水下机械手
七功能作业机械手的设计与优化
国外商用Ｒ 机械 手产 品 中较 为常 见的有 美 国Ｓ ｈｌｎ 公 司的Ｏ ｉ 、Ｃ ｎ ｎ ｇ ｓ ｒＤ ｐ ｒｓ ＯＶ ｃ ｉｉｇ ｌ ｒ ｎ ｏ ａ 、ｉ ｔ ￣ Ｓ ａｅ ｏ ｍａ ｅ Ｋｉ ｔ ；加 拿大ＩＥ Ｓ公 Ｍａ ｎ ｍ ～７ ；美 国ＷＳ ｇｕ ３ Ｆ ＆Ｍ公 司Ｔ ｅ ｒ ６ 及ＭＫ ７Ａ 等 。我 国研制 与生产 的 ｈ ｍ ６ Ａ ３ ｒ ｍ
１ 水 下机 械 手 相 关技 术 发 展现 状
水下机 械手 的设计 主要考 虑其作业 水深 、驱 动源 、控制方 式等 。其 驱动方 式有 电力驱 动 、电液混 合驱 动 、液压 驱动３ 种方 式 ；液压 驱动 的优点是 功率大 、体积 小 、结构紧 凑 、操 纵灵 活， 可在一 定范 围
２１水下机械 手 的运动 学分析 ．
通过 分析卡 爪 、腕部 、肩 关节 、肘关 节 的动 作 ，将各 关节 主要 结构简 化为 杆组 ，建立 各主要 关节 的机 构运 动简 图，如 图 １ 图５ 至 所示 。
图１ 卡 爪 机 构 运 动 简 图
图２ 腕 部机 构运 动 简 图
图３ 肩 关 节 俯 仰机 构 运 动 简 图
机械手 各关 节液 压动力 由Ｒ Ｖ提供 ，受深 水工 作环 境局 限 ，液 压动 力源要 求简 单可靠 ，因此 ，在 Ｏ 保 证机械手 设 计要求 的基础 上 ，一 般要 求驱 动各关 节运 动 的液 压缸耗 能最 少 ，为此 ，选取驱 动关 节运
动 的所需 的最大 负载 为优化 设计 的 目标 函数 ，即通过 合理 配置各机 构 杆件尺 寸参 数 ，从而 使得 关节工
七功 能作 业机 械 手 的设计 与优 化
曹 为 ，付剑 波
（ 海洋石油工程股份有 限公司，天津 ３ ０ ５ ） ０ ４ １
【国家自然科学基金】_海洋机器人_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 通信协议 硬件系统 焊接自动化 水面机器人 动力学建模 保护电路 便携式水下机器人 零航速减摇鳍 附体 近水面 运动模式 运动控制器 软体机器人 路径规划 跟踪策略 贴接式管道接头 船舶领域模型 船舶避碰 航向控制 自治水下机器人 自动排道 自主水下航行器 脑电信号 管道铺设 移动式焊接机器人 碰撞危险度模型 盲源分离 目标探测 球形单元 环境本体模型 环境感知 特征域 物理建模 焊接质量 焊接系统 焊接技术 湿法水下焊接 海洋试验 海洋特征 海洋机器人 海洋平台导管架 海洋工程 水柱影像 水下自重构机器人 水下焊接 水下激光 水下机器人 横摇减摇 模拟系统 模块化 柔性轨道 最小相依成分分析
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
2011年 科研热词 机器人 水下机器人 减摇鳍 非定常面元法 遗传算法 道路图像 近程危险规避 近水面 轴线 超声波测距 能量优化 终端滑模控制 积分变结构控制 目标优化 电子海图 海洋资源 流体动力性能 水面无人艇 水下滑翔机 水下机械手 标定 柔性尾鳍 智能潜水器 旋涡 方柱 数学模型 支持向量机 摄像机 掩图 推进性能 接近觉 弧线法 弦向变形相位角 平板 干扰 差值细胞神经网 定位 复杂海洋环境 参数辨识 动态窗口法 全局路径规划 低功耗 伪中值滤波器 仿生机器鱼 μ c/os-ii rans方程 arm7 推荐指数 4 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究
华中科技大学博士学位论文二阶非完整性水下机器人的路径跟踪与协调控制研究姓名：向先波申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：黄心汉2010-06-02华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文摘要21世纪是海洋的世纪，日益增长的海洋开发需求，以及自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)技术的快速发展，使得欠驱动水下机器人已成为AUV家族的重要成员和海洋探测开发的重要工具。
欠驱动水下机器人属于二阶非完整性系统，且具有本质上的强非线性，其运动控制问题非常具有挑战性。
因此，二阶非完整性欠驱动水下机器人的非线性运动控制研究具有重要的理论价值和实用价值，已经成为水下机器人控制领域的热点问题。
本文深入分析了国内外关于二阶非完整性水下机器人运动控制方面的研究成果，并总结了所存在的问题，在此基础上完成了二阶非完整性水下机器人的路径跟踪控制，并对基于路径跟踪的机器人编队协调控制进行了研究。
主要研究内容如下：首先，简要介绍了非完整性系统，比较了路径跟踪与轨迹跟踪各自的特点，选择了建立路径跟踪误差动力学的合适方案。
以一阶非完整性移动机器人为研究对象，深入探讨机器人路径跟踪控制的设计方法，在Serret-Frenet移动坐标系下，提出基于虚拟参考目标点“协作式”路径跟踪的控制策略，完成具有“时空解耦”特性的控制器设计。
其次，建立水下机器人运动学、动力学模型，基于一阶与二阶非完整性系统运动控制的部分相似性，借鉴一阶非完整性机器人路径跟踪的控制策略，实现二阶非完整性水下机器人的三自由度全状态欠驱动路径跟踪控制器，并解除了普遍存在的角速度持续激励的路径跟踪限制条件。
通过引入建立在Serret-Frenet移动坐标系且可随路径曲率自适应变化的视线角，将其由传统的船舶直线路径跟踪，扩展到水下机器人曲线参考路径的跟踪控制。
采用“视线角导航”和“位置”分步设计，简化了路径跟踪控制律。
无人有缆遥控水下机器人ROV( Remote Operated Vehicles)研究综述
无人有缆遥控水下机器人ROV（Remote OperatedVehicles）研究综述摘要：无人有缆水下机器人ROV，是一种工作于水下的极限作业机器人，是海洋开发和水下作业的重要工具。
本文简要回顾了无人有缆遥控水下机器人ROV的发展历史，概述了各国在ROV领域的研究成果，以及ROV在各个行业的应用和发展趋势。
关键词：无人有缆，机器人，ROV一、引言21世纪是人类向海洋进军的世纪。
深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上竞争的焦点之一。
水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中的作用。
本文将对无人有缆遥控水下机器人ROV研究开发现状和发展趋势作一综述。
二、简介无人遥控潜水器（Remote Operated Vehicles,ROV），也称水下机器人。
一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作,又称潜水器。
水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
它的工作方式是由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
无人遥控潜水器的发展非常迅速，从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。
特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90％以上是直接，或间接为海洋石油开采业服务的。
1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110％。
这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
水下机器人——过去、现在和未来
水 机 人 一 、在 未 下 器 一 过去 现 和 来
文献标 识码：Ｂ 文章编 号：１０ —０ ９ （０ ２０ ０ ３ ４ ２２ ０ ）３—０ ５ ０ ６—０ ３ 中图分 类号：Ｔ ２ ９ Ｐ ４
科普 园地
水 下机 器 人
— —
过 去 、 现在 和 未 来
一
水下机器 人 的种 类很多 ，其 中载人潜水 器 、有 缆遥控水下机器人（Ｏ ） Ｒ Ｖ 、无缆水 下机器人 （ Ｕ Ａ Ｖ） 是 三类最重要 的潜水 器 。回顾水 下机器人 的发展历 史，我们从 中可 以看到人类征服海洋的进程。 最 早 出现 的潜 水 器 是 载 人 潜 器 ，这 是 人 们 在 设 计潜水 球和潜艇微 型化 的基础 上研 制 出来 的 ，主要 是替代潜水 员在深 海 中进行潜水 作业 ，可进 行海洋 考察 、打 捞 、水 下作 业和救 生。其 排水量 从几吨到 几 十 吨 ，航 速 为 １ ２５米／ ，下 潜 深度 为 几 百米 到 ￣． 秒 万米 。 在 载 人 潜 器 上 有 密 封 的 载 人 舱 室及 生命 保 障系统 ，可乘 坐 ２ ３人 ，还有供 观察用 的窥视 窗， — 潜水人 员坐在耐压舱 内通过视 窗对海底世 界进行观 察 ，同时潜水器 内还 带有各种测量仪器 、通讯设备 ， 并可 以携 带 １或 ２个机械 手。图 １为早期 的载人潜 器 示 意 图。 图 ２为 法 国 的 Ｎａｔｅ载 人潜 器 。 ｕｉ ｌ
水 机人 一 去现和 来 下器 一过 、在 未
有 无 电 缆 连 接 将 其 分 为 有 缆 遥 控 水 下 机 器器 Ｒ ｍｏ ｌ ｐｒ ｅ Ｖ ｈ ｌ ｅ ａｄ ｃｓ Ｏ ）
人（ ｕｏ ｏ ｕ ｎ ｅｗａｅ ｅ ｉｌ，ＡＵＶ 。Ｒ Ａ ｔｎ ｍｏ ｓＵ ｄ ｒ ｔｒＶ ｈｃｅ ） ＯＶ 通
六自由度液压驱动机械手液压及电控系统设计
六自由度液压驱动机械手液压及电控系统设计摘要随着科技的不断发展和进步，液压系统在各种领域上得到了广泛的应用。
因为液压系统体积小、重量轻、精度高、响应速度快、驱动力大、调速范围宽、寿命长和易于安全保护等优势，液压系统必然成为工程机械、各种机床和国防尖端产品等领域的主流技术。
所以液压系统的研究和应用也将成为今后科学技术发展的趋势，并有很大的发展空间和需求。
对于六自由度水下机械手的技术分析和对于设计的要求，本文设计了一种液压驱动六自由度机械手的液压与控制系统。
设计时，必须从实际情况出发，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、修理和维护方便的液压传动系统。
本文介绍了国内外水下作业机械、水下作业系统、常用的水下机械手的发展现状，整理并总结了国内外水下机械手的发展状况，提出了水下搬运机械手运行的思路,设计出水下液压机械手的液压传动控制系统，并对主要的技术参数进行了计算和校核。
本论文主要完成了如下工作：（1）六自由度液压驱动机械手的液压系统总体方案的确定与分析设计。
（2）六自由度液压驱动机械手的液压及其电控系统的分析设计。
（3）六自由度液压驱动机械手控制阀箱单向阀、减压阀、液控单向阀和电磁换向阀等元件的选型及分析计算。
（4）液压控制阀箱结构设计及液压控制阀箱零部件及油路块装配体的三维建模及二维图绘制。
（5）PLC控制系统的机型选型及编程。
关键词：六自由度水下液压机械手控制系统第一章前言1.1 选题背景、研究意义选题背景人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。
另一个重要原因是，占地球表面积 49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。
但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。
因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。
水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是不言而喻的。
水下航行器发展现状及未来趋势分析
05
未来发展趋势
技术发展方向预测
高效推进系统
研发更高效、更稳健的推进系统，提高水下航行器的 机动性和续航能力。
自主导航与避障
加强自主导航技术和避障系统的研发，提高水下航行 器的安全性和可靠性。
新能源技术应用
探索将新能源技术应用于水下航行器，降低能耗，提 高环保性。
产业发展方向预测
集群化发展
水下航行器产业将朝着集群化方向发展，形成完整的产业链和产业 集群，提升产业竞争力。
鼓励创新和产业升级。
推动产学研合作
02 积极推动企业与高校、研究机构的合作，加强技术创
新和人才培养。
规范市场秩序
03
加强对水下航行器市场的监管，规范市场秩序，促进
产业健康发展。
国内外政策比较分析
相似之处
各国政府都重视水下航行器的发展，并从政策层面给予支持和引 导。
差异之处
国外更注重科研投入和技术交流，而国内更注重产业发展和市场 规范。
和企业进行技术研发和创新。
03
拓展应用领域
除了传统的海洋资源开发和军事侦察等领域，水下航行器还可以应用于
环保、海洋科学研究等更多领域。因此，需要拓展水下航行器的应用领
域，以促进其进一步发展。
THANK YOU
感谢聆听
能源效率是关键
对于长时间、远距离的水下航行，能源效率是关键。目前 ，大多数水下航行器的能源主要来源于蓄电池或燃料电池 。
通信与导航是难点
由于水下环境的复杂性和特殊性，通信和导航一直是水下 航行器的技术难点。目前，大多数水下航行器主要依靠声 纳进行导航和通信。
研究不足与展望
缺乏深度研究
目前，针对水下航行器的研究还不够深入，尤其是在能源效 率、通信和导航等方面的研究还有很大的提升空间。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由于水平有限，设计中出现的错误，请老师同学们 批评指正，给予指导。
谢谢！
2、爪部设计的计算
（1）连杆的计算
（2）爪部电机的选取
（3）丝杠的选择和自锁的检验
（4）校核
机械手整体
机械手在几个特殊位置的示意图
工作总结
1、工作完成情况
（1）、完成机械手的结构设计
（2）、绘制工程图19张
（3）、撰写毕业论文
（4）、完成毕业设计的其他要求
ห้องสมุดไป่ตู้
2、收获
（1）、初次涉及水下工作环境，加深了水下机器的认识
5、撰写设计说明书
方案设计
1、关节形式分析
为了实现多个角度的抓取功能，
采用三个关节均为转动关节的形式，
其中肩关节和腕关节在X-Y平面中运
动,肘关节在Y-Z平面中运动。 R-x=640mm，R-y=440mm，R-z=440mm
2、结构布置
本机构由电机驱动，由于整个机械手的工作环境为水 下，所以电机和整个传动部分安装在机械手内部。
整轴：受力较好，容易对中，密封件受力均匀，磨 损少，密封效果好;缺点是齿轮间隙不容易调整。 由于密封性的要求,本文选取整轴安装形式。
2、关节内部示意图
3、关节间的结构
关节间通过前一关节的输出轴与后一关节的连接板
通过键连接,由前一关节带动下一关节运动
手爪结构
1、爪部形式的选取 因为拟设计手爪能抓取不同直径的物体，所以爪部结构 选用平面连杆机构。 应满足的条件： （1）足够的夹持力； （2）手爪的开闭程度； （3）定位 （4）强度刚度
3、关节最大力矩确定并选取电机
设计的机构是低速运动，同时，肩关节和腕关节提 供的是在水平空间中的运动力矩，肘关节提供在垂直空 间中的运动力矩，分析出电机最大驱动力矩在肘关节上， 属于单关节的力矩分析，因此在本文中采用静力学方法 计算。
计算后选取电机型号。
手臂部分结构
1、轴的安装形式比较选择
半轴: 安装调节方便，上下半轴互不影响。缺点是 上半轴承受全部力矩，属于悬臂形式，对中性不好。
水下机械手
课题回顾
现有的水下作业机械手产品,很多情况下功能单一但 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。本任务是对用于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。
工作流程
1、方案的比较和选择
2、计算和校核
3、结构及零部件的设计
4、装配检查