拱泥機(jī)器人-第02章_拱泥機(jī)器人方案分析及設(shè)計(jì)

1、第2章拱泥機(jī)器人方案分析與設(shè)計(jì)第2章拱泥機(jī)器人方案分析與設(shè)計(jì)2.1 引言長期以來，沉船打撈作業(yè)中攻打千斤洞普遍使用手動攻泥器。由于手動攻泥器只能攻打直線方向的孔洞，在實(shí)際作業(yè)中，還需要在沉船兩側(cè)各挖一豎井，潛水員在井內(nèi)操作，若豎井塌方，則會危害潛水員的生命安全。為了改善潛水員的工作環(huán)境，提高作業(yè)效率，多年來海軍防救部隊(duì)和各地方救撈局一直在尋求一種可行的自動攻泥機(jī)的方案，并研制了火箭攻泥器和氣動攻泥器，但都由于攻泥方向難以控制和其它一些原因而未能得到實(shí)際應(yīng)用。從目前潛水員使用手動攻泥器攻打千斤洞的水下作業(yè)情況看，拱泥機(jī)器人作為一種在特殊環(huán)境下工作的機(jī)器人，它的任務(wù)就是帶著穿引千斤的鋼纜從沉船底部

2、爬過去。如何實(shí)現(xiàn)這一作業(yè)任務(wù)，機(jī)器人本體的結(jié)構(gòu)方案顯得尤為重要。通過其作業(yè)環(huán)境進(jìn)行分析，拱泥機(jī)器人應(yīng)具備以下基本功能：1能攻穿泥沙，也就是采用切削、擠壓或高壓水噴射的方式，使前端的泥沙形成孔洞，使拱泥機(jī)器人有向前行進(jìn)的可能；2能沿所形成的孔洞前進(jìn)，同時帶入穿引千斤的細(xì)鋼纜；3能防止在打孔的過程中孔洞被泥沙淤積而使拱泥機(jī)器人本體被卡?。?能按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡與船體保持一定距離前進(jìn)；5自動檢測拱泥機(jī)器人在水下泥土環(huán)境中的位置與姿態(tài)信息，并將信號反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)時進(jìn)行拱泥機(jī)器人的路徑規(guī)劃；6當(dāng)前進(jìn)方向具有不能攻穿的障礙物時，能夠檢測并繞開或退回。根據(jù)上面提出的基本要求，拱泥機(jī)器人應(yīng)該是智能

3、的或具備局部智能，能夠在復(fù)雜的水下泥土環(huán)境中識別和感覺位置、姿態(tài)和其它信息，并自主確定運(yùn)動方向和運(yùn)動姿態(tài)。拱泥機(jī)器人作為一個整體系統(tǒng)，主要由機(jī)器人本體、水下作業(yè)平臺和作業(yè)控制裝置三部分組成。其中，拱泥機(jī)器人本體是具體實(shí)施攻打千斤洞任務(wù)的水下作業(yè)部分，是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，也是本論文的研究對象。作業(yè)控制裝置（水面控制部分）負(fù)責(zé)對機(jī)器人本體進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)監(jiān)測。水下作業(yè)平臺作為中繼站，是機(jī)器人本體與水面控制部分進(jìn)行訊息交互的紐帶，并具有釋放和回收機(jī)器人本體的功能。本章首先對目前所形成的幾種拱泥機(jī)器人方案進(jìn)行了綜述，分別進(jìn)行了可行性分析和總體評價；對爬行類動物的運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了橫波蠕

4、動體和縱波蠕動體兩種概念；在此基礎(chǔ)上，提出了一種全新的基于蠕動原理的拱泥機(jī)器人總體方案，并利用ADAMS仿真軟件建立了系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型。2.2 拱泥機(jī)器人的方案分析從最初的節(jié)管式手動攻泥器開始，國內(nèi)救撈界就一直關(guān)注著自動攻泥機(jī)的研究工作，尋求能夠完全代替潛水員完成水下攻打千斤洞任務(wù)的拱泥機(jī)器人技術(shù)方案。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器測量技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展為研制全自主智能化的拱泥機(jī)器人提供了強(qiáng)有力的技術(shù)儲備的技術(shù)支持，使研制實(shí)用化的工程樣機(jī)成為可能。哈爾濱工程大學(xué)從90年代初期就開始了研制水下自動攻泥機(jī)械的探索，并先后提出了接桿式自動拱泥機(jī)、遙控船底爬行拱泥器和

5、多節(jié)蛇形拱泥機(jī)器人方案。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所于1998年底提出了節(jié)桿式拱泥機(jī)器人方案，并研制了一臺試驗(yàn)樣機(jī)，完成了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的攻泥作業(yè)。下面對上述幾種方案進(jìn)行分別簡單扼要的論述，并進(jìn)行可行性分析和總體評介，以拓展思路，集思廣益，為最終形成一種全新的拱泥機(jī)器人原理樣機(jī)方案奠定基礎(chǔ)。2.2.1 接桿式自動拱泥機(jī) 1.方案組成 方案裝置主要由可升降導(dǎo)軌架、鉆機(jī)部分、高壓水供水管路、雙級伸縮油缸等幾部分組成。 可升降導(dǎo)軌架:框架體由角鋼桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，升降油缸支撐導(dǎo)軌可改變框架體高度，導(dǎo)軌固定在框架體上，為鉆機(jī)跑車提供導(dǎo)向軌道。12567891.鉆鉸刀盤 2.鉆桿 3.移動導(dǎo)軌 4.液壓馬達(dá) 5.高

6、壓水管6.伸縮式雙級油缸 7.油管 8.框架 9.升降油缸圖2.1 接桿式自動攻泥機(jī)示意圖Fig.2.1 Diagram of pole automatic mud penetrator43 鉆機(jī)部分:第一節(jié)鉆桿前端安裝有硬質(zhì)合金刀頭，其余鉆桿依次與前節(jié)鉆桿用快速接頭連接，鉆桿末端與液壓驅(qū)動馬達(dá)軸連接，馬達(dá)連同鉆桿安放在四輪跑車上，由此組成鉆機(jī)。 高壓水供水管路:高壓水從液壓馬達(dá)中空軸中間通過，由水密接頭連接管路。 雙級伸縮油缸:該油缸活塞桿耳環(huán)與鉆機(jī)跑車后部絞接板相連，油缸體耳環(huán)通過絞鏈軸固定在框架上。2.工作原理 工作原理如圖2.1所示，液壓馬達(dá)帶動鉆桿及鉆鉸刀盤旋轉(zhuǎn)切削出洞來，碰到有局部

7、巖石也可鉆進(jìn)打洞，此環(huán)節(jié)已被礦用探水鉆證實(shí)。 雙級油缸推動鉆機(jī)跑車實(shí)現(xiàn)拱泥前進(jìn)，若沉船底部為是淤泥或泥沙，則可由液壓缸直接推動鉆桿進(jìn)給。通入的高壓水由鉆頭前部噴嘴射出來，可以沖擊和軟化泥沙。同時每節(jié)鉆桿的前部都有反水孔，加上鉆桿的旋轉(zhuǎn)作用，可以返出泥漿，以防止卡住鉆桿。鉆頭的方向由框架導(dǎo)軌部分來控制，根據(jù)礦用探水鉆的實(shí)際使用證明，鉆孔軸線偏差可控制在1厘米以內(nèi)。鉆桿采用快速接頭，由潛水員一節(jié)節(jié)裝接。整機(jī)由工作母船吊放到作業(yè)位置，潛水員操作升降油缸，從而確定鉆頭打洞部位，開動馬達(dá)、供水開關(guān)及油缸換向閥開關(guān)便可工作。洞打通后由潛水員將鋼纜系在鉆頭的系纜環(huán)上，同時伸縮油缸一節(jié)節(jié)將鉆桿收回，將鋼纜穿過

8、千斤洞。3.使用要求 本方案使用要求與現(xiàn)使用的接桿拱泥器基本相同，即確定浮筒系纜部位后，先用吸泥機(jī)清理出千斤洞水井，然后將鉆式拱泥器吊放至水井內(nèi)，潛水員完成打洞位置、操縱鉆機(jī)、裝接鉆桿等項(xiàng)操作。4.可行性論證 由于本方案與目前陸地不開挖技術(shù)中采用的導(dǎo)向鉆機(jī)相類似，且在原理上與潛水員使用的手動拱泥器差別不大，故本方案在實(shí)施上具有較大的可行性，并且所采用的裝置結(jié)構(gòu)在制造上也具有較大的可加工性及實(shí)現(xiàn)性。5.總體評價 本方案無論在原理上還是在結(jié)構(gòu)及加工上都具有較大的可行性，因此，如果進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及樣機(jī)試制能較快的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但其不足之處在于： 1）工作環(huán)境不良。還需清理出千斤洞水井即潛水員攻穿千斤

9、洞所需的作業(yè)場地，并將拱泥器吊放至水井內(nèi)工作，且由于使用高壓水使水下環(huán)境惡劣；2）自動化程度不高。還需潛水員進(jìn)行沖吸泥作業(yè)、調(diào)整拱泥器的高度、打洞位置、裝接鉆桿及操縱鉆機(jī)；3）潛水員的勞動強(qiáng)度仍然較高。2.2.2遙控船底爬行拱泥器方案1.方案裝置組成 此方案裝置由本體、拱泥部分、控制系統(tǒng)和動力源等幾部分組成。本體:主要由殼體、主機(jī)、螺旋漿、行走機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成。殼體為輕質(zhì)復(fù)合材料，外形成流線型，其內(nèi)部成空腔，螺旋漿、主機(jī)、行走機(jī)構(gòu)及方位儀等皆布置在空腔內(nèi)，采用輪式行走機(jī)構(gòu)。拱泥部分:外殼的前方裝有若干個噴頭，噴頭通過預(yù)先設(shè)在復(fù)合材料內(nèi)的分配器和管路與尾部的高壓水管相連接，在外殼的稍后位置裝有若

10、干反射孔?？刂葡到y(tǒng):由控制臺、主機(jī)控制、驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制、方向控制以及拱泥器控制等幾部分組成。除控制臺設(shè)在母船外，其余均裝入本機(jī)內(nèi)，并通過多芯電纜與控制臺相連接。動力源:包括電源、高壓水泵、氣源。2.工作原理 由潛水員將拱泥器安放在預(yù)定攻穿千斤的部位上，并設(shè)定好攻穿方向（如必須越過舭龍骨等，而舭龍骨等又被積泥埋沒時，則事先應(yīng)將這些積泥沖吸掉），然后由母船控制啟動主機(jī)，通過螺旋漿的轉(zhuǎn)動造成殼體空腔形成負(fù)壓將本體強(qiáng)有力地吸附于船殼表面，再由母船或同時控制拱泥器沖吸泥和驅(qū)動機(jī)構(gòu)，使其先后交替工作，并由方向控制系統(tǒng)隨時調(diào)整拱泥方向，直至按預(yù)定方向?qū)⒁|穿越船底為止。3.可行性論證及總體評價 本方案中有多項(xiàng)

11、技術(shù)需要解決，如螺旋獎旋轉(zhuǎn)時空腔形成的負(fù)壓能否將本體強(qiáng)有力地吸附于船殼表面；噴頭工作時產(chǎn)生的反作用力是否小于主機(jī)的驅(qū)動力或附著的摩擦力；方向控制所采用的航空電羅經(jīng)是否能有效地控制方向，這些技術(shù)問題能否協(xié)調(diào)合理地解決使本方案的可行性受到影響，同時，要拖動高壓軟水管及電纜穿越船底是很困難的。2.2.3 多節(jié)蛇形拱泥機(jī)器人方案1.系統(tǒng)的構(gòu)成 拱泥器系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：拱泥器水下作業(yè)本體、拱泥器作業(yè)控制裝置及電纜收放絞車。拱泥器水下作業(yè)本體是由鉆鉸機(jī)構(gòu)、傳動桿機(jī)構(gòu)、插銷機(jī)械手機(jī)構(gòu)、液壓動力機(jī)構(gòu)及測向裝置等構(gòu)成。鉆鉸機(jī)構(gòu)由刀具、刀盤、支撐板、液壓馬達(dá)和傾角油缸等組成，主要用來清除拱泥器前進(jìn)方向上的泥

12、土以形成孔洞。 傳動桿機(jī)構(gòu)是由若干個相互間可調(diào)節(jié)一定角度的相同連接桿組成，主要是傳遞液壓動力系統(tǒng)提供的推動力，以實(shí)現(xiàn)鉆鉸機(jī)構(gòu)的進(jìn)給運(yùn)動。 插銷機(jī)械手機(jī)構(gòu)主要由插銷機(jī)械手、撥銷機(jī)構(gòu)、插銷油缸等組成，是實(shí)現(xiàn)傳動桿機(jī)構(gòu)局部剛性與整體柔性轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)連接銷的抓取、插銷運(yùn)動，以及水下作業(yè)本體回退過程中的銷夾緊、拔出動作。 液壓動力進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要是一個大推力油缸，作為動力裝置，為鉆鉸機(jī)構(gòu)的步進(jìn)進(jìn)給運(yùn)動提供可靠動力。 測向裝置將采用若干組兩片X-Y向的傾角傳感器，協(xié)助完成對拱泥器的定向、定位。拱泥器作業(yè)控制裝置具有控制電機(jī)、油泵、液壓馬達(dá)的起停功能，控制液壓動力進(jìn)給機(jī)構(gòu)各組油缸的動作，并可自動作業(yè)

13、，及設(shè)定進(jìn)給距離及轉(zhuǎn)角后（可進(jìn)行編程或人為干預(yù)），控制裝置能自動控制水下作業(yè)本體進(jìn)行作業(yè)，同時，還具有監(jiān)測拱泥器水下作業(yè)本體工作狀態(tài)的功能。電纜收放絞車由絞車、電滑環(huán)、電纜及控制器等組成，拱泥器作業(yè)控制信號及動力源均通過絞車、電纜、電滑環(huán)傳到拱泥器水下作業(yè)本體。2.工作原理 潛水員對沉船進(jìn)行了必要的探摸和測量，并清除了打撈的障礙物之后，通過所獲得的沉船有關(guān)方面的資料可制定出拱泥器預(yù)想作業(yè)軌跡。為了使拱泥器在最初工作階段能順利的進(jìn)入泥土中，水下作業(yè)本體的支撐平臺上裝有導(dǎo)向套筒，鉆鉸頭可預(yù)先按放于其中，然后母船上的拱泥器作業(yè)控制裝置開啟，啟動電機(jī)、油泵，機(jī)械手夾緊鉆鉸頭尾部，支撐平臺擺到預(yù)先設(shè)定的

14、角度。然后拱泥器水下作業(yè)本體攻千斤洞作業(yè)，直至千斤洞攻穿，卸去鉆鉸頭，將母船上放下的鋼纜與第一節(jié)接桿相連接。最后，拱泥器水下作業(yè)本體回退，拉鋼纜穿過千斤洞。3.使用要求 拱泥器攻千斤洞作業(yè)的最初階段要求潛水員將鉆鉸頭安放在導(dǎo)向套筒中，以使其正確定位，最后階段要求潛水員將鉆鉸頭卸下，并將工作母船上放下的鋼纜與第一節(jié)連接桿相連。當(dāng)拱泥器攻千斤洞作業(yè)過程中及拱泥器回退作業(yè)過程中不需要潛水員操作，只需有關(guān)人員在工作母船上通過拱泥器作業(yè)控制裝置對拱泥器水下作業(yè)本體的作業(yè)進(jìn)行控制。4.可行性論證 該方案同目研制的“煤礦安全鉆孔機(jī)器人系統(tǒng)”相類似66，是對接桿自動攻泥機(jī)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了遙控操作。可調(diào)整角度的傳

15、動桿機(jī)構(gòu)比較新穎，符合拱泥機(jī)器人在前進(jìn)過程中可改變方向的要求。所采用的一些相關(guān)技術(shù)都比較成熟，在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。但方案的最大問題就是十分復(fù)雜，具體實(shí)施難度較大。且傳動桿機(jī)構(gòu)在前進(jìn)過程中遇到巖石等障礙物無法避開，只能退回重新選擇路徑前進(jìn)。 2.2.4 節(jié)桿式拱泥機(jī)器人方案1方案組成 為節(jié)桿式拱泥機(jī)器人主要由機(jī)器人載體和攻泥工具組成。攻泥工具由多節(jié)剛性桿連接而成，相鄰兩節(jié)之間由鉸鏈連接，每節(jié)桿長一米左右，整個長度約30米，前面一節(jié)用于控制方向。在拱泥機(jī)器人載體上裝有多邊形絞輪和驅(qū)動裝置，攻泥工具的柔性長桿可盤繞在絞輪上。節(jié)桿式拱泥機(jī)器人工作原理如圖2.2所示。機(jī)器人本體水底進(jìn)給裝置載體吊放鋼纜沉船

16、多邊形絞輪圖2.2 節(jié)桿式拱泥機(jī)器人工作原理示意圖Fig.2.2 Diagram of pole move-in-mud robot泥沙 2.工作原理 攻泥開始前，首先對打撈對象進(jìn)行全面探查，以確定沉船的姿態(tài)、不同橫剖面的深度以及地質(zhì)情況。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)規(guī)劃好每一個需穿導(dǎo)纜剖面的理想攻泥軌跡，利用計(jì)算機(jī)預(yù)編程對攻泥工具的運(yùn)動軌跡進(jìn)行控制，同時根據(jù)拱泥機(jī)器人的實(shí)時反饋的位置信息，通過水面控制臺向其傳送指令，對預(yù)編程進(jìn)行修正和進(jìn)行實(shí)時控制。3.總體評介1）利用多節(jié)剛性短桿組成整體柔性桿的想法有新意，并且能利用多桿之間相對轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)曲線前進(jìn)，可以方便地進(jìn)行位置檢測；2）采用后部驅(qū)動，前部控制

17、方向的做法可以使前部結(jié)構(gòu)簡單，但不利于后部加力控制。該方案需要一個龐大的水下作業(yè)載體，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 2.3 爬行類動物的運(yùn)動機(jī)理分析仿生學(xué)（bionics）是研究生物體結(jié)構(gòu)與功能的工作原理，根據(jù)這些原理發(fā)明性能優(yōu)異的新型機(jī)械系統(tǒng)的科學(xué)67。提出模型，進(jìn)行模擬是仿生學(xué)的基本研究方法。由于仿生機(jī)械具有生物運(yùn)動器官的精密構(gòu)件，又有優(yōu)異的智能系統(tǒng)，可以巧妙控制，執(zhí)行復(fù)雜的動作，近年來逐漸成為機(jī)器人研究的一個熱點(diǎn)。為了完成一些特殊環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)，如管內(nèi)爬行、海底行走等，相繼研究了一些模仿生物運(yùn)動的新型機(jī)器人，如蛇行機(jī)器人、蝸牛式爬行機(jī)、索狀移動機(jī)器人、仿象鼻串并聯(lián)機(jī)構(gòu)、壓電陶瓷驅(qū)動的微移動機(jī)器人等。

18、通常，移動式機(jī)器人有車輪型、履帶型、腿腳型、軀干型四種，其中軀干型為一些爬行動物所具有，如蛇、蚯蚓、丈量蟲等。模仿軀干型生物的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)微小運(yùn)動等特點(diǎn)。更重要的是軀干型生物動作靈活，適于在狹小空間內(nèi)的作業(yè)，如蚯蚓可憑借身體的伸縮蠕動在泥土中爬行。研究它的運(yùn)動機(jī)理，對拱泥機(jī)器人樣機(jī)研制有著十分重要的參考意義。圖2.3 尺蠖和蚯蚓的蠕動姿態(tài) Fig.2.3 Creeping attitudes of inchworm and earthworm dd自然界中軀干型的蠕動生物多種多樣，如蛇、蚯蚓、丈量蟲等。蛇可以象流水一樣平滑移動，它的每一環(huán)節(jié)都參加運(yùn)動，此外蛇的體重均勻，能通過沼澤

19、和不毛之地，其運(yùn)動過程中，后一部分能精確地跟蹤前一部分的運(yùn)動，可以穿過狹縫和障礙。而蚯蚓等一些低級環(huán)節(jié)動物，遇到障礙后可以本能退讓，然后再繼續(xù)爬行。分析這類蠕動生物的運(yùn)動規(guī)律，可以將其分為二類。如圖2.3所示，蚯蚓借助軀體的前后伸縮實(shí)現(xiàn)向前運(yùn)動，而尺蠖則依靠軀體的上下起伏使身體向前移動。蚯蚓的運(yùn)動形如一種縱波，即軀體的伸縮（振動）方向與軀體的運(yùn)動方向是平行的，我們稱之為縱波蠕動體。而尺蠖軀體上下起伏（振動）方向與軀體的運(yùn)動方向相垂直，類似一種橫波運(yùn)動，我們稱之為橫波蠕動體。這樣，我們就可以把生物蠕動體的復(fù)雜運(yùn)動簡化為簡單的波動形式，從而建立起其運(yùn)動模型。2.3.1 橫波蠕動體的運(yùn)動模型圖2.2

20、給出了尺蠖的蠕動過程姿態(tài)示意圖。由圖可知，其頭和尾分別起著保持器的作用，使之在不同階段與地面保持不同的關(guān)系（吸附或脫離），而軀干部分則起著推進(jìn)器的作用69。 尺蠖的蠕動是一種周期性的動作，蠕動體的姿態(tài)呈某種規(guī)律性的變化，如果把尺蠖運(yùn)動中的每一種姿態(tài)稱為“一拍”，則在一個動作周期內(nèi)蠕動可分為六拍： 頭吸附，軀干靜止，尾脫離； 頭吸附，軀干收縮，尾跟隨； 頭吸附，軀干靜止，尾吸附； 頭脫離，軀干靜止，尾吸附； 頭跟隨，軀干伸長，尾吸附； 頭吸附，軀干靜止，尾吸附。 經(jīng)過上面六拍，尺蠖的頭和尾均向前移動了一段距離d。如果稱尺蠖在一個動作周期內(nèi)質(zhì)心向前移動的距離 d 為“步距”，顯然，步距的大小取決于

21、其軀干的相對位移（伸縮程度）。根據(jù)尺蠖的蠕動規(guī)律,可以建立橫波蠕動體的運(yùn)動方程。橫波蠕動體質(zhì)心是以波動的形式進(jìn)行的，根據(jù)物理學(xué)的波動理論，對于一切平面波，均滿足波動方程： （2-1）式中 y ¾¾ 質(zhì)心的縱向振動位移；x ¾¾ 質(zhì)心距坐標(biāo)原點(diǎn)的距離； c ¾¾ 波速。 假設(shè)橫波蠕動體的頭和尾在蠕動過程中均為勻速運(yùn)動，根據(jù)其運(yùn)動規(guī)律可以推導(dǎo)出如下的運(yùn)動方程,其質(zhì)心的振動位移為： （2-2） 頭部運(yùn)動方程為： （2-3）尾部運(yùn)動方程為： （2-4）式中: A ¾¾ 振幅；w ¾¾ 角頻率；l

22、90;¾ 頭和尾蠕動的步距；T ¾¾ 蠕動的周期；n ¾¾ 自然數(shù)。2.3.1 縱波蠕動體的運(yùn)動模型由于蚯蚓可以憑借身體的伸縮蠕動在泥土環(huán)境中爬行，與拱泥機(jī)器人的作業(yè)機(jī)理是一致的。如果能夠模仿蚯蚓的蠕動狀態(tài)，進(jìn)行拱泥機(jī)器人的原理樣機(jī)研制，應(yīng)具有一定的可實(shí)現(xiàn)性。蚯蚓的蠕動姿態(tài)是一種周期性動作，每個蠕動周期向前移動距離d。作為一種低等級的環(huán)節(jié)動物，它的各個環(huán)節(jié)之間能始終保持協(xié)調(diào)伸縮運(yùn)動，符合縱波運(yùn)動規(guī)律。我們在這里建立縱波蠕動體的簡化運(yùn)動模型70。如圖2.4所示，將縱波蠕動體分成三個環(huán)節(jié)，置于蠕動平面上。其蠕動規(guī)律可描述為：左部關(guān)節(jié)與平面保持接觸，

23、中部環(huán)節(jié)帶動右部關(guān)節(jié)伸出；右部關(guān)節(jié)與平面保xl0baDxuxux圖2.4 縱波蠕動體的運(yùn)動模型Fig.2.4 Motion model of transverse wave creep持接觸，中部環(huán)節(jié)帶動左部關(guān)節(jié)跟進(jìn)。設(shè)中部環(huán)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律為，若其伸長為l，則產(chǎn)生的變形可以用線密度表示。其任意截面x的線密度可表示為 （2-5）式中： ¾¾ 無伸縮波動時蠕動體的線密度； ¾¾ x截面相對縱向變形量。若中部環(huán)節(jié)伸長變形的波動速度為，則整個蠕動體向左運(yùn)動的速度可表示為 （2-6）蠕動體向左時蠕動的位移為（2-7）式中： ¾¾ 中部環(huán)節(jié)的初始長

24、度。由上述分析可知，蠕動式具有如下特點(diǎn)： 蠕動體的結(jié)構(gòu)簡單； 運(yùn)動所需要的驅(qū)動器數(shù)目少； 蠕動是一種周期性動作，便于控制。這些優(yōu)點(diǎn)，使得蠕動這種形式非常適合于本文拱泥機(jī)器人的蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)。2.4 拱泥機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)通過對前述幾種方案的分析和對爬行類動物運(yùn)動機(jī)理的研究，我們提出了一種全新的拱泥機(jī)器人方案。如圖2.5所示，拱泥機(jī)器人的本體由拱泥頭、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和蠕動爬行機(jī)構(gòu)三部分組成。拱泥頭的作用是攻穿泥沙，并形成具圖2.5 拱泥機(jī)器人方案設(shè)計(jì)Fig.2.5 Project design of move-in-mud robot拱泥頭前支撐足俯仰-側(cè)擺轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)后支撐足蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)復(fù)合纜有一定承載力

25、的泥壁。后部的蠕動爬行機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在已形成的泥壁中蠕動爬行。在拱泥頭與蠕動爬行機(jī)構(gòu)之間有一套轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)拱泥頭蠕動爬行機(jī)構(gòu)俯仰、側(cè)擺兩個方向的小角度轉(zhuǎn)動，以調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向。在拱泥機(jī)器人的尾部拖帶一條由動力纜和承重纜組成的復(fù)合纜，動力纜由動力線和信號線構(gòu)成，承重纜則由穿引千斤的細(xì)鋼索構(gòu)成。2.4.1拱泥頭結(jié)構(gòu)方式的確定拱泥機(jī)器人的頭部必須具備攻穿泥沙的功能。在使用手動攻泥器作業(yè)中，主要依靠高壓水的噴射和潛水員施加的推力使前方的泥土松散并排出；而在接桿式自動攻泥器的方案中，泥土被前端的旋轉(zhuǎn)刀盤切碎后，在高壓水的沖刷下排出。此外，在陸地不開挖技術(shù)所使用的導(dǎo)向鉆機(jī)，也采用旋轉(zhuǎn)刀具切泥

26、并利用潤滑液的循環(huán)流動將泥屑排出的方式。因此拱泥機(jī)器人頭部結(jié)構(gòu)采用切削加高壓水沖射排泥的方式是可行的。采用蠕動爬行方式后，由于蠕動進(jìn)給的作用力主要由支撐足與泥壁之間的摩擦力提供，要求攻穿泥沙后形成的泥壁孔洞具有一定的承載力。若頭部結(jié)構(gòu)采用切削方式，則拱泥頭邊旋轉(zhuǎn)切泥邊蠕動進(jìn)給，要求蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)應(yīng)具有足夠的驅(qū)動力，切削泥后排泥較困難，且切削后孔洞的承載能力下降。目前陸地不開挖技術(shù)中廣泛使用的地下穿孔機(jī)引起了我們的興趣。無論氣壓驅(qū)動還是液壓驅(qū)動，地下穿孔機(jī)在結(jié)構(gòu)上都采用往復(fù)沖擊的方式。由于海洋和江河湖泊沉積土顆粒間的孔隙被水完全填充，為水、固兩相體，是一種飽和淤泥質(zhì)粘土，在排水沖擊的條件下，能夠產(chǎn)

27、生壓密變形，形成具有一定承載力的孔洞。因此，在這里拱泥頭的設(shè)計(jì)采用沖擊振動的方式，通過其內(nèi)部的沖擊機(jī)構(gòu)，使拱泥頭產(chǎn)生向前的沖擊運(yùn)動，對前方的泥土進(jìn)行破碎和擠密，將泥土擠到拱泥頭的四周形成泥壁，從而無需另外設(shè)計(jì)排泥裝置，使整個結(jié)構(gòu)大為簡化，且形成的泥壁利于后面蠕動爬行機(jī)構(gòu)的支撐進(jìn)給。2.4.2 蠕動爬行機(jī)構(gòu)分析拱泥機(jī)器人蠕動爬行機(jī)構(gòu)是模仿爬行類生物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。它由前支撐機(jī)構(gòu)、后支撐機(jī)構(gòu)和蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)組成。前后支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，由力矩電機(jī)帶動一組齒輪齒條機(jī)構(gòu)，每組齒輪齒條機(jī)構(gòu)由一只齒輪和四只齒條組成，每只齒條與一片支撐足鉸接，四片支撐足之間采用柔性聯(lián)接。若電機(jī)正轉(zhuǎn)，則四片支撐足同時向外伸

28、出，支撐泥壁，若電機(jī)反轉(zhuǎn)，則四片支撐足收回。為加大支撐足與泥壁之間的靜摩擦力，在支撐足的外側(cè)增加了一些倒刺。蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)位于前后支撐機(jī)構(gòu)之間，為電機(jī)帶動的一套螺母絲杠機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)前后支撐機(jī)構(gòu)交替向前運(yùn)動。蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)與后支撐機(jī)構(gòu)之間采用柔性聯(lián)接，以使蠕動爬行機(jī)構(gòu)向前進(jìn)給的過程中能夠沿拱泥頭形成的曲線軌跡運(yùn)動。若拱泥機(jī)器人向前運(yùn)動一次的步距為d，則蠕動爬行機(jī)構(gòu)的動作過程描述為：后支撐機(jī)構(gòu)伸出，四只后支撐足支撐泥壁；若后支撐足與泥壁之間的靜摩擦力大于前支撐機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動的阻力，則蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)推動前支撐機(jī)構(gòu)移動距離d；后支撐機(jī)構(gòu)收回，前支撐機(jī)構(gòu)伸出，四只前支撐足支撐泥壁；同樣，若前支撐足與泥壁之間的靜

29、摩擦力大于后支撐機(jī)構(gòu)和復(fù)合纜向前運(yùn)動的阻力，則蠕動爬行機(jī)構(gòu)反向進(jìn)給，可拖動后支撐機(jī)構(gòu)與復(fù)合纜前進(jìn)距離d。當(dāng)前方遇到不能攻穿的障礙物時，按照相反的動作次序，蠕動爬行機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)后退運(yùn)動。2.4.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)yxz側(cè)擺俯仰圖2.6 俯仰、側(cè)擺自由度示意圖Fig.2.6 Diagram of pitch and yaw拱泥機(jī)器人作為一種水下特種作業(yè)機(jī)器人，應(yīng)該具備自主選擇移動方向的能力，因此要有一套靈活可控的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)置于機(jī)器人頭部與蠕動爬行機(jī)構(gòu)之間，具有俯仰和側(cè)擺兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度。根據(jù)拱泥機(jī)器人作業(yè)指標(biāo)，若拱泥機(jī)器人作業(yè)平面為yz平面，拱泥距離為30m，拱泥深度為5m，設(shè)拱泥機(jī)器人

30、每次運(yùn)動的步距為0.2m，預(yù)定的運(yùn)動軌跡為二次曲線，則根據(jù)曲線擬合的結(jié)果，拱泥頭每次俯仰5°即可實(shí)現(xiàn)沿預(yù)定軌跡的運(yùn)動。由于拱泥機(jī)器人在前進(jìn)過程中，可能會偏出yz平面，因此需要通過拱泥頭的側(cè)擺轉(zhuǎn)動使機(jī)器人始終保持在yz平面內(nèi)運(yùn)動。根據(jù)拱泥機(jī)器人的運(yùn)動特點(diǎn)，側(cè)擺轉(zhuǎn)動在小角度范圍內(nèi)即可滿足要求。由于拱泥頭的俯仰、側(cè)擺需要分別控制，故在這里擬采用兩套錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)拱泥頭的轉(zhuǎn)向。2.4.4 工作原理分析拱泥機(jī)器人本體上有位置和姿態(tài)傳感器，可以實(shí)時檢測機(jī)器人在泥土環(huán)境中的工作位置及運(yùn)動姿態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)，完成調(diào)整方向和避障等作業(yè)規(guī)劃。使用拱泥機(jī)器人進(jìn)行水下穿引千斤作業(yè)的過程為：首先對

31、沉船的水下環(huán)境進(jìn)行探測，確定一系列拱泥位置；然后根據(jù)沉船的斷面形狀，規(guī)劃拱泥機(jī)器人的運(yùn)行軌跡；將裝載拱泥機(jī)器人的水下平臺放至第一個拱泥位置，調(diào)整好入泥方向，準(zhǔn)備進(jìn)行拱泥作業(yè)。拱泥機(jī)器人的運(yùn)動采用周期性動作方式，其動作過程描述為：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)預(yù)行先規(guī)劃的軌跡調(diào)整拱泥頭的運(yùn)動方向；拱泥頭在沖擊機(jī)構(gòu)的作用下，經(jīng)過反復(fù)沖擊，將前方的泥土沖出長度d 的孔洞；后支撐機(jī)構(gòu)伸出，支撐泥壁；蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)推動前部移動距離d；后支撐機(jī)構(gòu)收回，前支撐機(jī)構(gòu)伸出，支撐泥壁；蠕動進(jìn)給機(jī)構(gòu)拖動后部前進(jìn)距離d，完成一個作業(yè)循環(huán)。通過拱泥機(jī)器人的周期性動作，可完成沿預(yù)定軌跡的拱泥作業(yè)，其間若遇到不可攻穿的障礙物，則拱泥機(jī)器人向后

32、蠕動一定距離后，重新選擇前進(jìn)方向，繞開障礙物后繼續(xù)沿預(yù)定軌跡前進(jìn)。當(dāng)拱泥機(jī)器人從沉船另一側(cè)鉆出后，可被水下平臺運(yùn)載至下一個拱泥位置繼續(xù)進(jìn)行拱泥作業(yè)。采用頭部沖擊和蠕動爬行相結(jié)合作為拱泥機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于穿孔機(jī)在陸地不開挖施工中的成功應(yīng)用，將沖擊運(yùn)動的結(jié)構(gòu)原理用于拱泥機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，具有一定的可行性；2）把沖擊原理與蠕動機(jī)器人的爬行原理相結(jié)合，是該設(shè)計(jì)方案的新穎之處；3）沖擊式方案不用排泥，而且沖擊后的孔洞有一定的承載能力有利于支撐機(jī)構(gòu)的支撐。2.5 拱泥機(jī)器人的運(yùn)動仿真研究 由于拱泥機(jī)器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，有必要在方案初步設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究，建立拱泥機(jī)器人的虛擬樣機(jī)（Virtual Prototyping）。通過虛擬樣機(jī)的研究，可以分析機(jī)構(gòu)相互運(yùn)動關(guān)系和各部件之間的約束關(guān)系，為進(jìn)步的樣機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。ADAMS軟件是美國MDI公司開發(fā)研制的一套機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件，就用其先進(jìn)的多體動力學(xué)技術(shù)可對所