何 濤，王傳禮，高 博，陳 凡，趙凱平，王偉俊

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；4.安徽礦山機(jī)電裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 淮南 232001；5.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司 電力科學(xué)院，安徽 合肥 230061）

0 引 言

煤炭是我國(guó)主體能源，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期大規(guī)模的開(kāi)采，許多煤礦煤炭資源趨于枯竭，或已經(jīng)枯竭關(guān)閉，或因政策性關(guān)閉，從而形成待轉(zhuǎn)型煤礦［1］。 中國(guó)工程院預(yù)測(cè)2020 年我國(guó)關(guān)閉礦井?dāng)?shù)量將達(dá)到1.2 萬(wàn)處，2030 年將到達(dá)1.5 萬(wàn)處［2－3］。 關(guān)閉礦井中賦存大量可利用資源，直接關(guān)閉或廢棄不僅會(huì)造成資源的巨大浪費(fèi)，還可能引發(fā)安全事故、環(huán)境污染及系列社會(huì)問(wèn)題［4］。 為此謝和平等［5－6］、袁亮等［4］提出在我國(guó)煤礦井下開(kāi)展抽水蓄能電站建設(shè)，為關(guān)停礦井的資源化利用、立體式開(kāi)發(fā)和全面轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新思路。 李庭等［7］、羅魁等［8］等針對(duì)利用廢棄礦洞建設(shè)抽水蓄能電站的技術(shù)可行性開(kāi)展了大量論證，論證結(jié)果均表明其在理論和技術(shù)層面是可行的［9－10］。 但廢棄礦洞地下空間穩(wěn)定性差，人工勘察風(fēng)險(xiǎn)大；電站建成后，其水下洞室和尾水系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，人工巡檢難度大且安全性難以得到保證，亟需專門的水陸兩棲機(jī)器人。

水陸兩棲機(jī)器人作為可移動(dòng)的載體，其沉浮及姿態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)器人的綜合移動(dòng)性能影響巨大［11－12］。目前國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人姿態(tài)控制主要有2 種形式，即推進(jìn)器控制和重浮心變化控制［13－14］。 邱中梁等［15］設(shè)計(jì)了水銀液壓縱傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)效率高、能耗較低，但液態(tài)水銀密封難，且有劇毒，其泄漏易造成水體嚴(yán)重污染。 賈連超等［16］提出了用于水下機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)的電磁式水下合成射流激勵(lì)器，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)平均推力和推進(jìn)效率，但其對(duì)于姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中姿態(tài)傾角的控制難以做到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)，且可能會(huì)激起波紋干擾水下機(jī)器人作業(yè)。 高世陽(yáng)等［17］提出了一種深海油馕式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其具有良好的可行性和實(shí)用性，但其在深海壓力以及復(fù)雜的海底環(huán)境下易造成油液泄漏。 同樣“潛龍一號(hào)”作為深6 000 m 級(jí)自主水下航行器，其浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用液壓油作為工作介質(zhì)，但為了減少浮力調(diào)節(jié)時(shí)的能量損耗，其采用了單向浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)［18］。由于油馕式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封易失效以及皮囊易老化及泄漏污染等問(wèn)題，我國(guó)的深7 000 m級(jí)載人潛水器“蛟龍?zhí)枴辈捎昧撕Ｋ×φ{(diào)節(jié)系統(tǒng)，而其縱傾調(diào)節(jié)因其自身重量較大，仍然采用了水銀調(diào)節(jié)方式［19］。

由此可知，現(xiàn)有液壓姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)多采用油壓調(diào)節(jié)或者水銀調(diào)節(jié)方式，二者均易造成泄漏和污染，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜；且大多數(shù)水下移動(dòng)機(jī)器人的沉浮調(diào)節(jié)和姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相互獨(dú)立，增加了設(shè)計(jì)成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性。 為此，設(shè)計(jì)了一種兼具沉浮和姿態(tài)調(diào)節(jié)功能的一體化的姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，且考慮到煤礦抽水蓄能電站水下巡檢機(jī)器人的環(huán)保要求，整個(gè)系統(tǒng)采用全水液壓驅(qū)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上建立機(jī)器人的三維模型，進(jìn)而開(kāi)展姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模與仿真分析。

1 巡檢機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.1 姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

履帶行走機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的復(fù)雜地形通過(guò)能力［20］，為此機(jī)器人在陸地采用履帶行走，而在水下洞室和尾水系統(tǒng)內(nèi)通行采用推進(jìn)器推動(dòng)。 煤礦抽水蓄能電站水下巡檢機(jī)器人三維模型如圖1 所示。 機(jī)器人的全水液壓沉浮－姿態(tài)調(diào)節(jié)一體化系統(tǒng)如圖2所示。 該系統(tǒng)主要由分設(shè)于左壓載艙和右壓載艙內(nèi)部的姿態(tài)活塞缸、變量泵及控制閥等組成。 兩姿態(tài)活塞缸結(jié)構(gòu)完全相同且關(guān)于機(jī)體對(duì)稱布置，姿態(tài)活塞缸主要由前腔、后腔、前腔活塞、后腔活塞、彈簧腔Ⅰ、彈簧腔Ⅱ和中間活塞等組成。

圖1 巡檢機(jī)器人三維模型Fig.1 3D model of underwater inspection robot

圖2 姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic of attitude regulation system

姿態(tài)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)采用水液壓驅(qū)動(dòng)方案，傳動(dòng)介質(zhì)來(lái)自機(jī)器人外部水體環(huán)境，為改善液壓系統(tǒng)的防腐問(wèn)題，液壓元件均采用防腐耐磨材料加工。 機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)包括沉浮、縱傾（包括前傾和后傾）、橫傾（包括左傾和右傾）、對(duì)角側(cè)傾（包括右前傾、右后傾、左前傾和左后傾）4 種調(diào)節(jié)狀態(tài)。 其中沉浮調(diào)節(jié)主要通過(guò)液壓泵迫使左右活塞缸內(nèi)的水介質(zhì)與外界水體進(jìn)行質(zhì)量傳送來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)外界水體被泵入左右活塞缸則機(jī)器人下沉，當(dāng)左右活塞缸內(nèi)的水介質(zhì)被抽入外界水體時(shí)，則機(jī)器人上??；后3 種狀態(tài)為姿態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，一般姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)要確保機(jī)器人處于懸停狀態(tài)，并關(guān)閉電磁換向閥8，此時(shí)系統(tǒng)與外環(huán)境水體環(huán)境隔絕，可確保姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中機(jī)器人總重量恒定（即懸停狀態(tài)）。

不同狀態(tài)下電磁閥的電磁鐵動(dòng)作見(jiàn)表1。 對(duì)角側(cè)傾狀態(tài)，由表1 中縱傾和橫傾復(fù)合控制得到。 其中右前或右后側(cè)傾狀態(tài)，可在右側(cè)傾狀態(tài)下，將六位六通控制閥調(diào)至d 閥位，控制液體介質(zhì)僅在右活塞缸前后腔之間傳輸。 同理，對(duì)于左前或左后側(cè)傾狀態(tài)，可在左側(cè)傾狀態(tài)下，將六位六通專用閥調(diào)至e 閥位，使液體介質(zhì)僅在左活塞缸前后腔之間交換。 六位六通控制閥的f 閥位為閉鎖閥位，控制左右姿態(tài)活塞缸均處于緊閉狀態(tài)。 上述姿態(tài)調(diào)節(jié)方案大幅簡(jiǎn)化了控制流程，提高了調(diào)節(jié)效率，且可確保姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，機(jī)器人本體始終處于懸停狀態(tài)，提高了機(jī)器人調(diào)姿過(guò)程的穩(wěn)定性。

表1 控制閥動(dòng)作順序Table 1 Control valve operation sequence

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

機(jī)器人三維模型采用1 ∶1 建模（圖1），其外形尺寸為1.5 m×1.2 m×0.8 m，設(shè)置各部件的材料屬性，得到機(jī)器人機(jī)體總質(zhì)量m5約為226 kg，機(jī)體總排水量φ約為0.35 m3，進(jìn)而通過(guò)式（1）求得機(jī)體所受浮力F1約為3 430 N，故2 個(gè)姿態(tài)活塞缸滿載充水重力應(yīng)大于1 215.2 N。

式中：ρ為水的密度，取1.0×103kg／m3；g為重力加速度，取9.8 N／kg。

圖3 為姿態(tài)調(diào)節(jié)模型，基于2 個(gè)姿態(tài)活塞缸結(jié)構(gòu)建立非慣性機(jī)體坐標(biāo)系O－XYZ，以2 個(gè)姿態(tài)活塞缸軸心所在平面為XOY平面，并以初始狀態(tài)2 個(gè)活塞缸的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。 為便于控制，通過(guò)配重使重心和浮心均位于機(jī)器人機(jī)體幾何中軸線上。充水前機(jī)體初始重心為G0（0， 0，－l3），初始浮心為F0（0， 0，－l2），坐標(biāo)單位為m。 為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將機(jī)器人重型設(shè)備安裝在低位，確保充水前后機(jī)器人初始重心G0處于初始浮心F0下方（即l3≥l2）。

圖3 姿態(tài)調(diào)節(jié)模型Fig.3 Attitude regulation model

根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案，活塞缸直徑d0＝0.3 m，活塞缸長(zhǎng)度l＝1.4 m，彈簧腔長(zhǎng)度l1＝0.2 m，前腔初始長(zhǎng)度為a1＝a2＝a3＝a4＝0.2 m。 充水結(jié)束后機(jī)器人處懸停狀態(tài)，此時(shí)a1＝a2＝a3＝a4＝a0＝0.435 m，對(duì)應(yīng)的m1、m2、m3、m4初始值m0＝31 kg。

此時(shí)機(jī)器人在水下處于懸停狀態(tài)。 以前后側(cè)傾狀態(tài)為例，由式（2）求得理論上可產(chǎn)生最大傾覆力矩約為312 N·m，滿足機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)要求。

2 姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)理論模型

2.1 姿態(tài)調(diào)節(jié)模型

如圖3 所示，設(shè)機(jī)器人重心為G（x，y，z），重心坐標(biāo)x、y、z可根據(jù)式（3）計(jì)算得到，單位為m。

式中：mi（i＝1，2，3，4）分別為左右姿態(tài)活塞缸前后腔水體質(zhì)量，kg；xi、yi、zi（i＝1，2，3，4）分別為左右姿態(tài)活塞缸前后腔水體重心坐標(biāo)，m。 故可得：

式中：ai（i＝1，2，3，4）分別為左右姿態(tài)活塞缸前后腔長(zhǎng)度，m。 充水下沉過(guò)程結(jié)束后，各部分水體總質(zhì)量保持不變，即：

式中：M為姿態(tài)活塞缸充入水的總質(zhì)量，kg。

彈簧腔和中間活塞質(zhì)量相較前后腔水體質(zhì)量太小可忽略不計(jì)，結(jié)合式（3）—式（5）可得：

式中：b0為姿態(tài)活塞缸間距，m。 機(jī)器人姿態(tài)角與重心位置關(guān)系如圖4 所示，圖4 中θ1和θ2分別為前傾姿態(tài)角和左傾姿態(tài)角。 在前后側(cè)傾姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，設(shè)左姿態(tài)活塞缸前腔活塞位移為s，可得：

圖4 姿態(tài)角與重心位置關(guān)系Fig.4 Relationship between attitude angle and gravity center

將式（7）代入式（6）可求得機(jī)器人重心坐標(biāo)為

機(jī)器人姿態(tài)調(diào)節(jié)趨勢(shì)為浮力和重力方向位于同一豎直線上，故結(jié)合式（5）和（8），可得前傾姿態(tài)角θ1為

以向左側(cè)傾為例，將右姿態(tài)活塞缸前腔和后腔的水分別抽送至左姿態(tài)活塞缸前腔和后腔，此時(shí)左姿態(tài)活塞缸2 個(gè)彈簧腔繼續(xù)被壓縮。 設(shè)此時(shí)左姿態(tài)活塞缸前腔位移為s，可得：

將式（10）代入式（6）可得：

同樣的根據(jù)浮心和重心位置結(jié)合式（5）和式（11），可得左傾姿態(tài)角θ2表達(dá)式如下：

2.2 系統(tǒng)仿真模型

利用AMESim 軟件建立液壓系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù)式（9）和式（12）的建立參數(shù)模型嵌入仿真系統(tǒng)中，得到完整的姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)如圖5所示，圖中位移傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)姿態(tài)缸活塞的位置參數(shù)。 系統(tǒng)的初始仿真參數(shù)見(jiàn)表2，仿真系統(tǒng)中設(shè)置4 個(gè)可獨(dú)立調(diào)整變量，即活塞缸總長(zhǎng)l、活塞缸間距b0、活塞缸直徑d0和浮心z向坐標(biāo)l2。節(jié)流閥jn（n＝1，2，3，4，5，6，7）等效替代六位六通控制閥，節(jié)流閥與六位六通控制閥的等效關(guān)系見(jiàn)表3。

表2 系統(tǒng)初始仿真參數(shù)Table 2 System initial simulation parameters

表3 六位六通控制閥的等效建模Table 3 Equivalent modeling of 6－position 6－way control valve

圖5 姿態(tài)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of attitude regulation hydraulic system

3 AMESim 建模與分析

3.1 系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程

由于機(jī)器人的重心和浮心的設(shè)置，機(jī)器人前傾與后傾過(guò)程相反，左傾與右傾過(guò)程相反，而對(duì)角傾為前后傾與左右傾的疊加，為此，仿真僅考慮前傾和左傾兩種姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。 圖6 為機(jī)器人在“充水－前傾－回正－左傾”過(guò)程中左姿態(tài)活塞缸前腔活塞位移s變化曲線。 由于機(jī)器人姿態(tài)缸尺寸均相同且姿態(tài)缸對(duì)稱布置，姿態(tài)活塞缸前、后腔活塞位移也對(duì)稱或同步變化，因此仿真計(jì)算僅給出左姿態(tài)活塞缸前腔的活塞位移曲線。

由圖6 可知，在t＝0～20 s 為充水（下沉）過(guò)程，彈簧腔被壓縮，前腔活塞位移達(dá)到0.235 m（前腔初始長(zhǎng)度設(shè)置為0.2 m），充水階段結(jié)束后前腔長(zhǎng)度達(dá)到0.435 m，與設(shè)計(jì)參數(shù)相一致。 在t＝25 ～75 s，六位六通控制閥處于f 鎖緊位，各缸鎖止；在t＝25 ～75 s，機(jī)器人先前傾后回正，前腔活塞跟隨中間活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，彈簧腔不被壓縮，最大位移達(dá)到0.67 m；在t＝75 ～90 s，右姿態(tài)活塞缸前腔和后腔的水被分別抽送至左姿態(tài)活塞缸的前腔和后腔，左姿態(tài)活塞缸彈簧腔繼續(xù)被壓縮，則機(jī)器人左傾。

圖6 左姿態(tài)缸前腔活塞位移Fig.6 Piston displacement in front chamber of left cylinder

仿真結(jié)果表明，通過(guò)控制姿態(tài)活塞缸的儲(chǔ)水量可方便實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)。 圖6 仿真曲線與預(yù)期的設(shè)計(jì)方案相吻合，滿足了設(shè)計(jì)要求。 為優(yōu)化姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程，采用單因素分析，得到不同活塞缸總長(zhǎng)l、活塞缸間距b0、活塞缸直徑d0和浮心z向坐標(biāo)l2等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)姿態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響。

3.2 浮心z 向坐標(biāo)l2的影響

設(shè)置l＝1.4 m、b0＝0.5 m、d0＝0.3 m，浮心z向坐標(biāo)l2依次取0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 和0.35 m，得到第1 組參數(shù)下，浮心z向坐標(biāo)l2對(duì)前傾姿態(tài)角θ1和左傾姿態(tài)角θ2的影響規(guī)律分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 浮心z 向坐標(biāo)對(duì)前傾姿態(tài)角的影響Fig.7 Influence of l2 on forward attitude angle

由圖可知，當(dāng)浮心z向坐標(biāo)l2＜0.3m 時(shí)姿態(tài)角隨著前腔活塞位移s的增加近似線性增大，但此時(shí)前腔活塞位移s的變化對(duì)姿態(tài)角的調(diào)節(jié)作用不明顯，調(diào)節(jié)的靈敏度較小，同等姿態(tài)角需要更大的活塞行程，考慮到調(diào)節(jié)的靈敏性及實(shí)際活塞行程的限制，浮心z向坐標(biāo)l2應(yīng)取較大值，尤其是l2＞0.3 m 時(shí)，同等活塞位移下前傾姿態(tài)角θ1和左傾姿態(tài)角θ2大幅增加。 此外，對(duì)比圖7 和圖8 可知，調(diào)節(jié)同等活塞位移s的情況下，獲得的左傾姿態(tài)角θ2要比前傾姿態(tài)角θ1大，其主要是由于機(jī)器人在x向的尺寸較大所致。 因此，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)縮短x向尺寸提高縱傾調(diào)節(jié)的靈敏性。

圖8 浮心z 向坐標(biāo)對(duì)左傾姿態(tài)角的影響Fig.8 Influence of l2 on left－leaning attitude angle

同時(shí)，由式（9）和式（12）可知，為保證系統(tǒng)空間姿態(tài)的穩(wěn)定性，浮心z向坐標(biāo)l2還需滿足式（13）的約束關(guān)系，由式（13）求得l2＜0.38 m。

綜合考慮以上因素，取l2＝0.35 m，此時(shí)無(wú)論是縱傾還是橫傾的姿態(tài)傾角調(diào)節(jié)均較為靈敏，姿態(tài)角的調(diào)節(jié)范圍大，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也可以得到保證。

3.3 活塞缸直徑d0的影響

設(shè)置l＝1.4 m、b0＝0.5 m，取浮心z向坐標(biāo)l2＝0.35 m，活塞缸直徑d0依次取0.25、0.27、0.29、0.31、0.33 和0.35 m，得到第2 組仿真參數(shù)下活塞缸直徑d0對(duì)前傾姿態(tài)角θ1和左傾姿態(tài)角θ2的影響規(guī)律，分別如圖9 和圖10 所示。

圖9 活塞缸直徑對(duì)前傾姿態(tài)角的影響Fig.9 Influence of d0 on forward attitude angle

圖10 活塞缸直徑對(duì)左傾姿態(tài)角的影響Fig.10 Influence of d0 on left－leaning attitude angle

由圖9、圖10 可知，不同活塞缸直徑d0下前傾姿態(tài)角特性曲線比較分散，而左傾姿態(tài)角特性曲線相對(duì)集中。 當(dāng)活塞缸直徑d0較小時(shí)，姿態(tài)角隨著前腔活塞位移s的增加而近似線性增大，且同等活塞位移下左傾姿態(tài)角θ2的值明顯大于前傾姿態(tài)角θ1的值。 為提高前傾調(diào)節(jié)的靈敏性，活塞缸直徑d0應(yīng)該取較大值，但隨著活塞缸直徑d0的增大，尤其是當(dāng)d0≥0.31 m 后，繼續(xù)增大活塞缸直徑d0對(duì)前傾姿態(tài)角θ1的增大作用逐漸減小。 且過(guò)大的活塞缸直徑d0還會(huì)導(dǎo)致活塞缸尺寸布局不合理。

綜合考慮以上因素，取活塞缸直徑d0＝0.33 m，此時(shí)無(wú)論是縱傾還是橫傾的姿態(tài)角調(diào)節(jié)均較為靈敏，姿態(tài)角的調(diào)節(jié)范圍大，且系統(tǒng)穩(wěn)定性也可得到保證。

3.4 活塞缸間距b0的影響

設(shè)置l＝1.4 m，d0＝0.33 m，l2＝0.35 m，活塞缸間距b0依次取0.10、0.20、0.30、0.40、0.50 和0.60 m。由式（9）和式（12）可知，活塞缸間距b0只對(duì)左傾姿態(tài)調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，對(duì)縱傾調(diào)節(jié)無(wú)影響。 因此，只需考慮活塞缸間距b0對(duì)左傾姿態(tài)角θ2的影響，得到第3組參數(shù)下的仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 活塞缸間距對(duì)左傾姿態(tài)角的影響Fig.11 Influence of b0 on the left－leaning attitude angle

由圖11 可知，左傾姿態(tài)角θ2隨著活塞缸間距b0的增大，其值隨著前腔活塞位移的增大響應(yīng)越來(lái)越快，但隨著活塞缸間距b0增大，特性曲線越來(lái)越密集，可見(jiàn)繼續(xù)增大活塞缸間距b0對(duì)姿態(tài)角的影響越來(lái)越小。 且過(guò)大的活塞缸間距b0會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的橫向尺寸過(guò)大，考慮到結(jié)構(gòu)布局合理和調(diào)節(jié)效率，選取b0＝0.60 m。 此時(shí)橫傾姿態(tài)傾角調(diào)節(jié)均較為靈敏，且姿態(tài)角調(diào)節(jié)范圍大，左傾姿態(tài)角θ2最大值達(dá)到68.20°。

3.5 活塞缸總長(zhǎng)l 的影響

設(shè)置d0＝0.33 m、l2＝0.35 m、b0＝0.5 m，活塞缸總長(zhǎng)l依次取1.20、1.30、1.40、1.50、1.60 和1.70 m，并將姿態(tài)活塞缸中間活塞尺寸做適應(yīng)性調(diào)整以確保其他參數(shù)不變。 由式（9）和式（12）可知，活塞缸總長(zhǎng)l只對(duì)縱傾姿態(tài)調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，對(duì)橫傾調(diào)節(jié)無(wú)影響。 因此，僅需考慮活塞缸總長(zhǎng)l對(duì)前傾姿態(tài)角θ1的影響，得到第4 組仿真參數(shù)下的特性曲線如圖12所示。

圖12 活塞缸總長(zhǎng)對(duì)前傾姿態(tài)角的影響Fig.12 Influence of l on the forward attitude angle

由圖可知，當(dāng)前腔活塞位移s≤0.4 m 時(shí)，前腔活塞位移s的增加對(duì)前傾姿態(tài)角θ1的增大作用較大，但當(dāng)前腔活塞位移s＞0.4 m 后，繼續(xù)增大前腔活塞位移s對(duì)前傾姿態(tài)角θ1的影響逐漸減弱。 而增加活塞缸總長(zhǎng)l有助于提高姿態(tài)角調(diào)節(jié)的靈敏性，但姿態(tài)角特性曲線總體比較密集，隨著活塞缸總長(zhǎng)l的增大，姿態(tài)角的增加幅度越來(lái)越慢。 且過(guò)大的活塞缸總長(zhǎng)l會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的縱向尺寸過(guò)大，考慮到結(jié)構(gòu)布局的合理性并兼顧調(diào)節(jié)效率，選取l＝1.5 m。此時(shí)縱傾姿態(tài)傾角調(diào)節(jié)較為靈敏，姿態(tài)角調(diào)節(jié)范圍大，前傾姿態(tài)角θ1最大值達(dá)到78.46°。

為便于對(duì)比上述4 組仿真最終優(yōu)選的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)姿態(tài)角的影響效果，得到活塞位移在0.235 ～0.4 m對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角特性曲線如圖13 所示。 由圖13可知，上述4 組仿真按照單因素對(duì)比分析，得到的傾角范圍逐步增大。 以活塞位移s＝0.4 m 為例，第1組對(duì)比分析得到θ1，max＝46.10°，θ2，max＝59.00°；第2組對(duì)比分析得到θ1，max＝58.76°，θ2，max＝64.42°；第3組對(duì)比分析得到θ1，max＝58.76°，θ2，max＝66.87°。 最終在第4 組 對(duì) 比 分 析 得 到θ1，max＝62.24°，θ2，max＝66.87°，前傾姿態(tài)角θ1和左傾姿態(tài)角θ2的范圍均得到大幅提升。

圖13 4 組優(yōu)選參數(shù)對(duì)姿態(tài)角的影響Fig.13 The influence of 4 groups parameters on attitude angle

4 結(jié) 論

1）為滿足關(guān)停礦井資源化利用與綠色開(kāi)發(fā)的需求，以及綠色液壓傳動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)，煤礦抽水蓄能電站水下巡檢機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用無(wú)油壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)，整個(gè)液壓系統(tǒng)均以水為傳動(dòng)介質(zhì)。

2）機(jī)器人的重、浮心采用居中設(shè)計(jì)，兩多腔姿態(tài)活塞缸采用對(duì)稱布置，且沉浮調(diào)節(jié)時(shí)姿態(tài)活塞缸分別與外水體環(huán)境進(jìn)行介質(zhì)傳遞，而姿態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)水介質(zhì)在姿態(tài)活塞缸內(nèi)部傳遞，簡(jiǎn)化了姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了姿態(tài)調(diào)節(jié)的效率和穩(wěn)定性。

3）增大活塞缸直徑、浮心z向坐標(biāo)、活塞缸總長(zhǎng)及活塞缸間距均有助于提高姿態(tài)調(diào)節(jié)的靈敏性；同等活塞位移下橫傾（左傾）姿態(tài)角要明顯大于縱傾（前傾）姿態(tài)角；浮心z向坐標(biāo)越大，其對(duì)縱、橫傾姿態(tài)角的影響作用越明顯；活塞缸直徑越大，其對(duì)縱傾姿態(tài)角的影響越?。换钊卓傞L(zhǎng)僅對(duì)縱傾產(chǎn)生影響，而活塞缸間距僅對(duì)橫傾產(chǎn)生影響。

4）活塞缸直徑d0＝0.33 m，浮心z向坐標(biāo)l2＝0.35 m，活塞缸間距b0＝0.5 m 且活塞缸總長(zhǎng)l＝1.50 m時(shí)，機(jī)器人的縱、橫姿態(tài)傾角調(diào)節(jié)均較靈敏，且傾角調(diào)節(jié)范圍大，前傾姿態(tài)角θ1最大值為78.46°，左傾姿態(tài)角θ2最大值為68.20°。