深海复杂未知的海洋环境。
2.2 静密封设计
O型密封圈被誉为自密封技术发展以来最佳的静密封。由于深海压力大, 为了保证密封效果, 设计中采用了双密封圈设计, 在实际实验取得了良好的密封效果。
3 机械手的总体结构设计
3.1 固定座的结构设计
固定座在整个水下电动机械手中起着支撑的作用。
内支撑套筒固定在相应的水下机器人上, 如ROV、AUV等。电机密封安放在内支撑筒内, 与内支撑筒通过螺纹固定。当电机接通电源后, 通过电机轴输出转矩带动外套筒旋转 (电机轴与外套筒刚性固定) , 外套筒继续带动机械手大臂水平旋转, 并通电的时间来控制相应转过的角度。
3.2 机械手大臂的结构设计
机械手大臂主要完成水平方向的旋转运动以及提供一个垂直平面的旋转自由度, 由蜗轮蜗杆传动完成。
电机轴输出力矩后, 通过联轴器带动蜗杆旋转, 然后蜗轮蜗杆啮合运动, 将力矩传递到机械小臂上。在联轴器靠蜗杆一端设计了动密封以保证海水不进入电机。在转动座与电机套筒旋合处采用双密封圈静密封设计, 以保证良好的密封性。
3.3 机械手小臂的结构设计
减速电机轴通过输出力矩带动联轴节旋转, 同时, 联轴节与螺旋滑块构成螺旋传动, 带动末端执行器 (End-effector) 进行“夹持”运动。为保证电机的正常运作和良好的密封性, 联轴节处依然采用了同前面的密封环设计, 原理和机械结构类似。
参考文献
[1]张铭钧.水下机器人[M].北京:海洋出版社.2000:41-45.
[2]蒋新松.水下机器人[M].辽宁:辽宁科学技术出版.2000:256-267.
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[4]安江波, 孙昌将, 凌华.水下机械手结构设计与研究[J].2009.机械工程与自动化.第二期:1-4.
[5]周建龙, 李晓刚, 程学群, 董朝芳, 杜翠微.深海环境下金属及合金材料腐蚀研究进展[J].北京:北京科技大学腐蚀与防护中心, 2010:3-10.
水下非线性机械手关节电动机控制 篇2
水下机械手在海洋中得到广泛应用, 电动机械手的驱动器多用力矩伺服电动机。电动机在实际设计中由于摩擦、磁路饱和等原因存在非线性[1,2]。实际应用中, 多数控制器为简化控制设计, 一般未考虑非线性特性。为提高机械手作业精度, 需要考虑机械手的驱动器特性。考虑到水下机械手及驱动器的特性, 针对具有饱和和死区非线性的驱动器情况, 对PID控制器进行了改进设计, 结果证明控制器的稳定性良好。实际软件实现, 机械手关节电动机得到快速有效且稳定地控制, 并能保证其动态性能[3,4]。
1 水下机械手及控制系统简介
本研究对象是一台三自由度四功能机械手, 通过肩能回转大小臂起落手爪抓取目标, 运动配置如图1所示。
水下机械手各关节都采用电动机内置式结构, 通过无刷直流充油电动机作为驱动, 通过接近觉传感器和视觉传感器对速度和位置进行计算与定位, 使用圆锥齿轮作为减速装置。
控制框图如图2所示, 控制层次分三层。上层负责监控, 人工干预;中间层负责融合传感信息;底层实现伺服驱动。机械手采用小型化、高效率的无刷直流充油电动机驱动。
机械手作业时, 在监控计算机下达作业任务命令后, 由传感系统获取目标信息, 包括识别和定位。规划计算机综合传感系统及机械手位姿多种信息, 规划机械手路径和执行器的运动。伺服计算机和机械手驱动电动机形成伺服控制环路。机械手完成接近目标, 作业, 回收等运动。
此控制系统未使用传统的多处理器, 而是采用硬件PC104工控机, 软件系统采用VxWorks实时系统, 搭建出一个高效的控制系统平台[3,4]。其总体的结构如图3所示。
2 控制算法的分析
传统的PID控制调节控制框图如图4所示, 传统的PID控制通过改变Kp, Ki, Kd的大小来对控制系统进行调整, 比例系数Kp直接决定控制作用的强弱, Ki在比例调节的基础上加上积分控制消除系统的稳态误差, Kd的调整可以改善系统的动态性能。
改进深海机械手关节的PID控制, 对于机械手关节的控制采用数字PID控制方法, 其表达式为:
Uk=Uk-1+Kp (ek-ek-1) +Kiek-1+Kd (ek-2ek-1+ek-2)
式中:Uk——当前值;
Uk-1—— 上一次计算值。
此PID控制调节算法改进, 对与比例环节和微分环节, 输出为误差增量, 所以一旦发生方向错误, 容易调整;对于积分环节的输出, 可以避免出现算法中的积分饱和问题, 但同样是这个积分环节, 也容易产生过大的静态误差, 可能会造成溢出等不良后果, 但是由于控制电动机的特殊性, 此处用这种数字PID调节算法可以起到不错的控制效果。
电动机死区电压的控制, 在伺服控制程序中, 对于位置环节的控制, 采用的是码值来直接表示电压的大小, 在位置采样中, 采用的A/D采样板胜博公司ADT650是12位分辨率的, 因此可调码值范围为0～4095。为了满足电动机可以正转和反转的运动, 电动机的驱动电压的量程设置为-5V～+5V。即在0～4095的范围内, 表示的是-5V～+5V的电压大小。
考虑电动机的非线性特性, 电动机无论在正转还是反转的时候都存在一个死区电压值, 在死区电压范围下电动机无法启动, 这样就对控制电动机的大小, 甚至是控制电动机的正反转向产生了很大的困难, 无法通过线性的方式来控制电动机的运动, 而传统的PID控制方法在这种情况下也很难达到预想的效果[5]。
当目标位置和当前位置相隔比较远的时候, 将以电动机的最快转速向目标位置靠近, 当两位置的差距到一定范围内的时候, 就通过PID控制算法对其进行调整, 对于Kp值的大小, 由于采用的是码值调整电压大小, 因此理论上这个值的大小是
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式中:Kp′——用电压值时使用的比例系数;
M —— 码值的范围;
C —— 电压的量程范围;
η —— 由于线性相加的误差所产生的误差系数。
若要换成速度值, 则需要通过下式进行换算:
V = Vc/ (-0.008308*Vc+284.4678)
对于积分环节Kiek-1, 起到的作用将是在偏差较大的时候, 基本不发生作用, 而在偏差较小的时候起到较强的控制作用, 消除静态误差。对于此处的驱动电动机而言, 采用变化的Ki值来对电动机进行控制。对于误差较大的时候, 主要通过比例环节来控制电动机电压的大小, 不让积分环节发生作用, 因此把Ki的大小设为0;当误差较小的时候, 积分环节的作用应该比较大, 但由于积分的截断误差效应比较大, 因此在设定值Ki大小的时候, 需要考虑到这两方面的原因与要求, 不宜过大;另外, 如果电动机在运转时出现了超调的现象, Ki将起到更重要的作用, 对于用码值来表示电压的大小, 并且电动机存在死区电压, 例如, 当电动机的死区码值的大小是从900～3200时, 当电动机以最低速正转, 即码值大小是3200时出现超调现象, 但此时产生的误差大小以上述的算法无法使电动机发生反转 (由于当码值大于900或者小于3200时, 强行让电动机以最低速进行运转) , 因此程序中对误差值ek的大小进行检测, 一旦发现ek值发生-1—0—1或者是相反的误差值过渡的时候, 就改变电动机的Ki值的大小, 使电动机的码值发生更大的变化, 进而达到让电动机反转的目的。
Ki的取值范围如下:
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对于电动机发生超调的情况, Ki值设定为死区码值的最大范围和最小范围码值大小的差值的绝对值和一个误差系数μ的乘积大小, 其中误差系数μ还跟比例环节有关, 一般来说μ的大小取0.9～1之间比较合适, 因为比例环节对于电动机的反转也会起一定的促进作用。
对于微分环节Kd (ek-2ek-1+ek-2) 分析, 由于采样的时间非常短, 因此误差都比较小, 所以考虑对微分环节进行一定的改进, 如下式所示, 微分项变为:
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在这种情况下, 利用了微分项阻止偏差变大, 当分子大于分母的时候, 即表示误差的变化速率在增大, 因此此时强化微分项的作用, 相反, 一旦当分母大于分子的时候, 弱化微分项的作用, 从而起到对深海机械手的动态性能进行良好控制的作用, 值得一提的是当电动机遇到障碍或者外围环境的原因使ek保持不变时, 为避免微分项产生溢出的现象, 把Kd的值设为0。
下面给出控制关节电动机改进算法的流程图:
3 实验结果与分析
实验中就深海机械手的一个关节——手爪关节进行试验, 手爪开闭的程度由关节电动机的脉冲数决定, 方向由控制电压正负决定。控制其进行有效的运动, 根据驱动手爪电动机的性能, 测出电动机的死区码值范围为990～3130, 最低的驱动电压大致为2.63V。码值和电压值的映射见表1。
在程序中, 设定当目标位置与实际位置的绝对值大于500的范围时, 电动机以最快的速度靠近目标位置, 当位置的差值小于500时, 将使用PID控制算法对电动机速度进行调节控制, 从图6可以看到, 在大于500的范围时候, 曲线是线性的, 在小于500的时候, 根据控制算法是非线性的增长, 最后以最低速到达目标位置。
图6中的横坐标代表时间轴, 单位是0.1s, 纵坐标代表位置轴, 由于用霍尔信号采集脉冲, 电动机每转动一圈, 计数器就增加4个脉冲信号, 因此位置轴的单位为电动机的四分之一圈大小值。
另外, 当电机发生超调时, Ki使电动机逆向的曲线图如图7所示。
从图中可以看到, 当电动机发生超调现象的时候, 通过对Ki值大小进行调整, 可以在比较短的时间内, 正确的纠正电动机的运动轨迹。
4 总结
随着工业控制技术的发展和进步, 各种新型的控制算法被广泛的运用, 但是PID控制算法的简单性和实用性仍然可利用, 在非线性环境下对深海机械手的电动机驱动采用PID控制算法为工作带来了极大的方便, 但是由于PID控制算法本身是线性的控制算法, 因此其适应性与稳定性方面还有需要完善的地方, 考虑机械手驱动器的非线性特性, 改进PID控制算法, 试验结果表明算法简单实用, 具有良好的实际控制效果。
参考文献
[1]安江波, 张铭均, 孙昌将.水下机械手控制系统研究[J].机械设计与制造, 2009 (5) :185-187.
[2]蒋新松, 封锡盛, 王棣棠.水下机器人[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 2000.
[3]琚亮, 徐国华, 黄嘉陵, 等.深海机械手关节伺服控制[J].机械与电子, 2007 (2) :49-52.
[4]徐国华, 黄嘉陵, 郭莹, 等.基于PC104和Vxworks的水下作业机械手控制研究[J].机械与电子, 2006 (5) :58-61.
水下机械手 篇3
在水下作业环境中每下潜1 000米就增加100个大气压的压力, 人体和普通的作业设备都很难在这种条件下进行作业, 水下机械手一直是水下通用作业工具中的首选。液压水下机械手因其负载能力强、负载/自重比高等优点而被广泛地应用于各种水下作业中。机械手手腕关节旋转运动的执行元件, 不仅要求有较高的扭矩输出而且需要较低的转速。螺旋摆动液压缸是输出轴能做往复摆动的液压执行元件, 能使输出轴在较低的转速下产生很大的扭矩、平稳的角速度和角位移。由于其采用了大螺旋升角的螺旋副结构, 具有摆动角度大、承载性能高、结构紧凑、传动效率高等优点。本文结合与其他机械手腕部结构的输出数据的对比, 说明了液压摆动缸扭矩输出的优点。
2 螺旋摆动缸
螺旋摆动液压缸按其原理可称为活塞螺旋式摆动液压缸, 其原理是:利用大螺旋升角的螺旋副实现旋转运动[1]。如图1示, 输出轴3的一段加工有螺旋齿, 输出轴通过轴承安装在缸体中, 活塞2内表面螺旋齿与输出轴的螺旋齿啮合。当A口进油时, 活塞向右运动。由于活塞与缸体1之间有花键限位, 活塞只能轴向运动不能旋转, 输出轴则发生旋转运动, 反之亦然。
螺旋摆动缸的摆动角度取决于活塞的工作行程与螺纹导程比值。螺纹的导程等于螺旋升角的正切值与圆周率及螺纹中径的乘积, 行程对油缸的外形尺寸影响很大[2]。现有的螺旋摆动缸旋转角度可达2 700°。考虑机械手实际运用中对于尺寸的要求, 一般水下机械手选择摆动角为180°至360°的螺旋摆动缸。
3 数据对比分析
国外Shilling、International Submarine Engineer、Deep OceanExploration and Research等公司采用液压马达作为水下液压机械手的腕部旋转执行器, 这是国外水下机械手中运用的普遍案例[3]。数据对比如表1所示。
对比分析表1的数据, 模型所用的螺旋摆动缸对比液压马达具有大扭矩输出的特点, 但是在旋转角度上具有局限性。考虑到现在国内对于国外机械手中的MZ液压摆线马达在设计生产方面的不足, 选用螺旋摆动缸具有更大的实际意义[4]。与此同时, 螺旋摆动缸可以在较低的压力下输出高扭矩, 还可以进一步减小尺寸, 提高机械手的稳定性。
4 总结
针对现有技术装备, 根据水下应用的实际工况条件进行专业化的设计, 这是水下装备在开始的专业化过程中的最佳选择。本文所述包含螺旋摆动缸的水下机械手腕部结构设计既可以保证在较低压力的情况下达到所需的大扭矩输出, 还可以通过设计减小尺寸提高控制的精度和稳定性, 可在水下机械手这一特殊运用场合发挥其重要作用。
参考文献:
摘要：多功能水下机械手具有腕部旋转结构以满足多种工况要求, 但是腕部结构的输出转矩偏低。本文介绍了螺旋摆动液压缸作为执行元件在水下机械手腕部结构中的输出特点。
关键词：螺旋摆动缸,水下机械手,腕部结构
参考文献
[1]李松柏, 刘义伦, 刘伟涛.螺旋摆动液压缸间隙的优化设计[J].中南大学学报 (自然科学版) , 2012 (05) :1710-1716.
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[3]Schilling Robotics, Orion7P Technical Manual, 1st ed.Davis, CA:Schilling Robotics 2007.