翟旭強，張俊俊，王皓冉，李永龍2,，李佳龍

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機器人四川省重點實驗室，綿陽 621010；3.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都 610000）

0 引言

有纜遙控水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）越來越多地應(yīng)用于海洋探測、水庫大壩檢測、水產(chǎn)養(yǎng)殖、船體碼頭檢查、水下考古等領(lǐng)域，根據(jù)運動方式的不同，ROV可以分為浮游式、爬行式和拖曳式[1]。浮游式ROV最為常見，可實現(xiàn)多自由度靈活運動，但是在對水下底板執(zhí)行取樣、巡檢、探測等任務(wù)時，保持懸停和姿態(tài)穩(wěn)定比較困難。爬行式ROV可以在水下緊貼底板進行作業(yè)但收放困難。因此，結(jié)合浮游式ROV靈活性和爬行式ROV穩(wěn)定性的優(yōu)勢，設(shè)計開發(fā)具備浮游和爬行功能的復(fù)合式水下ROV，具備一定的應(yīng)用價值和研究意義。

Bo等[2]設(shè)計了浮游爬行式ROV，通過浮游功能進行水下電纜的搜索、觀測和檢測，采用爬行功能來實現(xiàn)電纜的埋設(shè)和維護。Wood等[3]設(shè)計了雙模式ROV來進行水下考古，并對機器人框架進行了有限元仿真以保證其強度滿足要求，設(shè)計浮力升降系統(tǒng)來調(diào)整機器人水下的浮力。Ferreira等[4]設(shè)計雙模式ROV，采用推進器來施加垂直于船體表面的力，從而緊貼在船體上爬行。Mori等[5]研究具備浮游、底板爬行和爬側(cè)壁三種功能的水下機器人，并且進行了浮游越過障礙物和由爬行轉(zhuǎn)換為爬壁的姿態(tài)控制研究。常路等[6]設(shè)計了雙模式水下ROV，通過切換模塊在浮游爬行兩個模式之間進行切換。以上水下浮游爬行式ROV的研究主要集中在浮游姿態(tài)控制上，而對水下爬行性能的研究較少。Inoue等[7,8]對水下履帶式機器人在平坦地形的行駛進行了行駛穩(wěn)定性研究，并且在小型的浮游爬行式ROV上使用四個推進器來輔助增加水下質(zhì)量，調(diào)整水下質(zhì)心，以保證其穩(wěn)定運行。但是僅對水平地面的運動進行了研究，未對爬坡等工況進行分析。

本文設(shè)計的機器人為“浮游式+爬行式”雙模式ROV，可以實現(xiàn)水下底板連續(xù)爬行與水中六自由度浮游作業(yè)。機器人水下質(zhì)量小，履帶接地長度短、水下質(zhì)心較高，行進中受到水動力的作用，底板爬行時存在傾翻的風(fēng)險。對重心與浮心的可行域進行仿真和驗證，保證ROV行駛的穩(wěn)定性是設(shè)計的重點。本文對機器人直行、上下斜坡的典型工況進行了穩(wěn)定性分析和動力學(xué)仿真研究，并通過實驗驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整機構(gòu)型

ROV由主控裝置、浮游裝置、檢測裝置、前置攝像裝置、爬行裝置等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機器人整機結(jié)構(gòu)

機器人采用有纜供電通訊的方式，操作人員在母船上通過電纜對機器人傳遞信息，進行遙控操作。主控箱安裝在機器人正上方以方便箱體的安裝、接線和箱體安裝完成后的氣密性測試。浮游裝置采用框架式結(jié)構(gòu)，搭載推進器使得機器人可以浮游運動。使用履帶式底盤作為爬行部件，履帶底盤安裝在車體兩側(cè)，履帶之間有較大的間距保證了機器人行駛和轉(zhuǎn)向時的側(cè)向的穩(wěn)定性。前置探照裝置由水下相機和補光燈組成，可以采集得到前方的路況圖像。檢測裝置是在裝滿清水的透明水箱中安裝水下高清相機和補光燈，相機朝機器人正下方進行拍攝，采集底板的圖像。

1.2 爬行裝置設(shè)計

爬行裝置如圖2所示，采用履帶式底盤作為行走機構(gòu)，牽引性能良好，對地壓力小，有較強的地形適應(yīng)性且不容易打滑。爬行裝置由兩組履帶模塊和傳動模塊，以及安裝架組成，履帶模塊由履帶機架、驅(qū)動輪、張緊輪、負重輪、張緊裝置等組成，采用克里斯蒂懸掛系統(tǒng)，降低對車身的振動。

圖2 爬行裝置

履帶傳動裝置如圖3所示，直流減速電機為履帶底盤提供動力，通過電機外殼與機架固定，電機外殼與端蓋之間采用O型圈實現(xiàn)靜密封。水下執(zhí)行裝置需要著重考慮動力系統(tǒng)的密封性，從而實現(xiàn)機構(gòu)的連續(xù)穩(wěn)定運行[9]。本傳動系統(tǒng)中主要考慮電機輸出軸的動密封，直接對電機軸密封難度較大，因此對傳動軸進行機械密封，傳動軸與電機軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接。法蘭軸連接履帶主動輪，法蘭軸與傳動軸通過銷釘聯(lián)接。

圖3 履帶傳動裝置

1.3 浮游裝置設(shè)計

浮游裝置由主體、推進器、浮力塊等組成。機器人主體為比強度較高的碳纖維板，采取框架式結(jié)構(gòu)并做適當(dāng)切除，以避免遮擋推進器的流場，主體上設(shè)計4個吊耳以方便吊放。采用定向推進器作為浮游運動的動力來源，八個推進器的配合使得機器人能在水下三維空間中實現(xiàn)進退、橫移、浮潛、橫搖、縱搖、艏搖的六自由度運動[10]。通過調(diào)整浮力塊來改變水下浮力和浮力中心。

圖4 浮游裝置

ROV具備浮游功能，可以在水下任意位置升降，方便機器人收放；在遇到不可爬行越過的障礙物時，可以直接上浮然后“飛”過障礙物。

2 機器人爬行穩(wěn)定性分析

機器人在水下水平地面和斜坡上運動時受到自身重力G、浮力B、支持力N以及水動力Rw的作用。假設(shè)G、B、N、Rw為點作用力，運動時履帶為剛性，與地面接觸部分形狀固定。機器人左右兩側(cè)對稱，可簡化為平面問題，此時機器人受力如圖5所示。

圖5 機器人直行和斜坡工況受力

根據(jù)力矩平衡原理，以原點為計算點，機器人靜止時，水下支持力的等效作用點橫坐標(biāo)為：

機器人保持平衡需要滿足支持力作用點橫坐標(biāo)xN與履帶地面接觸接觸范圍（xA，xC）之間的關(guān)系為：

水的密度遠大于空氣密度而且迎水面積較大，水動力對機器人爬行性能的影響不可忽略[11]，運動時，水動力的大小為：

其中：ρ是水密度；Ks是水阻力系數(shù)；Aw是水阻力面積；vw和vm分別是機器人水下行駛速度和水流速度；Km是附加質(zhì)量系數(shù)；Vm是機器人體積；aw和am分別是機器人行駛加速度和水流加速度。

機器人勻速向前和向后運動時，水下支持力作用點的橫坐標(biāo)分別為：

式(2)、式(4)、式(5)聯(lián)立，水下直行時，機器人平衡條件為：

機器人向上、下爬坡時，水下支持力作用點的橫坐標(biāo)分別為：

結(jié)合式(2)，此時zB與xB的關(guān)系為：

假設(shè)水阻力作用在機器人正前方投影平面的面心上；RW1為運行中所受的最大水阻力；RW2為運行中所受的最小水阻力。

機器人左右對稱，通過調(diào)整浮力塊的位置，調(diào)整浮心的x軸和z軸坐標(biāo)位置。采用懸掛法通過力矩平衡原理進行的x軸和z軸的重心測量和浮心的調(diào)整[7]。機器人質(zhì)量、浮力、重心坐標(biāo)等相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 機器人設(shè)計參數(shù)

機器人在水下處于負浮力狀態(tài)，因而它能貼水底爬行。機器人的質(zhì)量、質(zhì)心、浮力、浮心和水阻力等會影響其運動姿態(tài)。采用CFD方法計算Ks和Km，當(dāng)機器人以速度為0.07m/s，加速度為0.1m/s2時其水動力最大，為4.35N。機器人運動指標(biāo)如表2所示。

表2 機器人運動參數(shù)

根據(jù)式(6)的水下直行的平衡條件，浮心橫坐標(biāo)xB與質(zhì)心橫坐標(biāo)xG的關(guān)系如圖6(a)所示。其中A區(qū)域為xG的可行域，在此范圍內(nèi)支持力在履帶底部的接地面上，機器人能平穩(wěn)運動。

圖6 直行和斜坡爬行穩(wěn)定域

根據(jù)式(8)和式(9)，當(dāng)機器人向上或者向下通過傾角為15°斜坡時，在給定質(zhì)心坐標(biāo)（312，375）下，浮心橫坐標(biāo)xB與浮心縱坐標(biāo)ZB的關(guān)系如圖6(b)所示，其中B區(qū)域為浮心可行域。

3 多體動力學(xué)建模仿真

3.1 動力學(xué)建模

水下機器人履帶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，自由度多。為提高求解速度，根據(jù)機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用Recurdyn/LM模塊構(gòu)建履帶系統(tǒng)。使用SolidWorks構(gòu)建車體的三維模型，將車體三維模型導(dǎo)入Recurdyn中并定義車體和履帶系統(tǒng)的約束關(guān)系[12]。機器人多體動力學(xué)模型如圖7所示。

圖7 機器人多體動力學(xué)模型

3.2 運動仿真

進行水下機器人在底板的直行、爬坡等典型工況的動力學(xué)仿真。設(shè)置地面為典型黏性土，采用translation力來定義垂直向上的浮力和與運動方向相反的水阻力。采用STEP函數(shù)定義驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為0.07m/s。選取水平地面運動，向上爬15度斜坡，向下爬15度斜坡三種典型工況對機器人進行仿真分析。機器人在水下水平地面運動時，同一速度不同浮力中的質(zhì)心高度和運動所需的驅(qū)動力矩變化情況如圖8所示。

圖8 水平運動質(zhì)心高度和驅(qū)動力矩

質(zhì)心橫坐標(biāo)xG為312mm時，選取浮心橫坐標(biāo)xB分別為315mm，295mm和340mm（圖6(a)中點P2，P1，P3）進行仿真，仿真結(jié)果分別如圖9(a)～圖9(c)所示。仿真開始時，由于機器人離地10mm，其落下后有一定的振動，取6～8秒振動結(jié)束后進行分析。圖8(a)為機器人質(zhì)心橫坐標(biāo)xG為315mm即在浮心穩(wěn)定區(qū)間時的仿真結(jié)果，其質(zhì)心高度zG穩(wěn)定在375mm附近，機器人不會向前或者向后傾翻。圖8(b)和圖8(c)為浮心橫坐標(biāo)xB分別為295mm和340mm即在穩(wěn)定區(qū)間以外時的仿真結(jié)果，此時質(zhì)心高度呈明顯上升趨勢，仿真中發(fā)現(xiàn)機器人單輪著地，與地面的接觸情況如圖8(d)所示，機器人俯仰角變大，存在傾翻的危險。

選取圖6(b)中穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，機器人浮心坐標(biāo)Q（315，418）進行爬坡分析。機器人向上爬15度斜坡時，質(zhì)心高度與力矩變化情況如圖9(a)所示。機器人向下爬15度斜坡時，質(zhì)心高度與力矩變化情況如圖9(b)所示。兩種工況下俯仰角的變化都很小，機器人均可正常穩(wěn)定爬行。

圖9 機器人上下斜坡仿真

4 樣機實驗

機器人樣機水下場景如圖10(a)所示，水下爬行的實驗如圖11(b)所示。實驗場地為2m×5m的水池，實驗時水深為1.3m。

圖10 水下樣機實物與爬坡實驗

機器人在水池底板上爬行，底板有平地和18.3°斜坡兩種地形。機器人在水下底板上以最大速度向前行駛，采用慣性測量單元IMU采集機器人運動時的角度和加速度信息。此時前進方向加速度和俯仰角變化情況如圖11所示。

圖11 爬坡時加速度和俯仰角變化

a階段機器人在水下平地向前爬行；b階段機器人以最大速度向上爬18.3°的斜坡，其中b1階段為機器人從底盤前端接觸斜坡到底盤完全爬上斜坡的過程，此時機器人的俯仰角從0°提升到18.3°，b2階段機器人完全在斜坡上從運動到靜止，此時其傾角和加速度存在小范圍波動；c階段機器人在斜坡上靜止；d階段機器人從靜止加速，后退爬下斜坡，其中d1階段在斜坡上由靜止加速到最大速度行駛，機器人產(chǎn)生震蕩，d2階段機器人逐漸脫離斜面，此時俯仰角不斷變??；e階段為機器人在水下平地上以最大速度行駛。機器人順利完成平地直行、上下斜坡的運動且運動中無傾翻。

5 結(jié)語

1）設(shè)計了一款“浮游式+爬行式”雙模式水下巡檢機器人。機器人可以通過履帶底盤在水下底板進行連續(xù)爬行作業(yè)，并且具備浮游功能，可以在水中六自由度游動。

2）基于力矩平衡原理研究質(zhì)心和浮心對機器人水下直行和爬坡性能的影響，并求出滿足兩種運動的車體浮心可行域。針對運動需求和特性，使用動力學(xué)仿真軟件Recurdyn對機器人進行典型工況下的運動仿真分析。通過仿真可以觀察到機器人質(zhì)心和俯仰角的變化情況，平地直行和上下斜坡兩種工況下，在浮心可行域內(nèi)機器人平穩(wěn)運行。

3）開展樣機測試，試驗表明：在浮心穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，機器人平地直行穩(wěn)定無傾翻跡象；機器人能爬18.3°斜坡并穩(wěn)定運行，滿足設(shè)計指標(biāo)。