韓 松，徐林森

(1.中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院，合肥 230031；2.中國科學技術大學，合肥 230026)

隨著對海洋資源探索開發(fā)的不斷深入，人類研制出越來越多的水下作業(yè)設備，如水下無人航行器、水下傳感器、水下預置武器等，這些設備對錨泊定位系統(tǒng)提出了新的要求，而現(xiàn)有錨泊定位裝置難以滿足能量消耗及自主能力方面的需求，因而亟須研究開發(fā)高效智能的新型錨泊機器人。中外學者對錨泊機器人進行了相關研究。意大利理工學院和圣安娜高等學校的學者根據(jù)植物根系末端的震蕩回旋運動研制出回旋運動的掘穴機器人[1]；韓國首爾大學的研究人員發(fā)現(xiàn)牻牛兒苗和天竺葵種子發(fā)芽過程中，其螺旋形的濕度感應芒會轉(zhuǎn)變成直線，這個運動能夠打破其周圍的力鏈網(wǎng)絡，有利于降低感應芒的環(huán)境阻力[2]，為設計新型掘穴機器人提供了理論依據(jù)。美國麻省理工學院的研究人員模擬長竹蟶的運動機理研制出掘穴機器人RoboClam，但該機器人不具備錨定及自主脫附能力[3]。美國亞桑那州立大學的學者研制具有自主脫附能力的掘進機器人，但該機器人不具備錨定能力[4]。韓國科學技術高級研究院研發(fā)了一款仿鼴鼠掘進機器人[5]。日本中央大學學者模擬蚯蚓運動開發(fā)出柔性掘進機器人，但該機器人不具備錨定及自主脫附能力[6]。Tirtawardhana等[7]設計了一款仿穴居動物的掘進機器人，但該機器人不具備自主脫附能力。Tao等[8]設計的掘進機器人采用氣動驅(qū)動的方式來模擬長竹蟶的掘穴運動，該機器人的運動穩(wěn)定性較差。Barenboim等[9]通過旋轉(zhuǎn)錐尖頭及振動沖擊機構來實現(xiàn)掘穴機器人的掘穴運動，但該機器人不具備錨定的能力。英國國王學院研究人員模擬章魚吸盤的吸附功能，采用真空吸附機理，研制了一款集成傳感器的剛柔結合的機器人定位裝置模塊[10]，該模塊可以保持約2 N的錨系力，研究者設想用該模塊的陣列將移動裝置固定在某一位置。沙特法赫德國王石油礦產(chǎn)大學研究人員采用Gough-Stewart 機構作為錨系方式提出了一種新型海上作業(yè)平臺，并對其運動空間和抵抗風浪等環(huán)境載荷的能力進行了仿真分析計算[11]。陳超等[12]通過對大型非自航絞吸挖泥船的研究，得出極限海況下錨泊線張力的變化；王勝洋等[13]為浮式結構物系泊系統(tǒng)的設計提出了一種優(yōu)化方法，并通過模型驗證了方法的可行性。潘昀等[14]對中上層浮魚礁的單錨系泊開展研究，通過建立的模型驗證了錨泊方式的準確性。張夢奇等[15]采用自動定位技術對掘進機器人進行分析，但該機器人不能進行水下作業(yè)。

為此，設計具有掘進、錨定和自主脫附功能的錨泊機器人，并且該控制系統(tǒng)能夠使該錨泊機器人完成掘進、錨定及自主脫附，并形成較大的錨定比，可作為一種水下錨定系統(tǒng)的參考方案。

1 錨泊機器人的機械設計

1.1 仿生對象

通過對眾多海底生物的比較研究發(fā)現(xiàn)，大西洋蟶能夠綜合利用彈性能量存儲、身體減阻、局部土壤流化和雙錨挖掘等方法，實現(xiàn)高效掘進及強力錨定，因此其能夠適應幾乎所有小型顆粒介質(zhì)組成的底質(zhì)層，如黏土、淤泥、沙土及其組成的混合介質(zhì)等，具體如圖1所示。

圖1 眾多海底生物的棲息機制Fig.1 The habitat mechanism of many sea creatures

大西洋蟶由兩瓣相互鉸合的細長外殼和一只柔軟的斧足組成，外套膜起到保護生物軟體的作用，入水管、排水管與鰓相連；兩瓣外殼由鉸合齒和韌帶相連，由外展肌驅(qū)動實現(xiàn)開合功能，引起大西洋蟶鄰近區(qū)域泥沙的局部流化，減小作業(yè)的環(huán)境阻力；斧足大而靈活，能夠自如地伸縮和彎曲，實現(xiàn)長竹蟶的導向、侵徹、牽拉、上推等功能，其生理結構如圖2所示。

圖2 大西洋蟶生理結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the physiological structure of Atlantic razor clam

大西洋蟶能夠用約10 N的力以接近 1 cm/s 的速度挖掘70 cm (自身體長的7倍)深的洞穴，耗能僅為0.21 J/cm，挖掘效率是現(xiàn)有技術的10倍；其錨定狀態(tài)下附著力較強，單位能量產(chǎn)生的錨定力比現(xiàn)有錨定裝置高出一個數(shù)量級；并且它能夠從底質(zhì)層自主脫附。

大西洋蟶直立掘進的形態(tài)時序如圖3所示[15]，圖3(a)為大西洋蟶初始位置，將要掘進時，殼體張開；隨后斧足伸展侵入到泥沙層[圖3(b)]，由于環(huán)境介質(zhì)的反作用力，殼體將會略微上升，與此同時使得鄰近區(qū)域的泥沙松動[圖3(c)]；接著殼體收縮將膜瓣內(nèi)的血液推入斧足內(nèi)，進而斧足形成錨定[圖3(d)]；進而斧足收縮，往下牽拉殼體[圖3(e)]；斧足收縮到殼內(nèi)，一個周期結束[圖3(f)]；重復以上步驟直至到達預期位置。

圖3 大西洋蟶雙錨掘進的形態(tài)時序圖Fig.3 Morphological sequence diagram of double-anchor excavation of Atlantic razor clam

鑒于大西洋蟶的這些優(yōu)點及其特殊的掘進機理，本研究將以大西洋蟶為仿生對象來構建集掘進、錨定和自主脫附能力于一體的錨泊機器人。

1.2 機械設計

設計的錨泊機器人的三維圖solidworks軟件完成，其具體構造如圖4所示。

圖4 錨泊機器人的三維圖Fig.4 3D drawing of the anchoring robot

圖4中，主要包括支撐平臺、推桿1、推桿2、錨泊機器人殼體等部分。支撐平臺主要用來將錨泊機器人置于實驗裝置上，起到支撐的作用；推桿1主要用來完成錨泊機器人殼體的開合運動；推桿2主要用來完成錨泊機器人仿斧足的掘進及自主脫附運動。該錨泊機器人的殼體末端采用錐尖結構，以減小掘進過程的阻力。錨泊機器人的實體如圖5所示。錨泊機器人殼體外部通過防水材料布密封，防止水對推桿的破壞。

圖5 錨泊機器人實體圖Fig.5 Physical map of the anchoring robot

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制原理

錨泊機器人仿大西洋蟶的斧足運動和殼體的開合運動主要由2個電動推桿來實現(xiàn)，通過開發(fā)板的程序來控制推桿的伸縮運動。2個推桿的運動結合錨泊機器人的機械設計，能夠?qū)崿F(xiàn)其掘進、錨定及自主脫附的功能。當殼體張開(推桿1伸長)、斧足下侵(推桿2伸長)時，錨泊機器人進行掘進；當殼體收縮、斧足收縮完成時，錨泊機器人形成錨定；當殼體收縮、推桿2回縮運動時，錨泊機器人實現(xiàn)自主脫附。錨泊機器人仿大西洋蟶做圖3運動，該過程中2個推桿的狀態(tài)如圖6所示。

圖6 錨泊機器人周期運動過程中推桿的狀態(tài)流程圖Fig.6 The state flow chart of linear actuators during the periodical movement of the anchoring robot

推桿的伸縮運動主要依靠其內(nèi)部電機的轉(zhuǎn)向運動，當電機正向旋轉(zhuǎn)運動時，推桿做伸長運動；當電機反向旋轉(zhuǎn)運動時，推桿做回縮運動。為了改變電機的運動方向(即推桿的伸縮運動狀態(tài))，通過電磁繼電器來達到這一目的。電磁繼電器改變電機方向的原理如圖7所示。

CK1、CK2為電磁繼電器的常開端；COM1、COM2為電磁繼電器的公共端；CB1、CB2為電磁繼電器的常閉端；數(shù)字0.1、0.2等為連接線的編號；+為電機的正極；-為電機的負極；M為電機圖7 電磁繼電器改變電機方向原理圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic relay changing the direction of the motor

CK、CB的狀態(tài)與電機轉(zhuǎn)向的具體對應關系如表1所示。

表1 CK、CB的狀態(tài)與電機轉(zhuǎn)向的對應關系Table 1 Correspondence between the state of CK and CB and the rotation of the motor

當CK1導通、CB1斷開、CK2斷開且CB2導通時，電機走線回路如圖 8(a)所示，電源正極經(jīng)1.1號連接線到CK1，接著到COM1，從COM1經(jīng)0.1號連接線到電機正極，從電機負極經(jīng)0.2號連接線到COM2，接著到CB2，從CB2經(jīng)1.2號連接線到電源負極；當CK1斷開、CB1導通、CK2導通且CB2斷開時，電機走線回路如圖 8(b)所示，電源正極經(jīng)2.2號連接線到CK2，接著到COM2，從COM2經(jīng)0.2號連接線到電機負極，從電機正極經(jīng)0.1號連接線到COM1，接著到CK1，從CB1經(jīng)2.1號連接線到電源正極。

圖8 電機走線圖Fig.8 The wiring diagram of the motor

1～8為8個電磁繼電器圖9 平臺接線圖Fig.9 The wiring diagram of the platform

2.2 硬件平臺搭建

錨泊機器人的控制系統(tǒng)采用圖9所示的開發(fā)板來實現(xiàn)，開發(fā)板的電源線外接 24 V的電壓，黑線接負極，白線接正極；通過程序燒錄線將PC端的程序?qū)戇M板子的系統(tǒng)芯片(system chip，STC)主控芯片中；開發(fā)板共有 8 個電磁繼電器，1、2 號電磁繼電器與推桿1按照圖7的原理工作，3、4 號電磁繼電器與推桿2也是按照圖7的原理工作；1～4號電磁繼電器的CK、COM、CB 3個端口分別通過三根杜邦線外接。

2.3 軟件設計

結合圖6和圖7進行分析，錨泊機器人一個運動周期中推桿1、推桿2的狀態(tài)與CK、CB的對應關系如表2所示。

為了實現(xiàn)表2中推桿狀態(tài)與端口CK、CB的對應關系，以模擬大西洋蟶的掘進運動。結合開發(fā)板電路特點，CK在STC芯片的引腳為低電平模式下導通；CB在CK斷開時導通。STC芯片引腳CK1_P、CK2_P、CK3_P、CK4_P分別對應CK1、CK2、CK3、CK4(CK_P=0表示低電平模式，CK_P=1表示高電平模式)。因此，錨泊機器人的一個運動周期中，推桿1、推桿2的狀態(tài)與CK、CB的對應關系，可以轉(zhuǎn)化成表3中推桿的狀態(tài)與CKi_P(i=1，2，3，4)的對應關系。

表2 一個運動周期中推桿的狀態(tài)與CK、CB的對應關系Table 2 Correspondence between the state of linear actuators and CK and CB in a movement cycle

表3 一個運動周期中推桿的狀態(tài)與CKi_P的對應關系Table 3 Correspondence between the state of linear actuators and CKi_P in a motion cycle

在電壓24 V下，經(jīng)過多次測量取平均值得：推桿1的速度為4 mm/s，推桿2的速度為12 mm/s；在4 mm/s的速度下，經(jīng)過多次觀察測量，推桿1完成殼體的完全張開需要4 s的時間。

對于STC主控芯片采用設置定時器0為工作方式1的模式，定時時間設置為n=50 ms。在軟件Keil uVision 5中編寫程序來實現(xiàn)錨泊機器人的仿生運動，程序流程圖如圖10所示。

T為程序運行的時間；W為錨泊機器人仿生運動的周期數(shù)圖10 程序設計流程圖Fig.10 The programming flowchart

3 實驗結果

設計的錨泊機器人在圖11的環(huán)境介質(zhì)中進行仿生運動，介質(zhì)主要包含水和黏土，兩者按照的一定的體積比例混合。每次進行實驗前，使用棍棒對容器中的介質(zhì)進行適當時間的充分均勻攪拌，使介質(zhì)呈水土混合的渾濁狀態(tài)，并在水土分離前進行實驗。

圖11 實驗的環(huán)境介質(zhì)Fig.11 The environmental medium of the experiment

分別配置水與黏土的體積比值為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4的環(huán)境介質(zhì)，圖12為不同體積比例下，錨泊機器人掘進深度的變化趨勢。圖12中，空載表示錨泊機器人在空氣中運動。結合錨泊機器人仿生運動的程序流程(圖10)與圖12進行分析，可以得出：同一水土體積比例下，隨著掘進深度的增加，掘進的平均速度在減??；同一水土體積比例下，在相同的掘進深度段，錨泊機器人掘進的平均速度的絕對值比脫附的平均速度的絕對值大；同一時間下，錨泊機器人的掘進深度隨水土體積比例值的變小而變??；同一掘進深度段，錨泊機器人掘進和脫附的平均速度的絕對值隨水土體積比例值的變小而變小。當水∶黏土=1∶4時，可以看出，錨泊機器人幾乎無法掘進到環(huán)境介質(zhì)。

對圖12中的5種介質(zhì)下的錨泊機器人錨定力進行測量，錨定力計算公式為

Fm=F-G

(1)

式(1)中：Fm為錨定力；F為測力儀器顯示的數(shù)值；G為錨泊機器人的重力。

錨泊機器人的重力值是定值為G=50 N，表4為F的測量記錄?？蛰d時錨泊機器人在空氣中運動，無錨定力，因此各次測量值均記作為0；水∶土=1∶4時，從圖12可知，錨泊機器人幾乎無法掘進到介質(zhì)中，無法形成錨定，因此各次測量值也均記作為0。對每種環(huán)境介質(zhì)下的多次測量值，取其對應的平均值以減小實驗誤差帶來的影響。

圖12 不同水土比例下掘進深度變化趨勢Fig.12 Change trend of excavation depth under different water-soil ratio

錨定比Fm/G用來衡量錨泊機器人的錨定效率。通過表4及式(1)可以計算出各種水土體積比例下的錨定力及錨定比，表5為Fm及Fm/G的具體數(shù)值。可以看出，錨定力Fm和錨定比Fm/G與水土體積比例值呈負相關，即隨著水土體積比例值的減小，錨定力Fm和錨定比Fm/G均增大。

表4 F的多次測量記錄值Table 4 Recorded value of multiple measurements of F

表5 各種水土體積比例的Fm及Fm/GTable 5 Fm and Fm/G of various water-soil volume ratios

4 結論

鑒于大西洋蟶的諸多優(yōu)點及掘進機理，本文以其為仿生對象構建集掘進、錨定和自主脫附能力于一體的錨泊機器人，并對其控制系統(tǒng)設計，使其實現(xiàn)了預定功能。對空載和水土體積比例分別1∶1、1∶2、1∶3、1∶4介質(zhì)環(huán)境下錨泊機器人的運動進行研究，得出如下結論。

(1)同一水土體積比例下，隨著掘進深度的增加，掘進的平均速度在減小。

(2)同一水土體積比例下，在相同的掘進深度段，錨泊機器人掘進的平均速度的絕對值比脫附的平均速度的絕對值大。

(3)同一時間下，錨泊機器人的掘進深度隨水土體積比例值的變小而變小。

(4)同一掘進深度段，錨泊機器人掘進和脫附的平均速度的絕對值隨水土體積比例值的變小而變小。

(5)當水∶黏土=1∶4時，錨泊機器人幾乎無法掘進到環(huán)境介質(zhì)。

(6)錨定力Fm和錨定比Fm/G與水土體積比例值成負相關，即隨著水土體積比例值的減小，錨定力Fm和錨定比Fm/G均增大。

提出的集掘進、錨定和自主脫附功能于一體的新型錨泊機器人，最大錨定比可達82.036%，錨定效率較高，為了提高船舶的安全性和穩(wěn)定性，可選擇本錨泊機器人作為一種錨定方案。