一种臂爪式机械手用于使用一般支援船快速深水打捞A部分：原型和测试.docx

一种臂爪式机械手，用于使用一般支援船快速深水打捞，A部分：原型和测试抽象本文提出了一种臂爪式机械手的概念原型，该机械手带有通用支撑船，用于快速打捞深潜车辆，飞机，卫星等。实现了关键功 能，包括物体夹紧，爪对接和锁定，位置和姿势调整，感知，定位和导航。该原型在湖泊环境中的空心和圆柱形物体上成功进 行了测试。臂爪式机械手适用于在水下环境中快速打捞圆柱形物体，以最大限度地减少夹紧力和对被打捞物体可能的夹紧损坏。 四个螺旋桨推进器具有对称排列，可用于在水下环境中调整位置和姿势，以匹配物体的方向。摄像机捕获水下打捞物体的轮廓 图像，可用于姿势调整，但在黑暗的深水环境中，声纳可用于水下摄像机的位置。关犍字:快速打捞;深水;机械手;爪对接和锁定1.引言随着海上运输的开展，海上运输的密度增加，航行范围不断扩大。由于通航环境复杂，海上平安事故时有发生。然而，由 于打捞工作本钱高、环境不可预测的性质和耗时，深海快速打捞是一个很大的挑战1。深水生态系统（200米）占生物圈的90%以上;它们连接浅海和深海生态系统，在养分再生中发挥关键作用，并提供可收 获的鱼类资源2。海上事故导致沉船、潜水器、飞机等漏油，污染海洋生态系统3。深海打捞技术是水下工程的关键局部4。目前，深海打捞技术的研究仍处于早期阶段，水下作业基本依靠水下机器人。 深海打捞作业需要用于深海环境的专用设备5。20世纪60年代，美国水下研究中心（NUC）研制出一种打捞机器人，并成功在457米至884米的深度对漂浮的鱼雷进 行了打捞6。20世纪80年代，傅C.、项Z.、李乙设计了一台打捞机械手，安装在鱼鹰载人潜水器上，成功进行了几枚漂浮鱼 雷的打捞7, 8, 90孟强、王磊、周等提出了一种半埋地矿井打捞装置10。哈尔滨工程大学研制出具有海洋环境信息采集、 水下物体搜寻、抢救救等功能的“微龙'系列水下机器人11。王磊提出了一种用于大型和重型物体打捞的水下载体12。2013年，奥德赛成功地使用带有篮子的ROV从一艘英国商船上打捞了 118吨银锭，该商船在第二次世界大战期间在爱 尔兰西南水域4700米深处漂浮;铸锭价值超过8000万美元13。在欧洲研究工程“船舶恢复的外表系统"（SuSy）中，充气装置 用于从水中打捞沉船残骸14。近年来，大连海事大学和华中科技大学开展了一系列研究工程，以应对深海飞机残骸和黑匣子打捞作业的需求。2016年, 何F.提出了用于深海打捞的液压喷头原型15。董永提出了一种抓取小物体的特殊装置，如飞机的黑匣子，并于2016年成功测 试16。张军在2021年提出了一种用于海洋研究和救援打捞的柔性机械手17。2017年，Sun X.设计了一种深海起重工具，对 其进行了原型设计，并成功进行了测试18。2019年，张婷提出了一种深海打捞系统，该系统不依赖任何可操作的水下航行器 来完成打捞作业，但尚未经过测试19。2021年，Dehkordi提出了一种带有机器人链的柔性机械手，用于水下作业，并分析了水中的动态响应20。然而，这一 概念并不适合深水作业，特别是那些涉及大型和重型物体的作业。ROV在抢救中起着搜索和检测的重要作用，具有方便、本钱低等优点21。ROV的活动范围受到脐带电缆的限制，但其 可以提供的数据量没有限制，并且具有很高的人机交互22。AUV不依赖于脐带电缆，可以在大面积使用，但数据传输很困难。ROV/AUV的开展趋势是，生产的器件尺寸往往小，操作灵活，不适合于大型物体的抢救。本文提出了一种臂爪式机械手，带有一般支撑船，用于大重物体的深水打捞。首先，分析了机械手的要求;机械手概念的创立和原型设计涉及夹紧，爪对接和锁定，位置和姿势调整，感知，定位和导航等功能。操作模式在第2节中定义和分析。其 次，在第3节中引入了快速打捞制度，以及打捞程序。最后，湖泊测试成功进行。Dimension and weight of the object一 Select dimensions and materials of the arm and claws .FEA(Strain-stress)NoStrength is good enough?!1Yes IjSelect actuators;喊第的幽 and thrustersIEnd图10 .机械手的设计流程图。25系统组成系统组成如图11所示。它由升降总成、夹紧总成、对接锁紧机构、推进器、电气系统、感知系统、液压系统、定位导航 系统等组成。AltitudeSpringLockingBlockDrpthomelcrSonarAwareness3000 V Motorllvdrnulk *SystemButt Joint and Locking McchnnicsIndicator 八 (amcrasEkctrical SystemOrientation Function HydraulicClumpHydraulic AciuntionClumping MechanicsForceps3000 VTransformerFiberThrusterC'om munication参数机械手参数如表8所示。在水中的总重量约为3公吨，操作深度可达1000米。电源电压为3000 V,功率为70kW。机械手的参数如表8所示。表8.机械手参数。操作模式打捞过程有两种操作模式：海水模式和海底模式。(1)海水模式海水模式用于机械手的发射和回收过程。操作员监控机械手在支撑船上的位置和方向，并调整位置和方向，以确保发射和 【可收过程顺利和成功。(2)海底模式在夹紧、爪对接和锁定以及位置和姿势调整过程中使用海底模式。当机械手处于正确位置时，闭合两个臂以可靠地握住物 体，伸出两只爪子进行对接和锁定，以确保物体被机械手平安握住。爪锁完成后，提升系统开始将物体移出水面。2.5.1. 操作流程机械手的操作过程如图12所示。Turn on DPS to the selectedcoordinatesDouble check the claw lockingStart the winch to lift up the objectLower the object dow n on the deckof the support vessel图12.机械手操作过程的流程图。机械手的操作包括七个步骤：步骤1：在操纵器下水之前，将支援船的DPS翻开到所选坐标。步骤2：启动操纵器并翻开监控系统。步骤3：将机械手启动到正确位置后，将机械手的操作更改为手动模式。步骤4：关闭两只手臂以握住两侧的物体，并伸出爪子进行对接和锁定。步骤5：恢复前仔细检查爪锁状态。第六步：启动绞车，以恒定的速度将物体抬起，并通过监控系统连续监控整个过程。步骤7：将物体从水中抬起，然后将其降低到支撑船的甲板上。3 .打捞系统机械手需要与带有起重机和脐带系统的通用支撑船配合使用。起重机用于机械手发射，回收和物体提升。脐带系统提供电 源和信号传输。系统如图13所示。SLaiiMtSLaiiMt<'<4rtrvlVmlEj二二 、小.PI勺/艮H 叱 IrMHctiter/ PrvprllucVe««tlHbtr TrMi«c«hcrooo oooooooI mMSt“jomvH7drraUc Malfe*HZ,图13.快速打捞系统（左）；控制系统（右）。如图13所示，快速打捞系统由机械手、脐带系统和支撑容器组成。水下的机械手和海面上的支撑船通过脐带电缆连接。监控系统安装在机械手上，采集水下列图像并将其送回支援船，以便操 作人员及时做出位置调整决策。在支撑容器下方的脐带上安装超短基线（USBL）系统，该系统将机械手的实时位置传递给支持 容器。支护船上的测量系统可以获得海底的地形信息。该容器通过变压器向机械手提供3000 V的电力，以向安装在机械手上的液压站和电气系统供电。容器通过脐带系统中的 光纤电缆与机械手通信，以进行实时监测和控制。支援船是一艘潜艇作业母舰。支撑船长44米，宽12.4米，高6.3米，满载排水量300吨。图14显示了测试期间从支撑船的起重机发射的机械手。图14 .启动机械手。4 .测试测试是在测试点深度为150米的湖泊中进行的。对定位导航系统、夹紧系统、爪对锁机构、位置和姿势调整、感知系统 进行了全面测试。在这些测试中要打捞的物体应该是一个空心圆柱体，直径为2.0米，在陆地上重量为3.0吨。4.1. 湖泊测试原型的湖测试如图15所示。圆柱形物体由起重机在测试点发射，如图15a所示。将物体浸入水中，如图15b所示。根据第节中详述的机械手操作过程，机械手被启动并拾取物体。机械手可靠地握住物体后，将物体从水中抬起，如图15c所示。图15.机械手原型的湖测试：（a）在测试点发射物体，（b）物体涉水浸入水中，（c）将物体从水中抬起。42测试结果湖泊测试的结果总结如下：（1）夹紧试验机械手的夹紧试验在湖面试验中进行，如图16所示。操纵器以较大的姿势误差接近物体，如图16a所示;姿势调整后，机 械手与物体对齐良好，并触摸顶部的物体，如图16b所示;闭合两个臂以很好地保持物体，如图16c所示。（a）（b）（c）图16.机械手的夹紧测试：（a）靠近物体，（b）姿势调整和（c）握住物体。夹紧测试重复10次，每次测试都成功。（2）对接和锁定测试同时进行对接和锁定测试，如图17所示。手臂合拢后，爪尖伸出手臂，如图17a所示。爪尖进一步伸展到物体的底部, 如图17b所示。由于对接和锁定发生在物体下方，因此无法捕获进一步的图像。图17.对接和锁定测试：（a）爪尖伸展和（b）爪尖进一步伸展到物体底部。（3）感知系统和定位导航系统在测试过程中，水下相机捕获了一侧爪尖的物体轮廓，如图18a所示;当相机靠近物体时，物体图像更清晰，可以看到操 纵器的姿势误差，如图18b, c所示。如果姿势误差过大，如超过30。，在进一步向物体前进之前，应调整姿势，以确保物体成 功进入机械手两臂之间的开口。在测试中，这种情况没有出现。操纵器还以姿势错误接近对象，如图16a所示。此时，在操纵 器接触物体之前调整姿势以最小化姿势误差。姿势调整后，机械手进一步向下降低，直到接触到物体的顶部，如图16b所示。 对感知系统以及定位和导航系统的测试取得了成功。(a)(b)(c)图18.当操纵器接近物体时，相机捕获的图像：（a）物体建立，（b）接近物体和（c）通过图像判断姿态调整误差。5.结论本文提出了一种臂爪式机械手与通用支撑船的概念原型，用于快速打捞深潜车辆、飞机、卫星等。根据这些打捞作业的要 求，实现了关键功能，包括物体夹紧、爪对锁、位置和姿势调整、感知、定位和导航。原型在湖泊环境中成功测试，打捞了一 个空心圆柱形物体。可以得出以下结论：（1） 臂爪式机械手适用于在水下环境中快速打捞圆柱形物体，因为它可以最大限度地 减少夹紧力和对要打捞物体的可能夹紧损坏。（2）爪形对接和锁定机构在水下环境中运行良好且可靠。（3） 四个螺旋桨推进器具有对称的布置，可用于在给定范围内的水下环境中进行位置 和姿势调整，以与待打捞物体的方向对齐。（4） 相机捕获了水下打捞物体的轮廓图像;这些图像可用于估计姿势误差，并调整姿 势以匹配物体的方向。在黑暗的深水环境中，声纳可以代替水下摄像机使用。机械手可用于非圆柱几何形状，但物体和机械手的强度和尺寸都需要重新计算，提升的稳定性也是如此。该深水打捞机械手的进一步工作包括机械师的机械分析和有限元分析（B局部）；雄爪和母爪的闩锁几何形状优化（C部 分）；涡流激发振动对提升过程中稳定性的影响分析（D局部）等2.打捞机械手的设计要打捞的物体通常包括深潜飞行器的残骸，航空航天航母和其他大型和重型设备。由于速度和方向的变化，物体以不确定 的位置和姿势落到海底，有些甚至落入泥土和沙子中23。操作环境是潜水员无法进入的深水。影响操作的因素包括位置和姿态 不确定性、水下能见度、密封性能、海流和系统可靠性。通常，在机械手的设计和操作中需要考虑待打捞物体的姿势，结构甚至损坏。对于潜艇和其他水下航母，有必要了解其框 架结构和舱室布局，以评估水下航母在打捞作业过程中的稳定性和浮力，并对结构强度和进一步破坏趋势做出准确的估计24。2.1,要求设计要求包括一般要求、基本要求和其他要求。（1）一般要求：原型应适合快速打捞，本钱低，维护性好，支持深水快速打捞研究。该原型可与通用起重机船一起使用，并且与回收系统和脐带电缆具有良好的兼容性。（2）基本要求：假设要打捞的物体是圆柱形的，直径为2 m,长度为10 m,重量不超过80 t。水下作业深度为1000米。打捞机械手在陆地上的总重量不超过2吨。机械手应适应物体在水平方向±10。范围内的姿势，以及轻微的轮廓变形。（3）附加要求：结构简单轻便，装配拆卸方便，同时保证强度和刚度满足打捞工作的最低要求。机械手应自平衡，以确保平稳运行。定位和导航功能适用于复杂的地形和黑暗环境。22函数根据设计要求，打捞机械手应具有握持、爪对、锁、姿态调节等功能。如图1所示，机械手由一个升降底座，两个用于握 持的手臂和两个用于对接和锁定的爪子（公爪和母爪）组成。图1 .操纵器。底座上装有两个臂;它们有两个钱链，可以使用液压缸翻开和关闭。两只爪子沿着手臂上的弧形导轨伸缩。机械手的参数如表1所示。表1 .机械手的参数。2.2.1. 持有水下作业机械手广泛用于水下勘探，特别是用于采样抓取。由于其结构简单，机械手的夹紧性能好，对打捞物体的损坏程度低。同时，制造和维护本钱也相对较低。图2a （夹钳型）和图2 b （手型）显示了两个典型的机械手。(a)(b)图2.典型机械手：（a）夹钳式和（b）手型。夹具类型由两个臂/手指组成，由电机或液压缸驱动，如图2a所示。广泛应用于生产，如中国圆通分流水线机器人、管道 夹紧机、重型锻造机械手等。手型是具有五个手指的仿生设计，如图2b所示。与手式相比，夹具式结构简单可靠。夹具类型大大降低了维护和制造本钱，特别适用于重型操作。夹具式广泛应用于海洋 工程，如ROV, AUV,采矿车辆，挖沟机等。表2总结了两种机械手类型的比拟。表2.两种类型的机械手的比拟。对于打捞机械手原型，考虑到待打捞物体的圆柱形几何形状，采用两个弧臂的夹紧式概念。在表3中，列出了电弧夹式机械手的参数。表3.圆弧夹式机械手规格。对接和锁定为了保持可靠性，需要对接和锁定。如图3所示，傅C7设计的水下航行器打捞机械手采用绳索进行打捞，并提出了单轨对接和双轨对接两种策略。这两种 策略都需要一个或多个弧形轨道来克服海底泥浆对接和锁定的阻力。图3.水下航行器打捞机械手的两种策略。（a）单轨对接战略和（b）双轨对接战略。单轨对接的成功取决于爪子的位置精度。当爪子无法进入正确的位置，或者物体不是好的圆柱形时，对接失败。与单轨对接相比，双轨对接不受两只爪子旋转角度的影响。然而，由于钢轨延伸时间长，在这两种对接策略中，如何保证 钢轨穿透海底泥浆后的对接精度问题并未得到考虑。在目前的研究中，雄爪和雌性爪同时伸展，两只爪子的对接和锁定在机械手的底部完成。表4给出了与单轨和双轨策略的 比拟。表4.导轨对接和底部对接的比拟。插件锁的概念采用在这种对接和锁定机制中;一边是雄性爪子，另一侧是雌性爪子。手臂闭合后，雄爪和母爪由液压缸沿 着弧形导轨驱动，并在机械手底部伸展，直到对接和锁定完成。母爪配有弹簧加载的回溯式闩锁，公爪配有固定闩锁。电阻式闩锁和固定闩锁如图4a所示。当固定闩锁接触回退式闩锁时，可沿固定闩锁的坡口向下按压反式闩锁。当雄爪和 雌性爪子移动到指定位置时，反闩锁再次弹出，雄爪和雌性爪子被对接并锁定。在同一张图片中旋转螺母可以使反行程闩锁缩 回以解锁。Armt o|xnt（ig and approxhin*（lampinxButt and lockingLihinx图4.对接锁紧机构的工作原理和过程：（a）锁锁原理和（b）机械手的工作原理。为了确保对接和锁定的成功，本研究需要并测试液压缸的同步运动。液压系统如图5a所示，它由公爪和母爪、液压缸、 平安阀和供油系统组成。液压缸参数列于表5中。(b)图5.爪子的同步运动：（a）液压系统和（b）控制流程图。表5.爪尖参数。控制流程图如图5b所示。雄爪和雌性爪子沿着弧形导轨伸展，以完成对接和锁定，并在解锁后向后拉回。有两种典型形状的爪尖可供选择，如图6a （锥形尖端）和图6b （楔形尖端）所示。锥形尖端适用于挖掘软土，比楔形尖 端更有效。楔形尖端的生命周期优于锥形的。楔形尖端焊接在雄爪和母爪的前部，可用于硬土。(a)(b)图6.典型的爪尖：（a）铺形尖端，（b）楔形尖端。楔形尖端在爪子的当前设计中采用。液压缸由电磁阀控制，速度可在运行过程中设定。爪尖参数如表5所示。2.2.2. 姿势和位置调整机械手的水下姿势和位置可以通过推进器进行调整，以便与物体的方向对齐。调整由操作员在支撑船上手动控制，根据机 械手上的摄像头或声纳提供的反应图像。有两种典型的推进器可供选择：水射流推进器和螺旋桨推进器。水射流推进器适用于浅水作业。螺旋桨类型是深水区打捞 机械手的更好选择。在目前的机械手设计中，推进器采用直流无刷电机驱动的通道桨叶。通道桨式推进器可以向前和向后操作。四个推进器对称布置在机械手外部,如图7所示。带有四个推进器的机械手如图8所示。电机的电源为500 VDC和15 kw, 控制和PWM信号的电源为24 V和2.5 kWc控制器从电子舱接收命令，然后分别通过四个推进器的四根水下电缆生成四种不同 的电压和PWM速度信号。控制器通过RS-485接口与地面控制计算机实时通信。图7.推进器布置图。I mbihcal图8.带推进器的机械手。推进器输出与机械手运动的关系如表6所示。表6.推进器输出与机械手运动之间的关系。推力由机械手周围安装的四个液压螺旋桨产生，实现短距离运动功能，如图8所示。推进器规格列于表7中。表7.推进器规格。23附加功能需要其他功能来支持操作，包括感知、定位和导航。感知系统以及定位导航系统如图9所示。支撑船舶定位系统包括动态定位系统（DPS）、检测系统（DS）、船舶定位系 统（SPS）和超短基线（USBL）,如图9左侧所示。DPS和SPS检测船舶在选定坐标下的位置，USBL可以检测机械手相对 于船舶的位置。X'esid Position Mslrm图9.感知系统和定位导航系统。感知系统包括电视系统、图像声纳、姿态指示器和深度计，如图9右侧所示。电视系统为操作员提供实时视频和图像。图 像声呐用于检测电视系统视线范围之外的地形，以确保机械手在发射和水下操作中的平安性。姿态指示器和深度计将高度和深 度继电器到定位和导航系统，以控制机械手的运动方向和姿态调整。定位和导航系统如图9所示。这些功能是根据感知系统和船舶定位系统的反应来实现的。24设计过程设计过程如图10所示。根据给定的尺寸和物体重量，选择手臂和爪子的尺寸和材料，并为FEA创立3D模型。如果强度 不够，请更改臂和爪的尺寸或材料，并重做FEA,直到强度足以满足给定的载荷。确定臂和爪子的尺寸和材料后，选择执行器, 包括气缸和推进器。