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篇(1)

【關鍵詞】七功能機械手 水動力學 運動學 FOTRAN

【Abstract】Manipulator plays an essential and important role in ROV's operation， and almost covers the entire subsea exploration procedure. A numerical model of 7-functional manipulator is built based on D-H formula， and using Kane method analysis its dynamics to derive kinetic equation with external loads. Morison equation was also used on this manipulator's hydrodynamics， and drag coefficients were calculated by using Fluent software. The results were compared to calculations results using Matlab toolbox robots， and the comparison verified the accuracy of the dynamic model. The hydrodynamic forces of the seven function ROV manipulator were solved at last.

【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN

近些年來隨著海洋資源的開發和海洋科學研究的日益深入，水下機器人-機械手系統是水下作業的一個重要組成部分，除了用于水下的觀測勘察作業外，水下機器人-機械手還被用于完成采集樣本；水下設施的建造和維護；鋪設水下管道和維修等相對繁瑣的一些工作。然而由于水下環境復雜多變，ROV在航行和作業中必然會遇到各種各樣的情況，特別是在作業時要保證作業的準確性和作業時ROV不受損壞，它的動力學問題的研究將會使水下機器人-機械手系統的作業能力提高，為人類開發海洋資源提供更多的支持，因此這個領域的研究是非常重要的。

目前對水下機械手水動力學模型的研究采用的是理論和實驗的相結合的方法。McLain[1，2]等運用力矩傳感器測量、原理計算分析以及流動顯示這些方法綜合應用，對只有一個關節水下機器人機械手系統進行了水動力學的研究。Leabourne[3]以MacLain等人的成果為基礎，討論了有兩個自由度的機械手的水動力學建模問題。Tarn[4]等建立了配備有機械手的潛水器的動力學模型，并應用 Kane 法求解。該模型將外力其中包括水動力施加到了模型中。Shen[5]等使用了浸入邊界法數值求解納維-斯托克斯方程，計算在水中物體移動時所受的水動力。在國內主要有華中科技大學的肖治琥，徐國華[6]在流干擾下的水下機械手動力學模型分析，運用Lagrange方程和Morison公式對水下機械手的動力學的理論分析。王華[7]等應用切片理論的方法，研究了水下機械手的手指動力學特性，并應用Matlab軟件的Simulink模塊建立了仿真模型，研究了無水流影響的水下環境中的機械手手指的動力學特性。

1 動力學模型建立

1.1機械手參數

本文以美國Schilling公司的Orion7型七功能機械手為研究對象，該機械手結構由多關節串聯組成為6自由度串聯，機械手相關參數如表1所示[8]。

。

本文的連桿所在的坐標系位置都是在各個坐標系的坐標軸上。當連桿在坐標系的X軸正方向時，，此時的，，。同理當連桿在坐標系的Y軸正方向時，，此時的，，。當連桿在坐標系的Z軸正方向時，，此時的，，。

3.2Morison方程拖拽力系數計算

Morison方程中Cd、Cm均為實驗值，此系數依賴于雷諾數，物體表面粗糙度，KC數等。不過在設計中一般考慮危險性最大或者受力最大的情況。因此選擇受力最大時候的Cd數值作為本文的計算系數本文采用Fluent流體力學分析軟件計算該值[14]。

由于深水水溫較低，所以深水水的粘度值比常溫下的粘度值要大，因此選擇Pa?s=0.0015，流速選擇0.2m/s，如圖4示是主要的區域尺寸，長方形最左側豎直邊為水流的入口出，中間的截面是ROV七功能機械手大臂的截面形狀。在研究Cd數時本文選擇了橫截面的最大物體的幾何限度處作為來流的垂直受力面。這樣可以得到最大的Cd值，計算得知左右。

圖4 區域尺寸示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of regional dimension

4七功能機械手動力學解算

4.1動力學模型校核

為了驗證動力學模型的準確性，在不考慮水流的影響下，本文通過利用Matlab機器人工具箱與自編的Fortran程序結算的力矩曲線圖進行對比，本文選擇角度從初始位置移動到一下角度，，，，，。如圖5所示。

圖5 各關節驅動力矩變化曲線對比

Fig. 5 Comparisons of ankle drive torque curves

如圖5所示，用Matlab機器人工具箱與自編的Fortran程序結算的力矩曲線圖進行了對比，在數值和曲線趨勢上基本一致，從而驗證了模型的準確性，圖中關節1的驅動力矩較小這是因為關節1的布置和其他關節不同，只有它一個關節為左右擺動關節，所以它在沒有水流影響下不克服重力，所以數值較小；關節2、關節3和關節5需要克服機械手的自身重力所以力矩值較大；關節4和關節6主要作用是改變機械手姿勢用的是液壓馬達，所以力矩值較小，特別是關節6基本趨近于0。

4.2 水流影響下動力學研究

假定環境水流為定常流流速為0.1m/s，方向沿慣性坐標系X軸正方向。所得驅動力矩曲線如圖6所示。

圖6 各關節驅動力矩變化曲線（考慮海流）

Fig. 6 Comparisons of ankle drive torque curves （incorporates current）

從圖6中可以看出關節1和關節6的驅動力矩與無海流的驅動力矩相比較變化不大，這是因為水流的來流方向沿著X軸的正方向，產生的力矩主要是在Y軸的方向，所以關節1的驅動力矩影響較小，力矩基本不變；關節6的驅動力矩因為是沿著機械手末端手抓的軸向，所以只有手抓自身的旋轉會對其產生影響，水流的產生的附加力矩只會對坐標系6的X軸和Y軸產生力矩；關節2、關節3和關節5的驅動力矩變化較大，這是因為考慮了水流和自身運動的影響；關節4的驅動力矩變化也很大，這是因為關節4的轉動改變了手抓的空間位置，使其和之前的各個關節不出在一個平面內這樣關節4收到的力矩變大是因為手抓受到水流的沖擊在關節4的轉動方向上產生了附加力矩。

4結語

本文采用了理論分析和計算機仿真的方法，針對美國Schilling 公司的Orion7型號機械手，建立了深水ROV作業機械手的理論模型，計算結果表明機械手在深水中水流的影響下關節2、關節3和關節5的驅動力矩變化較大，在設計和施工作業中人們應當給予特殊考慮。

參考文獻：

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[4]Tarn T J， Shoults G A， Yang S P. A dynamic model of an underwater vehicle with a robotic manipulator using Kane’s method [M]. Underwater Robots. Springer US，1996：195-209.

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[6]肖治琥，徐國華.流干擾下的水下機械手動力學建模分析[J].中國機械工程，2011， 22（21）：2521-2526.

[7]王華，孟慶鑫，王立權.基于切片理論的水下靈巧手手指動力學分析[J].機器人，2007，29（2）：160-166.

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[14]曹雍，謝莉.風沙流中沙粒拖曳力系數研究[J].中國沙漠，2011，31（3）：593-596.

作者簡介：

尹漢軍（1973―），男，漢族，山東青島人，碩士研究生，高級工程師，1997年本科畢業于大連理工大學，2005年研究生畢業于天津大學，現就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事海洋工程結構設計與項目管理。

宋磊（1981― ），男，漢族，山東濟南人，博士研究生，講師，2013年畢業于哈爾濱工程大學船舶工程學院，現于哈爾濱工程大學船舶工程學院，主要研究方向：船舶與海洋工程仿真。

鐘朝廷（1981―），男，漢族，四川省內江市人，研究生，工程師，2007年畢業于哈爾濱工業大學機電工程學院，現就職于海洋石油工程股份有限公司，主要從事：海洋石油工程鋪管系統與水下生產系統設計。