【正文】 10 所示。因而，一般機(jī)器人手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。由于設(shè)計(jì)的六自由度水下機(jī)械手不需要較大的傳動(dòng)比，并且要求能夠斷電自鎖，因此選用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方案。兩相交軸之間的傳動(dòng)主要有蝸輪蝸桿和錐齒輪兩種傳動(dòng)方式，錐齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)比恒定，具有不變的瞬時(shí)傳動(dòng)比，但是在同樣使用條件下，錐齒輪傳動(dòng)所需要空間尺寸比較大，且錐齒輪比較難以加工?？紤]到課題要求結(jié)構(gòu)盡可能緊湊的特點(diǎn)，徑向尺寸不宜過大，因此采用第二種傳動(dòng)方式。另外一種布置方式是電機(jī)和關(guān)節(jié)輸出軸垂直放置，中間需要力矩方向改變 90176。 （ 2）腕部運(yùn)動(dòng)位置要準(zhǔn)確 手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右偏擺等運(yùn)動(dòng)位置都要求準(zhǔn)確，除對零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動(dòng)件之間的間隙。 在設(shè)計(jì)腕部時(shí)，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。 圖 5. 單自由度手腕示意圖 圖 6. 兩自由度手腕示意圖 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 （ 3）三自由度手腕 有 R關(guān)節(jié)和 B關(guān)節(jié)的組合構(gòu)成的三自由度手腕可以有多種型式，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)功能。該運(yùn)動(dòng)用折曲關(guān)節(jié)（ B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。該運(yùn)動(dòng)用折曲關(guān)節(jié)（ B關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。該運(yùn)動(dòng)用翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（ R關(guān)節(jié)）實(shí)現(xiàn)。 腕部的動(dòng)作有繞 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)成為回轉(zhuǎn)；繞 Y 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為俯仰；繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；還有可沿 Y 軸方向移動(dòng)的自由度，圖 4 為其運(yùn)動(dòng)示意圖： 手腕的分類： （ 1）單自由度手腕：手腕在空間可具有三個(gè)自由度，也可以具備以下單一功能： 單一的翻轉(zhuǎn)功能：手腕的關(guān)節(jié)軸線與手臂的縱軸線共線，常回轉(zhuǎn)角度不受結(jié)構(gòu)限制，可以回轉(zhuǎn) 360176。其功用是利用自 直流減速電機(jī) 蝸桿軸 軸承 軸承擋圈 蝸桿 開口銷 蝸輪 蝸輪軸 指面 蝸輪安裝板 圖 3. 蝸輪蝸桿的手爪傳動(dòng)方案 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 10 身的活動(dòng)度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。明顯看出方案一的整體結(jié)構(gòu)不如方案二結(jié)構(gòu)緊湊，綜合考慮之后最終確定了蝸輪蝸桿減速的手爪傳動(dòng)方案。 比較上面兩種方案，方案一螺母螺桿本身具有自鎖作用，缺點(diǎn)：螺桿螺母不能直接與電機(jī)輸出軸相連；螺母螺桿本身不具有減速作用。蝸輪帶動(dòng)與蝸輪固連的指面的開合運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓取和放下物體的功能，同時(shí)蝸輪蝸桿本身具花鍵 螺桿 螺母 電機(jī) 手指 圖 2. 螺母螺桿的手爪傳動(dòng)方案 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 9 有自鎖功能。螺母兩端有止推墊片，可保證螺母只能轉(zhuǎn)動(dòng)；螺桿靠近電機(jī)的一側(cè)做成花鍵的形式，外花鍵固定在箱體上，這樣保證螺桿只能移動(dòng)而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 在旋轉(zhuǎn)式夾持器結(jié)構(gòu)中為了得到旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要有一個(gè)直線輸入單元，這就要求手爪的傳動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)⒅绷鳒p速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)；為了能夠保證手爪在夾持物體時(shí)夾緊力保持不變以及在意外斷電時(shí)被夾持物體不致掉落，需要傳動(dòng)系統(tǒng)有自鎖裝置。 （ 5）應(yīng)考慮被抓物體的要求 包括抓取物體的部位、形狀、數(shù)量。 （ 3）應(yīng)保證被抓物的準(zhǔn)確定位 為使手爪和被夾持物體保持準(zhǔn)確的相對位置關(guān)系，必須根據(jù)物體的形狀，選擇相應(yīng)的手爪形狀。 手爪在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮以下問題： （ 1）具有足夠的夾緊力 在確定手爪的夾緊力時(shí)，除考慮被抓物體的重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證被抓物體不至于產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了機(jī)器人腕部的負(fù)載。 （ 2）多夾持器系統(tǒng)：此類夾持器主要用于抓拿對象種類比較多、外形變化較大的場所。 按手爪的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用方式一般可以分為以下幾種： （ 1）簡單的夾持器機(jī)構(gòu)：這類夾持器多以兩指夾持為主，結(jié)構(gòu)簡單，功能單一。 手爪結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械手的手爪一般稱之為末端執(zhí)行器，由平面連桿組成，按照手爪的運(yùn)動(dòng)形式一般可分為以下兩種： （ 1）平行式手爪：平行式手爪抓取物體時(shí)，被抓取的物體受到兩個(gè)大小相同，河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 6 方向相反的作用力，所抓取的物體不會(huì)因?yàn)槭肿Φ拈]合而發(fā)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。 總體布局的確定 從自由度方面來分析，六自由度水下機(jī)械手的前三個(gè)自由度構(gòu)成的連桿成為“主連桿”系統(tǒng)，又稱為“手臂”，其尺寸較大，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂末端的空間位置；后三個(gè)自由度的連桿尺寸較小，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手末端的姿態(tài)，稱為“ 次連桿”系統(tǒng)，又稱“手腕” [17~18]。直流伺服電機(jī)可獲得很大的力矩，精度高，加速迅速，可靠性高，在兩個(gè)方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)平滑，且本身設(shè)有位置控制能力。 電力驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī) 器人中應(yīng)用最多的一種。優(yōu)點(diǎn)是輸出壓力高；液體的壓縮比小，可以認(rèn)為沒有可壓縮性，因此控制系統(tǒng)的滯后也可以認(rèn)為沒有，動(dòng)作平穩(wěn)，快速反應(yīng)好；壓力和流量容易調(diào)節(jié)，控制性能好。 液壓驅(qū)動(dòng)是在機(jī)械手中應(yīng)用頗多的驅(qū)動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是：容易獲得快速啟動(dòng)；空氣不像油那樣怕熱和易燃；維修方便；特別是和射流控制很容易結(jié)合起來使用。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 5 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方法，按驅(qū)動(dòng)源可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種。采用耐腐蝕材料也很難保持不被腐蝕，需從材料結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮。 2 總體方案確定 設(shè)計(jì)難點(diǎn) 由于水下機(jī)器人工作在水下環(huán)境中，基于其特有的工作環(huán)境，水下機(jī)器人的研制需要考慮以下問題 [9~11]： 密封性：作為水下工作的載體，機(jī)器人中有電機(jī)、碼盤等驅(qū)動(dòng)和檢測元件，必須考慮相關(guān)部件的密封性能。 繪制合計(jì) 3 張 0 號圖紙的工作量。 手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（三自由度）。 技術(shù)要求 最大單次使用時(shí)間 2 小時(shí)； 外形尺寸盡可能緊湊、小巧； 機(jī)械手伸直抓取能力 200g； 具有三自由度機(jī)械手臂； 三自由度腕部的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 機(jī)械手工作區(qū)域內(nèi)照明充足，無盲區(qū)； 工作要求 完成防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)校核。 [8]此外，水下機(jī)器人的小型化和復(fù)雜條件作業(yè)，以及提高其觀察能力都是其未來發(fā)展方向。 [6]六是綠色化，使用時(shí)不污染環(huán)境，報(bào)廢后能回收利用。 [5] 未來水下機(jī)器人發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)：一是水深普遍在 6000 米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)；三是更加注重模塊化；四是增加推進(jìn)器的數(shù)量與功率以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。但是目前水下機(jī)器人技術(shù)方面還存在一些難題 [16]。 水下機(jī)器人發(fā)展趨勢 21 世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各式各樣的水下機(jī)器人將以更快的速度發(fā)展起來看，將采用遙控、監(jiān)控、預(yù)編程、局部自治或組合等，這會(huì)使水下機(jī)器人的應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，在第 14 屆國際無人水下機(jī)器人競賽中，我國獲得第十二名的優(yōu)異成績，創(chuàng)亞洲最好成績排名，領(lǐng)跑日本、印度。創(chuàng)造了中國載人深潛新的歷史，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器 5000 米河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 3 深潛成功，意味著中國載人深潛水平已位居世界前列。我國先后研制成以援潛救生為主的 7103 艇（有纜有人）、Ⅰ型救生鐘（有纜有 人）、 QSZ 單人常壓潛水器（有纜有人）、 8A4 水下機(jī)器人 ROV（有纜無人）和軍民兩用的 HR01 ROV， RECON IV ROV 及 CR01 A 6000m 水下機(jī)器人 AUV（無人無纜）等，使我國潛水器研制達(dá)到了國際先進(jìn)水平 [4] 。這種潛水器性能優(yōu)良，能在 6000 米水深持續(xù)工作 250個(gè)小時(shí)，比現(xiàn)在正在使用的只能在 4000 米水深持續(xù)工作 12 個(gè)小時(shí)的機(jī)器人性能優(yōu)良的多。目前日本正在實(shí)施一項(xiàng)包括開發(fā)先進(jìn)無 人遙控潛水器的大型規(guī)劃。 [5]日本憑借其在智能機(jī)器人方面的發(fā)展優(yōu)勢，在水下機(jī)器人方面也不甘落后，取得了突躍式進(jìn)步，并成為這個(gè)領(lǐng)域的佼佼者。 [4] 美國是最先發(fā)展水下機(jī)器人的國家，他們掌握著水下機(jī)器人較高的技術(shù)水平。 [3] 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，主要以美國、日本以及西方發(fā)達(dá)國家為代表，他們的發(fā)展技術(shù)幾乎代表了全世界水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平。因此，從這個(gè)方面來看，水下耐核輻射機(jī)器河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 2 人的研究非常有必要，而且具有很 大的實(shí)用前景。福島核事故后，由于工作人員無法進(jìn)入反應(yīng)堆內(nèi)查看詳情，不僅不能獲得及時(shí)信息，也無法對反應(yīng)堆進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，降低損失。隨之而來的福島第一核電站發(fā)生爆炸，放射性物質(zhì)泄漏，不僅給日本國民帶來核射線傷害，而且引發(fā)