水下機器人的海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)

1、水下機器人的海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)Hiroshi YOSHINADA, Taku YAMAZAKI, Tatsunori SUWA,Toshihisa NARUSE 和 Hideo UEDAReserch DivisionKOMATSU Ltd.1200 Manda, Hiratsuka-shi, rKanagawa,254, JAPAN摘要：潛水機器人的海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來。這個系統(tǒng)包括一個高壓軸向柱塞泵，流量控制伺服閥和用來使約束流量運動的執(zhí)行機構(gòu)，而且這個系統(tǒng)可以非常有效的使?jié)撍畽C器人小型化。為了確認(rèn)這個系統(tǒng)的全部特性，建立了一個為水下工作的遠(yuǎn)程操作器。操作器控制系統(tǒng)是依據(jù)主人

2、閥思想，還帶有些電子控制技術(shù)使操作簡單。通過水下操作實驗海水液壓系統(tǒng)的所有特性和機器人模型的工作表現(xiàn)都被證實足夠用于實際。、簡介 液壓系統(tǒng)作為潛水機器人的能量系統(tǒng)是非常流行的。如果這個系統(tǒng)應(yīng)用海水作為液體，那么將對潛水機器人更有益。因為這個系統(tǒng)也就是海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)可以消除液壓油的額外重量。沒有笨重的液壓灌，管道系統(tǒng)和機械運動的潤滑油膛提升了潛水機器人的移動性。海水低粘度高壓縮的特性為水下執(zhí)行機構(gòu)提供了較高的效率和良好的控制性能。另外海水十分干凈和安全，因為不可能發(fā)生油污染和意外火災(zāi)。但是海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)有幾個問題。海水具有腐蝕性和磨損性，而且海水較低的粘度（大約是油的1/30）使組件

3、內(nèi)部巨大的泄露。 盡管有這些問題，目前一些海水液壓系統(tǒng)已經(jīng)被報道，就像1中提到的。但是這些系統(tǒng)的額定壓力和效率不是很高，也就是說液壓能量系統(tǒng)高能量密度的特點沒有被最好的利用。 這篇文章介紹了一個用來解決這些問題的高壓力高效率的海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)得以實行，這個系統(tǒng)由一個軸向的柱塞泵、流量控制伺服閥和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。而且還使用這些海水液壓構(gòu)件構(gòu)建了一個帶有遠(yuǎn)程壓力技術(shù)的遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。.海水液壓執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)A 液壓泵圖1展示了海水液壓泵的結(jié)構(gòu)。主要的結(jié)構(gòu)是參考常見的油壓軸向柱塞泵。內(nèi)部零件被用于其它組件最惡劣的環(huán)境中。為了避免纏繞和磨損保證較低的內(nèi)部泄露，軸承和摩擦零件(活塞、閥門擋板、推力板等

4、)由CFRP、陶瓷或者鍍鉻不銹鋼做成。而且，海水靜態(tài)壓力潤滑裝置也用于這些零件中。使用海水潤滑裝置后，一切油潤滑罐都不需要。獲得的輸出能量的質(zhì)量比是0.65kw/kg，這幾乎是以前使用的油壓泵的四倍。最大壓力為210(300psi),額定流量是35L/min，可獲得的最大效率為92%。圖1 海水液壓泵的結(jié)構(gòu)B 伺服閥伺服閥的流量控制特性是決定操縱器精確平穩(wěn)運動的重要因素之一。因此一個直接驅(qū)動型的芯閥被采用，這個閥是用壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動的。由于這個驅(qū)動器的位移太小無法獲得符合要求的流速，因此采用一個帶有柔性鉸鏈的位移放大裝置。圖2顯示了這個海水伺服閥的輪廓。閥芯的位移通過使用張力測量儀測量回程封

5、鎖彈簧的彎曲張力測得。額定流量為4.5L/min,額定壓力為140(2000psi),內(nèi)部泄露不到0.1L/min。頻率響應(yīng)能夠達(dá)到大約200Hz（-90°）。圖2 海水伺服閥的結(jié)構(gòu)C 執(zhí)行機構(gòu)兩種不同種類的執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)已經(jīng)成熟。一種是偏心葉片式馬達(dá)，另一種是橡膠肌肉式執(zhí)行機構(gòu)。1）用于機器人手臂的偏心葉片馬達(dá)：作為機器人手臂的驅(qū)動器，良好的控制性能是依靠線性扭矩特點和較高的效率。圖3為已經(jīng)成熟的偏心葉片馬達(dá)略圖。考慮到應(yīng)用海水作為液壓流體，內(nèi)部泄露和機械連接零件的摩擦是嚴(yán)重的問題。因此特別設(shè)計了葉片的密封裝置用來減少內(nèi)部泄露和摩擦。馬達(dá)的主體部分是用較輕的鈦或者鋁合金做成的，并且軸

6、承是用陶瓷制成的以減輕質(zhì)量。 這個馬達(dá)具有高達(dá)13kgm/kg質(zhì)量比的輸出轉(zhuǎn)矩，并且在額定壓力140（2000psi）下產(chǎn)生足夠的輸出扭矩19.2kgm，這足以直接驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)。扭矩的傳遞效率超過90%。2）用于機器人手腕和手指的橡膠肌肉執(zhí)行機構(gòu)：橡膠肌肉式執(zhí)行機構(gòu)被稱為McKiben人工肌肉，在圖42是這種驅(qū)動器的略圖。人工肌肉式由薄橡膠管制成，橡膠管由合成光纖做的十字繩索纏繞。受壓液體被壓人管中，在十字繩索的作用下管由膨脹變?yōu)槭湛s。人工肌肉質(zhì)量很輕，大約為5g。在額定壓力20(286psi)下，收縮壓力為50kg。這個驅(qū)動器用于機器人的手腕和手的機械裝置，以用一個回程彈簧互拉的原理工作

7、。圖3 偏心葉片馬達(dá)的結(jié)構(gòu)圖4 橡膠肌肉驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)D 海水液壓系統(tǒng)的伺服特性為了了解這些構(gòu)件的基本特點，建立了圖5所示的位置反饋伺服系統(tǒng)，并且做了實驗。圖6顯示了靜態(tài)和動態(tài)特點：圖5 海水液壓伺服系統(tǒng)1） 偏心葉片驅(qū)動器：定位精確度和響應(yīng)速度與油壓系統(tǒng)的相同。2） 橡膠肌肉驅(qū)動器:位移信號上小的震動是由于一個小負(fù)載單元上的噪聲。對階梯響應(yīng)來說，拉伸的靜態(tài)決定時間比彎曲的長很多，因為橡膠肌肉內(nèi)的壓力由于管阻變小的不快。圖6 基本特征.遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)圖7是這個系統(tǒng)的簡要原理圖。在較遠(yuǎn)的位置，在盛滿人造海水或者生水的水罐里放著一個由胳膊和手組成的機器人。海水伺服閥和驅(qū)動器安裝在手臂上。一個泵裝置（泵

8、本身和電子馬達(dá)）在灌中吸水并給水加壓。高壓流體被注入機器人中。機器人控制器在操縱者一邊。人類操縱員通過精確的儀器控制機器人，這個儀器通過視力照相機從水下獲得視覺的信息和通過機器手獲得的觸覺信息。下面是水下遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)個部件的詳細(xì)信息。圖7 遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的實驗結(jié)構(gòu)A.機器人的硬件 圖8顯示機器人的外形和關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。圖8 機器人模型 1）手臂： 這個手臂有七個類人類的自由度。其中四個用來定位，其他用來定向。對于定位來說四個自由度是多余的，因此機器人可以用適當(dāng)?shù)淖藙菰趯掗煹墓ぷ骺臻g接近物體。因為沒有直角關(guān)節(jié)（第二和第四關(guān)節(jié)），所以手臂的外形比較苗條，從而減小液體阻力。手臂結(jié)構(gòu)為骨骼型可以減輕重量，并

9、且維修方便。馬達(dá)主體部分和閥塊被設(shè)計成構(gòu)成骨架的一部分。構(gòu)成材料全為鋁合金，且其表面覆蓋氧化物和聚四氟乙烯防止海水腐蝕而起到保護作用。像位移傳感器或者伺服閥這樣的電子部件放在防水的容器中，電線通過氣動連接器放在氣動導(dǎo)管中。2）機器手：機器手是機器人的重要裝置，可以在水下接觸，抓，操控物體。因此為了代替潛水員的手來實現(xiàn)高水平的任務(wù)，就要求多功能性和靈敏性。從直接遠(yuǎn)程操作控制，也需要人類操作員來掌握機器手和目標(biāo)之間的相對位置。考慮到這些問題，一個模擬人手形狀和功能的有指機械手就被采用了。但是從手的原理和控制的復(fù)雜程度模擬手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量是非常難的也是不現(xiàn)實的。因此手指的數(shù)量定位三個（拇指、食指和中

10、指），因為這是實現(xiàn)操控和穩(wěn)定抓住不同形狀目標(biāo)的最小數(shù)量。圖9是成熟的三指機械手的一個關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。其中的七個關(guān)節(jié)是由操作員靈活控制的，七個是拇指的三個關(guān)節(jié)和另外兩個手指的中間和下面關(guān)節(jié)。剩余的關(guān)節(jié)為適應(yīng)目標(biāo)而彎曲。執(zhí)行結(jié)構(gòu)也就是橡膠肌肉驅(qū)動器安裝在手掌，并且每個關(guān)節(jié)都由連接鏈驅(qū)動。這些關(guān)節(jié)的收縮由人工肌肉完成，伸展由回程彈簧完成。每個關(guān)節(jié)的收縮角度通過用一個小的負(fù)載單位測量回程彈簧的收縮壓力來測得。一個關(guān)節(jié)的收縮轉(zhuǎn)矩最大為0.3kgm，足夠用于實際應(yīng)用。每個手指尖都是應(yīng)用帕斯卡原理的觸覺傳感器。指尖主要部分安裝一個小型的壓力傳感器，傳感器被包裹在由橡膠管做成的空腔內(nèi)。這個腔內(nèi)裝滿水。當(dāng)手指尖接觸物

11、體，水的壓力隨著接觸壓力按比例增長。圖示是這個成熟的三指手的外形圖。這個手在形狀和重量上和一個成年男性的手相似。長度（從指尖到掌跟）為200mm，質(zhì)量為600g。圖9 機器手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖10 三指機器手B. 控制系統(tǒng) 圖11是遠(yuǎn)程機器人的控制系統(tǒng)的功能模塊圖。圖12為操作員的工作間。圖11 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖12 操作員工作間略圖圖13 手套型控制器1）人機接口：操作員可以使用三個不同的主要設(shè)備來控制機器人手臂。其中主要的操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)與從動裝置的不同，用來減少操作者的約束。第二個是應(yīng)用電磁結(jié)合的三維數(shù)字控制設(shè)備，用來放松操作者的胳膊和手。另一個是操作者用來給從動裝置發(fā)出指令的鍵盤。操作者根據(jù)機器

12、人的工作情況從中選擇合適的控制裝置。為機器手設(shè)計了如圖13所示的手套式控制器。操作者每個關(guān)節(jié)的角度都將被測得，這是通過測量貼在手套合適關(guān)節(jié)位置上不銹金屬薄片的彎曲壓力而獲得的。人類操作員以200Hz震動的形式從機器人手感覺觸覺信息。這個是通過貼在手套每個手指上的活動的線圈型小型螺線管實現(xiàn)的。振動的振幅與接觸機器手產(chǎn)生的壓力成比例。此外上文提到的三維數(shù)字控制器安裝在主要手套的背面。這個主控制器為三個從動手指的合作提供了簡單的操作，因為機器手和操作員的手的每個動作都直接聯(lián)系在一起，操作員的手幾乎沒有約束。視覺信息由安裝在機器人頭上的水下視覺照相機傳送。通過視覺信息，操作員能夠迅速識別和判斷機器手和

13、目標(biāo)之間的關(guān)系。2） 控制器：控制器主要由三個計算機組成：其中一個32位計算機被用于上級控制器。這個計算機控制主人設(shè)備和處理命令數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)坐標(biāo)位移的計算也是由這個計算機負(fù)責(zé)。此外，作為一個人機接口，機器人為操作者提供水下機器人的狀態(tài)信息。另一個32位單元作為機器人手臂的伺服控制器。最后一個16位計算機用來控制手套控制器和三個手指的手。這三個電腦被連在相同的界面。位置反饋被主要的應(yīng)用，操作者可以根據(jù)工作環(huán)境改變手臂的服從。所有的程序都被寫成C語言。機器人手臂的抽樣周期大約為3毫秒機器手的大約為7毫秒。C.運行測試結(jié)果為了測試機器人手臂和手的可控制性，巨大的閥門把手被握?。▓D14）。手臂和手的

14、結(jié)合運動運行正常。盡管機器手臂沒有力和扭矩的傳感器，軟化的手臂服從提供了一個簡單的操作。三手指手的靈巧程度和手套型操控器的效果在圖15中顯示，小閥門把手操作。三個手指的組合運動工作的非常順利。這些操作很容易實現(xiàn)由于某些遠(yuǎn)程控制設(shè)備，像人體結(jié)構(gòu)手原理或者帶有觸覺傳感和水下視覺照相機的手套控制器。尤其是在某些物體堵塞了水下視覺以至機器人不能直接觀察到手指和目標(biāo)的關(guān)系時，觸覺信息增強了操作功能。當(dāng)然這些成功的測試顯示了海水液壓機器人系統(tǒng)的良好性能。圖14巨大閥把手操作圖15 小閥把手操作. 總結(jié) 這篇文章報告的技術(shù)覆蓋許多領(lǐng)域，總結(jié)如下：（1）新的驅(qū)動器系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來，也就是由泵、伺服閥和驅(qū)動器組

15、成的海水液壓驅(qū)動器系統(tǒng)。這個能量系統(tǒng)的所有特性已經(jīng)確認(rèn)完全滿足實際應(yīng)用。（2）遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)（上文這樣提到了）也建立了。通過連續(xù)測試，這個系統(tǒng)令人滿意的表現(xiàn)也得到確認(rèn)。參考文獻(xiàn)1R. C. Horn, "Seawater Hydraulic Manipulator Boom for RUM 111", ROV 83 conference Proceedings, 1983,pp. 60-65.2H. F. Schulte Jr. "The characteristics of the McKiben Artificial Muscle", The application of External Power in Prosthetics and Orthotics,1960, pp.94-115.3T. Naruse, "Seawater Hydraulic Actuator System for Subsea Manipulator&quo