拱泥機器人的運動分類及控制

(武漢理工大學 物流工程學院，武漢 430063)

在沉船底部進行穿千斤作業是沉船打撈中的關鍵工序，目前我國普遍采用手動攻泥器，由潛水員手工操作[1]。如何實現穿千斤作業的自動化目前還是一個世界性難題。近年來，國內幾所科研院所對此提出了幾種機器人的設計方案[2-6]，但這些方案對機器人在水下淤泥中的受力復雜性尤其是尾部組合纜巨大的反拖曳力考慮不足。

根據目前沉船打撈中穿千斤作業條件設計了一種水下仿生拱泥機器人[7]，能在水下惡劣的“泥”環境中自行蠕動，并能調節其運動方向和路徑、代替潛水員完成水下穿千斤作業，其運動控制是一項關鍵技術。為此，提出即將機器人的復雜運動分解為自律運動和姿態調整，并分別采用程序控制和人工控制模式。

1 功能及原理

該控制使機器人在水下泥土環境中按預定軌跡從沉船底部一側鉆入，再從另一側鉆出；并隨時根據檢測到的方位和工況信息調整運動方向和運動姿態，拖動千斤引繩橫穿沉船底部，完成穿引千斤的作業任務；當前進中遇到不可穿越的障礙物時，可變向繞行；或將機器人的蠕動循環反向控制，便能實現反向蠕動，即沿進入的路線退回。

總體結構見圖1，主要由三部分組成，頭部：攻泥頭；中部：仿生蠕動軀體；尾部：組合纜接口。

圖1 拱泥機器人的總體結

頭部攻泥頭用于將前方沖出一段孔洞，攻泥頭和軀體間設有用于推動攻泥頭前移并調節攻泥頭沖擊方向的液壓機構。攻泥頭能使沖擊活塞在靜液壓下自行產生高頻往復周期振動，具有結構緊湊、能量利用充分和位移快速的優點。

仿生蠕動軀體由三節組成，節間由軸向蠕動伸縮油缸和方向調節器連接，每節圓柱表面裝有若干個高彈性的可充放油的橡膠“胎”(膨脹套)，用于模擬徑向鼓縮蠕動，整個軀體模仿蚯蚓的蠕動爬行原理，逐節蠕動跟進，從而實現機器人的蠕動前進，見圖2。

圖2 自律運動示意

尾部組合纜接口用于連接和牽引組合纜(由電纜、油管、氣管和引繩組成)隨動前進，并具有防止機器人自旋的裝置。

機器人的運動可分為自律運動和姿態調整。

對于這兩類運動，所采用的控制模式不同。拱泥機器人采用程序控制與人工控制相結合的控制模式，并均由液壓機構執行。對于自律運動，采用程序控制模式，確保各部分嚴格按照動作節拍逐節運動。對于方向與姿態調整，采用人工控制模式，即由操作員根據檢測系統提供的有關力、環境、位姿等方面的信息，在水面工作船上的控制臺上下達控制指令。

2 自律運動的控制

自律運動由機器人的各節按照嚴格的自律節拍，相互配合，逐節跟進完成。一個循環周期的動作組成自律運動的最小單元。這種周期性的動作可分為五個節拍，見表1。

表1 自律運動節拍表

注：+-做某個動作；--保持某種狀態；---無動作等待狀態；P-攻泥推進動作；F-軸向跟進動作；R+/R--徑向膨脹/收縮動作

從表1中可以看到，在節拍1和節拍5，機器人所受到的軸向反沖擊力和反牽引力最大，故有三節蠕動體均保持徑向膨脹狀態，以提供最大的靜摩擦力。而在其它節拍，始終有兩節處于膨脹支撐狀態，為正在收縮跟進的那一節提供靜摩擦力。

在自律運動過程中，機器人是否始終具有足夠的軸向靜摩擦力來穩固自身，是自律運動能否使機器人前進的關鍵。

對于飽和淤泥質粘土，光滑圓柱面與孔壁泥土間的單位摩擦力f為5～1.5 kN/m2[8]。單節蠕動體膨脹時的直徑D=0.35 m，有效長度L=0.8 m，則單節蠕動體在光滑表面條件下能提供的靜摩擦力F1至少為4.4 kN。

F1=πDL·f

式中：f取5 kN/m2。

在長江邊(武漢段)的淤泥中所做的現場試驗證實了這個計算數據，而且當圓柱表面被綁上汽車輪胎橡膠片時，靜摩擦力將增大4倍以上。

于是，三節蠕動體能提供的靜摩擦力F3至少為52.75 kN

F3=12F1

同理，可以計算尾纜的靜摩擦力。設尾纜直徑d=0.1 m，沉船跨距l=25 m，則尾纜的最大靜摩擦力Ft為39.25 kN。

Ft=πdl·f

可見，三節蠕動體能夠為機器人提供充足的軸向穩固力。

由于在相同條件下兩物體間的靜摩擦力大于滑動摩擦力，而且跟進的那一節蠕動體是在徑向收縮后進行滑動的，因此，一節膨脹的蠕動體就能為一節跟進的蠕動體提供足夠的靜摩擦力。考慮到水下淤泥的復雜性，控制由兩節膨脹的蠕動體為一節跟進的蠕動體提供靜摩擦力。同理,在攻泥頭攻泥和牽引尾纜這兩個過程中，則控制由三節膨脹的蠕動體提供最大的靜摩擦力來分別抵抗打孔的反沖擊力和尾纜的反牽引力。

自律運動由各部分的軸向油缸的伸縮運動以及膨脹套的徑向蠕動合成，因此，只要對軸向油缸和膨脹套進行控制就可實現對自律運動的控制，見圖3。對油缸和膨脹套的控制是通過對電磁換向閥的集中控制實現的。

圖3 軸向伸縮、徑向鼓縮及方向調節機

因為自律運動是按固定的工作節拍逐節完成的，故采用程序控制模式，即將各軸向油缸和膨脹套的電磁換向閥的電纜連接到一個程序控制器上，由控制器按照動作節拍的次序順序控制各個油缸和膨脹套的動作。

3 姿態調整的控制

姿態調整是通過節間的方向調節器來完成的。它由4個油缸組成，相對的2個組成一對(彼此互鎖)，兩對之間垂直排列，見圖4。

圖4 方向調節器

當兩對油缸的活塞都處在中位時,調整器的兩端面平行,與兩端相連的兩節軀體是同軸的，呈直線狀態。當處于垂直位置的一對油缸活塞桿伸出或縮進時,調整器的兩端面就會有夾角，使相連兩軀體呈向上或向下彎曲的狀態。同理，水平位置的一對油缸，可使相連兩軀體呈向左或向右彎曲的狀態，將相互垂直的兩對油缸加以適當控制使其動作合成起來，可使相連兩軀體向任意方向彎曲。因為攻泥頭和后面的三節蠕動軀體是由三個方向調節器串成一體的,當三個方向調節器同時朝同樣的方向變動時,可使機器人形成一個近似的弧形。

每個方向調節器的最大調節角度γ=10°，取每節長度l=0.87 m，則可計算出機器人的最小轉彎半徑r為5 m。

在實際控制過程中，方向調節也是按照跟隨原理進行的，即每一節的方向角都取前一節的實際方向角，從而使機器人的各部分以最小阻力協調前進。

機器人的有效工作平面應在其預定路徑所決定的鉛垂面內，見圖5。

圖5 機器人的有效工作平

當機器人的實際軌跡偏離預定路徑時，則啟動方向調節機制進行糾正。此外，當它遇到不可逾越的障礙時，則控制它退回一段路程后再調節方向前進，以便繞過障礙。當然，機器人相當于該鉛垂面的偏離是需要及時糾正的。

4 結論

對于工作在水下惡劣的淤泥環境中，其運動控制是關鍵技術。本文提出的機器人運動控制方案簡單、可靠可操作性強，具有很好的應用前景等優點。

[1] 姚根福.海上救助與打撈[M].大連: 大連海運學院出版社,1994.

[2] 孟慶鑫,魏洪興,王立權.基于蠕動原理拱泥機器人方案研究[J].中國造船, 2001, 42(1):64-68.

[3] 魏洪興,王立權,孟慶鑫.基于蠕動原理拱泥機器人的海洋土力學模型研究[J].哈爾濱工程大學學報, 2000, 21(4):36-40.

[4] 魏洪興,孟慶鑫,王田苗.拱泥機器人原理樣機的研制[J].中國造船, 2003, 44(1):89-93.

[5] 王志林,陳洪財,欒喜慶.拱泥機器人位置檢測系統[J].佳木斯大學學報:自然科學版, 2000, 18(4):313-316.

[6] 王志林.蠕動爬行式拱泥機器人的位置檢測方法[J].傳感器技術, 2001,20(1):16-17.

[7] 張 英, 孫 虎, 胡 勇, 等.水下拱泥機器人方案研究[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版, 2005, 27(4):43-46.

[8] 陳希哲，土力學及地基基礎[M].北京：清華大學出版社，1998.