自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人研究

簡小剛，朱能炯（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人研究

簡小剛，朱能炯
（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

針對國內(nèi)外鉆地機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，提出了一種自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人，闡述了其總體結(jié)構(gòu)與工作原理，對機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、螺旋傾角和土升角等參數(shù)作了分析計(jì)算，并借助ANSYS-W Or k b e n c h軟件對螺旋機(jī)構(gòu)鉆進(jìn)時(shí)的土壤變形流動(dòng)情況作了動(dòng)力學(xué)仿真.分析結(jié)果表明，該鉆地機(jī)器人通過左旋螺旋機(jī)構(gòu)和右旋螺旋機(jī)構(gòu)的組合有效實(shí)現(xiàn)了在土壤中鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向的功能，為今后改裝應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

鉆進(jìn)；轉(zhuǎn)向；自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人

鉆地機(jī)器人是一種可在土壤環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行穿孔、探測、取樣、搜救等任務(wù)的特種機(jī)器人，由本體結(jié)構(gòu)、探測系統(tǒng)、供能單元、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，一般要求其體積小，自推進(jìn)、可轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)靈活，操控方便等.鉆地機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)既可搭載傳感器，又能夠按預(yù)定軌跡在土壤中鉆掘行進(jìn)，這就需要有一套能夠適應(yīng)特定土壤環(huán)境的有效鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu).當(dāng)前，國內(nèi)外已針對各種地下鉆探任務(wù)對鉆地機(jī)器人展開研究，但多數(shù)尚處于理論研究或試驗(yàn)階段.

要在土壤中按規(guī)劃軌跡鉆進(jìn)，鉆地機(jī)器人必須同時(shí)滿足鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向兩個(gè)功能.表1為各種鉆地機(jī)器人鉆進(jìn)方法的比較與分析：反復(fù)沖擊擠壓式鉆地機(jī)器人軸向尺寸大，轉(zhuǎn)向半徑大，沖擊振動(dòng)影響大，多用于非開挖工程領(lǐng)域；仿生蚯蚓類鉆地機(jī)器人可在體節(jié)之間設(shè)置軸向伸縮機(jī)構(gòu)以控制前進(jìn)與轉(zhuǎn)向，但鉆進(jìn)效率與可靠性較差［1］；螺旋類機(jī)器人借助螺旋驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)，但轉(zhuǎn)向困難.此外，還有一些激光鉆進(jìn)、等離子體通道鉆進(jìn)和粒子沖擊鉆進(jìn)等鉆進(jìn)技術(shù)與設(shè)備，如能實(shí)現(xiàn)小型化，必將大大促進(jìn)鉆地機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用.

表2為國內(nèi)外各種鉆地機(jī)器人轉(zhuǎn)向方法的分析與比較.由表2可知，外部卡阻式轉(zhuǎn)向受偏轉(zhuǎn)力矩影響，可靠性差、轉(zhuǎn)向半徑大；體節(jié)間偏轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)向則存在轉(zhuǎn)向力矩不足、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)向過程中容易卡死等問題.因而，如何提供一種高效的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是鉆地機(jī)器人研制中急需解決的問題.

表1　國內(nèi)外鉆地機(jī)器人的鉆進(jìn)方法Tab.1 Drilling methods of subsurface drilling robot

1　自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

基于上述鉆地機(jī)器人鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向方法的分析比較，針對目前存在的問題，本文提出一種自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人.該鉆地機(jī)器人通過左旋螺旋機(jī)構(gòu)和右旋螺旋機(jī)構(gòu)的組合，有效實(shí)現(xiàn)了在土壤中鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向的功能，適于在松散泥土或淺層土壤中鉆進(jìn)，能根據(jù)預(yù)定軌跡和位置反饋信息并調(diào)整鉆進(jìn)方向.

自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人主要包括鉆地機(jī)器人本體、供電及通信線纜、鉆進(jìn)距離檢測裝置、供能單元、單片機(jī)系統(tǒng)、P C系統(tǒng)等［8］，如圖1所示.在地面較為平坦的情況下，該鉆地機(jī)器人無需外在輔助裝置即可鉆入土壤.

鉆地機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括3個(gè)螺旋機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的固定支架桿件，其中的螺旋機(jī)構(gòu)含有左旋螺旋機(jī)構(gòu)和右旋螺旋機(jī)構(gòu).螺旋機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有行星齒輪減速電機(jī)，螺旋機(jī)構(gòu)尾部設(shè)置有儲物腔，可搭載傳感器，包括姿態(tài)傳感器、金屬探測器等.固定支架桿件的截面為菱形，使其在鉆進(jìn)方向上呈銳角，這樣有利于固定支架桿件切入土壤，減小鉆進(jìn)或后退時(shí)的阻力.螺旋機(jī)構(gòu)尾部拖曳有供電及通信線纜，借助地面供能單元和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)供電與信號傳遞.

螺旋機(jī)構(gòu)在土壤中旋轉(zhuǎn)時(shí)，既受到與轉(zhuǎn)向相反的土壤阻力矩，又受到軸向的土壤推力作用.如圖3所示，對于右旋螺旋機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)向與螺旋葉片所提供的推力符合右手定則，而對于左旋螺旋機(jī)構(gòu)，其關(guān)系則符合左手定則.當(dāng)鉆地機(jī)器人需要鉆進(jìn)或后退時(shí)，通過控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)向使得左旋螺旋機(jī)構(gòu)和右旋螺旋機(jī)構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)兩種螺旋機(jī)構(gòu)受到的軸向推力方向一致，一同驅(qū)動(dòng)鉆地機(jī)器人向前或向后運(yùn)動(dòng)，而左、右旋螺旋機(jī)構(gòu)分別受到的土壤阻力矩因方向相反而有得到部分抵消，進(jìn)而減小了鉆地機(jī)器人整體在鉆進(jìn)過程中受到的偏轉(zhuǎn)力矩.當(dāng)鉆地機(jī)器人需要轉(zhuǎn)向時(shí)，通過改變指定減速電機(jī)的轉(zhuǎn)向，進(jìn)而改變相應(yīng)螺旋機(jī)構(gòu)所受到的軸向推力的方向，此軸向推力與其他螺旋機(jī)構(gòu)所受到的軸向推力方向相反，在空間上形成力矩，驅(qū)動(dòng)鉆地機(jī)器人發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng).

表2　國內(nèi)外鉆地機(jī)器人的轉(zhuǎn)向方法Tab.2 Steering methods of subsurface drilling robot

圖1　自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人的構(gòu)成Fig.1 Overall structure of the proposed robot

鉆地機(jī)器人需要在土壤中按照預(yù)定軌跡行進(jìn)，這就要求鉆地機(jī)器人將其鉆進(jìn)過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息反饋給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以控制其鉆進(jìn)軌跡.根據(jù)自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制的要求，所需檢測項(xiàng)目、作用及選用的傳感器類型如表3所示.

表3　自平衡鉆地機(jī)器人的基本檢測項(xiàng)目Tab.3 Detection test items of the proposed robot

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用兩級結(jié)構(gòu)，上位機(jī)使用P C機(jī)，下位機(jī)采用80C 51單片機(jī)，上、下位機(jī)均置于地面.操作人員在上位機(jī)規(guī)劃預(yù)定軌跡并向下位機(jī)發(fā)送控制命令，下位機(jī)根據(jù)收到的命令控制行星齒輪減速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并采集鉆地機(jī)器人的電流、鉆進(jìn)距離、姿態(tài)信息等，將這些信號進(jìn)行處理后發(fā)送給上位機(jī)，操作人員可通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示的鉆地機(jī)器人實(shí)際狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修改控制命令，進(jìn)而保證鉆地機(jī)器人沿著預(yù)定軌跡運(yùn)行，其控制流程如圖4所示.

圖2　鉆地機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Body structure of the proposed robot

圖3　右旋螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向和推進(jìn)力的關(guān)系Fig.3 Relationship between rotation direction and axial thrust for right-hand auger mechanism

圖4　自平衡鉆地機(jī)器人控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Control flow chart of the proposed robot

2　螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、螺旋傾角和土升角的分析計(jì)算

研究表明，螺旋鉆進(jìn)時(shí)，孔壁上產(chǎn)生的剪切阻力和葉片表面產(chǎn)生的摩擦阻力消耗了大部分輸入能量，其他則可忽略［15］.據(jù)此采用臨界轉(zhuǎn)速經(jīng)典模型，取螺旋葉片邊沿的土屑微元進(jìn)行受力分析［16］，建立的力學(xué)模型如圖5所示.圖中dN為螺旋葉片對土壤微元的支持力；dF1為螺旋葉片對土壤微元的摩擦力：dF2為孔壁對土壤微元的摩擦力；dG為土壤微元自身重力；β為螺旋葉片的螺旋傾角；ψ為土壤微元絕對速度與水平面的夾角，反映了螺旋機(jī)

圖5　螺旋機(jī)構(gòu)輸送土壤的力學(xué)模型Fig.5 Mechanical model of auger mechanism delivering soil

構(gòu)實(shí)際輸送土壤的速度.式中：μ1為土壤與螺旋葉片的摩擦系數(shù)；μ2為土壤之間的摩擦系數(shù)；m為土壤微元的質(zhì)量；g為重力加速度；r為土壤微元與旋轉(zhuǎn)中心軸之間的距離；ωa為土壤微元的絕對角速度，ωa=ω-Vrc Osβ r，其中的ω為螺旋機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度，Vr為土壤微元相對于螺旋葉片的相對速度.

根據(jù)圖中x，y方向上的受力平衡，可得：

d F2·c Os（β+ψ）-d F1-d G·s i nβ=0（4）

d N-d G·c Osβ-d F2·s i n（β+ψ）=0（5）

模擬螺旋鉆進(jìn)實(shí)際情況，土壤微元的速度合成如圖6所示，圖中的Va為土壤微元的絕對速度，Ve為土壤微元牽連點(diǎn)的牽連速度.

圖6　土壤微元的速度關(guān)系Fig.6 Velocity decomposition of soil clod

Ve和Vr在垂直于Va方向上的分量相等，有：

即：

得：

由以上各式，計(jì)算得：

由MAT L A B編程計(jì)算，可得螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、螺旋葉片傾角和土升角三者之間的關(guān)系，如圖7所示.在相同土升角的情況下，螺旋葉片的傾角存在最優(yōu)值，此時(shí)螺旋機(jī)構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速最低；隨著土升角的增大，鉆地機(jī)器人在鉆進(jìn)過程中所對應(yīng)的螺旋葉片傾角最優(yōu)值也應(yīng)隨之增大；當(dāng)螺旋葉片傾角一定時(shí)，隨著土升角的上升，螺旋機(jī)構(gòu)所需的轉(zhuǎn)速將急劇上升，因而，在外部驅(qū)動(dòng)力有限的情況下，不宜設(shè)計(jì)過大的土升角.

圖7　螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、螺旋葉片傾角和土升角之間的關(guān)系Fig.7 Relationship of rotation speed，helical angle and delivery angle

3　螺旋鉆進(jìn)仿真分析

本文使用ANSYS-W Or k b e n c h中的顯示動(dòng)力學(xué)模塊進(jìn)行模擬分析.根據(jù)前面分析結(jié)果，在S Ol i d W Or k s軟件中分別對螺旋機(jī)構(gòu)和土壤進(jìn)行三維建模，再將二者形成裝配體，然后將該裝配體作為螺旋鉆進(jìn)仿真分析的幾何模型，以P a r a s Ol i d的文件格式導(dǎo)入W Or k b e n c h中進(jìn)行仿真分析.設(shè)置螺旋機(jī)構(gòu)材料為材料庫中的S t r u c t u r a l S t e e l，土壤材料為材料庫中的S A N D.對螺旋機(jī)構(gòu)作用區(qū)域附近的土壤網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化.螺旋機(jī)構(gòu)和土壤之間的接觸面類型為f r a c t i On a l，靜摩擦系數(shù)0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)0.3.為螺旋機(jī)構(gòu)沿軸向指向土壤施加30r a d/s的轉(zhuǎn)速，土壤底面固定，忽略重力的影響，設(shè)置仿真時(shí)間為0.2s.

圖8為土壤的位移變化情況.由圖8可見，靠近地表部分的土壤最先發(fā)生較大位移，被螺旋葉片挖出地表，變形區(qū)域逐漸往下擴(kuò)展，最后充滿整個(gè)鉆頭區(qū)域，土壤逐漸往上流動(dòng).這是由于靠近地表土壤未受到其他機(jī)構(gòu)或土壤的擠壓或阻礙作用，最容易發(fā)生變形和位移，隨著這部分的變形移動(dòng)，緊挨著的深層土壤也開始發(fā)生變形移動(dòng)，最后延續(xù)至鉆尖區(qū)域.這也證實(shí)了螺旋鉆進(jìn)切削排土的可行性.

圖8　螺旋鉆進(jìn)時(shí)的土壤變形流動(dòng)Fig.8 Deformation and flow of soil when the auger mechanism drilling

4　結(jié)語

本文在分析總結(jié)國內(nèi)外鉆地機(jī)器人鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向方法的基礎(chǔ)上，提出了一種自平衡多螺旋鉆地機(jī)器人，其通過左旋螺旋機(jī)構(gòu)和右旋螺旋機(jī)構(gòu)的組合，有效實(shí)現(xiàn)了在土壤中鉆進(jìn)和轉(zhuǎn)向的功能，并可以根據(jù)檢測到的機(jī)器人實(shí)際位置和姿態(tài)信息不斷調(diào)整控制參數(shù)，使其按照預(yù)定軌跡鉆進(jìn).經(jīng)螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、螺旋葉片傾角和土升角參數(shù)分析計(jì)算以及螺旋鉆進(jìn)仿真分析，證實(shí)該鉆地機(jī)器人可用于松散泥土或淺層土壤中鉆進(jìn)，經(jīng)適當(dāng)搭載改裝后可完成不同任務(wù)，具有很大的應(yīng)用前景.

［1］ 簡小剛，王葉鋒，楊鵬春.基于蚯蚓蠕動(dòng)機(jī)理的仿生機(jī)器人研究進(jìn)展［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，10（3）：359-363.

JIAN Xiaogang，WANG Yefeng，YANG Pengchun.Research on a bionic robot based on the mechanism of earthworm［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012，10（3）：359-363.

［2］ 徐寶富，陸敏恂.地下穿孔技術(shù)在同濟(jì)的研究與進(jìn)展［J］.建筑機(jī)械，1999（6）：26-28.

XU Baofu，LU Minxun.The research and development of underground perforation technology in Tongji University［J］. Construction Machinery，1999（6）：26-28.

［3］SEWERYN K，GRYGORCZUK J，WAWRZASZEK R，et al. Low velocity penetrators （LVP）driven by hammering action—Definition of the principle of operation based on numerical models and experimental tests ［J］.Acta Astronautica，2014，99：303-317.

［4］ 張英，孫虎，胡勇，等.水下仿生拱泥機(jī)器人方案研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2005，27（4）：43-46.

ZHANG Ying，SUN Hu，HU Yong，et al.Project design of a underwater bio-mimetic move-in-mud robot［J］.Journal of Wuhan University of Technology：Engineering Information and Management，2005，27（4）：43-46.

［5］ABE R，KAWAMURA Y，KAMIJIMA K，et al.Performance evaluation of contra-rotating drill for DIGBOT［C］//SICE Annual Conference 2010，Proceedings of IEEE.［S.l.］： IEEE，2010：885-888.

［6］OMORI H，MURAKAMI T，NAGAI H，et al.Development of a novel bio-inspired planetary subsurface explorer：Initial experimental study by prototype excavator with propulsion and excavation units ［J］.Mechatronics，IEEE/ASME Transactions on，2013，18（2）：459-470.

［7］RICHARDSON R C，NAGENDRAN A，SCOTT R.The sweep-extend mechanism：A 10-bar mechanism to perform biologically inspired burrowing motions［J］.Mechatronics，2011，21（6）：939-950.

［8］ 簡小剛，李曉華，張勇.地下螺旋鉆進(jìn)機(jī)器人探測系統(tǒng)的研究進(jìn)展［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，11（5）：441-445.

JIAN Xiaogang，LI Xiaohua，ZHANG Yong.The researchprogress of detection system of subsurface drilling robot［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2013，11（5）：441-445.

［9］ 馮士倫，王建華，林楊，等.蠕動(dòng)爬行攻泥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向工作特性的有限元分析［J］.船舶工程，2003，25（5）：32-34.

FENG Shilun，WANG Jianhua，LIN Yang，et al.FEA on steering performance of a peristaltic crawling-in-mud institution［J］.Ship Engineering，2003，25（5）：32-34.

［10］ 顏兵兵.拱泥仿生機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2008.

YAN Bingbing.Design and virtual prototype research of a bionic move-in-mud robot［D］.Harbin：Harbin University of Science and Technology，2008.

［11］ 北京航天航空大學(xué).反螺旋雙驅(qū)異形機(jī)器 人：中國，CN1406723A［P］.2001-08-24.Beihang University.A anti-spiral dual-drive robot：China，CN1406723A［P］.2001-08-24.

［12］ 王葉峰.一種自推進(jìn)鉆地機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2013.

WANG Yefeng.Steering mechanism research of a selfpropelled auger drilling robot ［D］.Shanghai：Tongji University，2013.

［13］ 魏洪興，孟慶鑫，王田苗.拱泥機(jī)器人原理樣機(jī)的研制［J］.中國造船，2003，44（1）：89-93.

WEI Hongxing，MENG Qinxin，WANG Tianmiao.Sample machine development of a move-in-mud robot［J］.Ship Building of China，2003，44（1）：89-93.

［14］ MYRICK T M，GOREVAN S.Self-propelled instrumented deep drilling system：U.S.Patent 7，055，625［P］.2006-06-06.

［15］ 趙偉民，顧迪民.螺旋鉆具上的土的動(dòng)力分析［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，32（4）：90-93.

ZHAO Weimin，GU Dimin.Dynamic analysis of soil on the screw drill tool［J］.Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，1999，32（4）：90-93.

［16］ 譚松成，段隆臣，黃帆，等.模擬月壤螺旋鉆進(jìn)力載特性分析［J］.探礦工程：巖土鉆掘工程，2014，41（9）：81-84.

TAN Songcheng，DUAN Longchen，HUANG Fan，et al.Simulation and analysis on mechanical property of auger drilling in lunar soil ［J］.Prospecting Engineering：Geotechnical Drilling and Digging Engineering，2014，41（9）：81-84.

Study on self-balancing multi-auger subsurface drilling robots

JIAN Xiao-gang，ZHU Neng-jiong
（School of Mechanical Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Pertaining to the advances of domestic and foreign subsurface drilling robots，a self-balancing multi-auger subsurface drilling robot is proposed.By summarizing the overall structure and working principle，the rotary speed，helical angle and delivery angle of the auger mechanism are analyzed and computed.Based on ANSYS-WorkbenchTM，the soil deformation and flooding during drilling process are dynamically simulated on helical mechanism.Therefore，it is found from analysis results that a combination of laevorotary and dextrorotary mechanisms can effectively enhance soil drilling and steering functions forrobot modification.

drilling；steering；self-balance multi-auger subsurface drilling robot

T P 242

A

1672-5581（2015）06-0515-06

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（20140750）

簡小剛（1975-），男，副教授，工學(xué)博士.E-mail：jianxgg@tOngji.edu.cn