張維佳, 蔡 馳, 郭 強, 王思宇, 王亞東, 陳泳伽, 王士喜, 譚績臻

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663；2.中國電力工程顧問集團 中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；3.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221)

0 引 言

海底電纜是將海上風(fēng)機發(fā)電、海洋潮汐能等海上新能源運輸至陸地使用的唯一通道，其重要作用不可替代。由于海床的土壤特質(zhì)不均勻，加上海浪的長期洗刷、漁船作業(yè)誤撈、生物侵襲以及電纜自身老化等原因易造成海底電纜的破損甚至失效。通常情況下，水深30 m以內(nèi)發(fā)生海底電纜故障時，施工方常采用潛水員下潛搶修的方法。但其缺點十分明顯，當(dāng)水深超過50 m時，潛水員無法正常作業(yè)。在這種情況下，水下機器人可代替人工，攜帶多種設(shè)備下潛至海床進行工作。由于海底地面是非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，不僅有大量的松軟區(qū)域，而且有很多海底障礙，因此機器人需具備較好的運動性能和較強的環(huán)境適應(yīng)能力。海床和灘涂的土壤較稀軟，其抗壓強度和抗剪強度較低，導(dǎo)致海底作業(yè)裝備在海床和灘涂上行走時的沉陷量增大、滑移量增大。

目前在解決通過提高接地面積來提高機器人作業(yè)能力的研究尚少，大多數(shù)對于改變履帶機接地面積的研究可以總結(jié)為兩個接地面積模式。通過結(jié)構(gòu)變化使接地面積發(fā)生改變，這種變化方式單一，只能適應(yīng)兩種作業(yè)力工況。為了實現(xiàn)履帶機的全工況適應(yīng)性，針對接地面積的實時變化進行研究，設(shè)計一種可以實時改變接地面積的履帶作業(yè)機器人，并分析實時改變接地面積是否對履帶機的作業(yè)力有所提升，并通過合適的方式保證履帶機的履帶長度在結(jié)構(gòu)變化過程中保持不變，以保證設(shè)計的合理性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

可重構(gòu)履帶結(jié)構(gòu)是指根據(jù)不同的應(yīng)用需求，改變自身的體系結(jié)構(gòu)，以使每個特定的應(yīng)用需求提供與之相匹配的體系結(jié)構(gòu)，即可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

通常可重構(gòu)式履帶機可分為輪履結(jié)合式、連桿式等。輪履式結(jié)構(gòu)較多，文獻[1]提到某高校于 2018 年設(shè)計一種多運動態(tài)可重構(gòu)輪履復(fù)合式機器人，該機器人的履帶底盤機構(gòu)具有輪式、履帶式和翻轉(zhuǎn)式等 3 種運動模式，可根據(jù)不同的作業(yè)需求轉(zhuǎn)換工作模式。LUO等[2]與RAJA等[3]設(shè)計的輪履結(jié)合式履帶機器人以及張碩等[4]研究的輪履結(jié)合式機器人，通過連桿加輪系結(jié)合方式，使其能夠同時切換輪子和履帶的不同工作模式，滿足在不同環(huán)境下作業(yè)的能力。劉肖雅[5]和張明路等[6]在輪履結(jié)合上提出新的設(shè)想，與之前通行輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不同，通過設(shè)計改變整車的結(jié)構(gòu)變化實現(xiàn)輪履工作模式的切換，可提高履帶車輛的通行性，以避免輪和輪之間的空隙卡住異物。

劉萬聰[7]設(shè)計一種使用鉸鏈六桿機構(gòu)達到自適應(yīng)變形能力的履帶式機器人，可重構(gòu)式變形機構(gòu)通過改變機器人前導(dǎo)輪的角度和高度增加履帶機的越障能力以及對全地形的適應(yīng)能力，該機器人后端的擺臂模塊使用差動齒輪裝置與其主履帶進行連接，可起到調(diào)整質(zhì)心位置、輔助支撐、越障的作用。這種移動變形機構(gòu)不僅降低對驅(qū)動的性能需求，而且簡化機器人的控制難度，使履帶機能夠以最優(yōu)的結(jié)構(gòu)穿過復(fù)雜路面。國防科技大學(xué)基于四連桿機構(gòu)設(shè)計一種新型可重構(gòu)式履帶機器人 RTMbot。該履帶機器人四連桿機構(gòu)由懸架、驅(qū)動曲柄、從動曲柄和連桿組成可重構(gòu)履帶模塊機器人，具有良好的靈活性。在其結(jié)構(gòu)變化過程中，對電機的需求數(shù)量較多，導(dǎo)致控制難度增加，而接地面積的改變?nèi)Q于曲柄的長度，曲柄過長易致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增加，在解決接地面積的結(jié)構(gòu)選擇上并不是最優(yōu)解。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外對于海底可重構(gòu)式履帶機器人的研究多集中在擺臂機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析上。日本 JAMSTEC 的團隊設(shè)計一種四擺臂式履帶式底盤遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)[8]，該樣機的擺臂可以圍繞軸旋轉(zhuǎn)，有效提高其全地形通過能力，同時也可調(diào)整ROV的行走和作業(yè)姿態(tài)。在淺海中，擺臂履帶式 ROV 可在 30°傾角的斜坡上穩(wěn)定行走。類似的設(shè)計還有美國 iRobot 公司設(shè)計的一種擺臂機器人[9]，擺臂結(jié)構(gòu)解決的問題主要在越障方面，由于淺海海底較為平坦，越障并不作為考慮重點，以擺臂式為核心設(shè)計一種機器人，可以即時改變接地面積增大牽引力，以滿足履帶機在不同工作環(huán)境下的工作需求。

2 機構(gòu)設(shè)計

可重構(gòu)式履帶機包括作業(yè)機主體艙、可重構(gòu)式履帶底盤機構(gòu)和相關(guān)電子設(shè)備等3個部分?？芍貥?gòu)式機構(gòu)主要由履帶底盤中的變形機構(gòu)、補償機構(gòu)及基于橢圓原理設(shè)計的輪系機構(gòu)共同組成，通過機構(gòu)之間的變化達到能夠適應(yīng)不同土壤環(huán)境的目的。

2.1 基于橢圓原理設(shè)計的輪系機構(gòu)

該機構(gòu)的原理是指隨擺臂擺動的同時，構(gòu)成以驅(qū)動輪、從動輪的中心為焦點，轉(zhuǎn)動軸為橢圓長軸時刻轉(zhuǎn)動的橢圓。保證橢圓原理時刻存在于結(jié)構(gòu)變化中?；谏鲜鲈韺β膸C進行的輪系設(shè)計能夠始終使擺臂輪的中心位于以驅(qū)動輪、從動輪的中心為焦點的橢圓軌跡上，確保履帶始終處于張緊狀態(tài)，如圖1所示，保證可重構(gòu)式履帶機正常運行。

圖1 可重構(gòu)式履帶機簡圖

2.2 變形機構(gòu)設(shè)計

變形機構(gòu)主要由電動推桿和擺臂輪組成。變形機構(gòu)的變形原理是指可通過導(dǎo)軌中的電動推桿使底部擺臂輪外推實現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，實現(xiàn)可重構(gòu)式履帶機的接地面積變化?？梢愿鶕?jù)不同土壤的性質(zhì)，改變履帶機的底部履帶長度，確定最適合的履帶接地面積，避免沉陷量過大，保證履帶機最大牽引力運動[10-11]。其結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動方式由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿樱档涂刂齐y度，滿足驅(qū)動的性能需求。

2.3 補償機構(gòu)設(shè)計

補償機構(gòu)主要由補償桿、彈簧組成，使擺臂在擺動過程中擺臂的長度有所增加，實現(xiàn)對理論擺臂長度的增加。對于彈簧桿部分，需改變其長度進而降低對此部分的依附性，增加履帶機變形過程中的穩(wěn)定性。

彈簧的作用：可通過張緊作用使滑動連桿的實際長度與理論長度相同，彌補補償機構(gòu)造成的滑動連桿長度逐漸變大的影響。補償機構(gòu)增加整個機構(gòu)的穩(wěn)定性，便于履帶機在海底更穩(wěn)定地工作。

3 力學(xué)分析

3.1 力學(xué)模型分析

對履帶機進行受力分析，建立裝備在運動狀態(tài)下沿豎直和法向兩個方向的二自由度力學(xué)模型，分析裝備在作業(yè)狀態(tài)下法向產(chǎn)生的沉陷量和水平方向的牽引力變化。通過受力分析對裝備整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計。由于法向和豎直方向的受力變化是耦合的，無法通過單獨分析進行求解，需要充分找到各參量之間的變化關(guān)系，才能使裝備設(shè)計更加合理。

3.1.1 豎直方向力學(xué)模型分析

履帶機在海底工作時需通過浮力模塊改變對海底土壤產(chǎn)生的接地比壓。相比于陸地而言，水下裝備在豎直方向上需考慮其浮力對法向載荷的影響。如圖2和圖3所示，在海底工作時由于履帶機排開水的體積較大，會導(dǎo)致其受到較大的浮力，在海底受到的縱向合力會遠小于其在陸地所受的縱向合力。圖2和圖3中：F支為陸地或海床對履帶機的支持力；G為履帶機所受重力；F浮為履帶機在海底所受到的浮力。

圖2 履帶機在陸地上的縱向力分析

圖3 履帶機在海床上的縱向力分析

履帶在陸地上所受的力可表示為

F支=G

(1)

履帶在海底所受的力可表示為

F支+F浮=G

(2)

(3)

式(3)中：P為接地比壓；B為履帶寬度；L為履帶接地長度。

履帶的驅(qū)動力由剪切地面而產(chǎn)生，其最大驅(qū)動力由地面的剪切強度和接地面積確定：

Fmax=Ac+Wtanφ

(4)

式中：A為履帶的接地面積；c為地面的表現(xiàn)內(nèi)聚力；W為法向壓力；φ為內(nèi)剪切阻力角。

履帶機縱向的合力對履帶機的牽引力有所影響，在研究中設(shè)定履帶機在海底工作時的縱向合力為5 kN。

3.1.2 水平方向力學(xué)模型分析

與豎直方向相比，履帶機水平方向受力復(fù)雜，包括牽引力、作業(yè)力、推土阻力、壓土阻力、海水阻力、坡度阻力、加速度阻力、摩擦阻力等。為簡化分析過程，僅考慮履帶機的牽引力、作業(yè)力和土壤阻力。履帶機水平方向受力分析如圖4所示。

圖4 履帶機水平方向受力分析

F作業(yè)+F阻=F牽

(5)

式中：F牽為履帶機的牽引力；F作業(yè)為履帶機在工作時產(chǎn)生的拉力；F阻為履帶機在工作時所受到的阻力，其中包括推土阻力及壓土阻力。

推土阻力Rc計算如下：

(6)

式中：kc為沉積物黏聚力變形模量；b為履帶板寬度；kφ為沉積物內(nèi)摩擦角變形模量；n為沉積物變形系數(shù)；z為沉陷量。

壓土阻力Rp計算如下：

Rp=pcosθ

(7)

式中：p為海底土壤所受壓強；θ為履帶車與地面夾角。

基于莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)剪切理論和Rankine被動土壓力理論，建立履帶單板與土壤之間的作用關(guān)系。牽引力主要依靠履帶板與土壤之間的相互摩擦影響，考慮在進行作業(yè)過程中滑移率的影響，計算牽引力的公式為

(8)

(9)

式(8)和式(9)中：F1為履帶板部分剪切土壤產(chǎn)生的推力；C為土壤黏聚力；φ為土壤內(nèi)摩擦角；j為滑轉(zhuǎn)率；k為土體剪切模量。

3.2 接地面積理論分析

3.2.1 貝克模型理論

貝克模型理論[12-13]是貝克借鑒土木工程學(xué)科的公式推導(dǎo)在承載面最小寬度下的垂直載荷-土壤沉陷量的關(guān)系式。為了測定土壤參數(shù)，貝克研制相應(yīng)的貝氏儀。貝氏儀如圖5所示。

注：1.剪切環(huán)；2.記錄帶Ι；3.放大器Ι；4.轉(zhuǎn)矩電機；5.轉(zhuǎn)矩及角運動傳感器；6.加載缸筒；7.放大器Ⅱ；8.壓力表；9.記錄帶Ⅱ；10.穿入平板

貝克模型的原理是對車輛與土壤的相互作用進行力學(xué)分析，通過試驗測定適當(dāng)?shù)耐寥佬再|(zhì)推導(dǎo)車輛和土壤參數(shù)的簡化方程式。貝克進行大量的平板壓力沉陷試驗后得出土壤表層的壓力沉陷關(guān)系為

(10)

3.2.2 接地面積理論設(shè)計

通過之前的研究可以得到作業(yè)力為

(11)

(12)

通過表1內(nèi)數(shù)據(jù)可以確定遼東灣北部淺海地區(qū)土壤的含水量取值范圍，根據(jù)該范圍選取兩種典型土壤作為研究對象，其中Hanamoto的含水量為32%。

表1 遼東灣北部淺海地區(qū)土壤地質(zhì)特征

根據(jù)之前總結(jié)的作業(yè)力與沉陷量之間的關(guān)系式，采用MATLAB分析該函數(shù)關(guān)系，得到接地面積與作業(yè)力分別與沉陷量之間的關(guān)系，如圖6和圖7所示。

圖6 Hanamoto接地面積與沉陷量關(guān)系

圖7 Hanamoto作業(yè)力與沉陷量關(guān)系

通過圖6可以選定土壤下履帶接地長度，該長度確定為所設(shè)計的可重構(gòu)式履帶底盤機構(gòu)的初始接地長度。確定最小接地面積之后，在預(yù)期設(shè)計的接地面積增大60%的情況下，可以確定作業(yè)力理論上增加約1.1 kN，作業(yè)力增加約44%。使用相同方法對上海交通大學(xué)試驗測定的海底沉積物進行分析，如圖8所示。

圖8 上海交通大學(xué)試驗測定的海底沉積物作業(yè)力與沉陷量關(guān)系

由圖8可知：在履帶接地面積增大60%的過程中，其作業(yè)力增加2.561 kN，增加約55%。對履帶機建立履帶-土壤力學(xué)模型，并通過MATLAB對履帶機的最佳接地面積范圍進行分析設(shè)計，得到履帶機設(shè)計中的履帶最小接地長度為0.9 m。

4 建模與仿真分析

4.1 整車模型建立

通過SolidWorks2020建立履帶機整車模型。在建模過程中，考慮在一個裝配圖中過多的零件會導(dǎo)致軟件發(fā)生卡頓，因此將履帶機整機拆分，分別建模并裝配到一起。履帶機建模分為兩個部分：履帶機主體艙和履帶底盤機構(gòu)。建模的重點在于履帶底盤機構(gòu)，其建模思路如圖9所示。

圖9 履帶底盤機構(gòu)建模思路

通過 SolidWorks 對重要零件進行建模。圖10為履帶機的驅(qū)動輪、從動輪。圖11為履帶機的擺臂彈簧桿。

圖10 履帶機驅(qū)動輪與從動輪模型

圖11 擺臂彈簧桿模型

通過 SolidWorks 建模后可以得到履帶機的三維模型，如圖12所示。履帶機的內(nèi)部組成包括電機、電動推桿以及電池等，如圖13所示。

圖12 履帶機整機模型

圖13 履帶機內(nèi)部配置及底部配置

4.2 運動學(xué)仿真分析

通過 ADAMS與SolidWorks對機構(gòu)進行運動學(xué)分析，設(shè)定電動推桿的進給速度為10 mm/s，可以確定固定桿、補償桿和擺動導(dǎo)軌的角速度，以及彈簧桿在擺臂導(dǎo)軌內(nèi)的線性位移隨時間的關(guān)系，如圖14～圖18所示。

圖14 固定桿角速度

圖15 補償桿角速度

圖16 擺動導(dǎo)軌角速度

圖17 彈簧桿在擺臂導(dǎo)軌內(nèi)的線性位移

圖18 從動輪的質(zhì)心位置變化

由上述模擬運動仿真結(jié)果可知：在電動推桿的進給速度不變的情況下，履帶機發(fā)生可重構(gòu)變形的過程中，固定桿、補償桿和擺動導(dǎo)軌的角速度變化平緩，彈簧桿的線性位移隨時間線性變化，從動輪的質(zhì)心緩慢下降。履帶機的整體及各結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，設(shè)計方案具有一定的實際意義和實用性。

5 結(jié) 論

(1)通過增大履帶的接地面積，可重構(gòu)式履帶機能夠更好地適應(yīng)各種土壤環(huán)境；補償桿及彈簧的補償作用使履帶機在運行過程中保證穩(wěn)定性。

(2)分析可重構(gòu)式履帶機的所受作業(yè)力，利用貝克模型等理論分析其沉陷量、接地面積及所受力的關(guān)系，得到合適的履帶接觸面積。

(3)利用 SolidWorks 軟件對可重構(gòu)力履帶機進行運動學(xué)仿真，分析在電動推桿進給速度不變的情況下電動推桿的推程與機構(gòu)內(nèi)部桿件的擺動角速度及位移的關(guān)系。

(4)利用ADAMS軟件對所建的可重構(gòu)式履帶機模型建立虛擬樣機，對履帶機構(gòu)內(nèi)部進行動力學(xué)分析。所設(shè)計的可重構(gòu)式履帶機可以實現(xiàn)不同土壤環(huán)境下的相同作業(yè)力需求以及相同土壤環(huán)境下的不同作業(yè)力需求。