ROV七功能機(jī)械手水動(dòng)力學(xué)分析

尹漢軍等

【摘 要】在ROV作業(yè)的過(guò)程中機(jī)械手起到非常重要的作用，所有的作業(yè)都需要機(jī)械手完成，為了保證機(jī)械手的作業(yè)能力，建立了以D-H法為基礎(chǔ)的ROV七功能機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，通過(guò)運(yùn)用Kane法對(duì)ROV七功能機(jī)械手進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，推導(dǎo)出具有外載荷的動(dòng)力學(xué)方程，并通過(guò)運(yùn)用Morison方程對(duì)ROV七功能機(jī)械手的水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，并應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent仿真計(jì)算了拖拽力系數(shù)。與Matlab機(jī)器人工具箱計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，從而驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，最后對(duì)ROV七功能機(jī)械手進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)解算。

【關(guān)鍵詞】七功能機(jī)械手 水動(dòng)力學(xué) 運(yùn)動(dòng)學(xué) FOTRAN

【Abstract】Manipulator plays an essential and important role in ROV's operation， and almost covers the entire subsea exploration procedure. A numerical model of 7-functional manipulator is built based on D-H formula， and using Kane method analysis its dynamics to derive kinetic equation with external loads. Morison equation was also used on this manipulator's hydrodynamics， and drag coefficients were calculated by using Fluent software. The results were compared to calculations results using Matlab toolbox robots， and the comparison verified the accuracy of the dynamic model. The hydrodynamic forces of the seven function ROV manipulator were solved at last.

【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN

近些年來(lái)隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)和海洋科學(xué)研究的日益深入，水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)是水下作業(yè)的一個(gè)重要組成部分，除了用于水下的觀(guān)測(cè)勘察作業(yè)外，水下機(jī)器人-機(jī)械手還被用于完成采集樣本；水下設(shè)施的建造和維護(hù)；鋪設(shè)水下管道和維修等相對(duì)繁瑣的一些工作。然而由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，ROV在航行和作業(yè)中必然會(huì)遇到各種各樣的情況，特別是在作業(yè)時(shí)要保證作業(yè)的準(zhǔn)確性和作業(yè)時(shí)ROV不受損壞，它的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究將會(huì)使水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)的作業(yè)能力提高，為人類(lèi)開(kāi)發(fā)海洋資源提供更多的支持，因此這個(gè)領(lǐng)域的研究是非常重要的。

目前對(duì)水下機(jī)械手水動(dòng)力學(xué)模型的研究采用的是理論和實(shí)驗(yàn)的相結(jié)合的方法。McLain[1，2]等運(yùn)用力矩傳感器測(cè)量、原理計(jì)算分析以及流動(dòng)顯示這些方法綜合應(yīng)用，對(duì)只有一個(gè)關(guān)節(jié)水下機(jī)器人機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)的研究。Leabourne[3]以MacLain等人的成果為基礎(chǔ)，討論了有兩個(gè)自由度的機(jī)械手的水動(dòng)力學(xué)建模問(wèn)題。Tarn[4]等建立了配備有機(jī)械手的潛水器的動(dòng)力學(xué)模型，并應(yīng)用 Kane 法求解。該模型將外力其中包括水動(dòng)力施加到了模型中。Shen[5]等使用了浸入邊界法數(shù)值求解納維-斯托克斯方程，計(jì)算在水中物體移動(dòng)時(shí)所受的水動(dòng)力。在國(guó)內(nèi)主要有華中科技大學(xué)的肖治琥，徐國(guó)華[6]在流干擾下的水下機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型分析，運(yùn)用Lagrange方程和Morison公式對(duì)水下機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)的理論分析。王華[7]等應(yīng)用切片理論的方法，研究了水下機(jī)械手的手指動(dòng)力學(xué)特性，并應(yīng)用Matlab軟件的Simulink模塊建立了仿真模型，研究了無(wú)水流影響的水下環(huán)境中的機(jī)械手手指的動(dòng)力學(xué)特性。

1 動(dòng)力學(xué)模型建立

1.1機(jī)械手參數(shù)

本文以美國(guó)Schilling公司的Orion7型七功能機(jī)械手為研究對(duì)象，該機(jī)械手結(jié)構(gòu)由多關(guān)節(jié)串聯(lián)組成為6自由度串聯(lián)，機(jī)械手相關(guān)參數(shù)如表1所示[8]。

。

本文的連桿所在的坐標(biāo)系位置都是在各個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上。當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的X軸正方向時(shí)，，此時(shí)的，，。同理當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的Y軸正方向時(shí)，，此時(shí)的，，。當(dāng)連桿在坐標(biāo)系的Z軸正方向時(shí)，，此時(shí)的，，。

3.2Morison方程拖拽力系數(shù)計(jì)算

Morison方程中Cd、Cm均為實(shí)驗(yàn)值，此系數(shù)依賴(lài)于雷諾數(shù)，物體表面粗糙度，KC數(shù)等。不過(guò)在設(shè)計(jì)中一般考慮危險(xiǎn)性最大或者受力最大的情況。因此選擇受力最大時(shí)候的Cd數(shù)值作為本文的計(jì)算系數(shù)本文采用Fluent流體力學(xué)分析軟件計(jì)算該值[14]。

由于深水水溫較低，所以深水水的粘度值比常溫下的粘度值要大，因此選擇Pa·s=0.0015，流速選擇0.2m/s，如圖4示是主要的區(qū)域尺寸，長(zhǎng)方形最左側(cè)豎直邊為水流的入口出，中間的截面是ROV七功能機(jī)械手大臂的截面形狀。在研究Cd數(shù)時(shí)本文選擇了橫截面的最大物體的幾何限度處作為來(lái)流的垂直受力面。這樣可以得到最大的Cd值，計(jì)算得知左右。

圖4 區(qū)域尺寸示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of regional dimension

4七功能機(jī)械手動(dòng)力學(xué)解算

4.1動(dòng)力學(xué)模型校核

為了驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，在不考慮水流的影響下，本文通過(guò)利用Matlab機(jī)器人工具箱與自編的Fortran程序結(jié)算的力矩曲線(xiàn)圖進(jìn)行對(duì)比，本文選擇角度從初始位置移動(dòng)到一下角度，，，，，。如圖5所示。

圖5 各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)對(duì)比

Fig. 5 Comparisons of ankle drive torque curves

如圖5所示，用Matlab機(jī)器人工具箱與自編的Fortran程序結(jié)算的力矩曲線(xiàn)圖進(jìn)行了對(duì)比，在數(shù)值和曲線(xiàn)趨勢(shì)上基本一致，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，圖中關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)力矩較小這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)1的布置和其他關(guān)節(jié)不同，只有它一個(gè)關(guān)節(jié)為左右擺動(dòng)關(guān)節(jié)，所以它在沒(méi)有水流影響下不克服重力，所以數(shù)值較??；關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5需要克服機(jī)械手的自身重力所以力矩值較大；關(guān)節(jié)4和關(guān)節(jié)6主要作用是改變機(jī)械手姿勢(shì)用的是液壓馬達(dá)，所以力矩值較小，特別是關(guān)節(jié)6基本趨近于0。

4.2 水流影響下動(dòng)力學(xué)研究

假定環(huán)境水流為定常流流速為0.1m/s，方向沿慣性坐標(biāo)系X軸正方向。所得驅(qū)動(dòng)力矩曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)（考慮海流）

Fig. 6 Comparisons of ankle drive torque curves （incorporates current）

從圖6中可以看出關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)力矩與無(wú)海流的驅(qū)動(dòng)力矩相比較變化不大，這是因?yàn)樗鞯膩?lái)流方向沿著X軸的正方向，產(chǎn)生的力矩主要是在Y軸的方向，所以關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)力矩影響較小，力矩基本不變；關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)力矩因?yàn)槭茄刂鴻C(jī)械手末端手抓的軸向，所以只有手抓自身的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，水流的產(chǎn)生的附加力矩只會(huì)對(duì)坐標(biāo)系6的X軸和Y軸產(chǎn)生力矩；關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5的驅(qū)動(dòng)力矩變化較大，這是因?yàn)榭紤]了水流和自身運(yùn)動(dòng)的影響；關(guān)節(jié)4的驅(qū)動(dòng)力矩變化也很大，這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)動(dòng)改變了手抓的空間位置，使其和之前的各個(gè)關(guān)節(jié)不出在一個(gè)平面內(nèi)這樣關(guān)節(jié)4收到的力矩變大是因?yàn)槭肿ナ艿剿鞯臎_擊在關(guān)節(jié)4的轉(zhuǎn)動(dòng)方向上產(chǎn)生了附加力矩。

4結(jié)語(yǔ)

本文采用了理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的方法，針對(duì)美國(guó)Schilling 公司的Orion7型號(hào)機(jī)械手，建立了深水ROV作業(yè)機(jī)械手的理論模型，計(jì)算結(jié)果表明機(jī)械手在深水中水流的影響下關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)5的驅(qū)動(dòng)力矩變化較大，在設(shè)計(jì)和施工作業(yè)中人們應(yīng)當(dāng)給予特殊考慮。

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作者簡(jiǎn)介：

尹漢軍（1973—），男，漢族，山東青島人，碩士研究生，高級(jí)工程師，1997年本科畢業(yè)于大連理工大學(xué)，2005年研究生畢業(yè)于天津大學(xué)，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理。

宋磊（1981— ），男，漢族，山東濟(jì)南人，博士研究生，講師，2013年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，現(xiàn)于哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，主要研究方向：船舶與海洋工程仿真。

鐘朝廷（1981—），男，漢族，四川省內(nèi)江市人，研究生，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事：海洋石油工程鋪管系統(tǒng)與水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

姜瑛（1973—），女，漢族，天津人，碩士研究生，高級(jí)工程師，1996年本科畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，2010年研究生畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)，現(xiàn)就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海洋石油工程水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與項(xiàng)目管理。

項(xiàng)目基金：國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)：海洋深水工程重大裝備及配套工程技術(shù)，項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX05027-005