履带式海底观测行走机器人设计

徐协，尚伟燕，李超杰，王卜军

（宁波工程学院，浙江宁波315000）

履带式海底观测行走机器人设计

徐协，尚伟燕，李超杰，王卜军

（宁波工程学院，浙江宁波315000）

为提高稀软底质环境下机器人行走性能，设计了履带式海底观测行走机器人平台，给出打滑率控制模型，提高观测机器人直线行走效率，为海底行走观测机器人的建立提供了理论依据。

机器人；海底观测；打滑率

辽阔的海洋约占地球表面的71%，蕴藏着丰富的油气、矿产、生物、能源资源。建立海洋观测系统是人类研究探索海洋、开发和利用海底资源的重要手段之一。海洋观测系统由海洋实验室、海洋观测节点和岸基站组成，海底观测是海洋观测中的重要环节，能自主行走于海底的观测机器人是海洋实验室和观测节点中的重要装备[1]。

海底观测机器人可以携带仪器设备对洋底生态系统进行取样及监测。配备机械手可以完成观测网相关设施的组建及检验、对海底地质地貌展开研究并传输相关数据信息等。此外，观测机器人还可用于海底管道建设领域，负责对海底石油管道等设施进行定期的监测和健康维护。海底表面属于稀软底质环境，随机干扰下履带式海底观测机器人在稀软底质环境下快速行驶极易产生滑移、转向偏离、车体倾翻等问题，因此，需要设计合理的海底观测机器人行走机构，从而确保海底观测任务的顺利执行。

1国内外研究现状

目前，用于完成海底行走任务的机器人主要包括腿式和履带式两种结构。腿式结构中，由韩国海洋技术研究院研制的Crabster CR200水下行走机器人[2，3]，如图1所示，已完成水下5~7 m深的水域测试。履带式机器人具备较强的地面适应能力，在陡峭地形、复杂环境下有着较高的越障能力和良好的适应性。履带式海底行走机器人中最具代表性的是美国MBARI研究所研制的Rover观测机器人。根据已有海底机器人行走系统研究可知：履带式行走系统具有较好的复杂环境适应能力，适用于海底环境下的作业任务。

目前，关于履带式海底行走平台行驶性能的研究主要集中在各种形式的集矿机上，国内对海底履带式机器人的研究主要集中在海底集矿机上。戴瑜等人对履带与模拟沉积物之间的剪切应力—剪切位移及压力—沉陷关系进行了确定，为直线行驶动力控制研究提供了参考[6]。陈峰、韩冷飞等人建立了水下集矿机防滑运动学模型，但是对斜坡转向及水动力影响未作进一步分析。

2履带式海底观测机器人结构设计及打滑率控制

海底观测机器人整体尺寸远小于集矿机，其对运动速度及行走效率的要求都不同于集矿机，并且稀软底质及洋流环境对机器人行走性能的影响亦不同于海底集矿机。因此，针对海底崎岖不平的地貌特点，设计出能行走于稀软底质环境的机器人，如图1所示。

图1 履带式海底观测机器人结构设计

履带式海底观测机器人采用如图1所示的橡胶履带，其外形结构呈梯形，该外形结构能够提供足够的攀爬力，提高机器人的越障能力和复杂地形适应能力。每侧具有四个承重轮，承重轮与机器人悬架之间装有扭转弹簧，可以缓冲来自地面的冲击和振动。左右侧轮各装有一个驱动轮和一个诱导轮，其中驱动轮轮轴通过联轴器与支承于车体上的电机连接，通过控制左右轮电机转速，实现观测机器人的差速转向。

该机器人履带外形与外界行驶表面充分接触，复杂环境下越障能力较高；车身采用封闭结构，较好实现密封，确保深海环境下的正常作业。

基于以上外形结构，参照贝氏仪及国内外试验系统，设计试验平台及试验测试方案，分别进行履带板与模拟沉积物剪切应力—剪切位移、压力—沉陷试验测试。试验阶段将选取山推101GH系列两齿履带板。通过试验测试及数据处理，求得模拟沉积物特性参数及相关曲线，结合机器人履带与沉积物之间的轮地作用模型，求得打滑率与牵引力之间的关系。设计模糊PID控制器，并建立相应的控制模型，如图2所示。通过控制打滑率进一步控制电机输出扭矩，确保机器人稀软底质环境下的行走动力性，为直线行驶稳定性提供保障。

图2 拟采用的海底直线行驶打滑率控制模型

3结束语

利用仿真软件完成履带式水下机器三维模型的建立，并借助打滑率控制模型实现直线行走打滑控制，为进一步提高海底机器人行走性能提供了理论方法。

[1]A.L.Forresta，B.E.Lavala，D.S.S.Limb，Performance evalu ation of underwater platforms in the context of space explo ration[J].Planetary and Space Science，2010，4（58）：706-716.

[2]Jung-Yup Kim，Bong-Huan Jun.Mechanical Design of Six-Legged Walking Robot，Little Crabster[C]//IEEE/OESOCEANS 2012.Yeosu，2012：1-8.

[3]Bong-Huan Jun，Hyungwon Shim，Banghyun Kim，etc.First Field-Test of Seabed Walking Robot CR200[C]//Oceans. San Diego，2013：1-6.

[4]陈峰.深海底采矿机器车运动建模与控制研究[D].长沙：中南大学，2005.

[5]韩冷飞.深海作业型机器人防滑控制研究[M].长沙：中南大学，2008.

[6]戴瑜.履带式集矿机海底行走的单刚体建模研究与仿真分析[D].长沙：中南大学，2010.

Design on the Tracked Mobile Robot for Submarine Observation

XU Xie，SHANGWei-yan，LIChao-jie，LIChen-yu，WANG Bu-jun
（Ningbo University of Technology，Ningbo Zhejiang 315000，China）

In order to improve themoving capability ofmobile robot，a tracked robot has been designed，and the control model for slippage has been established to improve the moving efficiency.The above work can provide theoretical reference for tracked robot.

robot；submarine observation；slippage

TP242

A

1672-545X（2016）12-0140-02

2016-09-05

王伟明助创基金项目：“海底观测机器人设计”项目编号（2015016）；宁波市自然科学基金项目“基于柔性仿生吸附单元的水下四足爬壁机器人行走研究”项目编号（2014A610081）

徐协（1994-），男，浙江金华人，学生，研究方向为机器人结构设计；尚伟燕（1978-），女，山东烟台人，副教授，博士，研究方向：机器人动力学控制。