CN107870094B - 一种水下履带式作业机器人实验系统 - Google Patents

Abstract

一种水下履带式作业机器人实验系统，包括履带式模型样车、模拟水底底质土槽、模拟水底底质、传感器组、缆绳、牵引装置和机架，本发明的技术效果在于，针对不同水下作业功能要求及水底作业环境，系统全面的建立水下履带式作业机器人实验系统，有效提高水下行走通过性能及连续作业性能；通过实验系统中可拆卸重组的模型样车在不同挂钩牵引力下的牵引性能实验，验证与优化作业机器人结构设计参数。

Description

一种水下履带式作业机器人实验系统

技术领域

本发明涉及一种水下履带式作业机器人实验系统。

背景技术

水下履带式作业机器人因其接地比压大、承载力强、牵引力大、通过性能良好、土壤扰动小等特点，适宜于在水下极稀软底质上的长时间大负荷自由行走作业，在海底矿产资源开发与水下工程作业领域，包括水下观测、海底油气管道及电缆铺设、海底多金属结核开采、海底金刚石挖掘、海底挖沟、水下疏浚等，具有重要的应用价值与广泛的应用前景。这类水下履带式作业机器人的行走通过性能，将直接决定了整个深海矿产资源开发系统与水下工程作业系统连续运行的稳定性与高效性。目前，针对水下履带式作业机器人的设计研究，仍然仅仅考虑其部分整体尺寸参数以及水下底质承载强度与剪切强度等简单力学参数，未能考虑履带式作业机器人的详细结构设计参数以及水下底质详细车辆地面力学模型，未能构建相应的设计计算数学模型以及提出相应的优化设计方法，由此对于水下履带式作业机器人的设计及其通过性能，仍然没有相应的完备的设计理论与方法以及评价标准。

发明内容

为解决目前尚无水下履带式作业机器人优化设计方法及实验验证系统的问题，本发明提供一种水下履带式作业机器人实验系统。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种水下履带式作业机器人实验系统，包括履带式模型样车、模拟水底底质土槽、模拟水底底质、传感器组、缆绳、牵引装置和机架，所述的模拟水底底质设置于模拟水底底质土槽内，所述的履带式模型样车设置于模拟水底底质土槽内并于模拟水底底质上行走，所述的机架设置于模拟水底底质土槽的一侧，所述的牵引装置固定于机架上并通过缆绳连接履带式模型样车以施加与履带式模型样车运动方向相反的牵引力，所述的传感器组安装于模拟水底底质土槽处并监测履带式模型样车运动信息。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的履带式模型样车上固定有配重台，所述的配重台为槽状的容器以用于给履带式模型样车添加配重。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的传感器组包括位移传感器、压力传感器、角速度传感器和速度传感器，所述的位移传感器固定于模拟水底底质土槽的一端并朝向履带式模型样车设置以监测履带式模型样车的位移距离，所述的压力传感器设置于缆绳上并用于监测牵引装置给予履带式模型样车的牵引力，所述的角速度传感器设置于履带式模型样车的驱动轮上，所述的速度传感器设置于履带式模型样车的车架上。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的牵引装置包括卷扬机电机和卷扬机滚筒，所述的卷扬机电机设置于卷扬机滚筒的一端并驱动卷扬机滚筒转动，所述的卷扬机滚筒上绕装缆绳。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的机架上还设置有支架组和滑轮组，所述的支架组包括第一支架和第二支架，所述的第一支架固定于机架的台面上，所述的第二支架固定于机架的边缘处，所述的滑轮组包括第一滑轮和第二滑轮，所述的第一滑轮和第二滑轮分别安装于第一支架和第二支架上，缆绳由牵引装置导出并绕经第一滑轮和第二滑轮以使连接至履带式模型样车时缆绳保持水平。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的第一支架包括第一支架本体和两个支撑杆，所述的第一支架本体为包括两根竖直支柱和一根水平杆的框状支撑体，底端通过转轴连接于机架的台面上，所述的两个支撑杆的一端分别通过转轴连接至第一支架本体的两根竖直支柱，另一端通过转轴连接至机架的台面上以使第一支架本体能够沿履带式模型样车运动方向下降或上升，第一滑轮固定于第一支架本体的水平杆上。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的第二支架包括两根沿履带式模型样车运动方向水平设置的伸缩杆和垂直于两根伸缩杆设置的横杆，所述的两根伸缩杆一端固定于机架的边缘处，另一端分别连接至横杆以使横杠能够沿履带式模型样车运动方向作水平运动，第二滑轮固定于横杆上。

所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，所述的机架和模拟水底底质土槽的底部均分别设有滚轮。

本发明的技术效果在于，针对不同水下作业功能要求及水底作业环境，系统全面的建立水下履带式作业机器人实验系统，有效提高水下行走通过性能及连续作业性能；通过实验系统中可拆卸重组的模型样车在不同挂钩牵引力下的牵引性能实验，验证与优化作业机器人结构设计参数。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

其中机架101、模拟水底底质土槽102、模拟水底底质103、履带式模型样车104、配重台105、拉压力传感器106、第二滑轮107、位移传感器108、第一支架109、缆绳110、卷扬机滚筒111、卷扬机电机112、第二支架113、第一滑轮114、滚轮115

具体实施方式

参见图1，本发明包括履带式模型样车、模拟水底底质土槽、模拟水底底质、传感器组、缆绳、牵引装置和机架，模拟水底底质设置于模拟水底底质土槽内，履带式模型样车设置于模拟水底底质土槽内并于模拟水底底质上行走，机架设置于模拟水底底质土槽的一侧，牵引装置固定于机架上并通过缆绳连接履带式模型样车以施加与履带式模型样车运动方向相反的牵引力，传感器组安装于模拟水底底质土槽处并监测履带式模型样车运动信息。

为了模拟不同负重条件下的运动情况，履带式模型样车上固定有配重台，配重台为槽状的容器以用于给履带式模型样车添加配重。

进一步的，为了准确采集履带式模型样车运动状态，传感器组包括位移传感器、压力传感器、角速度传感器和速度传感器，位移传感器固定于模拟水底底质土槽的一端并朝向履带式模型样车设置以监测履带式模型样车的位移距离，压力传感器设置于缆绳上并用于监测牵引装置给予履带式模型样车的牵引力，角速度传感器设置于履带式模型样车的驱动轮上，速度传感器设置于履带式模型样车的车架上。安装于样车驱动轮及车架上的角速度传感器及速度传感器分别测量样车的理论输入速度与实际行走速度，通过调节支架倾斜角度改变缆绳拉力，在对样车施加不同挂钩牵引力的同时实时测量样车的实际行走速度，进而获得一系列牵引力与车体滑转率关系曲线。

其中牵引装置包括卷扬机电机和卷扬机滚筒，卷扬机电机设置于卷扬机滚筒的一端并驱动卷扬机滚筒转动，卷扬机滚筒上绕装缆绳。其中卷扬机对样车施加的挂钩牵引力是可调的，对应于不同挂钩牵引力下的样车实际行走速度不同，进而获得一系列不同挂钩牵引力下的样车滑转率与牵引力对应曲线，验证数学模型。

为了使缆绳在对履带式模型样车施加牵引力时保持水平方向，机架上还设置有支架组和滑轮组，支架组包括第一支架和第二支架，第一支架固定于机架的台面上，第二支架固定于机架的边缘处，滑轮组包括第一滑轮和第二滑轮，第一滑轮和第二滑轮分别安装于第一支架和第二支架上，缆绳由牵引装置导出并绕经第一滑轮和第二滑轮以使连接至履带式模型样车时缆绳保持水平。

进一步的，为了便于在实验时进行调整，第一支架包括第一支架本体和两个支撑杆，第一支架本体为包括两根竖直支柱和一根水平杆的框状支撑体，底端通过转轴连接于机架的台面上，两个支撑杆的一端分别通过转轴连接至第一支架本体的两根竖直支柱，另一端通过转轴连接至机架的台面上以使第一支架本体能够沿履带式模型样车运动方向下降或上升，第一滑轮固定于第一支架本体的水平杆上。

进一步的，第二支架包括两根沿履带式模型样车运动方向水平设置的伸缩杆和垂直于两根伸缩杆设置的横杆，两根伸缩杆一端固定于机架的边缘处，另一端分别连接至横杆以使横杠能够沿履带式模型样车运动方向作水平运动，第二滑轮固定于横杆上。

为了便于整个实验系统进行移动，机架和模拟水底底质土槽的底部均分别设有滚轮。

本发明的履带式模型样车结构设计参数包括了履带式模型样车水下重量、重心位置、履带系统支重轮数、支重轮尺寸及间距、驱动轮与从动轮安装位置、拖带轮配置、履带宽度、履带板节距、履带预紧力等；水下底质特殊力学模型包括了剪切应力—剪切位移关系式、压力—沉陷关系式以及动态沉陷—接地比压、剪切位移关系式等。

在进行实验时，履带式模型样车以一定给定驱动速度行走于模拟底质上，卷扬机缆绳经过定滑轮及调节支架与样车后端连接，由卷扬机对样车施加与其运动方向相反的挂钩牵引力，安装于缆绳上的拉压力传感器测量相应拉力，固定于机架上的位移传感器测试样车位移，样车驱动轮及车架上分别安装有角速度及速度传感器。其中履带式模型样车的履带行走系统是可拆卸重组的，通过改变样车结构配置参数，可开展一系列不同结构设计参数下的牵引通过性能实验，验证优化设计方法。通过改变履带系统及车体结构设计参数，计算比较不同设计参数下的车体牵引系数、牵引效率以及履带系统接地段法向压力分布，明确影响其行走牵引通过性能与法向压力分布的水下履带式作业机器人关键结构设计参数，建立提高行走牵引通过性能以及降低机器人速度波动的结构参数优化设计方法。

在实验时，通过对水下履带式作业机器人稳态行走过程中履带系统及车体进行力与力矩平衡分析计算而建立的一系列非线性方程式，即优化设计数学模型。在进行力学平衡分析时，可根据履带系统各部分受力状态的不同，将其划分为不同部分单独进行力学分析，如接地段部分、驱动轮部分、从动轮部分、托带轮部分，定义各部分连接处的坐标及作用力。假定各部分均为最简化结构配置情况下进行力学平衡分析，即假定履带系统仅有一个支重轮、一个托带轮的特殊情况，进而扩展到履带系统任何结构配置情况下的力学平衡分析计算。以各部分连接处坐标及作用力作为参考，以各块履带板为分析单元，建立各履带板水平与垂直方向力平衡方程、力矩平衡方程以及相对位置约束方程，通过方程式组合，得到可描述各单独部分力学平衡特性的方程组及参数，将各部分力学平衡方程与整个履带系统垂直方向受力与力矩平衡方程式进行组合，得到可描述水下履带式作业机器人辆稳态行走过程中整个履带系统力学平衡的一系列非线性方程式。采用高效数值方法对方程组进行求解，获得履带系统与底质相互作用产生的剪切牵引力、行驶阻力与车体滑转率之间的定量函数关系，计算车体不同滑转率下的牵引系数与牵引效率等各项通过性能评估指标，预测履带系统接地段与底质相互作用的水平剪切力与法向压力分布特性。

Claims (6)

1.一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，包括履带式模型样车、模拟水底底质土槽、模拟水底底质、传感器组、缆绳、牵引装置和机架，所述的模拟水底底质设置于模拟水底底质土槽内，所述的履带式模型样车设置于模拟水底底质土槽内并于模拟水底底质上行走，所述的机架设置于模拟水底底质土槽的一侧，所述的牵引装置固定于机架上并通过缆绳连接履带式模型样车以施加与履带式模型样车运动方向相反的牵引力，所述的传感器组安装于模拟水底底质土槽处并监测履带式模型样车运动信息；

所述的机架上还设置有支架组和滑轮组，所述的支架组包括第一支架和第二支架，所述的第一支架固定于机架的台面上，所述的第二支架固定于机架的边缘处，所述的滑轮组包括第一滑轮和第二滑轮，所述的第一滑轮和第二滑轮分别安装于第一支架和第二支架上，缆绳由牵引装置导出并绕经第一滑轮和第二滑轮以使连接至履带式模型样车时缆绳保持水平；

所述的第一支架包括第一支架本体和两个支撑杆，所述的第一支架本体为包括两根竖直支柱和一根水平杆的框状支撑体，底端通过转轴连接于机架的台面上，所述的两个支撑杆的一端分别通过转轴连接至第一支架本体的两根竖直支柱，另一端通过转轴连接至机架的台面上以使第一支架本体能够沿履带式模型样车运动方向下降或上升，第一滑轮固定于第一支架本体的水平杆上。

2.根据权利要求1所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，所述的履带式模型样车上固定有配重台，所述的配重台为槽状的容器以用于给履带式模型样车添加配重。

3.根据权利要求1所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，所述的传感器组包括位移传感器、压力传感器、角速度传感器和速度传感器，所述的位移传感器固定于模拟水底底质土槽的一端并朝向履带式模型样车设置以监测履带式模型样车的位移距离，所述的压力传感器设置于缆绳上并用于监测牵引装置给予履带式模型样车的牵引力，所述的角速度传感器设置于履带式模型样车的驱动轮上，所述的速度传感器设置于履带式模型样车的车架上。

4.根据权利要求1所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，所述的牵引装置包括卷扬机电机和卷扬机滚筒，所述的卷扬机电机设置于卷扬机滚筒的一端并驱动卷扬机滚筒转动，所述的卷扬机滚筒上绕装缆绳。

5.根据权利要求1所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，所述的第二支架包括两根沿履带式模型样车运动方向水平设置的伸缩杆和垂直于两根伸缩杆设置的横杆，所述的两根伸缩杆一端固定于机架的边缘处，另一端分别连接至横杆以使横杆能够沿履带式模型样车运动方向作水平运动，第二滑轮固定于横杆上。

6.根据权利要求1所述的一种水下履带式作业机器人实验系统，其特征在于，所述的机架和模拟水底底质土槽的底部均分别设有滚轮。