深海探测机器人动臂的动态响应特性分析

张 超，朱 腾，徐京京

（枣庄科技职业学院，山东枣庄 277599）

0 引言

目前，海洋资源是各个国家最重要的开发对象之一，海洋内蕴含矿产[1-2]的种类和含量非常多，良好的探测技术对于国家的战略性发展方向有着重要的影响。海洋资源的探测与开发存在较大的难度，采用人工探测根本无法满足经济与社会的需要。为此，探测机器人成为海洋资源开发的重要技术手段[3-5]。在深海环境下，机械装备均受到严重的压力与波动力的影响，其受到的波形振动非常显著，若机械手臂的结构设计不合理，执行机构的定位偏差会非常大，极限载荷工作时容易损坏，使得探测效果达不到预期目标，因此，对深海探测机器人动臂的载荷响应分析是非常有必要的。

针对以上问题，本文提出一种海底探测机器人的动臂响应研究方法，以海洋流动的载荷效应为外部激振条件，分析动臂的摇摆特性，并对整体结构进行振动响应分析，在技术上弥补产业不足，有着良好的经济效益和社会效益。

1 深海波浪载荷分析

1.1 波浪理论

目前，主流的深海波浪载荷研究可分为两种：规则周期性载荷理论和不规则的随机载荷理论。在波浪周期载荷理论中，深海内的载荷可简化为具有特定幅值比例、周期长度和载荷方向的独立波形，随时间变化的规律具有固定的几类结构。在随机载荷理论中，海洋中的波动载荷具有不确定性，幅值比例、周期长度和载荷方向相互独立并满足概率理念。这两种理论均能够在特定的环境下满足工程求解精度，一般采用概率统计和频谱响应的研究方案，基于能量求解振动频率。随着近代数值技术[6-7]的发展，波浪理论所应用的环境更加具体。

针对深海探测机器人的结构特点和工作条件，本文采用微幅波理论对载荷进行量化和计算。微幅波主要用于度量海底内的谐响应载荷[8]，其将水流进行质点化处理，并根据振动波形的传播方向和速率推算载荷的周期与幅值。由于海底探测机器人的使用条件为海深1～5 km，其水流波动的幅值与水的深度比值微小，因而波动性隶属微波范围，适用于微幅波理论。为便于计算，将动臂的工作条件进行设定和简化：（1）深海内的洋流具有质量均匀性，介质水为典型的不可压缩理论流体，粘性因素忽略不计；（2）除了波浪载荷，重力和浮力载荷为主要载荷，构件之间的摩擦力忽略不计；（3）假定海洋表面的压强为大气压强，考虑风载效应；（4）深海内的水质点为缓慢运动，洋流自身阻尼力忽略不计。

1.2 载荷构成分析

深海探测机器人在运动时，动臂受到的主要载荷包括惯性载荷、洋流推力、重力、浮力、支持力和绕射力等。洋流产生推力主要是因为海洋内不同位置流体的速率不同，跟季节与风力有关，对细长结构的影响较为显著；惯性载荷主要由探测机器人的运动状态决定，一般来说质量越大越显著；绕射力主要发生在较大截面的位置，由波动的绕射引发，计算过程中不可忽略。由于动臂由多个部件组成，每个部件承受的载荷类型有一定的差异性，排除外力抵消，总的来讲，洋流推力和惯性载荷是影响动臂振动的主要载荷。

2 机械臂受迫振动分析

2.1 不同风力等级下的振动特性

基于二阶的振动微分方程，可建立机械臂的振动分析模型。不同的风力载荷对机械臂受到的推力作用影响较大，在机械结构被迫横向偏移时，会引发严重的传动故障。通过微分方程的求解，可得出二级风载和六级风载条件下的动臂最大振动幅值变化规律，如图1所示。图中可以看出：在恒定风载作用下，机械臂的振幅仍具有显著的不确定性；六级风载下的机械振动明显更为剧烈；从振动幅值的空间分布上看，机械臂的最大幅值位于最顶端旋转副位置，该位置的惯性力也最大，载荷叠加后，表现出振幅增大现象；在频谱特性方面，不同风载下的振动频率有着显著的差别，二级风载下的载荷响应频率明显低于六级风载，但振幅均在第一阶响应中达到峰值；若增加机械结构的质量，振动幅值和响应频率均会明显减小，但功耗会显著增大，因此需要设定在一个合理的范围内。

图1 不同风载下的振动响应特性

2.2 不同运行速度下的振动特性

由于矿产的分布具有边界性特点，因此海洋探测机器人应快速、准确地定位资源区域，以便于配合采矿船的路径引导。探测机器人在不同运行速度下，需要抵抗的阻力明显不同。通过分析模型的求解，可得出不同速度下的振动响应特性，将其进行频谱化处理后，得出分析结果如图2所示。图中可以看出：不同的运行速度仅仅影响了探测机器人的振动强度，对响应频率没有作用；较大的运行速度会放大振动，特别是在第一阶固有频率下，差异性最为明显。

图2 不同运行速度下的振动频谱特性

2.3 不同水深下的振动特性

不同水深下的振动响应特性如图3所示，可以看成：随着探测机器人潜入水深的增大，机械手臂的振动更为显著，这是由于水压载荷相比水流载荷的作用更强烈；当增大机械阻尼时，响应频率不发生改变，振动幅值明显减小，同时机械结构的响应速度减小；通过强度分析结果可知，发生最大变形的位置位于顶部关节，在较深的水深下，运行速度的影响减小。

图3 不同水深下的振动响应特性

3 机械臂振动测试

3.1 实验方案设计

深海中进行实验测试存在较多困难，设备安装、数据传输以及传感器配套均难以实现。为此，文中搭建外部实验台，模拟深海中的工作环境。针对深海探测机器人的工作原理，设计动态响应特性测试平台如图4所示。可以看出，该实验台能够预施加各种载荷，来模拟水深压力、风载等参数。为确保测试安全性和可靠性，设定总体支架的高度为2.5 m，各个钢板的厚度均为4 mm。机械手臂连接负载，在拖拽过程中模拟运行速度[9]，而且配重可以调节，用于计算最佳的质量。

图4 动态响应特性实验台

在外部加载和数据采集方面，可将测试台可分采集模块、外部载荷激振模块、拖拽模块、水压调节模块等。其中，采集模块中的振动传感器选用YK-YD20系列，具有良好的防水性和抗干扰能力，每10 mm间隔进行布置，传输信号受距离的影响较小，多路传感器集成于采集卡中，选用MPS-060602系列。测试台选用的采集卡能够实现双通道同时采集，无需外接恒流电源，采用电脑的USB接口进行供电。外部载荷激振模块以摇杆机构为主，便于模拟横向加载。执行机构中的曲柄机构采用伺服电机控制，可无级变速，得出不同的渐变拖拽速率。

3.2 结果分析

机械臂顶部关节的振动测试结果如图5所示，可以看出：在外部激振载荷作用下，振动幅值逐渐减小并最终趋于稳定，耗费时间低于1 s，由此可见，阻尼系数选择合理；机械臂对于振动的响应敏感度非常高，因此需要确保结构的强度，避免大位移造成的机械损伤。

图5 振动测试结果

不同配重下的振动特性如图6所示，可以看出：当机械臂的激振频率增大时，振动明显增大；当机械臂的质量增大时，振动显著减小，而且对于振动响应的延迟更为明显；当机械臂处于非运行状态时，配重质量的增大有效地减小了整个振动幅值；在相同的配重条件下，当激振频率越大，机械臂的振动越剧烈，振动衰减的周期越长，达到再次稳定状态越困难；当配重质量大于2 kg时，随着配重的增大，振幅线性增大。

图6 不同配重下的振动特性

4 结束语

海洋探测机器人在海底执行探测任务时，将不可避免地发生受迫振动现象，其振动发生的响应时间非常短，衰减周期与机械臂的质量、阻尼系数有关，最大位移位置处于顶端的机械关节。当洋流环境相对稳定时，增大机械臂的质量有利于工作稳定性的提升。在较大外部载荷作用下，增大质量会增加惯性力，延长衰减周期。在相对较浅的海域位置时，可减小配重质量，增大阻力系数；在深海位置时，可增大配重质量，减小阻尼系数，这样可得出较好的振动反馈，有利于探测任务的可靠性和稳定性。