履帶式海底觀測行走機器人設計

徐協(xié)，尚偉燕，李超杰，王卜軍

（寧波工程學院，浙江寧波315000）

履帶式海底觀測行走機器人設計

徐協(xié)，尚偉燕，李超杰，王卜軍

（寧波工程學院，浙江寧波315000）

為提高稀軟底質環(huán)境下機器人行走性能，設計了履帶式海底觀測行走機器人平臺，給出打滑率控制模型，提高觀測機器人直線行走效率，為海底行走觀測機器人的建立提供了理論依據(jù)。

機器人；海底觀測；打滑率

遼闊的海洋約占地球表面的71%，蘊藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、生物、能源資源。建立海洋觀測系統(tǒng)是人類研究探索海洋、開發(fā)和利用海底資源的重要手段之一。海洋觀測系統(tǒng)由海洋實驗室、海洋觀測節(jié)點和岸基站組成，海底觀測是海洋觀測中的重要環(huán)節(jié)，能自主行走于海底的觀測機器人是海洋實驗室和觀測節(jié)點中的重要裝備[1]。

海底觀測機器人可以攜帶儀器設備對洋底生態(tài)系統(tǒng)進行取樣及監(jiān)測。配備機械手可以完成觀測網(wǎng)相關設施的組建及檢驗、對海底地質地貌展開研究并傳輸相關數(shù)據(jù)信息等。此外，觀測機器人還可用于海底管道建設領域，負責對海底石油管道等設施進行定期的監(jiān)測和健康維護。海底表面屬于稀軟底質環(huán)境，隨機干擾下履帶式海底觀測機器人在稀軟底質環(huán)境下快速行駛極易產(chǎn)生滑移、轉向偏離、車體傾翻等問題，因此，需要設計合理的海底觀測機器人行走機構，從而確保海底觀測任務的順利執(zhí)行。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，用于完成海底行走任務的機器人主要包括腿式和履帶式兩種結構。腿式結構中，由韓國海洋技術研究院研制的Crabster CR200水下行走機器人[2，3]，如圖1所示，已完成水下5~7 m深的水域測試。履帶式機器人具備較強的地面適應能力，在陡峭地形、復雜環(huán)境下有著較高的越障能力和良好的適應性。履帶式海底行走機器人中最具代表性的是美國MBARI研究所研制的Rover觀測機器人。根據(jù)已有海底機器人行走系統(tǒng)研究可知：履帶式行走系統(tǒng)具有較好的復雜環(huán)境適應能力，適用于海底環(huán)境下的作業(yè)任務。

目前，關于履帶式海底行走平臺行駛性能的研究主要集中在各種形式的集礦機上，國內(nèi)對海底履帶式機器人的研究主要集中在海底集礦機上。戴瑜等人對履帶與模擬沉積物之間的剪切應力—剪切位移及壓力—沉陷關系進行了確定，為直線行駛動力控制研究提供了參考[6]。陳峰、韓冷飛等人建立了水下集礦機防滑運動學模型，但是對斜坡轉向及水動力影響未作進一步分析。

2履帶式海底觀測機器人結構設計及打滑率控制

海底觀測機器人整體尺寸遠小于集礦機，其對運動速度及行走效率的要求都不同于集礦機，并且稀軟底質及洋流環(huán)境對機器人行走性能的影響亦不同于海底集礦機。因此，針對海底崎嶇不平的地貌特點，設計出能行走于稀軟底質環(huán)境的機器人，如圖1所示。

圖1 履帶式海底觀測機器人結構設計

履帶式海底觀測機器人采用如圖1所示的橡膠履帶，其外形結構呈梯形，該外形結構能夠提供足夠的攀爬力，提高機器人的越障能力和復雜地形適應能力。每側具有四個承重輪，承重輪與機器人懸架之間裝有扭轉彈簧，可以緩沖來自地面的沖擊和振動。左右側輪各裝有一個驅動輪和一個誘導輪，其中驅動輪輪軸通過聯(lián)軸器與支承于車體上的電機連接，通過控制左右輪電機轉速，實現(xiàn)觀測機器人的差速轉向。

該機器人履帶外形與外界行駛表面充分接觸，復雜環(huán)境下越障能力較高；車身采用封閉結構，較好實現(xiàn)密封，確保深海環(huán)境下的正常作業(yè)。

基于以上外形結構，參照貝氏儀及國內(nèi)外試驗系統(tǒng)，設計試驗平臺及試驗測試方案，分別進行履帶板與模擬沉積物剪切應力—剪切位移、壓力—沉陷試驗測試。試驗階段將選取山推101GH系列兩齒履帶板。通過試驗測試及數(shù)據(jù)處理，求得模擬沉積物特性參數(shù)及相關曲線，結合機器人履帶與沉積物之間的輪地作用模型，求得打滑率與牽引力之間的關系。設計模糊PID控制器，并建立相應的控制模型，如圖2所示。通過控制打滑率進一步控制電機輸出扭矩，確保機器人稀軟底質環(huán)境下的行走動力性，為直線行駛穩(wěn)定性提供保障。

圖2 擬采用的海底直線行駛打滑率控制模型

3結束語

利用仿真軟件完成履帶式水下機器三維模型的建立，并借助打滑率控制模型實現(xiàn)直線行走打滑控制，為進一步提高海底機器人行走性能提供了理論方法。

[1]A.L.Forresta，B.E.Lavala，D.S.S.Limb，Performance evalu ation of underwater platforms in the context of space explo ration[J].Planetary and Space Science，2010，4（58）：706-716.

[2]Jung-Yup Kim，Bong-Huan Jun.Mechanical Design of Six-Legged Walking Robot，Little Crabster[C]//IEEE/OESOCEANS 2012.Yeosu，2012：1-8.

[3]Bong-Huan Jun，Hyungwon Shim，Banghyun Kim，etc.First Field-Test of Seabed Walking Robot CR200[C]//Oceans. San Diego，2013：1-6.

[4]陳峰.深海底采礦機器車運動建模與控制研究[D].長沙：中南大學，2005.

[5]韓冷飛.深海作業(yè)型機器人防滑控制研究[M].長沙：中南大學，2008.

[6]戴瑜.履帶式集礦機海底行走的單剛體建模研究與仿真分析[D].長沙：中南大學，2010.

Design on the Tracked Mobile Robot for Submarine Observation

XU Xie，SHANGWei-yan，LIChao-jie，LIChen-yu，WANG Bu-jun
（Ningbo University of Technology，Ningbo Zhejiang 315000，China）

In order to improve themoving capability ofmobile robot，a tracked robot has been designed，and the control model for slippage has been established to improve the moving efficiency.The above work can provide theoretical reference for tracked robot.

robot；submarine observation；slippage

TP242

A

1672-545X（2016）12-0140-02

2016-09-05

王偉明助創(chuàng)基金項目：“海底觀測機器人設計”項目編號（2015016）；寧波市自然科學基金項目“基于柔性仿生吸附單元的水下四足爬壁機器人行走研究”項目編號（2014A610081）

徐協(xié)（1994-），男，浙江金華人，學生，研究方向為機器人結構設計；尚偉燕（1978-），女，山東煙臺人，副教授，博士，研究方向：機器人動力學控制。