基于蠕动原理拱泥机器人方案研究.pdf

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卷 第 期(总第 期) 中 国 造 船 ( ) ! # #$ %’ (! ) ( # *+,-.’ ) ( #$ 年 月 //# 0 *123452672)8 9: ;12) =., ( //# 文章编号 //#/# ## 基于蠕动原理拱泥机器人方案研究! 孟庆鑫 魏洪兴 王立权 杨青梅 王 岚 (哈尔滨工程大学) 摘 要 本文针对 目前沉船打捞作业中潜水员手工攻打千斤洞的现状,首次提出了拱泥机器人的概念。它基于蚯 蚓在泥土中爬行的运动机理,可以在水下泥土环境中按预定轨迹从沉船底部一侧向另一侧蠕动爬行,并随时 根据检测到的位置和力信息调整运动位置和姿态。将地下穿孔机的冲击原理与蚯蚓的蠕动机理相结合,提出 了一种头部冲击式的拱泥机器人的方案。研究了拱泥机器人的运动控制与位姿检测方案,并建立了拱泥机器 人在水下泥土环境中作业的力学模型。 关键词: 沉船打捞,拱泥机器人,蠕动原理,位姿检测,力学模型 中图法分类号: 5?@? (? (一) 引 言 我国海域辽阔,内河、湖泊星罗棋布,是世界航运大国之一。随着海运事业的发展,船舶失事沉没的海 难事故时有发生。对于一些有较高价值或堵塞航道的沉船,需要及时打捞。浮筒打捞沉船的一项关键技 术是水下攻打千斤洞,即在沉船底部清出一条穿引抬船用钢缆(千斤)的通道。目前攻打千斤洞普遍使用 手动攻泥器,由潜水员手工操作,工作条件 比较艰苦,效率低。且若工作水井塌方,会危及潜水员的安 [] 全 # 。因此急需研制一种自主作业的水下攻打千斤洞的设备,以完全替代潜水员的水下工作,提高工作效 率,改善潜水员的工作环境。针对这种现状,我们提出了拱泥机器人的概念。机器人本体上集成有位置检 测和姿态控制传感器,头部装有力传感器,后部拖带一条由动力缆和承重缆组成的复合缆,它基于蚯蚓在 泥土中爬行的运动机理,可以在水下泥土环境中按预定轨迹从沉船底部一侧向另一侧蠕动爬行,并随时根 [,] 据检测到的位置和力信息调整运动位置和运动姿态,最终完成穿引千斤的作业任务 # 。 拱泥机器人是一种新型特种机器人,目前国内外还没有进行这方面研究的报道。使我们感兴趣的是 目前在陆地不开挖施工中广泛应用的地下穿孔机,可以从公路或建筑物一侧穿越至另一侧铺设管线。地 [,,] 下穿孔机无论气动还是液动,其结构上都采用往复冲击的方式 0 ! $ 。通过对海洋、江河湖泊沉积土的状态 进行研究,我们认为,拱泥机器人的作业环境为饱和淤泥质粘土。在排水冲击的条件下,海底淤泥质粘土 能够产生压密变形,形成具有一定承载力的孔洞。故拱泥机器人可以采用地下穿孔机的冲击原理。 (二) 基于蠕动原理的拱泥机器人原理样机方案 为完成穿引千斤的作业,拱泥机器人需从沉船底部一侧钻入,沿船底泥土环境爬行,再从另一侧钻出, 其运行轨迹为一条贴近沉船横断面的弧线。拱泥机器人在蠕动爬行过程中,应能够随时根据检测到的位 姿信息调整爬行方向,以适应预先规划的运动轨迹。此外,当前方遇到较大的石块和其它障碍物时,应有 国家自然科学基金( )资助项 目 ! 万方数据 ?ABB$//0 收稿 日期: 修改稿收稿 日期: /// /! /? /// ## /A 卷 第 期(总第 期) 孟庆鑫等:基于蠕动原理拱泥机器人方案研究 / !

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