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1、拱泥机器人第02章拱泥机器人方案分析与设计第2章拱泥机器人方案分析与设计2.1 引言长期以来，沉船打捞作业中攻打千斤洞普遍使用手动攻泥器。由于手动攻泥器只能攻打直线方向的孔洞，在实际作业中，还需要在沉船两侧各挖一竖井，潜水员在井内操作，若竖井塌方，则会危害潜水员的生命安全。为了改善潜水员的工作环境，提高作业效率，多年来海军防救部队和各地方救捞局一直在寻求一种可行的自动攻泥机的方案，并研制了火箭攻泥器和气动攻泥器，但都由于攻泥方向难以控制和其它一些原因而未能得到实际应用。从目前潜水员使用手动攻泥器攻打千斤洞的水下作业情况看，拱泥机器人作为一种在特殊环境下工作的机器人，它的任务就是带着穿引千斤的钢

2、缆从沉船底部爬过去。如何实现这一作业任务，机器人本体的结构方案显得尤为重要。通过其作业环境进行分析，拱泥机器人应具备以下基本功能：1能攻穿泥沙，也就是采用切削、挤压或高压水喷射的方式，使前端的泥沙形成孔洞，使拱泥机器人有向前行进的可能；2能沿所形成的孔洞前进，同时带入穿引千斤的细钢缆；3能防止在打孔的过程中孔洞被泥沙淤积而使拱泥机器人本体被卡住；4能按照预先规划的轨迹与船体保持一定距离前进；5自动检测拱泥机器人在水下泥土环境中的位置与姿态信息，并将信号反馈给计算机控制系统，以实时进行拱泥机器人的路径规划；6当前进方向具有不能攻穿的障碍物时，能够检测并绕开或退回。根据上面提出的基本要求，拱泥机器

3、人应该是智能的或具备局部智能，能够在复杂的水下泥土环境中识别和感觉位置、姿态和其它信息，并自主确定运动方向和运动姿态。拱泥机器人作为一个整体系统，主要由机器人本体、水下作业平台和作业控制装置三部分组成。其中，拱泥机器人本体是具体实施攻打千斤洞任务的水下作业部分，是整个系统中最关键的部分，也是本论文的研究对象。作业控制装置（水面控制部分）负责对机器人本体进行远程控制和状态监测。水下作业平台作为中继站，是机器人本体与水面控制部分进行讯息交互的纽带，并具有释放和回收机器人本体的功能。本章首先对目前所形成的几种拱泥机器人方案进行了综述，分别进行了可行性分析和总体评价；对爬行类动物的运动机理进行了分析，

4、建立了横波蠕动体和纵波蠕动体两种概念；在此基础上，提出了一种全新的基于蠕动原理的拱泥机器人总体方案，并利用ADAMS仿真软件建立了系统的动态仿真模型。2.2 拱泥机器人的方案分析从最初的节管式手动攻泥器开始，国内救捞界就一直关注着自动攻泥机的研究工作，寻求能够完全代替潜水员完成水下攻打千斤洞任务的拱泥机器人技术方案。在科学技术飞速发展的今天，机器人技术、计算机技术、传感器测量技术和智能控制技术的发展为研制全自主智能化的拱泥机器人提供了强有力的技术储备的技术支持，使研制实用化的工程样机成为可能。哈尔滨工程大学从90年代初期就开始了研制水下自动攻泥机械的探索，并先后提出了接杆式自动拱泥机、遥控船底

5、爬行拱泥器和多节蛇形拱泥机器人方案。中国科学院沈阳自动化研究所于1998年底提出了节杆式拱泥机器人方案，并研制了一台试验样机，完成了实验室内的攻泥作业。下面对上述几种方案进行分别简单扼要的论述，并进行可行性分析和总体评介，以拓展思路，集思广益，为最终形成一种全新的拱泥机器人原理样机方案奠定基础。2.2.1 接杆式自动拱泥机 1.方案组成 方案装置主要由可升降导轨架、钻机部分、高压水供水管路、双级伸缩油缸等几部分组成。 可升降导轨架:框架体由角钢桁架结构构成，升降油缸支撑导轨可改变框架体高度，导轨固定在框架体上，为钻机跑车提供导向轨道。43 钻机部分:第一节钻杆前端安装有硬质合金刀头，其余钻杆依

6、次与前节钻杆用快速接头连接，钻杆末端与液压驱动马达轴连接，马达连同钻杆安放在四轮跑车上，由此组成钻机。 高压水供水管路:高压水从液压马达中空轴中间通过，由水密接头连接管路。 双级伸缩油缸:该油缸活塞杆耳环与钻机跑车后部绞接板相连，油缸体耳环通过绞链轴固定在框架上。2.工作原理 工作原理如图2.1所示，液压马达带动钻杆及钻铰刀盘旋转切削出洞来，碰到有局部岩石也可钻进打洞，此环节已被矿用探水钻证实。 双级油缸推动钻机跑车实现拱泥前进，若沉船底部为是淤泥或泥沙，则可由液压缸直接推动钻杆进给。通入的高压水由钻头前部喷嘴射出来，可以冲击和软化泥沙。同时每节钻杆的前部都有反水孔，加上钻杆的旋转作用，可以返

7、出泥浆，以防止卡住钻杆。钻头的方向由框架导轨部分来控制，根据矿用探水钻的实际使用证明，钻孔轴线偏差可控制在1厘米以内。钻杆采用快速接头，由潜水员一节节装接。整机由工作母船吊放到作业位置，潜水员操作升降油缸，从而确定钻头打洞部位，开动马达、供水开关及油缸换向阀开关便可工作。洞打通后由潜水员将钢缆系在钻头的系缆环上，同时伸缩油缸一节节将钻杆收回，将钢缆穿过千斤洞。3.使用要求 本方案使用要求与现使用的接杆拱泥器基本相同，即确定浮筒系缆部位后，先用吸泥机清理出千斤洞水井，然后将钻式拱泥器吊放至水井内，潜水员完成打洞位置、操纵钻机、装接钻杆等项操作。4.可行性论证 由于本方案与目前陆地不开挖技术中采用

8、的导向钻机相类似，且在原理上与潜水员使用的手动拱泥器差别不大，故本方案在实施上具有较大的可行性，并且所采用的装置结构在制造上也具有较大的可加工性及实现性。5.总体评价 本方案无论在原理上还是在结构及加工上都具有较大的可行性，因此，如果进一步进行结构设计及样机试制能较快的实现应用，但其不足之处在于： 1）工作环境不良。还需清理出千斤洞水井即潜水员攻穿千斤洞所需的作业场地，并将拱泥器吊放至水井内工作，且由于使用高压水使水下环境恶劣；2）自动化程度不高。还需潜水员进行冲吸泥作业、调整拱泥器的高度、打洞位置、装接钻杆及操纵钻机；3）潜水员的劳动强度仍然较高。2.2.2遥控船底爬行拱泥器方案1.方案装置

9、组成 此方案装置由本体、拱泥部分、控制系统和动力源等几部分组成。本体:主要由壳体、主机、螺旋浆、行走机构和机架等组成。壳体为轻质复合材料，外形成流线型，其内部成空腔，螺旋浆、主机、行走机构及方位仪等皆布置在空腔內，采用轮式行走机构。拱泥部分:外壳的前方装有若干个喷头，喷头通过预先设在复合材料内的分配器和管路与尾部的高压水管相连接，在外壳的稍后位置装有若干反射孔。控制系统:由控制台、主机控制、驱动机构控制、方向控制以及拱泥器控制等几部分组成。除控制台设在母船外，其余均装入本机内，并通过多芯电缆与控制台相连接。动力源:包括电源、高压水泵、气源。2.工作原理 由潜水员将拱泥器安放在预定攻穿千斤的部位

10、上，并设定好攻穿方向（如必须越过舭龙骨等，而舭龙骨等又被积泥埋没时，则事先应将这些积泥冲吸掉），然后由母船控制启动主机，通过螺旋浆的转动造成壳体空腔形成负压将本体强有力地吸附于船壳表面，再由母船或同时控制拱泥器冲吸泥和驱动机构，使其先后交替工作，并由方向控制系统随时调整拱泥方向，直至按预定方向将引缆穿越船底为止。3.可行性论证及总体评价 本方案中有多项技术需要解决，如螺旋奖旋转时空腔形成的负压能否将本体强有力地吸附于船壳表面；喷头工作时产生的反作用力是否小于主机的驱动力或附着的摩擦力；方向控制所采用的航空电罗经是否能有效地控制方向，这些技术问题能否协调合理地解决使本方案的可行性受到影响，同时，

11、要拖动高压软水管及电缆穿越船底是很困难的。2.2.3 多节蛇形拱泥机器人方案1.系统的构成 拱泥器系统主要由三大部分构成：拱泥器水下作业本体、拱泥器作业控制装置及电缆收放绞车。拱泥器水下作业本体是由钻铰机构、传动杆机构、插销机械手机构、液压动力机构及测向装置等构成。钻铰机构由刀具、刀盘、支撑板、液压马达和倾角油缸等组成，主要用来清除拱泥器前进方向上的泥土以形成孔洞。 传动杆机构是由若干个相互间可调节一定角度的相同连接杆组成，主要是传递液压动力系统提供的推动力，以实现钻铰机构的进给运动。 插销机械手机构主要由插销机械手、拨销机构、插销油缸等组成，是实现传动杆机构局部刚性与整体柔性转化的重要环节，

12、主要实现连接销的抓取、插销运动，以及水下作业本体回退过程中的销夹紧、拔出动作。 液压动力进给机构主要是一个大推力油缸，作为动力装置，为钻铰机构的步进进给运动提供可靠动力。 测向装置将采用若干组两片X-Y向的倾角传感器，协助完成对拱泥器的定向、定位。拱泥器作业控制装置具有控制电机、油泵、液压马达的起停功能，控制液压动力进给机构各组油缸的动作，并可自动作业，及设定进给距离及转角后（可进行编程或人为干预），控制装置能自动控制水下作业本体进行作业，同时，还具有监测拱泥器水下作业本体工作状态的功能。电缆收放绞车由绞车、电滑环、电缆及控制器等组成，拱泥器作业控制信号及动力源均通过绞车、电缆、电滑环传到拱泥

13、器水下作业本体。2.工作原理 潜水员对沉船进行了必要的探摸和测量，并清除了打捞的障碍物之后，通过所获得的沉船有关方面的资料可制定出拱泥器预想作业轨迹。为了使拱泥器在最初工作阶段能顺利的进入泥土中，水下作业本体的支撑平台上装有导向套筒，钻铰头可预先按放于其中，然后母船上的拱泥器作业控制装置开启，启动电机、油泵，机械手夹紧钻铰头尾部，支撑平台摆到预先设定的角度。然后拱泥器水下作业本体攻千斤洞作业，直至千斤洞攻穿，卸去钻铰头，将母船上放下的钢缆与第一节接杆相连接。最后，拱泥器水下作业本体回退，拉钢缆穿过千斤洞。3.使用要求 拱泥器攻千斤洞作业的最初阶段要求潜水员将钻铰头安放在导向套筒中，以使其正确定

14、位，最后阶段要求潜水员将钻铰头卸下，并将工作母船上放下的钢缆与第一节连接杆相连。当拱泥器攻千斤洞作业过程中及拱泥器回退作业过程中不需要潜水员操作，只需有关人员在工作母船上通过拱泥器作业控制装置对拱泥器水下作业本体的作业进行控制。4.可行性论证 该方案同目研制的“煤矿安全钻孔机器人系统”相类似66，是对接杆自动攻泥机的改进，实现了遥控操作。可调整角度的传动杆机构比较新颖，符合拱泥机器人在前进过程中可改变方向的要求。所采用的一些相关技术都比较成熟，在技术上容易实现。但方案的最大问题就是十分复杂，具体实施难度较大。且传动杆机构在前进过程中遇到岩石等障碍物无法避开，只能退回重新选择路径前进。 2.2.

15、4 节杆式拱泥机器人方案1方案组成 为节杆式拱泥机器人主要由机器人载体和攻泥工具组成。攻泥工具由多节刚性杆连接而成，相邻两节之间由铰链连接，每节杆长一米左右，整个长度约30米，前面一节用于控制方向。在拱泥机器人载体上装有多边形绞轮和驱动装置，攻泥工具的柔性长杆可盘绕在绞轮上。节杆式拱泥机器人工作原理如图2.2所示。 2.工作原理 攻泥开始前，首先对打捞对象进行全面探查，以确定沉船的姿态、不同横剖面的深度以及地质情况。根据这些数据，通过计算机规划好每一个需穿导缆剖面的理想攻泥轨迹，利用计算机预编程对攻泥工具的运动轨迹进行控制，同时根据拱泥机器人的实时反馈的位置信息，通过水面控制台向其传送指令，对

16、预编程进行修正和进行实时控制。3.总体评介1）利用多节刚性短杆组成整体柔性杆的想法有新意，并且能利用多杆之间相对转角实现曲线前进，可以方便地进行位置检测；2）采用后部驱动，前部控制方向的做法可以使前部结构简单，但不利于后部加力控制。该方案需要一个庞大的水下作业载体，结构比较复杂。 2.3 爬行类动物的运动机理分析仿生学（bionics）是研究生物体结构与功能的工作原理，根据这些原理发明性能优异的新型机械系统的科学67。提出模型，进行模拟是仿生学的基本研究方法。由于仿生机械具有生物运动器官的精密构件，又有优异的智能系统，可以巧妙控制，执行复杂的动作，近年来逐渐成为机器人研究的一个热点。为了完成一

17、些特殊环境下的作业任务，如管内爬行、海底行走等，相继研究了一些模仿生物运动的新型机器人，如蛇行机器人、蜗牛式爬行机、索状移动机器人、仿象鼻串并联机构、压电陶瓷驱动的微移动机器人等。通常，移动式机器人有车轮型、履带型、腿脚型、躯干型四种，其中躯干型为一些爬行动物所具有，如蛇、蚯蚓、丈量虫等。模仿躯干型生物的机器人具有结构紧凑、可实现微小运动等特点。更重要的是躯干型生物动作灵活，适于在狭小空间内的作业，如蚯蚓可凭借身体的伸缩蠕动在泥土中爬行。研究它的运动机理，对拱泥机器人样机研制有着十分重要的参考意义。自然界中躯干型的蠕动生物多种多样，如蛇、蚯蚓、丈量虫等。蛇可以象流水一样平滑移动，它的每一环节都

18、参加运动，此外蛇的体重均匀，能通过沼泽和不毛之地，其运动过程中，后一部分能精确地跟踪前一部分的运动，可以穿过狭缝和障碍。而蚯蚓等一些低级环节动物，遇到障碍后可以本能退让，然后再继续爬行。分析这类蠕动生物的运动规律，可以将其分为二类。如图2.3所示，蚯蚓借助躯体的前后伸缩实现向前运动，而尺蠖则依靠躯体的上下起伏使身体向前移动。蚯蚓的运动形如一种纵波，即躯体的伸缩（振动）方向与躯体的运动方向是平行的，我们称之为纵波蠕动体。而尺蠖躯体上下起伏（振动）方向与躯体的运动方向相垂直，类似一种横波运动，我们称之为横波蠕动体。这样，我们就可以把生物蠕动体的复杂运动简化为简单的波动形式，从而建立起其运动模型。2

19、.3.1 横波蠕动体的运动模型图2.2给出了尺蠖的蠕动过程姿态示意图。由图可知，其头和尾分别起着保持器的作用，使之在不同阶段与地面保持不同的关系（吸附或脱离），而躯干部分则起着推进器的作用69。 尺蠖的蠕动是一种周期性的动作，蠕动体的姿态呈某种规律性的变化，如果把尺蠖运动中的每一种姿态称为“一拍”，则在一个动作周期内蠕动可分为六拍：头吸附，躯干静止，尾脱离；头吸附，躯干收缩，尾跟随；头吸附，躯干静止，尾吸附；头脱离，躯干静止，尾吸附； 头跟随，躯干伸长，尾吸附；头吸附，躯干静止，尾吸附。 经过上面六拍，尺蠖的头和尾均向前移动了一段距离d。如果称尺蠖在一个动作周期内质心向前移动的距离 d 为“步

20、距”，显然，步距的大小取决于其躯干的相对位移（伸缩程度）。根据尺蠖的蠕动规律,可以建立横波蠕动体的运动方程。横波蠕动体质心是以波动的形式进行的，根据物理学的波动理论，对于一切平面波，均满足波动方程： （2-1）式中 y 质心的纵向振动位移；x 质心距坐标原点的距离； c 波速。 假设横波蠕动体的头和尾在蠕动过程中均为匀速运动，根据其运动规律可以推导出如下的运动方程,其质心的振动位移为： （2-2） 头部运动方程为： （2-3）尾部运动方程为： （2-4）式中: A 振幅； 角频率； 头和尾蠕动的步距；T 蠕动的周期；n 自然数。2.3.1 纵波蠕动体的运动模型由于蚯蚓可以凭借身体的伸缩蠕动在泥

21、土环境中爬行，与拱泥机器人的作业机理是一致的。如果能够模仿蚯蚓的蠕动状态，进行拱泥机器人的原理样机研制，应具有一定的可实现性。蚯蚓的蠕动姿态是一种周期性动作，每个蠕动周期向前移动距离d。作为一种低等级的环节动物，它的各个环节之间能始终保持协调伸缩运动，符合纵波运动规律。我们在这里建立纵波蠕动体的简化运动模型70。如图2.4所示，将纵波蠕动体分成三个环节，置于蠕动平面上。其蠕动规律可描述为：左部关节与平面保持接触，中部环节带动右部关节伸出；右部关节与平面保持接触，中部环节带动左部关节跟进。设中部环节的运动规律为，若其伸长为l，则产生的变形可以用线密度表示。其任意截面x的线密度可表示为 （2-5）

22、式中： 无伸缩波动时蠕动体的线密度； x截面相对纵向变形量。若中部环节伸长变形的波动速度为，则整个蠕动体向左运动的速度可表示为 （2-6）蠕动体向左时蠕动的位移为 （2-7）式中： 中部环节的初始长度。由上述分析可知，蠕动式具有如下特点：蠕动体的结构简单；运动所需要的驱动器数目少；蠕动是一种周期性动作，便于控制。这些优点，使得蠕动这种形式非常适合于本文拱泥机器人的蠕动进给机构。2.4 拱泥机器人总体方案设计通过对前述几种方案的分析和对爬行类动物运动机理的研究，我们提出了一种全新的拱泥机器人方案。如图2.5所示，拱泥机器人的本体由拱泥头、转向机构和蠕动爬行机构三部分组成。拱泥头的作用是攻穿泥沙，

23、并形成具有一定承载力的泥壁。后部的蠕动爬行机构用来实现机器人在已形成的泥壁中蠕动爬行。在拱泥头与蠕动爬行机构之间有一套转向机构，用来实现拱泥头蠕动爬行机构俯仰、侧摆两个方向的小角度转动，以调整机器人的前进方向。在拱泥机器人的尾部拖带一条由动力缆和承重缆组成的复合缆，动力缆由动力线和信号线构成，承重缆则由穿引千斤的细钢索构成。2.4.1拱泥头结构方式的确定拱泥机器人的头部必须具备攻穿泥沙的功能。在使用手动攻泥器作业中，主要依靠高压水的喷射和潜水员施加的推力使前方的泥土松散并排出；而在接杆式自动攻泥器的方案中，泥土被前端的旋转刀盘切碎后，在高压水的冲刷下排出。此外，在陆地不开挖技术所使用的导向钻机

24、，也采用旋转刀具切泥并利用润滑液的循环流动将泥屑排出的方式。因此拱泥机器人头部结构采用切削加高压水冲射排泥的方式是可行的。采用蠕动爬行方式后，由于蠕动进给的作用力主要由支撑足与泥壁之间的摩擦力提供，要求攻穿泥沙后形成的泥壁孔洞具有一定的承载力。若头部结构采用切削方式，则拱泥头边旋转切泥边蠕动进给，要求蠕动进给机构应具有足够的驱动力，切削泥后排泥较困难，且切削后孔洞的承载能力下降。目前陆地不开挖技术中广泛使用的地下穿孔机引起了我们的兴趣。无论气压驱动还是液压驱动，地下穿孔机在结构上都采用往复冲击的方式。由于海洋和江河湖泊沉积土颗粒间的孔隙被水完全填充，为水、固两相体，是一种饱和淤泥质粘土，在排水

25、冲击的条件下，能够产生压密变形，形成具有一定承载力的孔洞。因此，在这里拱泥头的设计采用冲击振动的方式，通过其内部的冲击机构，使拱泥头产生向前的冲击运动，对前方的泥土进行破碎和挤密，将泥土挤到拱泥头的四周形成泥壁，从而无需另外设计排泥装置，使整个结构大为简化，且形成的泥壁利于后面蠕动爬行机构的支撑进给。2.4.2 蠕动爬行机构分析拱泥机器人蠕动爬行机构是模仿爬行类生物的结构特点进行设计的。它由前支撑机构、后支撑机构和蠕动进给机构组成。前后支撑机构结构相同，由力矩电机带动一组齿轮齿条机构，每组齿轮齿条机构由一只齿轮和四只齿条组成，每只齿条与一片支撑足铰接，四片支撑足之间采用柔性联接。若电机正转，则

26、四片支撑足同时向外伸出，支撑泥壁，若电机反转，则四片支撑足收回。为加大支撑足与泥壁之间的静摩擦力，在支撑足的外侧增加了一些倒刺。蠕动进给机构位于前后支撑机构之间，为电机带动的一套螺母丝杠机构，可实现前后支撑机构交替向前运动。蠕动进给机构与后支撑机构之间采用柔性联接，以使蠕动爬行机构向前进给的过程中能够沿拱泥头形成的曲线轨迹运动。若拱泥机器人向前运动一次的步距为d，则蠕动爬行机构的动作过程描述为：后支撑机构伸出，四只后支撑足支撑泥壁；若后支撑足与泥壁之间的静摩擦力大于前支撑机构向前运动的阻力，则蠕动进给机构推动前支撑机构移动距离d；后支撑机构收回，前支撑机构伸出，四只前支撑足支撑泥壁；同样，若前

27、支撑足与泥壁之间的静摩擦力大于后支撑机构和复合缆向前运动的阻力，则蠕动爬行机构反向进给，可拖动后支撑机构与复合缆前进距离d。当前方遇到不能攻穿的障碍物时，按照相反的动作次序，蠕动爬行机构可以实现后退运动。2.4.3 转向机构设计拱泥机器人作为一种水下特种作业机器人，应该具备自主选择移动方向的能力，因此要有一套灵活可控的转向机构。转向机构置于机器人头部与蠕动爬行机构之间，具有俯仰和侧摆两个方向的旋转自由度。根据拱泥机器人作业指标，若拱泥机器人作业平面为yz平面，拱泥距离为30m，拱泥深度为5m，设拱泥机器人每次运动的步距为0.2m，预定的运动轨迹为二次曲线，则根据曲线拟合的结果，拱泥头每次俯仰5

28、即可实现沿预定轨迹的运动。由于拱泥机器人在前进过程中，可能会偏出yz平面，因此需要通过拱泥头的侧摆转动使机器人始终保持在yz平面内运动。根据拱泥机器人的运动特点，侧摆转动在小角度范围内即可满足要求。由于拱泥头的俯仰、侧摆需要分别控制，故在这里拟采用两套锥齿轮传动机构，来实现拱泥头的转向。2.4.4 工作原理分析拱泥机器人本体上有位置和姿态传感器，可以实时检测机器人在泥土环境中的工作位置及运动姿态，并反馈给控制系统，完成调整方向和避障等作业规划。使用拱泥机器人进行水下穿引千斤作业的过程为：首先对沉船的水下环境进行探测，确定一系列拱泥位置；然后根据沉船的断面形状，规划拱泥机器人的运行轨迹；将装载拱

29、泥机器人的水下平台放至第一个拱泥位置，调整好入泥方向，准备进行拱泥作业。拱泥机器人的运动采用周期性动作方式，其动作过程描述为：转向机构根据预行先规划的轨迹调整拱泥头的运动方向；拱泥头在冲击机构的作用下，经过反复冲击，将前方的泥土冲出长度d 的孔洞；后支撑机构伸出，支撑泥壁；蠕动进给机构推动前部移动距离d；后支撑机构收回，前支撑机构伸出，支撑泥壁；蠕动进给机构拖动后部前进距离d，完成一个作业循环。通过拱泥机器人的周期性动作，可完成沿预定轨迹的拱泥作业，其间若遇到不可攻穿的障碍物，则拱泥机器人向后蠕动一定距离后，重新选择前进方向，绕开障碍物后继续沿预定轨迹前进。当拱泥机器人从沉船另一侧钻出后，可被

30、水下平台运载至下一个拱泥位置继续进行拱泥作业。采用头部冲击和蠕动爬行相结合作为拱泥机器人的设计方案，具有以下优点：1）由于穿孔机在陆地不开挖施工中的成功应用，将冲击运动的结构原理用于拱泥机器人样机的结构设计中，具有一定的可行性；2）把冲击原理与蠕动机器人的爬行原理相结合，是该设计方案的新颖之处；3）冲击式方案不用排泥，而且冲击后的孔洞有一定的承载能力有利于支撑机构的支撑。2.5 拱泥机器人的运动仿真研究 由于拱泥机器人是一个复杂的系统，有必要在方案初步设计后进行系统的动态仿真研究，建立拱泥机器人的虚拟样机（Virtual Prototyping）。通过虚拟样机的研究，可以分析机构相互运动关系和

31、各部件之间的约束关系，为进步的样机设计提供依据。ADAMS软件是美国MDI公司开发研制的一套机械系统仿真分析软件，就用其先进的多体动力学技术可对所有的运动机械系统自动进行静力学、运动学和动力学分析，在模拟工作条件下应用“虚拟样机”技术可逼真地模拟其所有运动，优化选择设计方案。本文根据前面所提出总体方案，利用ADAMS软件建立了拱泥机器人的动态仿真模型。模型共有6个驱动器：拱泥头的平移驱动、转向机构的转动驱动、前支撑机构的旋转驱动、蠕动进给机构的平移驱动、支撑机构的旋转驱动及前后支撑机构之间的被动转动驱动。由于拱泥机器人采用周期性节拍运动方式，建立其一个周期的动作节拍表如下：表2.1 拱泥机器人运动节拍表Table 2.1 The movement meter table of the move-in-mud robot 12345678拱泥头前进转向机构转动前支撑机构伸出回缩蠕动进给机构向前向后后支撑机构伸出回缩前后支撑之间的被动转动转动转动通过建立的动作节拍表