深海探測機(jī)器人動臂的動態(tài)響應(yīng)特性分析

張 超，朱 騰，徐京京

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

目前，海洋資源是各個國家最重要的開發(fā)對象之一，海洋內(nèi)蘊(yùn)含礦產(chǎn)[1-2]的種類和含量非常多，良好的探測技術(shù)對于國家的戰(zhàn)略性發(fā)展方向有著重要的影響。海洋資源的探測與開發(fā)存在較大的難度，采用人工探測根本無法滿足經(jīng)濟(jì)與社會的需要。為此，探測機(jī)器人成為海洋資源開發(fā)的重要技術(shù)手段[3-5]。在深海環(huán)境下，機(jī)械裝備均受到嚴(yán)重的壓力與波動力的影響，其受到的波形振動非常顯著，若機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定位偏差會非常大，極限載荷工作時容易損壞，使得探測效果達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，因此，對深海探測機(jī)器人動臂的載荷響應(yīng)分析是非常有必要的。

針對以上問題，本文提出一種海底探測機(jī)器人的動臂響應(yīng)研究方法，以海洋流動的載荷效應(yīng)為外部激振條件，分析動臂的搖擺特性，并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動響應(yīng)分析，在技術(shù)上彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)不足，有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 深海波浪載荷分析

1.1 波浪理論

目前，主流的深海波浪載荷研究可分為兩種：規(guī)則周期性載荷理論和不規(guī)則的隨機(jī)載荷理論。在波浪周期載荷理論中，深海內(nèi)的載荷可簡化為具有特定幅值比例、周期長度和載荷方向的獨(dú)立波形，隨時間變化的規(guī)律具有固定的幾類結(jié)構(gòu)。在隨機(jī)載荷理論中，海洋中的波動載荷具有不確定性，幅值比例、周期長度和載荷方向相互獨(dú)立并滿足概率理念。這兩種理論均能夠在特定的環(huán)境下滿足工程求解精度，一般采用概率統(tǒng)計和頻譜響應(yīng)的研究方案，基于能量求解振動頻率。隨著近代數(shù)值技術(shù)[6-7]的發(fā)展，波浪理論所應(yīng)用的環(huán)境更加具體。

針對深海探測機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件，本文采用微幅波理論對載荷進(jìn)行量化和計算。微幅波主要用于度量海底內(nèi)的諧響應(yīng)載荷[8]，其將水流進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)化處理，并根據(jù)振動波形的傳播方向和速率推算載荷的周期與幅值。由于海底探測機(jī)器人的使用條件為海深1～5 km，其水流波動的幅值與水的深度比值微小，因而波動性隸屬微波范圍，適用于微幅波理論。為便于計算，將動臂的工作條件進(jìn)行設(shè)定和簡化：（1）深海內(nèi)的洋流具有質(zhì)量均勻性，介質(zhì)水為典型的不可壓縮理論流體，粘性因素忽略不計；（2）除了波浪載荷，重力和浮力載荷為主要載荷，構(gòu)件之間的摩擦力忽略不計；（3）假定海洋表面的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，考慮風(fēng)載效應(yīng)；（4）深海內(nèi)的水質(zhì)點(diǎn)為緩慢運(yùn)動，洋流自身阻尼力忽略不計。

1.2 載荷構(gòu)成分析

深海探測機(jī)器人在運(yùn)動時，動臂受到的主要載荷包括慣性載荷、洋流推力、重力、浮力、支持力和繞射力等。洋流產(chǎn)生推力主要是因?yàn)楹Ｑ髢?nèi)不同位置流體的速率不同，跟季節(jié)與風(fēng)力有關(guān)，對細(xì)長結(jié)構(gòu)的影響較為顯著；慣性載荷主要由探測機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)決定，一般來說質(zhì)量越大越顯著；繞射力主要發(fā)生在較大截面的位置，由波動的繞射引發(fā)，計算過程中不可忽略。由于動臂由多個部件組成，每個部件承受的載荷類型有一定的差異性，排除外力抵消，總的來講，洋流推力和慣性載荷是影響動臂振動的主要載荷。

2 機(jī)械臂受迫振動分析

2.1 不同風(fēng)力等級下的振動特性

基于二階的振動微分方程，可建立機(jī)械臂的振動分析模型。不同的風(fēng)力載荷對機(jī)械臂受到的推力作用影響較大，在機(jī)械結(jié)構(gòu)被迫橫向偏移時，會引發(fā)嚴(yán)重的傳動故障。通過微分方程的求解，可得出二級風(fēng)載和六級風(fēng)載條件下的動臂最大振動幅值變化規(guī)律，如圖1所示。圖中可以看出：在恒定風(fēng)載作用下，機(jī)械臂的振幅仍具有顯著的不確定性；六級風(fēng)載下的機(jī)械振動明顯更為劇烈；從振動幅值的空間分布上看，機(jī)械臂的最大幅值位于最頂端旋轉(zhuǎn)副位置，該位置的慣性力也最大，載荷疊加后，表現(xiàn)出振幅增大現(xiàn)象；在頻譜特性方面，不同風(fēng)載下的振動頻率有著顯著的差別，二級風(fēng)載下的載荷響應(yīng)頻率明顯低于六級風(fēng)載，但振幅均在第一階響應(yīng)中達(dá)到峰值；若增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，振動幅值和響應(yīng)頻率均會明顯減小，但功耗會顯著增大，因此需要設(shè)定在一個合理的范圍內(nèi)。

圖1 不同風(fēng)載下的振動響應(yīng)特性

2.2 不同運(yùn)行速度下的振動特性

由于礦產(chǎn)的分布具有邊界性特點(diǎn)，因此海洋探測機(jī)器人應(yīng)快速、準(zhǔn)確地定位資源區(qū)域，以便于配合采礦船的路徑引導(dǎo)。探測機(jī)器人在不同運(yùn)行速度下，需要抵抗的阻力明顯不同。通過分析模型的求解，可得出不同速度下的振動響應(yīng)特性，將其進(jìn)行頻譜化處理后，得出分析結(jié)果如圖2所示。圖中可以看出：不同的運(yùn)行速度僅僅影響了探測機(jī)器人的振動強(qiáng)度，對響應(yīng)頻率沒有作用；較大的運(yùn)行速度會放大振動，特別是在第一階固有頻率下，差異性最為明顯。

圖2 不同運(yùn)行速度下的振動頻譜特性

2.3 不同水深下的振動特性

不同水深下的振動響應(yīng)特性如圖3所示，可以看成：隨著探測機(jī)器人潛入水深的增大，機(jī)械手臂的振動更為顯著，這是由于水壓載荷相比水流載荷的作用更強(qiáng)烈；當(dāng)增大機(jī)械阻尼時，響應(yīng)頻率不發(fā)生改變，振動幅值明顯減小，同時機(jī)械結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度減小；通過強(qiáng)度分析結(jié)果可知，發(fā)生最大變形的位置位于頂部關(guān)節(jié)，在較深的水深下，運(yùn)行速度的影響減小。

圖3 不同水深下的振動響應(yīng)特性

3 機(jī)械臂振動測試

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

深海中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試存在較多困難，設(shè)備安裝、數(shù)據(jù)傳輸以及傳感器配套均難以實(shí)現(xiàn)。為此，文中搭建外部實(shí)驗(yàn)臺，模擬深海中的工作環(huán)境。針對深海探測機(jī)器人的工作原理，設(shè)計動態(tài)響應(yīng)特性測試平臺如圖4所示。可以看出，該實(shí)驗(yàn)臺能夠預(yù)施加各種載荷，來模擬水深壓力、風(fēng)載等參數(shù)。為確保測試安全性和可靠性，設(shè)定總體支架的高度為2.5 m，各個鋼板的厚度均為4 mm。機(jī)械手臂連接負(fù)載，在拖拽過程中模擬運(yùn)行速度[9]，而且配重可以調(diào)節(jié)，用于計算最佳的質(zhì)量。

圖4 動態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)臺

在外部加載和數(shù)據(jù)采集方面，可將測試臺可分采集模塊、外部載荷激振模塊、拖拽模塊、水壓調(diào)節(jié)模塊等。其中，采集模塊中的振動傳感器選用YK-YD20系列，具有良好的防水性和抗干擾能力，每10 mm間隔進(jìn)行布置，傳輸信號受距離的影響較小，多路傳感器集成于采集卡中，選用MPS-060602系列。測試臺選用的采集卡能夠?qū)崿F(xiàn)雙通道同時采集，無需外接恒流電源，采用電腦的USB接口進(jìn)行供電。外部載荷激振模塊以搖桿機(jī)構(gòu)為主，便于模擬橫向加載。執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的曲柄機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)控制，可無級變速，得出不同的漸變拖拽速率。

3.2 結(jié)果分析

機(jī)械臂頂部關(guān)節(jié)的振動測試結(jié)果如圖5所示，可以看出：在外部激振載荷作用下，振動幅值逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，耗費(fèi)時間低于1 s，由此可見，阻尼系數(shù)選擇合理；機(jī)械臂對于振動的響應(yīng)敏感度非常高，因此需要確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免大位移造成的機(jī)械損傷。

圖5 振動測試結(jié)果

不同配重下的振動特性如圖6所示，可以看出：當(dāng)機(jī)械臂的激振頻率增大時，振動明顯增大；當(dāng)機(jī)械臂的質(zhì)量增大時，振動顯著減小，而且對于振動響應(yīng)的延遲更為明顯；當(dāng)機(jī)械臂處于非運(yùn)行狀態(tài)時，配重質(zhì)量的增大有效地減小了整個振動幅值；在相同的配重條件下，當(dāng)激振頻率越大，機(jī)械臂的振動越劇烈，振動衰減的周期越長，達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)越困難；當(dāng)配重質(zhì)量大于2 kg時，隨著配重的增大，振幅線性增大。

圖6 不同配重下的振動特性

4 結(jié)束語

海洋探測機(jī)器人在海底執(zhí)行探測任務(wù)時，將不可避免地發(fā)生受迫振動現(xiàn)象，其振動發(fā)生的響應(yīng)時間非常短，衰減周期與機(jī)械臂的質(zhì)量、阻尼系數(shù)有關(guān)，最大位移位置處于頂端的機(jī)械關(guān)節(jié)。當(dāng)洋流環(huán)境相對穩(wěn)定時，增大機(jī)械臂的質(zhì)量有利于工作穩(wěn)定性的提升。在較大外部載荷作用下，增大質(zhì)量會增加慣性力，延長衰減周期。在相對較淺的海域位置時，可減小配重質(zhì)量，增大阻力系數(shù)；在深海位置時，可增大配重質(zhì)量，減小阻尼系數(shù)，這樣可得出較好的振動反饋，有利于探測任務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性。