水下捕捉海星遙控機(jī)器人（ROV）的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計(jì)說明書）,水下,捕捉,海星,遙控,機(jī)器人,rov,設(shè)計(jì),以及,運(yùn)動(dòng),分析,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 水下捕捉海星ROV的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析 摘 要 海星是海洋中的一類海底棲息的無脊椎動(dòng)物。一方面，海星強(qiáng)大的捕食和繁殖能力會(huì)對(duì)貝類會(huì)造成破壞，從而對(duì)沿岸漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖造成威脅和損失。另一方面，海星特殊的生長(zhǎng)環(huán)境讓它的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，而且對(duì)于疾病有很好的療效。因此，抓捕海星對(duì)于我們來說變得越來越重要。 隨著世界水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的針對(duì)具體工程應(yīng)用的機(jī)器人被開發(fā)使用。其中，ROV因其經(jīng)濟(jì)性好、靈活性高、環(huán)境適應(yīng)性好、工作效率高、使用有效等特點(diǎn)，得到了迅猛發(fā)展。本論文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外ROV發(fā)展的并參閱了大量的學(xué)術(shù)期刊和論文的基礎(chǔ)上，針對(duì)水下抓捕海星的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種封閉式的、具有對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)的水下ROV機(jī)器人。 本論文根據(jù)海星的生存環(huán)境，對(duì)于ROV的具體工作環(huán)境要求進(jìn)行了設(shè)定；主要介紹了ROV的系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了艙內(nèi)各部分位置的分配；設(shè)計(jì)了ROV下潛器的浮體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，并對(duì)于耐壓殼體部分進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)；重點(diǎn)設(shè)計(jì)了ROV的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)軸和齒輪等進(jìn)行了計(jì)算校核；對(duì)于封閉框架的靜密封和推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)軸的動(dòng)密封環(huán)節(jié)進(jìn)行了方案的選擇和設(shè)計(jì)。 本論文設(shè)計(jì)了基于四連桿曲柄搖桿單驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械手；建立了基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并用matlab進(jìn)行了軌跡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程，得出了機(jī)械手相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用ADAMS軟件完成了對(duì)于軌跡的模擬仿真和運(yùn)動(dòng)分析。 關(guān)鍵詞：捕獲海星； 水下機(jī)器人； 曲柄連桿機(jī)構(gòu)； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 運(yùn)動(dòng)仿真 Ⅰ Abstract The starfish is one of the marine invertebrates which perch on the seafloor. On the one hand, the powerful feeding and breeding of the starfish can cause great damage to the shellfish, which will pose a threat and create the loss to the coastal fisheries and aquaculture. On the other hand, the special living environment of the starfish makes it rich nutritional value, at the same time, it has good curative effect for human and animal diseases. Obviously, the starfish capturing work is on the agenda. With the development of the underwater robot technology, more and more robots are developed in the specific engineering application. Among them, the ROV has been developing rapidly, due to its relatively cheap price, high flexibility, good adaptability for the environment, high working efficiency and the effective performance, etc. According to the specific application of capturing the undersea starfish, on the base of summarizing the development of the ROV in the world referring to a large number of academic journals and papers, this paper has designed a closed ROV underwater robot with symmetrical frame structure. As for the living condition of the starfish, the working environment demands are set; This paper mainly introduces the ROV system scheme and the structure design, and the distribution of the position for each part; The selection and design of the floating body, frame, and the pressure hull; The design of the ROV power transmission system, and calculation of the related shaft and gear; The selectionand design of the proposal with the static sealing for the closed framework and the dynamic sealing for the axis of the rotating thrusters. The paper introduces the manipulators, one is based on the four-bar crank rocker with single drive, the other based on the five-bar double-crank with double drive, and the kinematics equation for the five-bar. The software Matlab is used for the trajectory design and optimization process, and the optimization of related parameters fro the manipulator is obtained; At the same time, ADAMS is applied in the simulation and motion anslysis for trajectory. Keywords: starfish capture； underwater robot； crank-link mechanism； optimization design； kinematic simulation Ⅲ 目錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 水下機(jī)器人種類 2 1.3 ROV國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4 本論文完成的主要工作 4 2 ROV的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 6 2.1 ROV設(shè)計(jì)構(gòu)思 6 2.2 ROV總體設(shè)計(jì) 8 2.2.1 形狀設(shè)計(jì)和自由度分析 8 2.2.2 浮體的設(shè)計(jì) 8 2.2.3 框架的設(shè)計(jì) 9 2.2.4 耐壓殼的設(shè)計(jì) 10 2.2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 2.2.6 密封的設(shè)計(jì) 12 2.3 本章小結(jié) 13 3 ROV捕獲裝置的設(shè)計(jì) 14 3.1 基于四連桿單驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu) 14 3.2 基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 15 3.3 五桿捕捉海星軌跡規(guī)劃 16 3.3.1 軌跡規(guī)劃思路 16 3.3.2 五桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 18 3.3.3 優(yōu)化工具箱MATLAB 21 3.3.4 軌跡設(shè)計(jì)過程 22 3.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 24 3.4 本章小結(jié) 25 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計(jì) 26 4.1 推進(jìn)器整體轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載計(jì)算 26 4.2 重力與浮力的計(jì)算 28 4.3 耐壓殼體的仿真分析 29 4.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核 30 4.4.6 齒輪的設(shè)計(jì)校核 30 4.4.7 軸的強(qiáng)度校核 33 4.5 本章小結(jié) 41 論文的總結(jié)與展望 42 參考文獻(xiàn) 43 附錄 45 致謝 47 Ⅴ 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 引言 我們地球表面的面積是5.1億平方公里，然而這其中3.6億平方公里是海洋，它占地球總表面積的比例為70.8%。海洋，是我們四大生存發(fā)展空間——陸、海、空、天中在陸地后面的第二大發(fā)展空間，是化石能源、生物資源和金屬資源極具戰(zhàn)略性的開發(fā)場(chǎng)所，這個(gè)空間的發(fā)展?jié)摿σ彩亲畲蟮腫1]。在21世紀(jì)，人類科技一直在迅速地發(fā)展，人們面對(duì)蘊(yùn)含豐富資源和能源的海洋，已經(jīng)不僅僅局限于單純的觀測(cè)行為，而更加注重的是如何對(duì)海洋進(jìn)行全方位的開發(fā)和利用?，F(xiàn)在，人類面臨著諸如能源幾近枯竭、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，因此對(duì)海洋進(jìn)行開發(fā)和利用，有利于我們的可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)海洋產(chǎn)業(yè)的壯大，這也是我們的必然選擇。 海星具有強(qiáng)大的捕食和繁殖能力，它們對(duì)于貝類會(huì)造成比較顯著的破壞，從而對(duì)沿岸的漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖造成較大的威脅和損失。例如，在韓國(guó)的南部海岸，分布著一種阿穆爾海星，這種入侵的海星物種給當(dāng)?shù)貛淼南喈?dāng)大的麻煩。它們胃口很大，捕食貝類，在韓國(guó)海域不存在自然天敵，從而繁殖和再生能力巨大。不僅僅是海岸的漁場(chǎng)，而且自然的湖泊也會(huì)受到這些海星的威脅。例如，澳大利亞的大堡礁連續(xù)不斷地報(bào)道海星數(shù)量爆炸性增長(zhǎng)的問題。雖然海星對(duì)貝類有很大威脅，但是它營(yíng)養(yǎng)方面的價(jià)值較高，而且對(duì)多種疾病是有一定作用的。海星富含大量蛋白、一些不飽和脂肪酸、大量氨基酸、微量元素和維生素等，如果把它作為我們的營(yíng)養(yǎng)食物，將會(huì)有較好發(fā)展遠(yuǎn)景。另外，海星有大量構(gòu)造獨(dú)特的具有生物活性的代謝產(chǎn)物，如生物堿、皂苷、多糖、甾醇、多肽等，它們具有較好的生理作用，如抗擊癌癥、抑制病菌、抗擊炎癥、降血壓和血脂等，若是將其應(yīng)用在醫(yī)藥行業(yè)、保健品以及動(dòng)物飼料等范疇，會(huì)有巨大的應(yīng)用前景[2]。 不論是減小海星對(duì)于漁業(yè)的影響，還是捕捉進(jìn)行科學(xué)研究或者相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用，海星的抓捕工作已經(jīng)提上了日程。在韓國(guó)，一個(gè)潛水員一天可以手工采集100KG海星。然而，這項(xiàng)工作非常辛苦，效率低下，而且水下工作總會(huì)伴有意外的風(fēng)險(xiǎn)和減壓病。用潛水器潛水，一個(gè)潛水員利用一個(gè)空氣儲(chǔ)蓄器可以下潛30-40分鐘，到達(dá)20M的深度。往往一個(gè)水下任務(wù)結(jié)束后，一些潛水員會(huì)出現(xiàn)肌肉骨骼病，皮膚病和排尿困難等疾病。潛水員一般都患有慢性頭痛和肌肉骨骼疾病，因?yàn)樗麄兠刻煲磸?fù)潛水5-6小時(shí)。 如果這類捕捉海星的工作交給水下ROV機(jī)器人來完成，那么工作效率會(huì)大幅度提升；工作時(shí)候的安全事故率也會(huì)降到最低；另外，下潛的深度有很大的靈活性；最后，它可以在水下更長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行工作。 1.2 水下機(jī)器人種類 根據(jù)可以不可搭載人，將水下機(jī)器人分類為載人和無人水下機(jī)器人。載人水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是由潛航員來進(jìn)行操控的，其中的實(shí)驗(yàn)者可以直接觀察外部的海洋環(huán)境，其優(yōu)勢(shì)在于人的感覺可以處理各種復(fù)雜的問題，但是危險(xiǎn)性也是很大的。另外，水下載人和航天工程是非常類似的，需要為潛航員提供生命保障系統(tǒng)，這就造成潛航器的體積巨大、系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴、應(yīng)用環(huán)境受限等不利因素。無人水下機(jī)器人，通常來說就是我們熟悉的水下機(jī)器人，排除了人的考慮因素，它工作的時(shí)間、空間都有很大的自由。水下機(jī)器人按照有無線纜與水面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)聯(lián)系分為兩大類[3]。 一類是有纜水下機(jī)器人，即遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）；另一類是無纜水下機(jī)器人，即自治水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicl，AUV），自帶能源，依靠自身的自治能力來管理和控制自己。 1.3 ROV國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ROV是有纜水下機(jī)器人的簡(jiǎn)稱，它由電纜從母船獲取動(dòng)力，并不是完全自主的，需要人利用電纜對(duì)ROV操縱。ROV依據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)方式，可分為3種：（海底）移動(dòng)式、拖拽式和浮游（自航）式[4]。 較早獲得應(yīng)用的無人潛水器便是ROV，其研制始于20世紀(jì)50年代，雛形是幾個(gè)美國(guó)人想要觀察神秘的海底。他們把攝像機(jī)密封在防水的殼體內(nèi)，將其帶入海底，成為了第一代浮游式有纜潛水器。1960年由美國(guó)人研制的“CURV”是世界上第一個(gè)下潛ROV。1966年1月它與載人潛水器共同協(xié)作，在西班牙的外海找到了一個(gè)因轟炸機(jī)失事而掉到海底的氫彈，對(duì)其完成了成功打撈。從此之后，全世界都轟動(dòng)了，ROV技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用引起了不少國(guó)家的重視[5]。 圖 11 Video Ray PRO 3E Video Ray PRO 3和Video Ray PRO 4系列水下機(jī)器人是由美國(guó)Video Ray公司設(shè)計(jì)開發(fā)的。它們主要應(yīng)用的領(lǐng)域?yàn)楹Ｉ鲜推脚_(tái)、港口水庫(kù)檢測(cè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、教育科研等領(lǐng)域。其中，Video Ray PRO 3系列包括PRO 3 E，PRO 3 S，PRO 3 XE等總重量不同的潛水器。Video Ray PRO 4系列包括PRO 4 AQ 300MS，PRO 4 CD 300BASE，PRO 4 SAR 300BASE等潛深300m在安檢和打撈等方面應(yīng)用的小型ROV。Video Ray PRO 3 E（圖1-1）最大潛深為152m[6]。 圖 12 江豚 目前國(guó)內(nèi)小型ROV有天津深之藍(lán)海洋設(shè)備科技有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的小型纜控水下觀測(cè)機(jī)器人——“江豚”（圖1-2），天津斯卡特科技有限公司設(shè)計(jì)研發(fā)的MINI 75C和MINI 150C，以及上海交通大學(xué)應(yīng)用于核工業(yè)無損檢測(cè)的ROV。 “江豚”的尺寸為長(zhǎng)330mm，寬202mm，高175mm，該小型纜控水下觀測(cè)機(jī)器人由甲板監(jiān)控單元和利用電纜聯(lián)系的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成。水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)靈活的水下的空間控制，并且可以獲得較高質(zhì)量的圖像和視頻?！敖唷笨梢詫?shí)現(xiàn)快速2πrad/s旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，精確前進(jìn)方向的保持和工作位置的懸停運(yùn)動(dòng)等。“江豚”主要應(yīng)用于河道、港灣、湖泊、海水等水下目標(biāo)搜撿，以及水產(chǎn)行業(yè)、大壩保護(hù)、港口安全和船舶日常維護(hù)等領(lǐng)域[7]。 圖 13 MINI 75C 圖 14 MINI 150C MINI 75C ROV（圖1-3）外包裝是器材箱的形式，主要包括水下ROV本體、用戶操作平臺(tái)、多種線纜和其他必要的工具等，重量是38kg。內(nèi)置云臺(tái)，俯仰140度。MINI 75C ROV（圖1-4）最大潛深76m，航行速度1m/s（2節(jié)）。MINI 150C ROV與75C的不同之處在于水平推進(jìn)器和垂直推進(jìn)器的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)，航行速度為1.5m/s（3節(jié)）。 圖 15 核工業(yè)無損檢測(cè)ROV 上海交大研究過一種核工業(yè)檢測(cè)的ROV（圖1-5），可以潛航50m深，長(zhǎng)寬高分別為500mm、500mm和480mm，前進(jìn)的速度為0.5節(jié)[8]。 經(jīng)過上面的介紹，我們可以看出ROV水下機(jī)器人技術(shù)一直在不斷的發(fā)展。國(guó)外的研究和商業(yè)化的成果較多，國(guó)內(nèi)這些年相關(guān)技術(shù)也在蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)階段，對(duì)于具體的工程應(yīng)用，仍然亟待進(jìn)一步的研究。 1.4 本論文完成的主要工作 本論文主要針對(duì)于捕捉海星這一實(shí)際的工程應(yīng)用情景，希望通過設(shè)計(jì)新型的ROV結(jié)構(gòu)來代替人力高效完成相關(guān)的工作。從全篇來看，主要把文章分成了下面3個(gè)大方面的內(nèi)容： （1）ROV系統(tǒng)的系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)：通過對(duì)于海星生活環(huán)境的分析，得出ROV的工作環(huán)境要求，進(jìn)行了ROV總體的設(shè)計(jì)構(gòu)思，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的自由度完成了相關(guān)的分析；完成主要的浮體、框架、耐壓殼、傳動(dòng)系統(tǒng)、靜密封和動(dòng)密封的設(shè)計(jì)。 （2）ROV搭載捕捉海星機(jī)械手設(shè)計(jì)：通過捕捉海星需求的功能分析，基于四連桿和五連桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用matlab進(jìn)行優(yōu)化，用 ADAMS進(jìn)行軌跡的仿真分析。 （3）ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計(jì)：包括推機(jī)器需要的負(fù)載計(jì)算；重力與浮力的計(jì)算；耐壓殼體的Simulation分析；重點(diǎn)進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)軸和齒輪的校核工作。 47 2 ROV的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2.1 ROV設(shè)計(jì)構(gòu)思 考慮到捕捉海星，ROV需要通過攝像頭傳感器對(duì)于海星的位置進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量，并通過線纜實(shí)時(shí)地傳到測(cè)量平臺(tái)上，并進(jìn)行捕捉動(dòng)作的操縱。另外，為了能夠在水下穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，把ROV整體設(shè)計(jì)成為一個(gè)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，需要加載捕捉海星的籠子，因此ROV整體可以設(shè)計(jì)成框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計(jì)成對(duì)稱的布置。除此之外，還有很多如下的技術(shù)指標(biāo)要求： （1）尺寸重量限制：為了2個(gè)人能夠輕松地進(jìn)行放置，ROV的重力G＜60kgf（1kgf=9.8N）；其在水中的最小負(fù)荷為5kg（海星的重量）；其尺寸長(zhǎng)×寬×高＜1000×700×500（單位為mm）[9]。 （2）環(huán)境條件：海水的平均流速為0.5m/s；海水的透光度設(shè)定為2.5m；海水的溫度為5-25℃，ROV的潛水深度小于40m；其著陸的地質(zhì)為沙灘、海泥、海底礁石（海星平常的生活環(huán)境）；潛在的障礙有海藻、丟棄的漁網(wǎng)、海底巖石等； （3）運(yùn)動(dòng)要求：需要在空間運(yùn)動(dòng)上實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度；ROV前進(jìn)的速度要大于1m/s（2節(jié)，1節(jié)≈0.5m/s）；可以進(jìn)行懸停運(yùn)動(dòng)；在潛航器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后10秒內(nèi)完成捕獲；可以對(duì)各種各樣的海星進(jìn)行捕捉。 （4）能量：動(dòng)力源除了外部電纜外，內(nèi)置12/24V的交直流蓄電池；線纜長(zhǎng)度預(yù)設(shè)為200m，線纜電源為220V交流電，配置5000VA的穩(wěn)壓器。 （5）其他：能夠承受5bar的壓力（每10米水約等于1個(gè)大氣壓）；產(chǎn)生的噪音盡量小于140dB（不會(huì)對(duì)其他水下生物造成影響）；內(nèi)置攝像頭、距離、GPS、重量、速度、加速度等傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)測(cè)量與傳輸。 通過上面5個(gè)方面，得到ROV的設(shè)計(jì)要求表： 表 21 設(shè)計(jì)要求說明 設(shè)計(jì)要求說明 項(xiàng)目 目錄 模型 尺寸限制：長(zhǎng)×寬×高＜1000mm×700mm×500mm 表 2-1 設(shè)計(jì)要求說明 （續(xù)） 重量 1、重力：G＜60kgf（1kgf=9.8N）（2個(gè)人可以輕松放置） 2、水中的最小負(fù)荷：5kg（海星重量） 工作條件 1、 海流速度：0.5m/s（海水的平均流速） 2、 海水的透光度：2.5m（每月海水透光度最小值的平均值） 3、 潛水深度：＜40m 4、 著陸地質(zhì)：沙灘、海泥、海底礁石（海星平常的生活環(huán)境） 5、 潛在障礙：海藻、丟棄的漁網(wǎng)、巖石 6、 海水溫度：5-25℃ 運(yùn)動(dòng)要求 1、 自由度（DOFS）：6自由度 2、 推進(jìn)速度：＞1m/s（2節(jié)，1節(jié)=(1852/3600)m/s≈0.5m/s） 3、 懸停運(yùn)動(dòng)：捕捉海星作業(yè)的主要運(yùn)動(dòng) 4、 捕捉速度：在潛航器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后10秒內(nèi)捕獲 5、 捕捉目標(biāo)：各種各樣的海星 能量 1、 動(dòng)力源和傳送：外部線纜，內(nèi)置12/24V交直流蓄電池 2、 線纜長(zhǎng)度：150m 3、 電源：220V AC，5000VA穩(wěn)壓器 傳感器等裝置 1、 視覺系統(tǒng)：機(jī)器人攝像頭 2、 照明系統(tǒng)：前進(jìn)時(shí)照亮距離≥1m 3、 傳感器：距離、GPS、重量、速度加速度傳感器等 信號(hào)傳遞 通過線纜進(jìn)行傳遞，從船上收發(fā)指令后自動(dòng)進(jìn)行工作 耐久力 1、 能夠承受5bar的壓力（每10米水約等于1個(gè)大氣壓） 2、 能夠克服上述的潛在航行障礙 2.2 ROV總體設(shè)計(jì) 2.2.1 形狀設(shè)計(jì)和自由度分析 圖 21 ROV自由度分析 捕捉海星的籠子較大，為了與其配合，把ROV設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體封閉式[10]的框架結(jié)構(gòu)，使用4個(gè)推進(jìn)器，其位于長(zhǎng)方體的4個(gè)角上，并處于一個(gè)水平面內(nèi)。浮體位于框架的上下兩側(cè)，潛航器最下面裝載機(jī)械手和籠子。推機(jī)器螺旋槳的轉(zhuǎn)向可以通過控制臺(tái)來進(jìn)行控制，那么如果推進(jìn)器兩兩組合，同時(shí)整體轉(zhuǎn)向，就可以實(shí)現(xiàn)ROV在水下空間六自由度的運(yùn)動(dòng)。 為了驗(yàn)證此方案在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中是可行的，通過簡(jiǎn)單的示意圖來分析它能夠完成的自由度，如圖2-1。 通過對(duì)于上面6個(gè)過程的分析，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)器這樣布置和運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)ROV的前進(jìn)后退、上浮下潛、橫移、航向、俯仰和橫滾，即ROV在水下能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉海星和潛航所需運(yùn)動(dòng)自由度要求。 2.2.2 浮體的設(shè)計(jì) 浮體的最大作用就是為ROV提供足夠的浮力，采用PP高分子聚丙烯材料，并且其應(yīng)該與ROV的框架固定安裝。根據(jù)正方形的框架結(jié)構(gòu)，浮體的形狀也設(shè)計(jì)成正方形的結(jié)構(gòu)。為了減小運(yùn)動(dòng)的阻力，其前后端做成流線型的結(jié)構(gòu)。 圖 22 浮體 如圖2-2所示，浮體的四邊需要設(shè)定4個(gè)長(zhǎng)方形槽，為了方便ROV的電源線插入框架進(jìn)行連接。兩端部分應(yīng)該留出攝像頭與ROV線纜連接口。中間部分設(shè)置一個(gè)圓環(huán)，可以通過圓環(huán)來連接起吊裝置或者裝載機(jī)械手和籠子等。另外，需要在浮體上設(shè)置必要的連接孔，以方便其固定在框架結(jié)構(gòu)上。 2.2.3 框架的設(shè)計(jì) 框架是ROV的主體結(jié)構(gòu)，對(duì)于它來說，需求的功能有：與浮體相連接；裝載蓄電池、傳動(dòng)系統(tǒng)、傳感器等裝置；是靜密封的主要對(duì)象；封閉后提供ROV需要的大部分浮力；決定密封殼體的形狀。ROV的框架一般分為密封式和開架式，因?yàn)橐獌?nèi)置蓄電池、傳動(dòng)系統(tǒng)，我們采用密封式的結(jié)構(gòu)。 整個(gè)框架設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體類型，基本上下左右成對(duì)稱分布；連接支撐推進(jìn)器的45度方向設(shè)置支撐；除蓄電池座外，呈中空設(shè)計(jì)，以方便傳動(dòng)系統(tǒng)的布置；設(shè)置上下位置的環(huán)形靜密封槽口，利用O型墊圈密封；前后留出攝像頭和線纜接頭的空間，具體如下圖2-3所示： 圖 23 框架 考慮為了減輕整體ROV的重量，并且具備抗沖擊、抗腐蝕、易成型等特點(diǎn)，因此框架的材料采用不銹鋼。 2.2.4 耐壓殼的設(shè)計(jì) 為了保證水下機(jī)器人在水下不會(huì)滲入海水，或者遭受海水的腐蝕，我們需要用耐壓殼體來對(duì)水下機(jī)器人與海水接觸的部分進(jìn)行一定程度的密封工作，以保證在機(jī)器人內(nèi)部的相關(guān)傳動(dòng)系統(tǒng)等電力自動(dòng)化設(shè)備不會(huì)受到海水的威脅。另外，耐壓殼體通過對(duì)整個(gè)密封艙的密封，能夠提供給ROV大部分的浮力，有利于ROV的本體設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。故對(duì)于耐壓殼體的物理性能有較高的要求，而且需要進(jìn)行有效的密封。 常用的ROV耐壓殼體的形式有球形和圓筒形。但是除此之外，根據(jù)具體的工程應(yīng)用環(huán)境和對(duì)ROV具體要求，還能夠采用例如方形和長(zhǎng)方形形狀的殼體[11]。 對(duì)于耐壓殼體來說，另一個(gè)需要考慮的因素就是材料。根據(jù)水下機(jī)器人工作條件的不同，耐壓殼體實(shí)用的材料也會(huì)有差異?？傮w來說，殼體的材料分為金屬和非金屬兩類，為了能夠保證機(jī)器人水下作業(yè)的良好性能，需要對(duì)材料的物理性能作周密的考慮。材料本身需要抗海水的化學(xué)或者電化學(xué)腐蝕，還需考慮材料的低周疲勞、張力強(qiáng)度、蠕變、可成型性、成本和是否易獲得等等因素。 本次設(shè)計(jì)的耐壓殼需要進(jìn)行捕捉海星的工作，與框架相配合，采用整體方形的機(jī)構(gòu)（如圖2-4），這種結(jié)構(gòu)非常適合淺水作業(yè)級(jí)別的潛水器。對(duì)于殼體的材料，采用PPE工程塑料制作，它的彈性模量為2300MP，質(zhì)量密度為1060kg/mm2，張力強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為500MP，熱導(dǎo)率為0.22W/（m·K），適合水下的抗水壓要求。為了驗(yàn)證強(qiáng)度等安全性圖 24耐壓殼 能，在后續(xù)章節(jié)中通過Simulation進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，在此不再贅述。 2.2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為了完成ROV對(duì)于自由度的要求，平面分布的四個(gè)推進(jìn)器需要完成整體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且前端兩個(gè)推進(jìn)器應(yīng)該同時(shí)整體轉(zhuǎn)向，后端兩個(gè)推進(jìn)器也要同時(shí)完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。通過分析可知，ROV的運(yùn)動(dòng)時(shí)方向的改變是比較頻繁的，因此整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)也需要頻繁改變傳動(dòng)方向。 圖 25 傳動(dòng)系統(tǒng) 據(jù)此，選擇了錐齒輪的主要傳動(dòng)形式，通過大錐齒輪軸與萬向聯(lián)軸器的聯(lián)接，把動(dòng)力傳遞給推進(jìn)器的連接桿，帶動(dòng)前端或者后端兩個(gè)推進(jìn)器同時(shí)運(yùn)動(dòng)。為了保證ROV在水中的穩(wěn)定性，傳動(dòng)系統(tǒng)也被設(shè)計(jì)成前后對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，具體形式如圖2-5所示： 由于傳動(dòng)系統(tǒng)呈對(duì)稱分布，因此下面就圓圈內(nèi)的結(jié)構(gòu)做以下分析，參考圖2-6： ⑧ ⑦ ⑥ ⑤ ④ ③ ② ① ⑨ 圖 26 傳動(dòng)系統(tǒng)放大圖 （1）主要功能：通過圖中我們可以清晰的看出，由錐齒輪軸和大錐齒輪、以及萬象聯(lián)軸器組成的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)連接著左邊上下兩個(gè)推進(jìn)器，而另一邊也是相同的；當(dāng)動(dòng)作需要推進(jìn)器完成整體旋轉(zhuǎn)式，傳動(dòng)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)兩兩的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖2-1的分析，通過調(diào)整推進(jìn)器的推進(jìn)方向，ROV在水下就能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉海星和潛航所需運(yùn)動(dòng)自由度要求。 （2）主要結(jié)構(gòu)： 首先介紹一下傳動(dòng)系統(tǒng)的幾個(gè)組成部分，分別是①蓄電池，②行星輪減速無刷直流電機(jī)，③梅花形夾緊聯(lián)軸器，④錐齒輪軸，⑤大錐齒輪，⑥萬向聯(lián)軸器，⑦傳動(dòng)軸2，⑧傳動(dòng)軸3，⑨推進(jìn)器連接桿。 傳動(dòng)系統(tǒng)的起始端是直流無刷電機(jī)，電機(jī)支座作為支撐，通過專用的驅(qū)動(dòng)器控制，從機(jī)載蓄電池獲取能源；電機(jī)通過梅花形夾緊聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，齒輪軸把動(dòng)力通過大錐齒輪傳遞給兩個(gè)萬向聯(lián)軸器；然后通過推進(jìn)器連接桿輸出轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)。 2.2.6 密封的設(shè)計(jì) 在ROV水下捕捉海星機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，需要考慮密封的主要部位是框架與殼體、推進(jìn)器的密封座與耐壓殼體、以及推進(jìn)器密封座與轉(zhuǎn)軸之間。前兩個(gè)密封是靜密封，后者屬于動(dòng)密封。 對(duì)于耐壓殼體與框架之間、推進(jìn)器密封座與耐壓殼體之間密封，可以通過O型圈進(jìn)行密封。其中，耐壓殼體與框架的密封，通過在框架上下兩側(cè)開槽，進(jìn)行密封，可以參考圖2-3；推進(jìn)器密封座與耐壓殼體之間的密封，如下圖2-7所示。 ① ② ③ ④ 圖 27 動(dòng)密封示意圖 對(duì)于水下機(jī)器人的動(dòng)密封，有很多種方法：①O型圈密封。容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，另外，很難做到零泄漏，只能控制泄漏量處于一定的范圍之內(nèi)。②O型圈與聚四氟乙烯滑環(huán)的組合密封。③機(jī)械密封。應(yīng)用也比較廣泛，而且適用于各種工況條件。④磁流體密封。能自潤(rùn)滑，有自密封性和高傳續(xù)效率，但是成本較高[12]。 其中①為耐壓殼體，②為轉(zhuǎn)軸，③為聚四氟乙烯滑環(huán)，④為O型密封圈。 因?yàn)檎麄€(gè)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)需要的轉(zhuǎn)速并不是很高，并且下潛的深度并不深，選用O型圈與聚四氟乙烯滑環(huán)的組合密封是較合適的。 2.3 本章小結(jié) 本章節(jié)，通過對(duì)捕捉海星這一工程應(yīng)用的分析，制訂了ROV總體的設(shè)計(jì)構(gòu)思，對(duì)于水下潛航器工作的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。從形狀、自由度、浮體、框架、耐壓殼、傳動(dòng)系統(tǒng)和密封等角度對(duì)于ROV總體進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)于其初步的結(jié)構(gòu)有了比較明確的定義，這為后續(xù)的捕獲裝置的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 3 ROV捕獲裝置的設(shè)計(jì) 3.1 基于四連桿單驅(qū)動(dòng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu) 水下如果要高效地進(jìn)行海星的捕撈工作，就不能夠僅僅局限于單個(gè)海星的逐一抓捕，由于海星的生存也是呈小群落式的分布，因此我們可以利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的曲線來完成海星的抓捕工作。對(duì)于曲柄連桿結(jié)構(gòu)來說，四連桿機(jī)構(gòu)的研究是比較多的。 圖 31 四連桿模型 通過資料的整理[15]可以發(fā)現(xiàn)，如下的月牙形軌跡的單驅(qū)動(dòng)的四連桿可以輕松完成海星的抓捕工作，如圖3-1所示的機(jī)構(gòu)模型： 其中考慮到籠子尺寸和ROV本體機(jī)構(gòu)的尺寸，各連桿的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=80mm，L2=108mm，L3=104mm，L4=247.5mm，L5=101mm，其中彈簧的作用是為了當(dāng)L5與地面海泥接觸后，進(jìn)行一定的緩沖作用，可以減小阻力。在Solidworks中建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的模型，并與框架籠子進(jìn)行裝配，再保存成為Parasolid.x_t格式的文件，導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)分析，驗(yàn)證是否可以完成捕獲的工作。 圖 32 ADAMS四連桿運(yùn)動(dòng)軌跡分析 通過Adams的軌跡運(yùn)動(dòng)仿真，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)曲線是可以完成我們捕捉海星的任務(wù)的，并且曲線的水平跨度和深度跨度在合理的范圍之內(nèi)。但是四連桿的缺點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：①不能夠進(jìn)行靈活的軌跡規(guī)劃，驅(qū)動(dòng)和桿長(zhǎng)給定后，運(yùn)動(dòng)軌跡就一定了；②不能夠靈活適應(yīng)其他工況下的變化要求，急回特性非常明顯。③僅僅只有一個(gè)自由度。相對(duì)而言，五連桿的靈活性更大，不僅是桿長(zhǎng)，初相位角，雙驅(qū)動(dòng)角速度等都能夠影響五連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且五連桿是具有兩個(gè)自由度的多自由度機(jī)構(gòu)，完成運(yùn)動(dòng)的可能性較四連桿大很多。因此本論文從另一個(gè)角度探索了利用五連桿進(jìn)行軌跡規(guī)劃完成捕捉海星動(dòng)作的可行性。 3.2 基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （一）五桿機(jī)構(gòu)分類圖 33 五連桿主要結(jié)構(gòu) 本文中，將五連桿應(yīng)用與海星捕捉的應(yīng)用中，也是尚屬首次。其中如圖3-3所示為平面兩自由度五桿機(jī)構(gòu)的幾種主要的結(jié)構(gòu)[13]。我們選擇比較簡(jiǎn)單的鉸鏈五連桿作為我們研究的主要對(duì)象。 （二）五桿機(jī)構(gòu)雙曲柄存在的必要條件 對(duì)于五連桿來說，雙曲柄存在條件非常嚴(yán)格，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)極大限制其運(yùn)動(dòng)。為了配合運(yùn)動(dòng)輸入，夏定玲等人[14]研究總結(jié)了五桿雙曲柄存在的必要條件。所謂的必要條件就是指兩原動(dòng)件按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作整周運(yùn)動(dòng)時(shí)，五桿機(jī)構(gòu)在任一時(shí)刻都滿足裝配條件。 首先我們利用CAD做出五連桿的二維模型，并進(jìn)行數(shù)學(xué)解析的分析。通過三角形基本的三角形原理可以得出雙曲柄存在的必要條件。 圖 34五連桿雙曲柄存在必要條件 由圖3-4可以分析出B點(diǎn)和D點(diǎn)的坐標(biāo)： 其中，，則AB與DE兩原動(dòng)件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)史，BD之間的距離為： 即在任意時(shí)刻需要，兩個(gè)式子成立。 3.3 五桿捕捉海星軌跡規(guī)劃 3.3.1 軌跡規(guī)劃思路 五連桿的軌跡規(guī)劃問題，可以總結(jié)歸述為一個(gè)數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，這個(gè)優(yōu)化問題是基于五連桿本身的解析模型和各種線性或者非線性的約束條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。 優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimal Design）是一種設(shè)計(jì)的方法，它由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件這三個(gè)部分構(gòu)成。 （一） 設(shè)計(jì)變量 為了表示方便和簡(jiǎn)化計(jì)算，我們可以用向量來表示設(shè)計(jì)問題中的變量。有n個(gè)變量，就設(shè)置其為n維列向量。 其中，表示第個(gè)變量。在確定的值后，向量就表示一個(gè)完整的設(shè)計(jì)方案。 （二） 目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)一般將其表示為： （三） 約束條件 通過對(duì)特性不同點(diǎn)的分析，把約束分類： （1）邊界類型的約束：設(shè)計(jì)變量在已給的環(huán)境條件下，產(chǎn)生的上限和下限，如連桿的長(zhǎng)度、相位角的變化范圍，這些都是可以通過對(duì)已知條件的分析得到。 （2）依據(jù)某種要求得出的約束，如五桿機(jī)構(gòu)中，有可動(dòng)性的約束條件，有雙曲柄對(duì)于桿長(zhǎng)相位的約束條件；這些約束，通?？梢詫?dǎo)出和設(shè)計(jì)變量相關(guān)的函數(shù)，用其表示這類約束。 約束條件有不同的表示形式： （1）不等式約束： （2）等式約束： 通過上述的介紹，將數(shù)學(xué)模型用數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]表示為： 捕捉海星的實(shí)際應(yīng)用中，我們需要的就是連桿的末端點(diǎn)，沿著近似月牙形狀的軌跡運(yùn)動(dòng)，達(dá)到捕捉海星的目的。其末端點(diǎn)的解析式可以通過五連桿的數(shù)學(xué)模型解析中通過設(shè)計(jì)變量表示出來，利用上節(jié)中四連桿的給出的軌跡，擬合末端實(shí)際軌跡與給定軌跡。 3.3.2 五桿機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型 圖 35 五連桿數(shù)學(xué)模型 如圖3-5所示，五連桿的末端點(diǎn)P需要經(jīng)過我們?cè)O(shè)定的月牙形曲線，這是一個(gè)函數(shù)的優(yōu)化問題。 需要求出點(diǎn)P沿著我們?cè)O(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，所需要的各個(gè)桿長(zhǎng)的長(zhǎng)度和初始的相位角，就要建立點(diǎn)P軌跡上的坐標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。以點(diǎn)A位原點(diǎn)可以建立全局化坐標(biāo)系XAY，可以簡(jiǎn)化通過點(diǎn)B求出點(diǎn)P的坐標(biāo)，以點(diǎn)B位原點(diǎn)可以建立局部化坐標(biāo)系X`BY`。 （1）五桿末端點(diǎn)P的分析 要求點(diǎn)P的坐標(biāo)，首先應(yīng)該求出點(diǎn)C的數(shù)學(xué)表示，然后利用角度聯(lián)系求出點(diǎn)P的坐標(biāo)。設(shè)點(diǎn)C在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為x,y，點(diǎn)B在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為，點(diǎn)D在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為。對(duì)于點(diǎn)C來說既是以點(diǎn)B為圓心，L2為半徑的圓，又是以點(diǎn)D為圓心，L3為半徑的圓，可以得出下列的方程組求出點(diǎn)C在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)x,y。 通過解方程（5-1），并化簡(jiǎn)得： 式中 ， ， 假設(shè)曲柄的輸入運(yùn)動(dòng)為勻速，其中，式子中，為初始相位角，，分別是桿1和桿4的轉(zhuǎn)速，t是時(shí)間。 方程（5-2）的解為： 點(diǎn)C的在X`BY`坐標(biāo)系下的具體坐標(biāo)是： 帶入到以A點(diǎn)的全局坐標(biāo)系下，點(diǎn)C的坐標(biāo)為： 根據(jù)下面兩個(gè)式子，可以分析出點(diǎn)C的局部坐標(biāo)與和之間的關(guān)系： 進(jìn)而得出點(diǎn)P在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為： （2）月牙形軌跡的數(shù)學(xué)解析 點(diǎn)P所需要經(jīng)過的月牙形的軌跡要與五連桿的桿長(zhǎng)等變量聯(lián)系起來，分析可知，把軌跡看成關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)，因?yàn)槲鍡U機(jī)構(gòu)的初相位和時(shí)間是有連續(xù)關(guān)系的。但是，由于軌跡并不是規(guī)則的形狀，無法給定明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式。那么可將軌跡看成與時(shí)間t對(duì)應(yīng)的關(guān)于點(diǎn)P的選取的離散點(diǎn)形成的軌跡，能夠很大程度地簡(jiǎn)化問題。 （3）評(píng)價(jià)函數(shù)和變量的確定 根據(jù)上節(jié)中提到的點(diǎn)P與選定月牙形軌跡點(diǎn)間的偏差平均值最小原則，設(shè)置下面的評(píng)價(jià)函數(shù)[17]： 其中的N為優(yōu)化設(shè)計(jì)中所取的點(diǎn)數(shù)，即月牙形軌跡中所取得與時(shí)間t對(duì)應(yīng)的軌跡點(diǎn)的個(gè)數(shù)，而為第i個(gè)所取點(diǎn)的橫坐標(biāo)，而為第i個(gè)所取點(diǎn)的縱坐標(biāo)。和均是，，，，，，，設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，所以設(shè)計(jì)變量設(shè)置為： （4）約束條件的確定 1、邊界約束：首先根據(jù)設(shè)計(jì)的ROV結(jié)構(gòu)限制，每一個(gè)桿長(zhǎng)都會(huì)有一個(gè)上下限長(zhǎng)度的大致約束，即：。 2、機(jī)構(gòu)要滿足滿足必要條件，才能是雙曲柄形式的五連桿： 綜上所述，捕捉海星的五連桿軌跡優(yōu)化問題的約束條件都是不等式約束，包括線性和非線性，如下： 3.3.3 優(yōu)化工具箱MATLAB 通過上述的分析，問題的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量和約束條件已經(jīng)清晰，計(jì)算編程軟件的出現(xiàn)可以較大程度地提高我們計(jì)算的效率。MATLAB優(yōu)化工具箱（Optimization Tool）就是其中的一種。它其中包含了很多評(píng)價(jià)函數(shù)，可以求解無約束條件非線性極小值，約束條件下非線性極小值（包括目標(biāo)逼近問題、極大極小值問題、半無限極小值問題），二次規(guī)劃和線性規(guī)劃問題，非線性最小二乘逼近和曲線擬合，非線性系統(tǒng)的方程 [16]。 通過上述問題的分析，可以通過matlab中的fmincon函數(shù)，來進(jìn)行我們此次軌跡的非線性規(guī)劃，它是約束極小值函數(shù)。 其中，x，b，beq，lb，ub是向量，A，Aeq為矩陣，C(x)，Ceq(x)是返回向量的函數(shù)，函數(shù)f(x)，C(x)，Ceq(x)可以是非線性函數(shù)。 它的格式如下： 其中，x是返回目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果； fval是優(yōu)化結(jié)果處的目標(biāo)函數(shù)的值； exitflag是返回算法的終止標(biāo)志； output是輸出優(yōu)化信息； lambda表示Lagrange乘子，它體現(xiàn)哪一個(gè)約束有效； grad表示目標(biāo)函數(shù)在x處的梯度； hessian表示目標(biāo)函數(shù)在x出的Hesslab值； myfun是含有設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)； x0為初始值； A、b滿足不等式約束，若沒有不等式約束，則取A=[]，b=[]； Aeq、beq滿足等式約束，若沒有，則取Aeq=[]，beq=[]； lb、ub是變量的上下邊界，若無，可設(shè)lb=[]，ub=[]； nonlcon的作用是通過接受向量x來計(jì)算非線性不等式約束C(x)和等式約束Ceq(x)分別在x處估計(jì)C和Ceq，通過指定函數(shù)柄來使用。如下式： 通過編制mycon的M文件來建立非線性約束函數(shù)。 P1，P2是傳遞給fun的附加參數(shù)。 3.3.4 軌跡設(shè)計(jì)過程 首先，根據(jù)四連桿得出的軌跡圖形，我們利用ADAMS軟件形成平面的數(shù)據(jù)圖像，以便于我們對(duì)軌跡進(jìn)行特征點(diǎn)的選取。以五連桿數(shù)學(xué)模型中的A點(diǎn)為原點(diǎn)，可以通過ADMAS形成的軌跡數(shù)據(jù)圖，來進(jìn)行特征點(diǎn)的選取。 為了方便計(jì)算和仿真，我們?cè)陉P(guān)鍵的具有決定意義的拐點(diǎn)處選取多個(gè)特征點(diǎn)，盡量完全擬合所需要的月牙形曲線。曲線選擇了四連桿完成的月牙形狀，因?yàn)榭梢酝ㄟ^上一步導(dǎo)出四桿的具體數(shù)據(jù)圖，進(jìn)行五桿軌跡規(guī)劃時(shí)，我們以此為參考軌跡比較方便。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑧ ⑥ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 圖 36 ADAMS四連桿軌跡數(shù)據(jù) 可以通過四桿的具體位置測(cè)出軌跡的相對(duì)位置，取如圖3-6所示的8個(gè)特征點(diǎn)，參考下表3-1： 表 31 特征點(diǎn)說明 編號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 X 250 150 0 -100 0 150 250 375 Y -150 -250 -300 -275 -350 -375 -350 -200 根據(jù)軌跡分布的范圍和ROV潛航器的結(jié)構(gòu)，我們可以大致確定桿長(zhǎng)的范圍： ，，， ， 設(shè)曲柄的角速度，兩曲柄的轉(zhuǎn)速比i=1，其中。打開MATLAB的Optimization Tool優(yōu)化工具箱，編寫myfun目標(biāo)函數(shù)及約束mycon的M文件，分別用@myfun和@mycon帶入GUI面板中的Objective function選項(xiàng)中及Nonlinear constraint function中，進(jìn)行相關(guān)變量的優(yōu)化。 變量較少時(shí)，matlab的工作速度是較快的，但是當(dāng)變量較多時(shí)，matlab的算法迭代的次數(shù)也會(huì)影響其正常的運(yùn)行速度，我們可以通過GUI右側(cè)的面板來控制迭代精度，以便更好地得出我們的結(jié)論。 算法欄主要有以下幾種：①Interior point內(nèi)點(diǎn)法：適應(yīng)于線性規(guī)劃；②SQP：序列二次規(guī)劃法；③Active set有效集法：適應(yīng)于一般性的非線性優(yōu)化問題；④Trust region reflective置信域映射法：適應(yīng)于帶上界和下界的等式約束條件問題。這里我們可以嘗試序列二次規(guī)劃和有效集法。 設(shè)置起始點(diǎn)Start point和上下邊界Bounds。這里我們?cè)O(shè)置起始變量的值為： 運(yùn)行迭代后，最終各個(gè)變量的結(jié)果是： 完成MATLAB優(yōu)化過程。 3.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 根據(jù)MATLAB優(yōu)化的結(jié)果，依據(jù)實(shí)際情況確定各個(gè)桿長(zhǎng)和初始相位角的取值。 ，，， ，，， 圖 37 ADAMS五連桿軌跡運(yùn)動(dòng)仿真 用Solidworks進(jìn)行建模并約束，導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行軌跡的運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過控制時(shí)間和步長(zhǎng)，并設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)來追蹤機(jī)械手軌跡。 通過圖3-7，可以發(fā)現(xiàn)曲線并不是完全類似四連桿的月牙形，而是有交點(diǎn)的的曲線，且上下和前后的跨度更大。五連桿是可以完成捕捉海星任務(wù)的。通過下圖的軌跡曲線可以和四桿的曲線進(jìn)行對(duì)比。 為了更加方便地分析五連桿完成同樣任務(wù)的特性和特征，通過ADAMS軟件，導(dǎo)出捕捉海星軌跡的數(shù)據(jù)分析圖，分析圖包括曲線的上限和下限，形狀和具體的平面軌跡數(shù)據(jù)。 導(dǎo)出圖的過程中，要注意實(shí)現(xiàn)在機(jī)械手上末端點(diǎn)，設(shè)置追蹤點(diǎn)。 從圖3-8我們可以看出，圖 38 ADAMS五連桿軌跡數(shù)據(jù) 捕捉海星的有效跨度最大甚至可以達(dá)到400mm，也就是說一次捕捉海星的數(shù)量較多，上下有效跨度達(dá)到175mm，雖然回程有交點(diǎn)，但是平滑度較高，而且五連桿可以通過靈活進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在具體的應(yīng)用中，五桿機(jī)構(gòu)可以在軌跡域內(nèi)規(guī)劃所需要的曲線，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)解析關(guān)系式，利用MATLAB軟件進(jìn)行反解求解，解析出軌跡點(diǎn)之間的相位角關(guān)系，通過控制電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)達(dá)到所需要的軌跡，當(dāng)然此時(shí)的電機(jī)可以不是恒轉(zhuǎn)速。 3.4 本章小結(jié) 在本章節(jié)中，從四連桿的角度出發(fā)，通過其圖譜曲線分析月牙形的軌跡可以完成捕捉海星的工程任務(wù)。通過建模和仿真，對(duì)于其功能進(jìn)行了比較明確的分析?？紤]到五連桿具有更加靈活的應(yīng)用性，以四連桿的軌跡曲線為基礎(chǔ)，通過matlab數(shù)值優(yōu)化，對(duì)于五連桿的軌跡設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定程度探索，并且比較了兩種實(shí)現(xiàn)捕捉海星方式的優(yōu)劣，這為以后的實(shí)際選擇和加工提供了比較好的參考。 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計(jì) 4.1 推進(jìn)器整體轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載計(jì)算 圖 41 圓柱繞流 根據(jù)流體力學(xué)，推進(jìn)器在水中整體改變方向的這個(gè)運(yùn)動(dòng)可以通過繞流阻力這個(gè)模型來進(jìn)行計(jì)算和估算，另外，運(yùn)動(dòng)過程中的啟動(dòng)力矩也是不可缺少的一部分。 我們計(jì)算的推進(jìn)器模型，最接近的就是圓柱繞流[17]這個(gè)模型。流體繞圓柱體流動(dòng)式，在圓柱體后半部，尾流的形態(tài)圖形主要取決于流動(dòng)雷諾數(shù) （1）當(dāng)時(shí)，稱為低雷諾數(shù)流動(dòng)，或成為蠕動(dòng)流。流體可以平順地繞過圓柱，幾乎無流動(dòng)分離。如圖4-1中的（a） （2）當(dāng)時(shí)，此時(shí)要產(chǎn)生流動(dòng)分離。當(dāng)時(shí)，圓柱后部出現(xiàn)一對(duì)駐渦，如圖4-1中的（b）；當(dāng)時(shí)，從圓柱后部交替釋放出渦旋且被帶向下游，這些渦旋排成兩列呈有規(guī)則的交錯(cuò)組合，稱為卡門渦街，如圖4-1中的（c）?？ㄩT渦街會(huì)引起物體的振動(dòng)，造成聲響。 （3）當(dāng)時(shí)，此時(shí)流體嚴(yán)重分離。當(dāng)時(shí)，邊界層甚至從圓柱的前端就開始分離，如圖4-1中的（d）。 （4）當(dāng)時(shí)，由于分離點(diǎn)前的層流邊界層變?yōu)橥牧鬟吔鐚?，使得分離點(diǎn)往后推移，從而分離區(qū)大大縮小，如圖4-1中的（e）。 繞流阻力的計(jì)算公式為： 其中，——物體受到的繞流阻力；——繞流阻力因數(shù)；——未受干擾時(shí)的來流速度；——流體的密度；——物體與來流垂直方向的影流投影面積。 軸 軸 圖 42推進(jìn)器模型簡(jiǎn)化 通過查表可知，海水的密度。 V海水A VA 圖 43推進(jìn)器模型分析 對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：如圖4-2。 從右側(cè)的視角看，可以簡(jiǎn)化為以下模型： （1）已知推進(jìn)器的速度為：，可以計(jì)算出推進(jìn)器頂端的最大線速度為。 （2）計(jì)算流動(dòng)雷諾數(shù)，其中未受干擾時(shí)的來流速度，數(shù)值相加，其中，可知。其中直徑，查表取海水的運(yùn)動(dòng)粘度（在15℃時(shí)），得出，查表得繞流阻力因數(shù)。 （3）在OA端，取dl微元，根據(jù)公式： 可得。可知，，計(jì)算如下： ；同理，我們可以推出另一個(gè)扭矩的數(shù)值，如下： ， dx 圖 44 簡(jiǎn)化圖 （4）在推進(jìn)器方向轉(zhuǎn)軸啟動(dòng)時(shí)，存在一個(gè)啟動(dòng)力矩，考慮最大負(fù)載時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行考慮。設(shè)置轉(zhuǎn)軸在極短的時(shí)間內(nèi)加速到勻速狀態(tài)，即考慮其有一個(gè)較大的加速度。 取，加速度。計(jì)算圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：取微圓盤，，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （5） 4.2 重力與浮力的計(jì)算 （一）浮力估算 整個(gè)浮力和框架整體看作一個(gè)長(zhǎng)方體后，再去掉明顯的非浮力部分，根據(jù)公式 可以進(jìn)行計(jì)算潛航器的浮力。 1、整體的體積 長(zhǎng)方體 2、四角去掉的體積 四角 3、上下四邊的長(zhǎng)方體 上下四邊 4、前后的長(zhǎng)筒 前后 5、總體積 總體積 6、總浮力 浮力 （二）重力估算 利用solidworks進(jìn)行材料的賦值，然后根據(jù)質(zhì)量屬性估算質(zhì)量?？傻蒙蠞摵狡鲉为?dú)重，重力。潛航器和機(jī)械手等共重，重力為 4.3 耐壓殼體的仿真分析 通過Solidworks中的Simulation對(duì)耐壓殼進(jìn)行仿真分析，以確定能否承受深度50m下的壓力環(huán)境。在Simulation首先賦予模型PPE工程塑料材料，并施加固定約束和表面上的分布力，分布力大小，得出應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，如下圖4-5。 圖 45 耐壓殼Simulation應(yīng)力分析 根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度為500MPa，最大的屈服力約為214MPa，最小的安全系。 4.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校核 4.4.6 齒輪的設(shè)計(jì)校核 圓錐齒輪有一對(duì)，轉(zhuǎn)速40rpm，轉(zhuǎn)矩21.4914，傳動(dòng)比1:2，該齒輪使用壽命5年，每年100個(gè)工作日。 1、 選定齒輪材料及齒數(shù) （1）齒輪材料：選用20CrMnTi，滲碳鋼，硬度60HRC。 （2）齒輪齒數(shù)： ，用錐齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式計(jì)算齒輪的分度圓直徑和有關(guān)參數(shù)，然后校核齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 直齒錐齒輪齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為： 下面確定其中相關(guān)參數(shù)。 （1） 初選載荷系數(shù)： （2） 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： （3） 齒寬系數(shù)： （4） 區(qū)域系數(shù)（α=20°） （5） 彈性影響系數(shù)： （6） 接觸疲勞壽命系數(shù)（長(zhǎng)期工作）： （7） 安全系數(shù)（估算直齒錐齒輪接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)，安全系數(shù)可以取1.0~1.4，當(dāng)齒輪精度高，計(jì)算載荷精確，設(shè)備不甚重要時(shí)，可以取較小值。）。 （8） 接觸疲勞強(qiáng)度極限： （9） 許用應(yīng)力： （10） 小齒輪分度圓直徑為 （11） 齒寬中點(diǎn)分度圓直徑為 （12） 齒寬中點(diǎn)圓周速度為 （13） 重新計(jì)算載荷系數(shù)K。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得 所以 （14） 校正直徑： （15） 小齒輪大端模數(shù)為 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 2、 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式為： 下面確定其中相關(guān)參數(shù)。 （1） 分錐角： （2） 當(dāng)量齒數(shù)： （3） 齒形系數(shù)： （4） 應(yīng)力校正系數(shù)： （4） 彎曲疲勞強(qiáng)度極限： （6） 彎曲疲勞應(yīng)力許用值： 安全系數(shù)?。ü浪銜r(shí)彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)可取1.25~2，對(duì)模式較小、精度較高及計(jì)算載荷較準(zhǔn)確時(shí)，可以取較小值。這里要求ROV長(zhǎng)期工作，所以其取值可以適當(dāng)偏大）。 （7） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度： 故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。 4.4.7 軸的強(qiáng)度校核 （一）軸1的校核 圖 46 軸1示意圖 1、按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算 可得軸的直徑，其中查表，P為軸傳遞的功率，n為軸的轉(zhuǎn)速，取傳遞效率。 ，，查表15-3得（20CrMnTi，滲碳） 。 2、按照彎扭和成強(qiáng)度計(jì)算軸的直徑 （1） 相關(guān)已知數(shù)據(jù)： 小齒輪受到的圓周力：。 小齒輪受到的徑向力：，方向指向圓心。 小齒輪受到的徑向力：，方向指向大端。 距離：，，扭矩。 圖 47 軸1的結(jié)構(gòu)及空間受力 （2） 繪制軸1的結(jié)構(gòu)及空間受力圖 分別計(jì)算并且繪出軸的垂直面（V）和水平面（H）的彎矩圖 （3） 繪制軸1垂直面的彎矩圖 垂直面上會(huì)有下式成立： 得出: 圖 48 軸1在垂直面上的剪力圖 軸1垂直面上的剪力圖： 軸1垂直面上的彎矩圖： 圖 49 軸1在垂直面上的彎矩圖 （4） 繪制軸1水平面的彎矩圖 水平面上會(huì)有下式成立： 得出: 圖 410 軸1在水平面上的剪力圖 軸1水平面上的剪力圖： 圖 411 軸1在水平面上彎矩圖 軸1水平面上的彎矩圖： （5） 繪制軸1彎矩疊加圖 b2Ft12+b2Fr12 圖 412 軸1的彎矩疊加圖 按照公式進(jìn)行水平和垂直方向上的彎矩疊加 圖 413 軸1的扭矩圖 （6） 繪制軸1的扭矩圖 （7） 繪制軸1的彎扭合成圖 根據(jù)公式，其中對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的軸，把扭剪應(yīng)力視為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，?。ㄒ?yàn)樵趶澗刈饔孟?，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力屬于對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力） b2Ft12+b2Fr12+T12 圖 414 軸1的彎扭合成圖 所以，合成圖如下： 所以我們根據(jù)公式可以對(duì)軸進(jìn)行最終校核 其中，根據(jù)材料20CrMnTi，。 所以，軸1的設(shè)計(jì)符合要求。 圖 415 軸2的示意圖 （二）軸2的校核 1、 按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的計(jì)算 可得軸的直徑，其中A0查表，P