(武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063)

在沉船底部進(jìn)行穿千斤作業(yè)是沉船打撈中的關(guān)鍵工序，目前我國(guó)普遍采用手動(dòng)攻泥器，由潛水員手工操作[1]。如何實(shí)現(xiàn)穿千斤作業(yè)的自動(dòng)化目前還是一個(gè)世界性難題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)幾所科研院所對(duì)此提出了幾種機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案[2-6]，但這些方案對(duì)機(jī)器人在水下淤泥中的受力復(fù)雜性尤其是尾部組合纜巨大的反拖曳力考慮不足。

根據(jù)目前沉船打撈中穿千斤作業(yè)條件設(shè)計(jì)了一種水下仿生拱泥機(jī)器人[7]，能在水下惡劣的“泥”環(huán)境中自行蠕動(dòng)，并能調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)方向和路徑、代替潛水員完成水下穿千斤作業(yè)，其運(yùn)動(dòng)控制是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為此，提出即將機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為自律運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整，并分別采用程序控制和人工控制模式。

1 功能及原理

該控制使機(jī)器人在水下泥土環(huán)境中按預(yù)定軌跡從沉船底部一側(cè)鉆入，再?gòu)牧硪粋?cè)鉆出；并隨時(shí)根據(jù)檢測(cè)到的方位和工況信息調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，拖動(dòng)千斤引繩橫穿沉船底部，完成穿引千斤的作業(yè)任務(wù)；當(dāng)前進(jìn)中遇到不可穿越的障礙物時(shí)，可變向繞行；或?qū)C(jī)器人的蠕動(dòng)循環(huán)反向控制，便能實(shí)現(xiàn)反向蠕動(dòng)，即沿進(jìn)入的路線退回。

總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由三部分組成，頭部：攻泥頭；中部：仿生蠕動(dòng)軀體；尾部：組合纜接口。

圖1 拱泥機(jī)器人的總體結(jié)

頭部攻泥頭用于將前方?jīng)_出一段孔洞，攻泥頭和軀體間設(shè)有用于推動(dòng)攻泥頭前移并調(diào)節(jié)攻泥頭沖擊方向的液壓機(jī)構(gòu)。攻泥頭能使沖擊活塞在靜液壓下自行產(chǎn)生高頻往復(fù)周期振動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量利用充分和位移快速的優(yōu)點(diǎn)。

仿生蠕動(dòng)軀體由三節(jié)組成，節(jié)間由軸向蠕動(dòng)伸縮油缸和方向調(diào)節(jié)器連接，每節(jié)圓柱表面裝有若干個(gè)高彈性的可充放油的橡膠“胎”(膨脹套)，用于模擬徑向鼓縮蠕動(dòng)，整個(gè)軀體模仿蚯蚓的蠕動(dòng)爬行原理，逐節(jié)蠕動(dòng)跟進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的蠕動(dòng)前進(jìn)，見(jiàn)圖2。

圖2 自律運(yùn)動(dòng)示意

尾部組合纜接口用于連接和牽引組合纜(由電纜、油管、氣管和引繩組成)隨動(dòng)前進(jìn)，并具有防止機(jī)器人自旋的裝置。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可分為自律運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整。

對(duì)于這兩類運(yùn)動(dòng)，所采用的控制模式不同。拱泥機(jī)器人采用程序控制與人工控制相結(jié)合的控制模式，并均由液壓機(jī)構(gòu)執(zhí)行。對(duì)于自律運(yùn)動(dòng)，采用程序控制模式，確保各部分嚴(yán)格按照動(dòng)作節(jié)拍逐節(jié)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于方向與姿態(tài)調(diào)整，采用人工控制模式，即由操作員根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)提供的有關(guān)力、環(huán)境、位姿等方面的信息，在水面工作船上的控制臺(tái)上下達(dá)控制指令。

2 自律運(yùn)動(dòng)的控制

自律運(yùn)動(dòng)由機(jī)器人的各節(jié)按照嚴(yán)格的自律節(jié)拍，相互配合，逐節(jié)跟進(jìn)完成。一個(gè)循環(huán)周期的動(dòng)作組成自律運(yùn)動(dòng)的最小單元。這種周期性的動(dòng)作可分為五個(gè)節(jié)拍，見(jiàn)表1。

表1 自律運(yùn)動(dòng)節(jié)拍表

注：+-做某個(gè)動(dòng)作；--保持某種狀態(tài)；---無(wú)動(dòng)作等待狀態(tài)；P-攻泥推進(jìn)動(dòng)作；F-軸向跟進(jìn)動(dòng)作；R+/R--徑向膨脹/收縮動(dòng)作

從表1中可以看到，在節(jié)拍1和節(jié)拍5，機(jī)器人所受到的軸向反沖擊力和反牽引力最大，故有三節(jié)蠕動(dòng)體均保持徑向膨脹狀態(tài)，以提供最大的靜摩擦力。而在其它節(jié)拍，始終有兩節(jié)處于膨脹支撐狀態(tài)，為正在收縮跟進(jìn)的那一節(jié)提供靜摩擦力。

在自律運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人是否始終具有足夠的軸向靜摩擦力來(lái)穩(wěn)固自身，是自律運(yùn)動(dòng)能否使機(jī)器人前進(jìn)的關(guān)鍵。

對(duì)于飽和淤泥質(zhì)粘土，光滑圓柱面與孔壁泥土間的單位摩擦力f為5～1.5 kN/m2[8]。單節(jié)蠕動(dòng)體膨脹時(shí)的直徑D=0.35 m，有效長(zhǎng)度L=0.8 m，則單節(jié)蠕動(dòng)體在光滑表面條件下能提供的靜摩擦力F1至少為4.4 kN。

F1=πDL·f

式中：f取5 kN/m2。

在長(zhǎng)江邊(武漢段)的淤泥中所做的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)，而且當(dāng)圓柱表面被綁上汽車輪胎橡膠片時(shí)，靜摩擦力將增大4倍以上。

于是，三節(jié)蠕動(dòng)體能提供的靜摩擦力F3至少為52.75 kN

F3=12F1

同理，可以計(jì)算尾纜的靜摩擦力。設(shè)尾纜直徑d=0.1 m，沉船跨距l(xiāng)=25 m，則尾纜的最大靜摩擦力Ft為39.25 kN。

Ft=πdl·f

可見(jiàn)，三節(jié)蠕動(dòng)體能夠?yàn)闄C(jī)器人提供充足的軸向穩(wěn)固力。

由于在相同條件下兩物體間的靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，而且跟進(jìn)的那一節(jié)蠕動(dòng)體是在徑向收縮后進(jìn)行滑動(dòng)的，因此，一節(jié)膨脹的蠕動(dòng)體就能為一節(jié)跟進(jìn)的蠕動(dòng)體提供足夠的靜摩擦力。考慮到水下淤泥的復(fù)雜性，控制由兩節(jié)膨脹的蠕動(dòng)體為一節(jié)跟進(jìn)的蠕動(dòng)體提供靜摩擦力。同理,在攻泥頭攻泥和牽引尾纜這兩個(gè)過(guò)程中，則控制由三節(jié)膨脹的蠕動(dòng)體提供最大的靜摩擦力來(lái)分別抵抗打孔的反沖擊力和尾纜的反牽引力。

自律運(yùn)動(dòng)由各部分的軸向油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)以及膨脹套的徑向蠕動(dòng)合成，因此，只要對(duì)軸向油缸和膨脹套進(jìn)行控制就可實(shí)現(xiàn)對(duì)自律運(yùn)動(dòng)的控制，見(jiàn)圖3。對(duì)油缸和膨脹套的控制是通過(guò)對(duì)電磁換向閥的集中控制實(shí)現(xiàn)的。

圖3 軸向伸縮、徑向鼓縮及方向調(diào)節(jié)機(jī)

因?yàn)樽月蛇\(yùn)動(dòng)是按固定的工作節(jié)拍逐節(jié)完成的，故采用程序控制模式，即將各軸向油缸和膨脹套的電磁換向閥的電纜連接到一個(gè)程序控制器上，由控制器按照動(dòng)作節(jié)拍的次序順序控制各個(gè)油缸和膨脹套的動(dòng)作。

3 姿態(tài)調(diào)整的控制

姿態(tài)調(diào)整是通過(guò)節(jié)間的方向調(diào)節(jié)器來(lái)完成的。它由4個(gè)油缸組成，相對(duì)的2個(gè)組成一對(duì)(彼此互鎖)，兩對(duì)之間垂直排列，見(jiàn)圖4。

圖4 方向調(diào)節(jié)器

當(dāng)兩對(duì)油缸的活塞都處在中位時(shí),調(diào)整器的兩端面平行,與兩端相連的兩節(jié)軀體是同軸的，呈直線狀態(tài)。當(dāng)處于垂直位置的一對(duì)油缸活塞桿伸出或縮進(jìn)時(shí),調(diào)整器的兩端面就會(huì)有夾角，使相連兩軀體呈向上或向下彎曲的狀態(tài)。同理，水平位置的一對(duì)油缸，可使相連兩軀體呈向左或向右彎曲的狀態(tài)，將相互垂直的兩對(duì)油缸加以適當(dāng)控制使其動(dòng)作合成起來(lái)，可使相連兩軀體向任意方向彎曲。因?yàn)楣ツ囝^和后面的三節(jié)蠕動(dòng)軀體是由三個(gè)方向調(diào)節(jié)器串成一體的,當(dāng)三個(gè)方向調(diào)節(jié)器同時(shí)朝同樣的方向變動(dòng)時(shí),可使機(jī)器人形成一個(gè)近似的弧形。

每個(gè)方向調(diào)節(jié)器的最大調(diào)節(jié)角度γ=10°，取每節(jié)長(zhǎng)度l=0.87 m，則可計(jì)算出機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑r為5 m。

在實(shí)際控制過(guò)程中，方向調(diào)節(jié)也是按照跟隨原理進(jìn)行的，即每一節(jié)的方向角都取前一節(jié)的實(shí)際方向角，從而使機(jī)器人的各部分以最小阻力協(xié)調(diào)前進(jìn)。

機(jī)器人的有效工作平面應(yīng)在其預(yù)定路徑所決定的鉛垂面內(nèi)，見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)器人的有效工作平

當(dāng)機(jī)器人的實(shí)際軌跡偏離預(yù)定路徑時(shí)，則啟動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行糾正。此外，當(dāng)它遇到不可逾越的障礙時(shí)，則控制它退回一段路程后再調(diào)節(jié)方向前進(jìn)，以便繞過(guò)障礙。當(dāng)然，機(jī)器人相當(dāng)于該鉛垂面的偏離是需要及時(shí)糾正的。

4 結(jié)論

對(duì)于工作在水下惡劣的淤泥環(huán)境中，其運(yùn)動(dòng)控制是關(guān)鍵技術(shù)。本文提出的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方案簡(jiǎn)單、可靠可操作性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景等優(yōu)點(diǎn)。

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