舰船补给对接调整机构的构型综合

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恶劣忽下实施海上补给对接，浮体间存在着复杂的相对位姿变化n卫，对接成功实施的核心问题就是用对接调整机构来动态实现对接头与喇叭口间的位姿-致性，从而使油料补给得以顺利进行。由于浮体承载能力有限，而对接过程又要求特定的可控自由度，故合理选用对接调整机构的构型是成功解决油管对接问题的关键。

1 海上补给过程分析由浮体运动学分析可知，补给过程中由于海浪和海风等因素的随机性，浮体间存在不可控的相对位姿关系，且这种位姿变化将持续发生在整个对接过程口。若刚性约束浮体间的相对位姿，会在约束方向上对机构产生巨大的力或力矩，其结果必然导致构件损坏，而为了抵抗这种巨大的力和力矩而-味加强构件强度，其结果必然导致对接机构的体积与重量急剧增大。故必须通过特定机构调整对接头与喇叭口间的相对位姿关系，以满足补给要求。

针对补给中实现油管对接的难题，本文对纵向补给中对接调整技术展开研究，如图1(a)所示，即借助于桨和舵使主动浮体靠近被动浮体后，寻求对接头与喇叭口间实现位姿调整机构 (即对接调整机构)的可行构型。

< 二(a)纵 向补给不慈 图 (b)网架式浮体照片1.油管绞盘；2.6号油管；3.被动浮体；4.对接系统；5.主动浮体；6.桨与舵；7.油管绞盘；8.引缆绞盘图I 纵向补给及网架式浮体在补给过程中，根据主从关系可以分成两种情况：1)主动浮体与被动浮体双方均参与主动对接过程。是指双方都针对同-个 目标来调整自身姿态和其上对接机构的运动轨迹，此时，可以将对接调整机构分成两个机构拈，分别安装在各自浮体上，所形成的相对运动为空间6自由度，以满足位姿调整要求，即组合式对接调整机构；2)主动浮体通过调整机构实施主动对接，被动浮体只进行被动对接。是指当被动浮体上不适宜安装对接调整机构时，只在主动浮体上安装需要满足特定可控 自由度要求的执行机构，即单-对接调整机构。

2 对接调整机构组成方案用对接调整机构调节对接头与喇叭口间具有相同的位姿关系，从而保证油管对接顺利实施。

图2给出了对接调整机构组成方案。图2(a)为单-收稿日期：2013-04-17基金项目：黑龙江侍育厅科学技术研究项 目 (12511545)作者简介：于影 (1962-)，女，黑龙江人，教授，工学博士，研究方向为机构学与机器人机械学。

[150] 第35卷 第6期 2013-06(下)务l 匐 化型对接调整机构，即由主动浮体上的对接调整机构调节全部位姿关系。图2(b)为组合式对接调整机构，即将全部输出运动分解为两个互补运动机构，从而实现6自由度的相对运动。

- - 被动浮体 初连接机构 主动浮体 被动浮体 初连接机构 主动浮体(a)单-型对接调整机构 (b)组合式对接调整机构图2 对接调整机构方案依据舰船补给作业的特点，接收舰上的被动浮体不安装调整机构，而补给船上的主动浮体安装有特定的机构以满足位姿调整要求，即采用单- 的全自由度对接调整机构方案。图3给出了对接调整机构方案选择框图。

3 对接调整机构的构型综合3.1机构自由度的分配和分类若设定油管的轴线与对接调整机构系统坐标系的z轴平行，x、y轴的设定符合右手法则〖虑对接头与喇叭口均为回转体，则油管沿Z轴的转动并不影响对接效果，而对接头伸入喇叭口的动作又可由特定伸缩机构实现。综上，油料补给对接调整机构至少需要4DOF。若采用自由度大于4的机构，即用冗余机构来实现海上补给油管对接。

如采用5自由度 (3R2T(xy)型或2R(xy)3T型)，或是6个自由度 (3R3T型)，冗余自由度在机构学控制中能够有效地避免机构的奇异，并扩大机构的运动工作空间。

监图3 对接调整机构方案选择移动(T>与转动(R)为基本运动，依据运动空间又可划分为1维～3维运动。表l给出了基本运动类型的螺旋表示。

表1 基本运动类型螺旋表示移 动 障 动类型 典型螺旋 类型 典型螺旋1T(x) [0，0，O，1，0，0 1R(x) [1，o，0；0，0，01过原 2T(xy) [0，0，0；p，q，0] 点 2R(xy) [，，m，0；0，0，0]3T(xyz) [0，0，0；P，q，r] 3R(xyz) [，，m，n；0，0，0]空间3R(xyz) Z，m，n；p，q，，]依据基本运动类型的不同组合，可将机构末端执行器的自由度划分为l9种基本类型，表2给出了末端执行器的基本运动类型。

表2 末端执行器基本运动类型自由度数 运动类型 运动螺旋 序号0R1T (0，0，0；1，0，0) 111R0T (1，0，0；0，0，0) 20R2T (O，0，O；p，q，0) 31R(x)IT(x) (1，0，0；1，0，0) 4 21R(x)lT(y) (1，0，0；0，1，0) 52R0T (，，m，0；O，0，0) 60R3T (0，0，O；p，q，r) 71R(x)2T(xy) (1，0，0；p，q，0) 81R(x)2T(yz) (1，0，0；0，q，r) 9 32R(xy)lT(x) (，，m，0；1，0，0) 102R(xy)lT(z) (，，m，0；0，0，1) 113ROT (，，m， ；0，0，0) 121R3T (1，0，O；p，q，r) 132R(xy)2T(xy) (，，m，0；p，q，0) 1442R(xy)2T(xz) (，m，0；P，0， ) l53R1T (，m，n；1，0，0) 162R3T (，，m，0；P，q，r) 17 53R2T (，，m，n；p，g，0) 186 3R3T (，m， ；P，g，，.) 19任何机构都可以由表2中指出的各种不同运动类型的单支链组合而成。其中串联机构是由-个运动类型的支链给出，并联机构是由不同运动类.型支链共同连接到运动平台给出的H 。因此，对接调整机构的选型范围包括串联机构、并联机构和混联机构，在这些机构中选取单-机构，或者选择两个能产生相对运动自由度为空间全自由度的机构组合而成。

3.2单-型对接调整机构的构型单-型对接调整机构方案应用于 -方主动和-方被动”的补给方式。满足给定末端执行器运动特性要求的机构，可采用开链、闭链机构形式，其中开链机构即是串联机构，闭链机构即是第35卷 第6期 2013-06(下) [1511务l 訇 似并联机构 。

1)串联机构的构型图4给出6种串联式对接调整机构的构型。对于PPRR型机构，如图4(a)所示，若参考坐标系选在O点，则机构的运动螺旋基系如式 (1)所示∩见，该机构为完全解耦。

焉[1，0，0；0，0，0是o，1，0；0，0，0] (1)焉0，0，0；1，0，O岛[0，0，0；0，1，O对于RPPR I型及RPPR I型机构，如图4(b)及图4(c)所示，分析可知这两种机构均属瞬时机构。

如对于RPPR I型机构，当$2不与x轴重合时，则运动螺旋可表示为：墨O，1，0；0，0，0是：[ooO；P2，0， ]焉[0，0，0；0，q ，0]墨f4，0，n4；P4，q4，r4]该运动螺旋系的基可表示为：so.O，1，0；0，0，0] f02，0，Ho2；Po2，0，0]So3O，0，0；0，q 0so，O，0，0；po4，0， (2)(3)即该机构具有沿Z轴转动与移动的牵连运动。

(a)PPRR型 (b)RPPR I型 (c)RPPR I型龟(d)PCR型 (e)CPR型 (f)CC型图4 6种串联式对接调整机构的构型图4(a)所示的PPRR型机构中的第2个P副($2)与第1个R副($ )线性组合，可得到圆柱C副，IpPPRR型可演化成PCR型，见图4(d)所示，且PCR型机构是完全解耦的。C副的空间不同配置，又可转化为CPR型机构和CC型机构，如图4(e)及图4(f)所示。

CPR型机构和CC型机构均属瞬时机构，当$ 及$ 不与x轴重合时，机构具有沿z轴转动与移动的牵连运动 。

[152] 第35卷 第6期 2013-06(下)若引入沿z轴的转动，tips [0，0，1；0，0，0，则沿x轴及Y轴的移动可由沿Z轴的转动产生，$ 即与式(1)中的$ 及$ 线性组合，可得到(4)0 1 《 [0，，；0，q；，0 、图5给出了2种全R副的串联式对接调整机构的构型。由式 (4)可知，用R副实现P副功能，则引入牵连运动，若输出运动为沿x、y轴向的移动，则引入了绕Z轴的牵连转动，若用3个R副实现沿X、y轴向的移动，则引入了绕Z轴的冗余转动，见图5(b))，即该机构的末端执行器的自由度为3R2T(xy)。分析可知，图5所示全R副机构的运动解耦性较差。

(a)4R型 (b)5R图5 2种全R副的串联式对接调整机构的构型对于图5(b)所示5R机构的运动螺旋系的秩入5，可表示为： O，0，1；0，0，0是O，0，1；p2，q2，0墨[0，0，1；P3，q ，O (5)岛[0，1，O；P4，0，0是[1，0，0；p5，0，O若R。、R 及R 副的轴线共面时，见图6(a)，R。、R 及R 的矢量线性相关，机构的运动螺旋系的秩 入降为4，即：(a)特殊位置 (b)运动不确定图6 5R机构的奇异性分析焉[O，0，1；0，0，0 [0，0，1；p2，q2，0墨0，1，O，P4，0，0墨[1，0，0；p5，0，0](6)则机构处于运动不确定，见图6(b)，故在使用中应避免位置奇异点。

I lI5 化若引入冗余的沿Z轴的移动及绕Z轴的转动，p3R3T型串联机构。从螺旋理论角度上看转动副R除了可以实现转动外，在具有偏置半径r时，其螺旋的次级部分 ×S将不为零，即R副可实现Pgl功能，但P副却无法实现R副的运动特性。通过对运动副的排列组合 ，可得到串联3R3T式机构构型，如表3所示。

表3 串联3R3T式机构的构型组合 排列 常用运动副(P，R，U，S)的排列组合3P3R 3P3R，3PUR，3PRU，3PS2P2RPR 2PRF2R，2PRPU2P3RP 2P2RPR.2PUPR2PRP2R 2P3RP，2PURP，2PRUP，2PSPPR2I，2R PR2P2R，PR2PU3P和3RPRP2RP PRPRPRPRPRPR PRP2RP.PRPUPR2P2RP P2R2PR，PU2PRR2PRPR R3P2R，R3PUR3P2R R2PRPR2P4R 2P4R，2PU2R，2PRUR，2P2RU，2P2U，2PSR，2PRSPRP3R PRP3R，PRPUR，PRPRU，PRPSP2RP2R P2RIr2R，P2RPU，PUP2R，PUPUP3RPR P3RPR，PURPR，PRUPR，PSPR2P和4R P4RP P4RP，PU2RP，PRURP，P2RUP，P2UP，PSRP，PRSPR2P3R R2P3R，R2PUR，R2PRU，R2PSRPRP2R RPRP2R，RPRPURP2RPR RP2RPR，RPUPR2R2P2R 2R2P2R，2R2PU，U2P2R，U2PUP5R，PU3R，PRU2R，P2RUR，P3RU，PR2U，PURU， P5RP2UR，PS2R，PRSR，P2RS，PSU，PUS1P和5R RP4R RP4R， RPU2R，RPRUR，RP2RU，RF2U，RPSR，RPRS2RP3R，2RPUR，2RPRU，2RPS，UP3R，UPUR，UPRU， 2RP3RUPS6R 6R 6R，UP3R，RP3R，2RP2R，2UPR，UP2R，UPRP，RP2R，3U，SP2R，RP2R，RPR，UPR，URP，2S表3中运动链关节的倒序对称重复问题，将其倒序对称的关节排列视为同-构型，如排列RURU和URUR，它们互为倒序，即两机构的构型相同。

其中u副表示轴线相交的两个相SlUR副的组合，S副表示轴线相交于-点的三个相邻Rg1]的组合。

串联机构的构型形式众多，且有些构型的运动解耦性好，但机构的应用还应考虑运动件的可行性，-般R副和P副容易实现运动的输入，但C副、S副、球面子链(RRR)副很难实现运动输入。

串联机构的特点决定了其原动件多数远离机座，承载能力低，且存在累积误差，故应用在航行补给对接调整机构中，会存在-定的困难。

2)并联机构的构型并联机构是由多个单开链支链或混合单开链支链，支链将基座和运动平台连接在-起形成的闭环机构，在不考虑驱动问题时，表3中所有运动副(P，R，U，S)的排列组合的单开链支链原则上都可以作为并联机构的支链。

对于末端执行器为4自由度的2R(Xy)2T Y型对称并联机构，其反螺旋系可表示为 [o，o，l；o，0，0 (7) O，0，0；0，0，1分析可知，若第i支链 (i1～4)的运动螺旋系的秩 4，其反螺旋系也由式 (7)给出。若支链的反螺旋 是空问既不平行也不相交关系，则机构反螺旋系的秩 入6，即机构无法运动。图7给出了可能关联的4支链反螺旋间的空间位置关系。

运动平台运动时，无法保证任意时刻各支链的 均共线，即这样的机构是瞬时机构。若支链的 共点，则机构的反螺旋系的秩 入6，这类机构无法运动。若支链的 平行，则机构的反螺旋系可表示为： O，0，1；0，0，O喜 ㈣ O，O，；O，1O] 。， [0，0，0；0，0，l则这类机构为2自由度平动机构，IP2T(xy)型。

综上 ，对称 型并联机构无法 实现4自由度2R(Xy)2T(Xy)运动。

IZ0/ 。 f～(a)共线 (b)共点 (c)平行图7 4支链反螺旋oo，1.0，O，o及[0，O，OIoo1间的空间位置关系若引入沿Z轴方向转动的冗余自由度，机构具有 5自 由度 ， 即 3 R 2 T 型 ， 其 反 螺 旋 为 [0，0，1；0，0，0]，则对称型并联机构的支链反螺旋为 [O，0，1；0，0，0](i-1-5)。若 共线，且通过构件几何约束保证 的空间关系不变，则机构可满足运动要求。若 平行，见图7(c)所示，机构的反螺旋系可表示为：Sl"[1，O，0；0，0，0 [0，1，o；o，o，0 [O，0，1；0，0，0 (9) [0，o，0；1，0，O [O，o，0；0，1，O则机构仅能沿z轴方向转动。

第35卷 第6期 2013-06(下) [1531， q 咀 I 訇综上，5自由度3R2TXy)型并联机构，其反螺旋系 0，0，1；0，0，0]，这样的机构运动螺旋系的基可表示为：点l，0，0；0，0，0是[0，1，0；0，0，0是o，0，1；0，0，o] (10)E[0，0，0；1，0，0墨[0，0，0；0，1，0]支链的运动螺旋系与机构运动螺旋系相同，故第i支链 (i.1-5)的运动螺旋系可表示为：墨li1，0，0；0，0，O置2[O，1，0；0，0，O] o，0，1；0，0，o (11)墨 0，O，0；1，0，O墨 0，0，0；0，1，0支链运动副的运动螺旋可由式 (11)各螺旋线性组合，但线性组合时，需保持所有运动螺旋的线性无关。

如将$i。、$i2和$i 线性组合，得到：· ml ， ，0，0] f1212[ 2， 2， 2；0，0，0]表示空问轴向交于-点的2个转动副，构成2R球面子链 (RR)。

如将$ 、$ 、$i3线性组合，得到：墨3[ 3， ，nf3；0，0，0] (13)表示空间轴向交于-点的3个转动副，构成3R球面子链 (RRR)。

由前面分析可知 ，机构支链的反螺旋应共线，这在结构上就要求轴向通过支链中心点的-个转动副必需连接基座或运动平台，即各支链上的(RR)或(RRR)球面子链必需同时位于支链的顶端或末端。这也同时决定了这类机构中不存在普通球面副。

$ 和$； 线性组合，得到：： 0，0，0； m ，0 (14)表示机构的移动副必平行于xy平面。

$ 和$i 与$ ，线性组合，可将移动副转换为转动副，其运动螺旋为：5[0，0，l； 5， f5，0 f151表示该转动副必垂直于xy平面。

[0，0，1；0，0，0 [0，0，0；1，0，0 (16) 0，0，0；O，0，1][1541 第35卷 第6期 2013-06(下)24-转动副可组成万向铰U，但万向铰的中心也应满足支链重合点的几何条件，以保证所组成的机构为非瞬时机构。故只能是$ 和$i 构成万向铰。

1)只含有转动副的机构构型可采用5-RR(RRR)及5-Re.R(RR)等2种机构构型，如图8(a)及图8(b)所示。其中5-RRR(RR)机构支链如图8(c)所示。参考坐标系原点O 为2转动副轴线相交点，zi轴垂直于基座。则第i支链的运动螺旋系为：置l[O，0，1；pf， q，O墨，O，0，1；p gf ，O]$ ：o，0，1； g o (17)4 4，m 4；O，0，O] ， H ；O，0，0鑫(a)5-RR(RRR) (b)5-RRR(RR) (c)5-RRR(RR)机构支链图8 5-RRRRR型并联机构式 (17)中，第6列均为0，则支链反螺旋为 0，0，1；0，0，01。类似地可以证明，来自五个支链的约束螺旋都是相同的。它们形成了-个公共约束螺旋且只限制了运动平台沿z轴方向的移动。故该机构的运动平台满足5自由度3R2TXy)运动要求。

2)含有2个移动副的机构构型可采用5-PP(RRR)、5-PPR(RR)、5-RPP(RR)、5.PRP(RR)、5.RPRPR及5-PRRPR等6种机构构型。图9所示5.PPRRR型并联机构。5-PP(RRR)机构支链如图9(c)所示。则第i支链的运动螺旋系为：◇ ◇ 垂，(b)5-PP(RRR) (c)5-PP(RRR)机构支链图9 5.PPRRR型并联机构焉l[0，0，0；pjl，qfl，0置2[O，0，0；Pi2，q 0 [ ，ml3，0；0，O，O (18)墨4/4 mi4，1，1f4；O，0，0]置5[ 5，mf5，ni5；0，0，0]式 (18)中，第6N均为0，则支链反螺旋为 0，0，1；0，0，0]。类似地可以证明，来自五个支链的约束螺旋都是相同的，故该机构的运动平台满足5自由度3R2TxY 运动要求。

务I 甸 似3)只含有1个移动副的机构构型可 采 用 5-P R(R R R)、5-R P R(R R)、5-RP(RRR)、5-RPR(RR)、5-RRP(RR)及5-RRPRP等6种机构构型。如图l0所示5-PRRRR型并联机构。5-PR(RRR)机构支链如图lO(c)所示。则第i支链的运动螺旋系为：嚣l[0，0，O； 1，qil，0]2 [0，0，1；Pn，qi2，01]0 l (19)；如[O， ， Pi3，qi3，0嚣4[/4 4，r/i4；O，O，0] [5，mi5， 5；O，0，0]◇(a)5-PRR(RR) (b)5-PR(RRR) (c)5-PR(RRR)机构支链图10 5-PRRRR型并联机构支链反螺旋为 ：[O，0，l；0，0，0]。

4)含有万向铰的机构构型可采用5-PU(RR)、5-RU(RR)、5-UP(RR)、5-RR(UR)、5-RUPR、5-PUPR及5-PRUR等7种机构构型。图11所示含有U副的R T㈣并联机构中5-RU(RR)及5-RR(UR)机构构型。其中的(UR)代表U副的1个转动副轴线与R副轴线相交于-点。

5-RR(UR)机构支链如图1l(c)所示，则第i支链的运动螺旋系为：墨1[O，0，1； 1 q，0焉20，0，1； 2，qi2，0%0，0，1； ， ，o (20)嚣 ， ， ；O，0，0 ， ， ；0，0，0(a)5-RU(RR) (b)5-RR(OR) (c)5·RR(UR)机构支链图1 1 含有u副的3R2T(xy)并联机构支链反螺旋为 [0，0，1；0，0，0。

5)含有圆柱副的机构构型可采用5-P(CRR)、5-R(CRR)、5-RR(CR)及5-PR(CR)等4种机构构型。图12所示含有cgJ!的3R2T(Xy)并联机构中的5-R(CRR)及5-RR(CR)机构构型。其中的(CR)代表C副的轴线与R副轴线相交于- 点。5-RR(CR)机构支链如图12(c)所示，则第i支链的运动螺旋系为：置l[0，0，1；pj1，qil，O墨2[O，0，1；p qf2，0 [0，1，0；0，0，0] (21) [O，0，0；0，1，0置5[5， 5， 5；0，0，08 囊(a)5-R(CRR) (b)5-RR(CR) (C)5-RR(CR)机构支链图12 含有C副的3R2T(xy 并联机构支链反螺旋为 [O，0，1；0，0，0。

若对机构的运动螺旋，见式 (1)，引入沿Z轴的转动与移动，Ip6DOF的3R3T并联机构，支链运动螺旋基系的秩 6，则支链的自由度均为6。表3给出的6DOF运动链均可作为并联机构的支链。6DOF的并联机构方案可有6.RuS，6-6R，3-PPUU，3-RPUU，6-UPS等等。支链组合很多，形成的并联机构排列组合方案就以幂级数数量级膨胀，由于篇幅的关系，本文不做进-步的枚举和讨论。

在单-对接调整机构方案中，选择6-RUS作为舰船补给最优方案，具有以下三个特点：1)从驱动方式上看。Stewart机构为移动副驱动，在实际应用中由于驱动不可能为零，-般最小杆的长度应为机构伸缩到最远时杆长的-半，但在驱动杆收缩到最短时，Stewart机构不能折叠起来，不便于在非工作状态下存放。而6-RUS机构的每个支链驱动杆件旋转到180。时，6-RUS机构可以折叠成-个平面，便于非工作状态下存放。

2)从机构体积上看 。在相 同体积情况下6-RUS机构动平台的伸长量是Stewart机构的2倍。

因为Stewart驱动杆的长度只能在区间0.5L，L中运动，其中L为驱动杆的最大伸长量。

3)从结构实现上看。直线驱动的结构比旋转驱动的结构复杂，EP6-RUS结构的实现相对简单。

4 结论本文分析了海上补给对接过程，给出-种对接调整机构的最优方案；基于螺旋理论，对海上第35卷 第6期 2013-06(下) [1551务l 訇 似舰船油料补给中对接调整机构的构型进行了综合，给出了多种机构的构型，为实现油管的精确对接提供了理论基矗并获得如下结论：1)对机构运动进行了分类，结合对接过程特点，分析对接过程中的自由度数量及分类；对输出运动进行了合理分配，并提出了单-型和组合式对接调整机构组成方案。

2)对单-型对接调整机构 ，型综合出多种2R(Xy)2T(Xy)型、3R2T(xy)型及3R3T型串联式机构；引入z轴向冗余转动，构型/t25种3R2T(y)型基本类型的并联机构；对3R3T型并联机构进行了讨论。提出了6-RUS并联机构作为舰船补给对接调整机构最优方案，并对典型机构的瞬时性、解耦与奇异等运动特性进行了研究。