基于蠕动原理拱泥机器人的力学模型分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第２期　２０ｏ６年ｏ４月　佳木斯大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｊｉａｍｕｓｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．　２００６　文章编号：１００８一：４ｏ２（２ｏｏ６｝ｏ２—０２２９—０３　基于蠕动原理拱泥机器人的力学模型分析　谢方明　，　任福君　，　张岚２，　张玲２，　冯彦华２　（１．哈尔滨理工大学机械动力工程学院。黑龙江哈尔滨１５００８０；２．佳木斯大学机槭工程学院。黑龙江佳木斯１５４００７）　摘要：　针对目前沉船打捞主要采用攻打千斤洞的现状，提出了基于蠕动原理能够自主攻打千斤洞　的拱泥机器人，由于拱泥机器人工作环境的特殊性，对海底淤泥层在拱泥头作用下的力学性能进行了分　析，并建立了拱泥机器人在泥中的力学模型，为仿生拱泥机器人动力学分析与仿真奠定了基础．　关键词：　蠕动原理；拱泥机器人；海洋土力学模型　中图分类号：ＴＢ２４　文献标识码：Ａ　我国海域辽阔，江河密布，是世界航运大国之　随着航运行业的发展，潜艇、船舶失事的海难事　故时有发生．对于一些有较高价值或堵塞航道的沉　一．主要是使土壤受剪切应力并达到剪切极限从而产　生滑动破坏．淤泥层的抗剪切强度可用库仑公式等　效定理表达：　＝ｃ　＋　ｔａｎ９　（２）　船，需要及时打捞．在打捞沉船时攻打千斤洞是一　项必不可少的工序，即在船体下方淤泥表层攻打出　几条穿引抬船用钢缆的通道…．传统攻打方法主要　应用手动攻泥器，由潜水员在水下进行操作，攻泥　器本身效率不是很高，而且水下条件恶劣，光线及　操作条件都不适宜潜水员进行操作，在这种情况　下，国内外先后都提出了拱泥机器人的概念并制作　出了物理样机，用其代替潜水员在艰苦的水下环境　工作．　其中　ｃ　——土的有效粘聚力（Ｋｐａ）；　——作用在剪切面上的有效法向应力　—（Ｋｐａ）；　土的有效内摩擦角（。）　由于机器人在土壤中攻泥过程中拱泥头的冲　—击作用，土壤发生弹塑性变形，不同的土质其弹性　和压缩性也不同，土在压力作用下体积缩小的特性　称为土的压缩性．土体积缩小的原因有以下三个方　１　拱泥机器人的力学模型的建立　拱泥机器人主要工作在海底表层大约１—２米　左右，我国海域辽阔，但海底表层主要是淤泥层或　面：①土颗粒本身的压缩；②土孔隙中不同形态的　水和气体的压缩；③孔隙中部分水和气体被挤出，　土颗粒相互移动靠拢使孔隙体积减小．试验研究表　明在一般荷重作用下，土颗粒和水自身体积的压缩　淤泥质，属于饱和土的一种，淤泥和淤泥质是工程　建设中经常遇到的软土．在静水或缓慢的流水环境　中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大　于液限、天然孔隙比大于等于１．５的粘性土，称为　淤泥；当天然孔隙比小于１．５但大于等于１．０时称　为淤泥质土　Ｊ．可应用有效原理对饱和淤泥层进行　分析　＝　＋　（１）　都很小，可以略去不计．气体压缩性较强，密闭系统　中，土的压缩是气体压缩的结果，但在压力消失后　土的体积基本恢复即土呈弹性．而自然界中土是一　个开放系统，孔隙中的水和气体在压力作用下不可　能被压缩而是被挤出，因此，土的压缩变形主要是　由于孔隙中水和气体被挤出．致使土孔隙减小而引　起的【３］．反映土壤的压缩性能的参数是压缩模量：　西＝　（３）　其中　为水下ｈ处的总应力，　为水下ｈ的有效应　力又称土粒问应力，　为空隙水压力．　机器人在淤泥层进行拱泥运动，对土壤的破坏　其中△ｅ是变形增量，△盯是应力增量，因为土　壤是一个非线性系统，所以压缩模量不是一个定　①收稿日期：２００６—０ｌ—ｌ９　．　．．　作者简介：翟磊署｛任福君（　　一）１９６∞１：；：，曼：男，羲茬　耆　合　疆现任中国科普研究所副所长，　套耋霎　嚣舅篙：主要研究方向：老瑟辁囊荔萄銎粱会离美橥竿震蠢天箬商电火花线切割技术方向及水下机器人方向　维普资讯 http://www.cqvip.com ２３０　佳木斯大学学报（自然科学版）　２００６年　值．土壤的变形与应力的关系如图１，ｅｏ—ｅ　为塑性　变形段，在此段中应力变化很小就可以发生塑性变　形，微观上体现在把土壤空隙中的水挤出空隙＇ｅ】　一２　拱泥机器人的攻泥头受力分析　设拱泥机器人在土壤表面以下ｈ处工作，机器　ｅａ为弹性变形，微观体现在土壤颗粒本身的弹性　人轴线与水平面成　角，先对此处的应力状态进行　变形　．　幽１　土壤应力与应变的关系　拱泥机器人的攻泥头不断冲击前方的土壤，冲　击出和冲击头直径Ｄ一样大小的孔，实验证明在　孔的周围形成了一个扰动区（约０．５Ｄ）和一个致密　区（约１．５Ｄ），机器人对致密区以外的土壤影响很　微小，可以被忽略．拱泥机器人蠕动过程中力学模　型如图２　图２　拱泥机器人的力学模型　在一个工作循环中，后气囊充气，驱动液压缸　伸长驱动攻泥头前进，此时整机受阻力最大，阻力　主要来源攻泥头，受力情况如图，设攻泥头顶角为　２ａ则攻泥头侧面的摩擦阻力　在机器人前部轴向　形成的阻力为　ｃｏｓａ，攻泥头破土对其的压力在机　器人前部轴向的阻力为Ｆ　ｃｏｓ（９０一ａ），再有阻力　是孔壁与机器人中部的摩擦力厂３．前部轴向总阻力　为：　ｆ＝　ｃｏｓ（９Ｏ—ａ）＋Ｆ１ｃｏｓａ＋　（４）　＾　ｆ　／．、５　　在机器人转向的时候前部轴向与后部轴向会　产生夹角　，由于攻泥过程中后气囊提供驱动反　力　，如果要保证拱泥机器人不断蠕动爬行，那么　要求　在前部轴向方向的分力不小于．厂，如果公式　（５）满足不了，机器人攻泥过程中，后气囊将出现　后滑现象对攻泥过程十分不利．　分析，取土壤单元如图３　图３土壤单元受力情况　竖直方向的应力　是由于土的自重力和土壤　以上的水压力作用形成，可用有效土容重度表示出　ｌ＝ｙ・ｈ　（６）　其中ｙ为土的有效容重，ｈ为土壤厚度．　水平方向的应力为　２＝ｋ０・盯１　（７）　其中ｋ。为土的静止侧向静压系数，一般由经　验给出，如表１　表１　土ｋ。经验值　土的种类　ｋ０　沙土　Ｏ．２５一Ｏ．３３　粉质粘土　Ｏ．３３　粘土　Ｏ．３３　软质粘土　Ｏ．５３　则与水平面成９ｌ角平面的法向应力【４Ｊ为　：　＝———　一＋　＋———　一　ｓｍ一２ｊＩ　（８）　攻泥头在驱动力的作用下不断挤压前方土壤，　使土壤变形破坏，土壤给攻泥头一个反力　，方向　垂直攻泥头表面，则攻泥头侧面压力　为　Ｆ１＝７ｒ・ｒ・２・　＝｛ｃ・７ｒ・ｒ・ｆ・ｙ・ｈ（９）　其中　ｃ：１＋　。＋　。ｉｌ１２（卢＋　）　口为拱泥头轴线与水平线的夹角　实际上阻碍机器人前进的不是侧压力　，，而　是侧压力　。在机器人轴向的分力　２　１　Ｆｚ＝｛ｃ・７ｒ・ｒ・ｚ・ｙ・ｈ・ｓｉｎａ　（１０）　攻泥头与土的摩擦力　为　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　谢方明，等：基于蠕动原理拱泥机器人的力学模型分析　（１１）　２３１　：　ｃ．　．ｒ．１．７．＾．ｔ　ｎ　其在轴向分力Ｆ，为　Ｆ３：　ｃ．　指导意义．实验表明简单机器人的力学模型满足对　实际中机器人作业的力学分析，并能提供可靠的实　验数据，对进行机器人其他部件如前后支撑气囊等　．ｒ．１．７．＾．ｔａｎ　．ｃ。８口　的进一步优化设计提供参考和理论支持，为制作高　仿生度的蠕动机器人奠定基础．　参考文献：　［１］姚根福．海上救助与打捞［Ｍ］．大连：大连海运学院出版社，　１９９４．　（１２）　其中　为海底泥土的摩擦角　３结论　本文分析了海洋沉积土的力学性质，建立了简　单的机器人力学模型，对拱泥机器人受力的关键部　件攻泥头进行了细致分析，此力学模型的建立为拱　泥机器人动力学仿真、相关结构的设计与改进具有　［２］陆陪毅．士力学［Ｍ］．北京：中国建材工业出版社。２ＯＯＯ。１５．　［３］陈景联．士力学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９４，１１３—１１５．　［４］赵九江．材料力学［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社。　１９９２。１５６．　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｍｏｖｅ—．ｉｎ—．ｍｕｄ　Ｒｅ－ｂｏｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｒｅｅｐｉｎｇ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　Ｘ／Ｅ　Ｆａｎｇ—ｍ／ｒｉｇ　，ＰＥＮ　Ｆｕ一　“。，　ＺＨＡＮＧ　Ｉａｎ　，　＿ＺＨＡＮＧ￡　ｎｇ　，　ＦＥＮＧ　Ｙａｈ—ｈｕａ　（１．Ｉ－ｌａｒｂｌｎ　Ｕｎｌｖｅｒｓｌｔｙ　ｏｔＳｄ咖＆Ｔｅｅｌｍｏｌｏｌ￣，Ｈａｌ＇ｂｌｎ　１５００８０，ａＩｉ玎ａ；２．Ｊｉａｍ￣Ｕｎｉｖｅ商ｔｙ，Ｊ１Ａｍｎ，ｄ　１５４００７，ａＩｈＩａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｉｍｅｄ　ａｔ　ｒｅｎｏｖａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｐｕｎｃｈｉｎｇ　ｒｏｐｅ—ｈｏｌｅ　ｉｎ　ｗｒｅｃｋｅｄ　ｓｈｉｐ　ｓａｌｖａｇｉｎｇ，ａ　ｃｒｅｅｐｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｖｅ—ｉｎ—ｍｕｄ　ｒｏｂｏｔ　ｗｈｉｃｈ（２１１１３　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｏｆ　ｓｈｉｐ—ｒａｉｓｉｎｇ　ＷａＳ　ｐｒｏｐｏ￣ｔ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｏｂｏｔ’ｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｆｔｅｒ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｉｒｔ　ｂｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｓｈｏｃｋ　ａｃｔｉｏｎ，Ｗｅ　ａｌｓｏ　ｇａｖｅ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｏｂｏｔ　ｉ１３　ｗａｔｅｒ—ｍｕｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｗｈｏｓｅ　ｓｔｕｄｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎ．　ｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｂｉｏｎｉｃ　ｒｏｂｏｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｒｅｅｐｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃｒｅｅｐｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｍｏｖｅ—ｉｎ—ｍｕｄ　ｒｏｂｏｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｉｒｔ　ｂｅｄ　（上接２１６页）　参考文献：　［１］Ｈａｎｓ—Ｅｒｉｋ　Ｅｒｉｋｓａｏｎ。Ｍａｇｎｕｓ　Ｐｅｎｋｅｒ．ＵＭＬ业务建模［Ｍ］．北　京：机械工业出版社，２ＯＯ４．　［３］Ｊａｃｔ，ｂｓｏｎ　Ｉ，Ｂｏｏｔｈ　Ｇ，ｌｌｕｍｂａｕｇｈ．统一软件开发过程［Ｍ］．北京　机械工业出版社。２ＯＯ２．　［４］范玉顺，吴澄，王刚，商展＋集成化　业建模方法与工具系统　研究［Ｊ］．计算机集成制造系统一ｃｌＭｓ。２Ｏ００＋６（３）：１—５．　［２］范玉顺，王刚，高展．企业建模理论与方法学导论［Ｍ］北京：　清华大学出版，２００１．　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＭＬ　ｍｒ　（ｔＩａｒｂｌｎｌｈ］ｉｖｅｒ￣ｔｙ　ｏｔＳｄｍｅｅ　ａｎｄＴｅｄｍｏｉｏｇｙ，ｔｌａｒｂｌｎ　１５００００，Ｏａｉｍ））　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ＵＭＬ，ａ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＵＭＬ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏ￣ｔ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ＵＭＬ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ＵＭＬ．Ｔｈｅｎ，ａ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　Ｏｉｌ　ＵＭＬ　ｈａｖｉｎｇ　ｍｕｌｔｉ　ｖｉｅｗｓ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅａ　ｏｆ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｖｉｅｗ，ｒｅ￣ｕｒｅｅ　ｖｉｅｗ，ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｖｉｅｗ，　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｖｉｅｗ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ　ｖｉｅｗ．Ａｉｍｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｖｅｒｙ　ｖｉｅｗ　ｍｏｄｅｌ，Ｗｅ　ａｄｏｐｔ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ＵＭＬ　ｔｏ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｉｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｎｅｗ　ｉｄｅａ　ｆｏｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ．　ｕｎｉｉｆｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｌａｎｇｕａｇｅ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｍｏｄｅｌ