水下浮游爬行式機器人結構設計與研究

翟旭強，張俊俊，王皓冉，李永龍2,，李佳龍

（1.西南科技大學 制造科學與工程學院，綿陽 621010；2.西南科技大學 特殊環(huán)境機器人四川省重點實驗室，綿陽 621010；3.清華四川能源互聯(lián)網研究院，成都 610000）

0 引言

有纜遙控水下機器人（Remote Operated Vehicle，ROV）越來越多地應用于海洋探測、水庫大壩檢測、水產養(yǎng)殖、船體碼頭檢查、水下考古等領域，根據運動方式的不同，ROV可以分為浮游式、爬行式和拖曳式[1]。浮游式ROV最為常見，可實現(xiàn)多自由度靈活運動，但是在對水下底板執(zhí)行取樣、巡檢、探測等任務時，保持懸停和姿態(tài)穩(wěn)定比較困難。爬行式ROV可以在水下緊貼底板進行作業(yè)但收放困難。因此，結合浮游式ROV靈活性和爬行式ROV穩(wěn)定性的優(yōu)勢，設計開發(fā)具備浮游和爬行功能的復合式水下ROV，具備一定的應用價值和研究意義。

Bo等[2]設計了浮游爬行式ROV，通過浮游功能進行水下電纜的搜索、觀測和檢測，采用爬行功能來實現(xiàn)電纜的埋設和維護。Wood等[3]設計了雙模式ROV來進行水下考古，并對機器人框架進行了有限元仿真以保證其強度滿足要求，設計浮力升降系統(tǒng)來調整機器人水下的浮力。Ferreira等[4]設計雙模式ROV，采用推進器來施加垂直于船體表面的力，從而緊貼在船體上爬行。Mori等[5]研究具備浮游、底板爬行和爬側壁三種功能的水下機器人，并且進行了浮游越過障礙物和由爬行轉換為爬壁的姿態(tài)控制研究。常路等[6]設計了雙模式水下ROV，通過切換模塊在浮游爬行兩個模式之間進行切換。以上水下浮游爬行式ROV的研究主要集中在浮游姿態(tài)控制上，而對水下爬行性能的研究較少。Inoue等[7,8]對水下履帶式機器人在平坦地形的行駛進行了行駛穩(wěn)定性研究，并且在小型的浮游爬行式ROV上使用四個推進器來輔助增加水下質量，調整水下質心，以保證其穩(wěn)定運行。但是僅對水平地面的運動進行了研究，未對爬坡等工況進行分析。

本文設計的機器人為“浮游式+爬行式”雙模式ROV，可以實現(xiàn)水下底板連續(xù)爬行與水中六自由度浮游作業(yè)。機器人水下質量小，履帶接地長度短、水下質心較高，行進中受到水動力的作用，底板爬行時存在傾翻的風險。對重心與浮心的可行域進行仿真和驗證，保證ROV行駛的穩(wěn)定性是設計的重點。本文對機器人直行、上下斜坡的典型工況進行了穩(wěn)定性分析和動力學仿真研究，并通過實驗驗證了結構設計的合理性。

1 ROV結構設計

1.1 整機構型

ROV由主控裝置、浮游裝置、檢測裝置、前置攝像裝置、爬行裝置等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 機器人整機結構

機器人采用有纜供電通訊的方式，操作人員在母船上通過電纜對機器人傳遞信息，進行遙控操作。主控箱安裝在機器人正上方以方便箱體的安裝、接線和箱體安裝完成后的氣密性測試。浮游裝置采用框架式結構，搭載推進器使得機器人可以浮游運動。使用履帶式底盤作為爬行部件，履帶底盤安裝在車體兩側，履帶之間有較大的間距保證了機器人行駛和轉向時的側向的穩(wěn)定性。前置探照裝置由水下相機和補光燈組成，可以采集得到前方的路況圖像。檢測裝置是在裝滿清水的透明水箱中安裝水下高清相機和補光燈，相機朝機器人正下方進行拍攝，采集底板的圖像。

1.2 爬行裝置設計

爬行裝置如圖2所示，采用履帶式底盤作為行走機構，牽引性能良好，對地壓力小，有較強的地形適應性且不容易打滑。爬行裝置由兩組履帶模塊和傳動模塊，以及安裝架組成，履帶模塊由履帶機架、驅動輪、張緊輪、負重輪、張緊裝置等組成，采用克里斯蒂懸掛系統(tǒng)，降低對車身的振動。

圖2 爬行裝置

履帶傳動裝置如圖3所示，直流減速電機為履帶底盤提供動力，通過電機外殼與機架固定，電機外殼與端蓋之間采用O型圈實現(xiàn)靜密封。水下執(zhí)行裝置需要著重考慮動力系統(tǒng)的密封性，從而實現(xiàn)機構的連續(xù)穩(wěn)定運行[9]。本傳動系統(tǒng)中主要考慮電機輸出軸的動密封，直接對電機軸密封難度較大，因此對傳動軸進行機械密封，傳動軸與電機軸通過聯(lián)軸器聯(lián)接。法蘭軸連接履帶主動輪，法蘭軸與傳動軸通過銷釘聯(lián)接。

圖3 履帶傳動裝置

1.3 浮游裝置設計

浮游裝置由主體、推進器、浮力塊等組成。機器人主體為比強度較高的碳纖維板，采取框架式結構并做適當切除，以避免遮擋推進器的流場，主體上設計4個吊耳以方便吊放。采用定向推進器作為浮游運動的動力來源，八個推進器的配合使得機器人能在水下三維空間中實現(xiàn)進退、橫移、浮潛、橫搖、縱搖、艏搖的六自由度運動[10]。通過調整浮力塊來改變水下浮力和浮力中心。

圖4 浮游裝置

ROV具備浮游功能，可以在水下任意位置升降，方便機器人收放；在遇到不可爬行越過的障礙物時，可以直接上浮然后“飛”過障礙物。

2 機器人爬行穩(wěn)定性分析

機器人在水下水平地面和斜坡上運動時受到自身重力G、浮力B、支持力N以及水動力Rw的作用。假設G、B、N、Rw為點作用力，運動時履帶為剛性，與地面接觸部分形狀固定。機器人左右兩側對稱，可簡化為平面問題，此時機器人受力如圖5所示。

圖5 機器人直行和斜坡工況受力

根據力矩平衡原理，以原點為計算點，機器人靜止時，水下支持力的等效作用點橫坐標為：

機器人保持平衡需要滿足支持力作用點橫坐標xN與履帶地面接觸接觸范圍（xA，xC）之間的關系為：

水的密度遠大于空氣密度而且迎水面積較大，水動力對機器人爬行性能的影響不可忽略[11]，運動時，水動力的大小為：

其中：ρ是水密度；Ks是水阻力系數；Aw是水阻力面積；vw和vm分別是機器人水下行駛速度和水流速度；Km是附加質量系數；Vm是機器人體積；aw和am分別是機器人行駛加速度和水流加速度。

機器人勻速向前和向后運動時，水下支持力作用點的橫坐標分別為：

式(2)、式(4)、式(5)聯(lián)立，水下直行時，機器人平衡條件為：

機器人向上、下爬坡時，水下支持力作用點的橫坐標分別為：

結合式(2)，此時zB與xB的關系為：

假設水阻力作用在機器人正前方投影平面的面心上；RW1為運行中所受的最大水阻力；RW2為運行中所受的最小水阻力。

機器人左右對稱，通過調整浮力塊的位置，調整浮心的x軸和z軸坐標位置。采用懸掛法通過力矩平衡原理進行的x軸和z軸的重心測量和浮心的調整[7]。機器人質量、浮力、重心坐標等相關參數如表1所示。

表1 機器人設計參數

機器人在水下處于負浮力狀態(tài)，因而它能貼水底爬行。機器人的質量、質心、浮力、浮心和水阻力等會影響其運動姿態(tài)。采用CFD方法計算Ks和Km，當機器人以速度為0.07m/s，加速度為0.1m/s2時其水動力最大，為4.35N。機器人運動指標如表2所示。

表2 機器人運動參數

根據式(6)的水下直行的平衡條件，浮心橫坐標xB與質心橫坐標xG的關系如圖6(a)所示。其中A區(qū)域為xG的可行域，在此范圍內支持力在履帶底部的接地面上，機器人能平穩(wěn)運動。

圖6 直行和斜坡爬行穩(wěn)定域

根據式(8)和式(9)，當機器人向上或者向下通過傾角為15°斜坡時，在給定質心坐標（312，375）下，浮心橫坐標xB與浮心縱坐標ZB的關系如圖6(b)所示，其中B區(qū)域為浮心可行域。

3 多體動力學建模仿真

3.1 動力學建模

水下機器人履帶系統(tǒng)的結構較復雜，自由度多。為提高求解速度，根據機器人結構參數，使用Recurdyn/LM模塊構建履帶系統(tǒng)。使用SolidWorks構建車體的三維模型，將車體三維模型導入Recurdyn中并定義車體和履帶系統(tǒng)的約束關系[12]。機器人多體動力學模型如圖7所示。

圖7 機器人多體動力學模型

3.2 運動仿真

進行水下機器人在底板的直行、爬坡等典型工況的動力學仿真。設置地面為典型黏性土，采用translation力來定義垂直向上的浮力和與運動方向相反的水阻力。采用STEP函數定義驅動輪的轉速為0.07m/s。選取水平地面運動，向上爬15度斜坡，向下爬15度斜坡三種典型工況對機器人進行仿真分析。機器人在水下水平地面運動時，同一速度不同浮力中的質心高度和運動所需的驅動力矩變化情況如圖8所示。

圖8 水平運動質心高度和驅動力矩

質心橫坐標xG為312mm時，選取浮心橫坐標xB分別為315mm，295mm和340mm（圖6(a)中點P2，P1，P3）進行仿真，仿真結果分別如圖9(a)～圖9(c)所示。仿真開始時，由于機器人離地10mm，其落下后有一定的振動，取6～8秒振動結束后進行分析。圖8(a)為機器人質心橫坐標xG為315mm即在浮心穩(wěn)定區(qū)間時的仿真結果，其質心高度zG穩(wěn)定在375mm附近，機器人不會向前或者向后傾翻。圖8(b)和圖8(c)為浮心橫坐標xB分別為295mm和340mm即在穩(wěn)定區(qū)間以外時的仿真結果，此時質心高度呈明顯上升趨勢，仿真中發(fā)現(xiàn)機器人單輪著地，與地面的接觸情況如圖8(d)所示，機器人俯仰角變大，存在傾翻的危險。

選取圖6(b)中穩(wěn)定區(qū)間內，機器人浮心坐標Q（315，418）進行爬坡分析。機器人向上爬15度斜坡時，質心高度與力矩變化情況如圖9(a)所示。機器人向下爬15度斜坡時，質心高度與力矩變化情況如圖9(b)所示。兩種工況下俯仰角的變化都很小，機器人均可正常穩(wěn)定爬行。

圖9 機器人上下斜坡仿真

4 樣機實驗

機器人樣機水下場景如圖10(a)所示，水下爬行的實驗如圖11(b)所示。實驗場地為2m×5m的水池，實驗時水深為1.3m。

圖10 水下樣機實物與爬坡實驗

機器人在水池底板上爬行，底板有平地和18.3°斜坡兩種地形。機器人在水下底板上以最大速度向前行駛，采用慣性測量單元IMU采集機器人運動時的角度和加速度信息。此時前進方向加速度和俯仰角變化情況如圖11所示。

圖11 爬坡時加速度和俯仰角變化

a階段機器人在水下平地向前爬行；b階段機器人以最大速度向上爬18.3°的斜坡，其中b1階段為機器人從底盤前端接觸斜坡到底盤完全爬上斜坡的過程，此時機器人的俯仰角從0°提升到18.3°，b2階段機器人完全在斜坡上從運動到靜止，此時其傾角和加速度存在小范圍波動；c階段機器人在斜坡上靜止；d階段機器人從靜止加速，后退爬下斜坡，其中d1階段在斜坡上由靜止加速到最大速度行駛，機器人產生震蕩，d2階段機器人逐漸脫離斜面，此時俯仰角不斷變??；e階段為機器人在水下平地上以最大速度行駛。機器人順利完成平地直行、上下斜坡的運動且運動中無傾翻。

5 結語

1）設計了一款“浮游式+爬行式”雙模式水下巡檢機器人。機器人可以通過履帶底盤在水下底板進行連續(xù)爬行作業(yè)，并且具備浮游功能，可以在水中六自由度游動。

2）基于力矩平衡原理研究質心和浮心對機器人水下直行和爬坡性能的影響，并求出滿足兩種運動的車體浮心可行域。針對運動需求和特性，使用動力學仿真軟件Recurdyn對機器人進行典型工況下的運動仿真分析。通過仿真可以觀察到機器人質心和俯仰角的變化情況，平地直行和上下斜坡兩種工況下，在浮心可行域內機器人平穩(wěn)運行。

3）開展樣機測試，試驗表明：在浮心穩(wěn)定區(qū)間內，機器人平地直行穩(wěn)定無傾翻跡象；機器人能爬18.3°斜坡并穩(wěn)定運行，滿足設計指標。