水下捕捉海星遙控機器人（ROV）的設(shè)計和運動分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）

水下捕捉海星遙控機器人（ROV）的設(shè)計和運動分析（優(yōu)秀含CAD圖紙+設(shè)計說明書）,水下,捕捉,海星,遙控,機器人,rov,設(shè)計,以及,運動,分析,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,圖紙,說明書,仿單 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 水下捕捉海星ROV的設(shè)計和運動分析 摘 要 海星是海洋中的一類海底棲息的無脊椎動物。一方面，海星強大的捕食和繁殖能力會對貝類會造成破壞，從而對沿岸漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖造成威脅和損失。另一方面，海星特殊的生長環(huán)境讓它的營養(yǎng)價值豐富，而且對于疾病有很好的療效。因此，抓捕海星對于我們來說變得越來越重要。 隨著世界水下機器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的針對具體工程應(yīng)用的機器人被開發(fā)使用。其中，ROV因其經(jīng)濟性好、靈活性高、環(huán)境適應(yīng)性好、工作效率高、使用有效等特點，得到了迅猛發(fā)展。本論文在總結(jié)國內(nèi)外ROV發(fā)展的并參閱了大量的學(xué)術(shù)期刊和論文的基礎(chǔ)上，針對水下抓捕海星的具體應(yīng)用，設(shè)計了一種封閉式的、具有對稱框架結(jié)構(gòu)的水下ROV機器人。 本論文根據(jù)海星的生存環(huán)境，對于ROV的具體工作環(huán)境要求進行了設(shè)定；主要介紹了ROV的系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成了艙內(nèi)各部分位置的分配；設(shè)計了ROV下潛器的浮體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)，并對于耐壓殼體部分進行了選擇和設(shè)計；重點設(shè)計了ROV的動力傳動系統(tǒng)，并對相關(guān)軸和齒輪等進行了計算校核；對于封閉框架的靜密封和推進器旋轉(zhuǎn)軸的動密封環(huán)節(jié)進行了方案的選擇和設(shè)計。 本論文設(shè)計了基于四連桿曲柄搖桿單驅(qū)動機構(gòu)和五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動機構(gòu)的機械手；建立了基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動機構(gòu)的運動學(xué)方程，并用matlab進行了軌跡的設(shè)計和優(yōu)化過程，得出了機械手相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。使用ADAMS軟件完成了對于軌跡的模擬仿真和運動分析。 關(guān)鍵詞：捕獲海星； 水下機器人； 曲柄連桿機構(gòu)； 優(yōu)化設(shè)計； 運動仿真 Ⅰ Abstract The starfish is one of the marine invertebrates which perch on the seafloor. On the one hand, the powerful feeding and breeding of the starfish can cause great damage to the shellfish, which will pose a threat and create the loss to the coastal fisheries and aquaculture. On the other hand, the special living environment of the starfish makes it rich nutritional value, at the same time, it has good curative effect for human and animal diseases. Obviously, the starfish capturing work is on the agenda. With the development of the underwater robot technology, more and more robots are developed in the specific engineering application. Among them, the ROV has been developing rapidly, due to its relatively cheap price, high flexibility, good adaptability for the environment, high working efficiency and the effective performance, etc. According to the specific application of capturing the undersea starfish, on the base of summarizing the development of the ROV in the world referring to a large number of academic journals and papers, this paper has designed a closed ROV underwater robot with symmetrical frame structure. As for the living condition of the starfish, the working environment demands are set; This paper mainly introduces the ROV system scheme and the structure design, and the distribution of the position for each part; The selection and design of the floating body, frame, and the pressure hull; The design of the ROV power transmission system, and calculation of the related shaft and gear; The selectionand design of the proposal with the static sealing for the closed framework and the dynamic sealing for the axis of the rotating thrusters. The paper introduces the manipulators, one is based on the four-bar crank rocker with single drive, the other based on the five-bar double-crank with double drive, and the kinematics equation for the five-bar. The software Matlab is used for the trajectory design and optimization process, and the optimization of related parameters fro the manipulator is obtained; At the same time, ADAMS is applied in the simulation and motion anslysis for trajectory. Keywords: starfish capture； underwater robot； crank-link mechanism； optimization design； kinematic simulation Ⅲ 目錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 水下機器人種類 2 1.3 ROV國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4 本論文完成的主要工作 4 2 ROV的系統(tǒng)方案設(shè)計 6 2.1 ROV設(shè)計構(gòu)思 6 2.2 ROV總體設(shè)計 8 2.2.1 形狀設(shè)計和自由度分析 8 2.2.2 浮體的設(shè)計 8 2.2.3 框架的設(shè)計 9 2.2.4 耐壓殼的設(shè)計 10 2.2.5 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 11 2.2.6 密封的設(shè)計 12 2.3 本章小結(jié) 13 3 ROV捕獲裝置的設(shè)計 14 3.1 基于四連桿單驅(qū)動的曲柄連桿機構(gòu) 14 3.2 基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動機構(gòu) 15 3.3 五桿捕捉海星軌跡規(guī)劃 16 3.3.1 軌跡規(guī)劃思路 16 3.3.2 五桿機構(gòu)數(shù)學(xué)模型 18 3.3.3 優(yōu)化工具箱MATLAB 21 3.3.4 軌跡設(shè)計過程 22 3.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 24 3.4 本章小結(jié) 25 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計 26 4.1 推進器整體轉(zhuǎn)動負(fù)載計算 26 4.2 重力與浮力的計算 28 4.3 耐壓殼體的仿真分析 29 4.4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計校核 30 4.4.6 齒輪的設(shè)計校核 30 4.4.7 軸的強度校核 33 4.5 本章小結(jié) 41 論文的總結(jié)與展望 42 參考文獻 43 附錄 45 致謝 47 Ⅴ 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計 1 緒論 1.1 引言 我們地球表面的面積是5.1億平方公里，然而這其中3.6億平方公里是海洋，它占地球總表面積的比例為70.8%。海洋，是我們四大生存發(fā)展空間——陸、海、空、天中在陸地后面的第二大發(fā)展空間，是化石能源、生物資源和金屬資源極具戰(zhàn)略性的開發(fā)場所，這個空間的發(fā)展?jié)摿σ彩亲畲蟮腫1]。在21世紀(jì)，人類科技一直在迅速地發(fā)展，人們面對蘊含豐富資源和能源的海洋，已經(jīng)不僅僅局限于單純的觀測行為，而更加注重的是如何對海洋進行全方位的開發(fā)和利用。現(xiàn)在，人類面臨著諸如能源幾近枯竭、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，因此對海洋進行開發(fā)和利用，有利于我們的可持續(xù)發(fā)展和相關(guān)海洋產(chǎn)業(yè)的壯大，這也是我們的必然選擇。 海星具有強大的捕食和繁殖能力，它們對于貝類會造成比較顯著的破壞，從而對沿岸的漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖造成較大的威脅和損失。例如，在韓國的南部海岸，分布著一種阿穆爾海星，這種入侵的海星物種給當(dāng)?shù)貛淼南喈?dāng)大的麻煩。它們胃口很大，捕食貝類，在韓國海域不存在自然天敵，從而繁殖和再生能力巨大。不僅僅是海岸的漁場，而且自然的湖泊也會受到這些海星的威脅。例如，澳大利亞的大堡礁連續(xù)不斷地報道海星數(shù)量爆炸性增長的問題。雖然海星對貝類有很大威脅，但是它營養(yǎng)方面的價值較高，而且對多種疾病是有一定作用的。海星富含大量蛋白、一些不飽和脂肪酸、大量氨基酸、微量元素和維生素等，如果把它作為我們的營養(yǎng)食物，將會有較好發(fā)展遠(yuǎn)景。另外，海星有大量構(gòu)造獨特的具有生物活性的代謝產(chǎn)物，如生物堿、皂苷、多糖、甾醇、多肽等，它們具有較好的生理作用，如抗擊癌癥、抑制病菌、抗擊炎癥、降血壓和血脂等，若是將其應(yīng)用在醫(yī)藥行業(yè)、保健品以及動物飼料等范疇，會有巨大的應(yīng)用前景[2]。 不論是減小海星對于漁業(yè)的影響，還是捕捉進行科學(xué)研究或者相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)利用，海星的抓捕工作已經(jīng)提上了日程。在韓國，一個潛水員一天可以手工采集100KG海星。然而，這項工作非常辛苦，效率低下，而且水下工作總會伴有意外的風(fēng)險和減壓病。用潛水器潛水，一個潛水員利用一個空氣儲蓄器可以下潛30-40分鐘，到達(dá)20M的深度。往往一個水下任務(wù)結(jié)束后，一些潛水員會出現(xiàn)肌肉骨骼病，皮膚病和排尿困難等疾病。潛水員一般都患有慢性頭痛和肌肉骨骼疾病，因為他們每天要反復(fù)潛水5-6小時。 如果這類捕捉海星的工作交給水下ROV機器人來完成，那么工作效率會大幅度提升；工作時候的安全事故率也會降到最低；另外，下潛的深度有很大的靈活性；最后，它可以在水下更長時間地進行工作。 1.2 水下機器人種類 根據(jù)可以不可搭載人，將水下機器人分類為載人和無人水下機器人。載人水下機器人的運動是由潛航員來進行操控的，其中的實驗者可以直接觀察外部的海洋環(huán)境，其優(yōu)勢在于人的感覺可以處理各種復(fù)雜的問題，但是危險性也是很大的。另外，水下載人和航天工程是非常類似的，需要為潛航員提供生命保障系統(tǒng)，這就造成潛航器的體積巨大、系統(tǒng)復(fù)雜、成本昂貴、應(yīng)用環(huán)境受限等不利因素。無人水下機器人，通常來說就是我們熟悉的水下機器人，排除了人的考慮因素，它工作的時間、空間都有很大的自由。水下機器人按照有無線纜與水面實驗平臺聯(lián)系分為兩大類[3]。 一類是有纜水下機器人，即遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）；另一類是無纜水下機器人，即自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicl，AUV），自帶能源，依靠自身的自治能力來管理和控制自己。 1.3 ROV國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ROV是有纜水下機器人的簡稱，它由電纜從母船獲取動力，并不是完全自主的，需要人利用電纜對ROV操縱。ROV依據(jù)不同的運動方式，可分為3種：（海底）移動式、拖拽式和浮游（自航）式[4]。 較早獲得應(yīng)用的無人潛水器便是ROV，其研制始于20世紀(jì)50年代，雛形是幾個美國人想要觀察神秘的海底。他們把攝像機密封在防水的殼體內(nèi)，將其帶入海底，成為了第一代浮游式有纜潛水器。1960年由美國人研制的“CURV”是世界上第一個下潛ROV。1966年1月它與載人潛水器共同協(xié)作，在西班牙的外海找到了一個因轟炸機失事而掉到海底的氫彈，對其完成了成功打撈。從此之后，全世界都轟動了，ROV技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用引起了不少國家的重視[5]。 圖 11 Video Ray PRO 3E Video Ray PRO 3和Video Ray PRO 4系列水下機器人是由美國Video Ray公司設(shè)計開發(fā)的。它們主要應(yīng)用的領(lǐng)域為海上石油平臺、港口水庫檢測、水產(chǎn)養(yǎng)殖、教育科研等領(lǐng)域。其中，Video Ray PRO 3系列包括PRO 3 E，PRO 3 S，PRO 3 XE等總重量不同的潛水器。Video Ray PRO 4系列包括PRO 4 AQ 300MS，PRO 4 CD 300BASE，PRO 4 SAR 300BASE等潛深300m在安檢和打撈等方面應(yīng)用的小型ROV。Video Ray PRO 3 E（圖1-1）最大潛深為152m[6]。 圖 12 江豚 目前國內(nèi)小型ROV有天津深之藍(lán)海洋設(shè)備科技有限公司設(shè)計開發(fā)的小型纜控水下觀測機器人——“江豚”（圖1-2），天津斯卡特科技有限公司設(shè)計研發(fā)的MINI 75C和MINI 150C，以及上海交通大學(xué)應(yīng)用于核工業(yè)無損檢測的ROV。 “江豚”的尺寸為長330mm，寬202mm，高175mm，該小型纜控水下觀測機器人由甲板監(jiān)控單元和利用電纜聯(lián)系的水下運動平臺構(gòu)成。水下運動平臺可以實現(xiàn)靈活的水下的空間控制，并且可以獲得較高質(zhì)量的圖像和視頻?！敖唷笨梢詫崿F(xiàn)快速2πrad/s旋轉(zhuǎn)運動，精確前進方向的保持和工作位置的懸停運動等?！敖唷敝饕獞?yīng)用于河道、港灣、湖泊、海水等水下目標(biāo)搜撿，以及水產(chǎn)行業(yè)、大壩保護、港口安全和船舶日常維護等領(lǐng)域[7]。 圖 13 MINI 75C 圖 14 MINI 150C MINI 75C ROV（圖1-3）外包裝是器材箱的形式，主要包括水下ROV本體、用戶操作平臺、多種線纜和其他必要的工具等，重量是38kg。內(nèi)置云臺，俯仰140度。MINI 75C ROV（圖1-4）最大潛深76m，航行速度1m/s（2節(jié)）。MINI 150C ROV與75C的不同之處在于水平推進器和垂直推進器的長度較長，電纜長度較長，航行速度為1.5m/s（3節(jié)）。 圖 15 核工業(yè)無損檢測ROV 上海交大研究過一種核工業(yè)檢測的ROV（圖1-5），可以潛航50m深，長寬高分別為500mm、500mm和480mm，前進的速度為0.5節(jié)[8]。 經(jīng)過上面的介紹，我們可以看出ROV水下機器人技術(shù)一直在不斷的發(fā)展。國外的研究和商業(yè)化的成果較多，國內(nèi)這些年相關(guān)技術(shù)也在蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)階段，對于具體的工程應(yīng)用，仍然亟待進一步的研究。 1.4 本論文完成的主要工作 本論文主要針對于捕捉海星這一實際的工程應(yīng)用情景，希望通過設(shè)計新型的ROV結(jié)構(gòu)來代替人力高效完成相關(guān)的工作。從全篇來看，主要把文章分成了下面3個大方面的內(nèi)容： （1）ROV系統(tǒng)的系統(tǒng)方案的設(shè)計：通過對于海星生活環(huán)境的分析，得出ROV的工作環(huán)境要求，進行了ROV總體的設(shè)計構(gòu)思，對于運動的自由度完成了相關(guān)的分析；完成主要的浮體、框架、耐壓殼、傳動系統(tǒng)、靜密封和動密封的設(shè)計。 （2）ROV搭載捕捉海星機械手設(shè)計：通過捕捉海星需求的功能分析，基于四連桿和五連桿結(jié)構(gòu)進行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用matlab進行優(yōu)化，用 ADAMS進行軌跡的仿真分析。 （3）ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計：包括推機器需要的負(fù)載計算；重力與浮力的計算；耐壓殼體的Simulation分析；重點進行了傳動系統(tǒng)傳動軸和齒輪的校核工作。 47 2 ROV的系統(tǒng)方案設(shè)計 2.1 ROV設(shè)計構(gòu)思 考慮到捕捉海星，ROV需要通過攝像頭傳感器對于海星的位置進行相關(guān)的測量，并通過線纜實時地傳到測量平臺上，并進行捕捉動作的操縱。另外，為了能夠在水下穩(wěn)定地運動，把ROV整體設(shè)計成為一個對稱的結(jié)構(gòu)，需要加載捕捉海星的籠子，因此ROV整體可以設(shè)計成框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計成對稱的布置。除此之外，還有很多如下的技術(shù)指標(biāo)要求： （1）尺寸重量限制：為了2個人能夠輕松地進行放置，ROV的重力G＜60kgf（1kgf=9.8N）；其在水中的最小負(fù)荷為5kg（海星的重量）；其尺寸長×寬×高＜1000×700×500（單位為mm）[9]。 （2）環(huán)境條件：海水的平均流速為0.5m/s；海水的透光度設(shè)定為2.5m；海水的溫度為5-25℃，ROV的潛水深度小于40m；其著陸的地質(zhì)為沙灘、海泥、海底礁石（海星平常的生活環(huán)境）；潛在的障礙有海藻、丟棄的漁網(wǎng)、海底巖石等； （3）運動要求：需要在空間運動上實現(xiàn)六個自由度；ROV前進的速度要大于1m/s（2節(jié)，1節(jié)≈0.5m/s）；可以進行懸停運動；在潛航器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后10秒內(nèi)完成捕獲；可以對各種各樣的海星進行捕捉。 （4）能量：動力源除了外部電纜外，內(nèi)置12/24V的交直流蓄電池；線纜長度預(yù)設(shè)為200m，線纜電源為220V交流電，配置5000VA的穩(wěn)壓器。 （5）其他：能夠承受5bar的壓力（每10米水約等于1個大氣壓）；產(chǎn)生的噪音盡量小于140dB（不會對其他水下生物造成影響）；內(nèi)置攝像頭、距離、GPS、重量、速度、加速度等傳感器進行實時的信號測量與傳輸。 通過上面5個方面，得到ROV的設(shè)計要求表： 表 21 設(shè)計要求說明 設(shè)計要求說明 項目 目錄 模型 尺寸限制：長×寬×高＜1000mm×700mm×500mm 表 2-1 設(shè)計要求說明 （續(xù)） 重量 1、重力：G＜60kgf（1kgf=9.8N）（2個人可以輕松放置） 2、水中的最小負(fù)荷：5kg（海星重量） 工作條件 1、 海流速度：0.5m/s（海水的平均流速） 2、 海水的透光度：2.5m（每月海水透光度最小值的平均值） 3、 潛水深度：＜40m 4、 著陸地質(zhì)：沙灘、海泥、海底礁石（海星平常的生活環(huán)境） 5、 潛在障礙：海藻、丟棄的漁網(wǎng)、巖石 6、 海水溫度：5-25℃ 運動要求 1、 自由度（DOFS）：6自由度 2、 推進速度：＞1m/s（2節(jié)，1節(jié)=(1852/3600)m/s≈0.5m/s） 3、 懸停運動：捕捉海星作業(yè)的主要運動 4、 捕捉速度：在潛航器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后10秒內(nèi)捕獲 5、 捕捉目標(biāo)：各種各樣的海星 能量 1、 動力源和傳送：外部線纜，內(nèi)置12/24V交直流蓄電池 2、 線纜長度：150m 3、 電源：220V AC，5000VA穩(wěn)壓器 傳感器等裝置 1、 視覺系統(tǒng)：機器人攝像頭 2、 照明系統(tǒng)：前進時照亮距離≥1m 3、 傳感器：距離、GPS、重量、速度加速度傳感器等 信號傳遞 通過線纜進行傳遞，從船上收發(fā)指令后自動進行工作 耐久力 1、 能夠承受5bar的壓力（每10米水約等于1個大氣壓） 2、 能夠克服上述的潛在航行障礙 2.2 ROV總體設(shè)計 2.2.1 形狀設(shè)計和自由度分析 圖 21 ROV自由度分析 捕捉海星的籠子較大，為了與其配合，把ROV設(shè)計成長方體封閉式[10]的框架結(jié)構(gòu)，使用4個推進器，其位于長方體的4個角上，并處于一個水平面內(nèi)。浮體位于框架的上下兩側(cè)，潛航器最下面裝載機械手和籠子。推機器螺旋槳的轉(zhuǎn)向可以通過控制臺來進行控制，那么如果推進器兩兩組合，同時整體轉(zhuǎn)向，就可以實現(xiàn)ROV在水下空間六自由度的運動。 為了驗證此方案在實際的運動中是可行的，通過簡單的示意圖來分析它能夠完成的自由度，如圖2-1。 通過對于上面6個過程的分析，發(fā)現(xiàn)推進器這樣布置和運動，可以實現(xiàn)ROV的前進后退、上浮下潛、橫移、航向、俯仰和橫滾，即ROV在水下能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉海星和潛航所需運動自由度要求。 2.2.2 浮體的設(shè)計 浮體的最大作用就是為ROV提供足夠的浮力，采用PP高分子聚丙烯材料，并且其應(yīng)該與ROV的框架固定安裝。根據(jù)正方形的框架結(jié)構(gòu)，浮體的形狀也設(shè)計成正方形的結(jié)構(gòu)。為了減小運動的阻力，其前后端做成流線型的結(jié)構(gòu)。 圖 22 浮體 如圖2-2所示，浮體的四邊需要設(shè)定4個長方形槽，為了方便ROV的電源線插入框架進行連接。兩端部分應(yīng)該留出攝像頭與ROV線纜連接口。中間部分設(shè)置一個圓環(huán)，可以通過圓環(huán)來連接起吊裝置或者裝載機械手和籠子等。另外，需要在浮體上設(shè)置必要的連接孔，以方便其固定在框架結(jié)構(gòu)上。 2.2.3 框架的設(shè)計 框架是ROV的主體結(jié)構(gòu)，對于它來說，需求的功能有：與浮體相連接；裝載蓄電池、傳動系統(tǒng)、傳感器等裝置；是靜密封的主要對象；封閉后提供ROV需要的大部分浮力；決定密封殼體的形狀。ROV的框架一般分為密封式和開架式，因為要內(nèi)置蓄電池、傳動系統(tǒng)，我們采用密封式的結(jié)構(gòu)。 整個框架設(shè)計成長方體類型，基本上下左右成對稱分布；連接支撐推進器的45度方向設(shè)置支撐；除蓄電池座外，呈中空設(shè)計，以方便傳動系統(tǒng)的布置；設(shè)置上下位置的環(huán)形靜密封槽口，利用O型墊圈密封；前后留出攝像頭和線纜接頭的空間，具體如下圖2-3所示： 圖 23 框架 考慮為了減輕整體ROV的重量，并且具備抗沖擊、抗腐蝕、易成型等特點，因此框架的材料采用不銹鋼。 2.2.4 耐壓殼的設(shè)計 為了保證水下機器人在水下不會滲入海水，或者遭受海水的腐蝕，我們需要用耐壓殼體來對水下機器人與海水接觸的部分進行一定程度的密封工作，以保證在機器人內(nèi)部的相關(guān)傳動系統(tǒng)等電力自動化設(shè)備不會受到海水的威脅。另外，耐壓殼體通過對整個密封艙的密封，能夠提供給ROV大部分的浮力，有利于ROV的本體設(shè)計工作的進行。故對于耐壓殼體的物理性能有較高的要求，而且需要進行有效的密封。 常用的ROV耐壓殼體的形式有球形和圓筒形。但是除此之外，根據(jù)具體的工程應(yīng)用環(huán)境和對ROV具體要求，還能夠采用例如方形和長方形形狀的殼體[11]。 對于耐壓殼體來說，另一個需要考慮的因素就是材料。根據(jù)水下機器人工作條件的不同，耐壓殼體實用的材料也會有差異。總體來說，殼體的材料分為金屬和非金屬兩類，為了能夠保證機器人水下作業(yè)的良好性能，需要對材料的物理性能作周密的考慮。材料本身需要抗海水的化學(xué)或者電化學(xué)腐蝕，還需考慮材料的低周疲勞、張力強度、蠕變、可成型性、成本和是否易獲得等等因素。 本次設(shè)計的耐壓殼需要進行捕捉海星的工作，與框架相配合，采用整體方形的機構(gòu)（如圖2-4），這種結(jié)構(gòu)非常適合淺水作業(yè)級別的潛水器。對于殼體的材料，采用PPE工程塑料制作，它的彈性模量為2300MP，質(zhì)量密度為1060kg/mm2，張力強度和屈服強度為500MP，熱導(dǎo)率為0.22W/（m·K），適合水下的抗水壓要求。為了驗證強度等安全性圖 24耐壓殼 能，在后續(xù)章節(jié)中通過Simulation進行了仿真計算分析，在此不再贅述。 2.2.5 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 為了完成ROV對于自由度的要求，平面分布的四個推進器需要完成整體的旋轉(zhuǎn)運動，并且前端兩個推進器應(yīng)該同時整體轉(zhuǎn)向，后端兩個推進器也要同時完成轉(zhuǎn)向運動。通過分析可知，ROV的運動時方向的改變是比較頻繁的，因此整個傳動系統(tǒng)也需要頻繁改變傳動方向。 圖 25 傳動系統(tǒng) 據(jù)此，選擇了錐齒輪的主要傳動形式，通過大錐齒輪軸與萬向聯(lián)軸器的聯(lián)接，把動力傳遞給推進器的連接桿，帶動前端或者后端兩個推進器同時運動。為了保證ROV在水中的穩(wěn)定性，傳動系統(tǒng)也被設(shè)計成前后對稱的結(jié)構(gòu)，具體形式如圖2-5所示： 由于傳動系統(tǒng)呈對稱分布，因此下面就圓圈內(nèi)的結(jié)構(gòu)做以下分析，參考圖2-6： ⑧ ⑦ ⑥ ⑤ ④ ③ ② ① ⑨ 圖 26 傳動系統(tǒng)放大圖 （1）主要功能：通過圖中我們可以清晰的看出，由錐齒輪軸和大錐齒輪、以及萬象聯(lián)軸器組成的主要傳動機構(gòu)，同時連接著左邊上下兩個推進器，而另一邊也是相同的；當(dāng)動作需要推進器完成整體旋轉(zhuǎn)式，傳動系統(tǒng)就可以實現(xiàn)兩兩的運動，根據(jù)圖2-1的分析，通過調(diào)整推進器的推進方向，ROV在水下就能夠?qū)崿F(xiàn)捕捉海星和潛航所需運動自由度要求。 （2）主要結(jié)構(gòu)： 首先介紹一下傳動系統(tǒng)的幾個組成部分，分別是①蓄電池，②行星輪減速無刷直流電機，③梅花形夾緊聯(lián)軸器，④錐齒輪軸，⑤大錐齒輪，⑥萬向聯(lián)軸器，⑦傳動軸2，⑧傳動軸3，⑨推進器連接桿。 傳動系統(tǒng)的起始端是直流無刷電機，電機支座作為支撐，通過專用的驅(qū)動器控制，從機載蓄電池獲取能源；電機通過梅花形夾緊聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，齒輪軸把動力通過大錐齒輪傳遞給兩個萬向聯(lián)軸器；然后通過推進器連接桿輸出轉(zhuǎn)矩，帶動其運動。 2.2.6 密封的設(shè)計 在ROV水下捕捉海星機器人的結(jié)構(gòu)中，需要考慮密封的主要部位是框架與殼體、推進器的密封座與耐壓殼體、以及推進器密封座與轉(zhuǎn)軸之間。前兩個密封是靜密封，后者屬于動密封。 對于耐壓殼體與框架之間、推進器密封座與耐壓殼體之間密封，可以通過O型圈進行密封。其中，耐壓殼體與框架的密封，通過在框架上下兩側(cè)開槽，進行密封，可以參考圖2-3；推進器密封座與耐壓殼體之間的密封，如下圖2-7所示。 ① ② ③ ④ 圖 27 動密封示意圖 對于水下機器人的動密封，有很多種方法：①O型圈密封。容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，另外，很難做到零泄漏，只能控制泄漏量處于一定的范圍之內(nèi)。②O型圈與聚四氟乙烯滑環(huán)的組合密封。③機械密封。應(yīng)用也比較廣泛，而且適用于各種工況條件。④磁流體密封。能自潤滑，有自密封性和高傳續(xù)效率，但是成本較高[12]。 其中①為耐壓殼體，②為轉(zhuǎn)軸，③為聚四氟乙烯滑環(huán)，④為O型密封圈。 因為整個推進器旋轉(zhuǎn)需要的轉(zhuǎn)速并不是很高，并且下潛的深度并不深，選用O型圈與聚四氟乙烯滑環(huán)的組合密封是較合適的。 2.3 本章小結(jié) 本章節(jié)，通過對捕捉海星這一工程應(yīng)用的分析，制訂了ROV總體的設(shè)計構(gòu)思，對于水下潛航器工作的環(huán)境參數(shù)進行了設(shè)計。從形狀、自由度、浮體、框架、耐壓殼、傳動系統(tǒng)和密封等角度對于ROV總體進行了設(shè)計，對于其初步的結(jié)構(gòu)有了比較明確的定義，這為后續(xù)的捕獲裝置的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。 3 ROV捕獲裝置的設(shè)計 3.1 基于四連桿單驅(qū)動的曲柄連桿機構(gòu) 水下如果要高效地進行海星的捕撈工作，就不能夠僅僅局限于單個海星的逐一抓捕，由于海星的生存也是呈小群落式的分布，因此我們可以利用曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)的曲線來完成海星的抓捕工作。對于曲柄連桿結(jié)構(gòu)來說，四連桿機構(gòu)的研究是比較多的。 圖 31 四連桿模型 通過資料的整理[15]可以發(fā)現(xiàn)，如下的月牙形軌跡的單驅(qū)動的四連桿可以輕松完成海星的抓捕工作，如圖3-1所示的機構(gòu)模型： 其中考慮到籠子尺寸和ROV本體機構(gòu)的尺寸，各連桿的長度分別為L1=80mm，L2=108mm，L3=104mm，L4=247.5mm，L5=101mm，其中彈簧的作用是為了當(dāng)L5與地面海泥接觸后，進行一定的緩沖作用，可以減小阻力。在Solidworks中建立曲柄連桿機構(gòu)的模型，并與框架籠子進行裝配，再保存成為Parasolid.x_t格式的文件，導(dǎo)入到Adams中進行軌跡運動分析，驗證是否可以完成捕獲的工作。 圖 32 ADAMS四連桿運動軌跡分析 通過Adams的軌跡運動仿真，可以發(fā)現(xiàn)這個曲線是可以完成我們捕捉海星的任務(wù)的，并且曲線的水平跨度和深度跨度在合理的范圍之內(nèi)。但是四連桿的缺點有以下幾點：①不能夠進行靈活的軌跡規(guī)劃，驅(qū)動和桿長給定后，運動軌跡就一定了；②不能夠靈活適應(yīng)其他工況下的變化要求，急回特性非常明顯。③僅僅只有一個自由度。相對而言，五連桿的靈活性更大，不僅是桿長，初相位角，雙驅(qū)動角速度等都能夠影響五連桿的運動軌跡，而且五連桿是具有兩個自由度的多自由度機構(gòu)，完成運動的可能性較四連桿大很多。因此本論文從另一個角度探索了利用五連桿進行軌跡規(guī)劃完成捕捉海星動作的可行性。 3.2 基于五連桿的雙曲柄雙驅(qū)動機構(gòu) （一）五桿機構(gòu)分類圖 33 五連桿主要結(jié)構(gòu) 本文中，將五連桿應(yīng)用與海星捕捉的應(yīng)用中，也是尚屬首次。其中如圖3-3所示為平面兩自由度五桿機構(gòu)的幾種主要的結(jié)構(gòu)[13]。我們選擇比較簡單的鉸鏈五連桿作為我們研究的主要對象。 （二）五桿機構(gòu)雙曲柄存在的必要條件 對于五連桿來說，雙曲柄存在條件非常嚴(yán)格，實際應(yīng)用中會極大限制其運動。為了配合運動輸入，夏定玲等人[14]研究總結(jié)了五桿雙曲柄存在的必要條件。所謂的必要條件就是指兩原動件按照一定的運動規(guī)律作整周運動時，五桿機構(gòu)在任一時刻都滿足裝配條件。 首先我們利用CAD做出五連桿的二維模型，并進行數(shù)學(xué)解析的分析。通過三角形基本的三角形原理可以得出雙曲柄存在的必要條件。 圖 34五連桿雙曲柄存在必要條件 由圖3-4可以分析出B點和D點的坐標(biāo)： 其中，，則AB與DE兩原動件按一定規(guī)律運動史，BD之間的距離為： 即在任意時刻需要，兩個式子成立。 3.3 五桿捕捉海星軌跡規(guī)劃 3.3.1 軌跡規(guī)劃思路 五連桿的軌跡規(guī)劃問題，可以總結(jié)歸述為一個數(shù)學(xué)模型的設(shè)計優(yōu)化問題，這個優(yōu)化問題是基于五連桿本身的解析模型和各種線性或者非線性的約束條件下的優(yōu)化設(shè)計問題。 優(yōu)化設(shè)計（Optimal Design）是一種設(shè)計的方法，它由設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件這三個部分構(gòu)成。 （一） 設(shè)計變量 為了表示方便和簡化計算，我們可以用向量來表示設(shè)計問題中的變量。有n個變量，就設(shè)置其為n維列向量。 其中，表示第個變量。在確定的值后，向量就表示一個完整的設(shè)計方案。 （二） 目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)函數(shù)一般將其表示為： （三） 約束條件 通過對特性不同點的分析，把約束分類： （1）邊界類型的約束：設(shè)計變量在已給的環(huán)境條件下，產(chǎn)生的上限和下限，如連桿的長度、相位角的變化范圍，這些都是可以通過對已知條件的分析得到。 （2）依據(jù)某種要求得出的約束，如五桿機構(gòu)中，有可動性的約束條件，有雙曲柄對于桿長相位的約束條件；這些約束，通常可以導(dǎo)出和設(shè)計變量相關(guān)的函數(shù)，用其表示這類約束。 約束條件有不同的表示形式： （1）不等式約束： （2）等式約束： 通過上述的介紹，將數(shù)學(xué)模型用數(shù)學(xué)表達(dá)式[15]表示為： 捕捉海星的實際應(yīng)用中，我們需要的就是連桿的末端點，沿著近似月牙形狀的軌跡運動，達(dá)到捕捉海星的目的。其末端點的解析式可以通過五連桿的數(shù)學(xué)模型解析中通過設(shè)計變量表示出來，利用上節(jié)中四連桿的給出的軌跡，擬合末端實際軌跡與給定軌跡。 3.3.2 五桿機構(gòu)數(shù)學(xué)模型 圖 35 五連桿數(shù)學(xué)模型 如圖3-5所示，五連桿的末端點P需要經(jīng)過我們設(shè)定的月牙形曲線，這是一個函數(shù)的優(yōu)化問題。 需要求出點P沿著我們設(shè)定的軌跡運動時，所需要的各個桿長的長度和初始的相位角，就要建立點P軌跡上的坐標(biāo)與設(shè)計變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。以點A位原點可以建立全局化坐標(biāo)系XAY，可以簡化通過點B求出點P的坐標(biāo)，以點B位原點可以建立局部化坐標(biāo)系X`BY`。 （1）五桿末端點P的分析 要求點P的坐標(biāo)，首先應(yīng)該求出點C的數(shù)學(xué)表示，然后利用角度聯(lián)系求出點P的坐標(biāo)。設(shè)點C在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為x,y，點B在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為，點D在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為。對于點C來說既是以點B為圓心，L2為半徑的圓，又是以點D為圓心，L3為半徑的圓，可以得出下列的方程組求出點C在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)x,y。 通過解方程（5-1），并化簡得： 式中 ， ， 假設(shè)曲柄的輸入運動為勻速，其中，式子中，為初始相位角，，分別是桿1和桿4的轉(zhuǎn)速，t是時間。 方程（5-2）的解為： 點C的在X`BY`坐標(biāo)系下的具體坐標(biāo)是： 帶入到以A點的全局坐標(biāo)系下，點C的坐標(biāo)為： 根據(jù)下面兩個式子，可以分析出點C的局部坐標(biāo)與和之間的關(guān)系： 進而得出點P在全局坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為： （2）月牙形軌跡的數(shù)學(xué)解析 點P所需要經(jīng)過的月牙形的軌跡要與五連桿的桿長等變量聯(lián)系起來，分析可知，把軌跡看成關(guān)于時間t的函數(shù)，因為五桿機構(gòu)的初相位和時間是有連續(xù)關(guān)系的。但是，由于軌跡并不是規(guī)則的形狀，無法給定明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式。那么可將軌跡看成與時間t對應(yīng)的關(guān)于點P的選取的離散點形成的軌跡，能夠很大程度地簡化問題。 （3）評價函數(shù)和變量的確定 根據(jù)上節(jié)中提到的點P與選定月牙形軌跡點間的偏差平均值最小原則，設(shè)置下面的評價函數(shù)[17]： 其中的N為優(yōu)化設(shè)計中所取的點數(shù)，即月牙形軌跡中所取得與時間t對應(yīng)的軌跡點的個數(shù)，而為第i個所取點的橫坐標(biāo)，而為第i個所取點的縱坐標(biāo)。和均是，，，，，，，設(shè)計變量的函數(shù)，所以設(shè)計變量設(shè)置為： （4）約束條件的確定 1、邊界約束：首先根據(jù)設(shè)計的ROV結(jié)構(gòu)限制，每一個桿長都會有一個上下限長度的大致約束，即：。 2、機構(gòu)要滿足滿足必要條件，才能是雙曲柄形式的五連桿： 綜上所述，捕捉海星的五連桿軌跡優(yōu)化問題的約束條件都是不等式約束，包括線性和非線性，如下： 3.3.3 優(yōu)化工具箱MATLAB 通過上述的分析，問題的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計變量和約束條件已經(jīng)清晰，計算編程軟件的出現(xiàn)可以較大程度地提高我們計算的效率。MATLAB優(yōu)化工具箱（Optimization Tool）就是其中的一種。它其中包含了很多評價函數(shù)，可以求解無約束條件非線性極小值，約束條件下非線性極小值（包括目標(biāo)逼近問題、極大極小值問題、半無限極小值問題），二次規(guī)劃和線性規(guī)劃問題，非線性最小二乘逼近和曲線擬合，非線性系統(tǒng)的方程 [16]。 通過上述問題的分析，可以通過matlab中的fmincon函數(shù)，來進行我們此次軌跡的非線性規(guī)劃，它是約束極小值函數(shù)。 其中，x，b，beq，lb，ub是向量，A，Aeq為矩陣，C(x)，Ceq(x)是返回向量的函數(shù)，函數(shù)f(x)，C(x)，Ceq(x)可以是非線性函數(shù)。 它的格式如下： 其中，x是返回目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化結(jié)果； fval是優(yōu)化結(jié)果處的目標(biāo)函數(shù)的值； exitflag是返回算法的終止標(biāo)志； output是輸出優(yōu)化信息； lambda表示Lagrange乘子，它體現(xiàn)哪一個約束有效； grad表示目標(biāo)函數(shù)在x處的梯度； hessian表示目標(biāo)函數(shù)在x出的Hesslab值； myfun是含有設(shè)計變量的目標(biāo)函數(shù)； x0為初始值； A、b滿足不等式約束，若沒有不等式約束，則取A=[]，b=[]； Aeq、beq滿足等式約束，若沒有，則取Aeq=[]，beq=[]； lb、ub是變量的上下邊界，若無，可設(shè)lb=[]，ub=[]； nonlcon的作用是通過接受向量x來計算非線性不等式約束C(x)和等式約束Ceq(x)分別在x處估計C和Ceq，通過指定函數(shù)柄來使用。如下式： 通過編制mycon的M文件來建立非線性約束函數(shù)。 P1，P2是傳遞給fun的附加參數(shù)。 3.3.4 軌跡設(shè)計過程 首先，根據(jù)四連桿得出的軌跡圖形，我們利用ADAMS軟件形成平面的數(shù)據(jù)圖像，以便于我們對軌跡進行特征點的選取。以五連桿數(shù)學(xué)模型中的A點為原點，可以通過ADMAS形成的軌跡數(shù)據(jù)圖，來進行特征點的選取。 為了方便計算和仿真，我們在關(guān)鍵的具有決定意義的拐點處選取多個特征點，盡量完全擬合所需要的月牙形曲線。曲線選擇了四連桿完成的月牙形狀，因為可以通過上一步導(dǎo)出四桿的具體數(shù)據(jù)圖，進行五桿軌跡規(guī)劃時，我們以此為參考軌跡比較方便。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑧ ⑥ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 圖 36 ADAMS四連桿軌跡數(shù)據(jù) 可以通過四桿的具體位置測出軌跡的相對位置，取如圖3-6所示的8個特征點，參考下表3-1： 表 31 特征點說明 編號 1 2 3 4 5 6 7 8 X 250 150 0 -100 0 150 250 375 Y -150 -250 -300 -275 -350 -375 -350 -200 根據(jù)軌跡分布的范圍和ROV潛航器的結(jié)構(gòu)，我們可以大致確定桿長的范圍： ，，， ， 設(shè)曲柄的角速度，兩曲柄的轉(zhuǎn)速比i=1，其中。打開MATLAB的Optimization Tool優(yōu)化工具箱，編寫myfun目標(biāo)函數(shù)及約束mycon的M文件，分別用@myfun和@mycon帶入GUI面板中的Objective function選項中及Nonlinear constraint function中，進行相關(guān)變量的優(yōu)化。 變量較少時，matlab的工作速度是較快的，但是當(dāng)變量較多時，matlab的算法迭代的次數(shù)也會影響其正常的運行速度，我們可以通過GUI右側(cè)的面板來控制迭代精度，以便更好地得出我們的結(jié)論。 算法欄主要有以下幾種：①Interior point內(nèi)點法：適應(yīng)于線性規(guī)劃；②SQP：序列二次規(guī)劃法；③Active set有效集法：適應(yīng)于一般性的非線性優(yōu)化問題；④Trust region reflective置信域映射法：適應(yīng)于帶上界和下界的等式約束條件問題。這里我們可以嘗試序列二次規(guī)劃和有效集法。 設(shè)置起始點Start point和上下邊界Bounds。這里我們設(shè)置起始變量的值為： 運行迭代后，最終各個變量的結(jié)果是： 完成MATLAB優(yōu)化過程。 3.3.5 優(yōu)化結(jié)果分析 根據(jù)MATLAB優(yōu)化的結(jié)果，依據(jù)實際情況確定各個桿長和初始相位角的取值。 ，，， ，，， 圖 37 ADAMS五連桿軌跡運動仿真 用Solidworks進行建模并約束，導(dǎo)入到ADAMS中進行軌跡的運動仿真分析，通過控制時間和步長，并設(shè)置標(biāo)記點來追蹤機械手軌跡。 通過圖3-7，可以發(fā)現(xiàn)曲線并不是完全類似四連桿的月牙形，而是有交點的的曲線，且上下和前后的跨度更大。五連桿是可以完成捕捉海星任務(wù)的。通過下圖的軌跡曲線可以和四桿的曲線進行對比。 為了更加方便地分析五連桿完成同樣任務(wù)的特性和特征，通過ADAMS軟件，導(dǎo)出捕捉海星軌跡的數(shù)據(jù)分析圖，分析圖包括曲線的上限和下限，形狀和具體的平面軌跡數(shù)據(jù)。 導(dǎo)出圖的過程中，要注意實現(xiàn)在機械手上末端點，設(shè)置追蹤點。 從圖3-8我們可以看出，圖 38 ADAMS五連桿軌跡數(shù)據(jù) 捕捉海星的有效跨度最大甚至可以達(dá)到400mm，也就是說一次捕捉海星的數(shù)量較多，上下有效跨度達(dá)到175mm，雖然回程有交點，但是平滑度較高，而且五連桿可以通過靈活進行調(diào)節(jié)。 在具體的應(yīng)用中，五桿機構(gòu)可以在軌跡域內(nèi)規(guī)劃所需要的曲線，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)解析關(guān)系式，利用MATLAB軟件進行反解求解，解析出軌跡點之間的相位角關(guān)系，通過控制電機混合驅(qū)動達(dá)到所需要的軌跡，當(dāng)然此時的電機可以不是恒轉(zhuǎn)速。 3.4 本章小結(jié) 在本章節(jié)中，從四連桿的角度出發(fā)，通過其圖譜曲線分析月牙形的軌跡可以完成捕捉海星的工程任務(wù)。通過建模和仿真，對于其功能進行了比較明確的分析。考慮到五連桿具有更加靈活的應(yīng)用性，以四連桿的軌跡曲線為基礎(chǔ)，通過matlab數(shù)值優(yōu)化，對于五連桿的軌跡設(shè)計進行了一定程度探索，并且比較了兩種實現(xiàn)捕捉海星方式的優(yōu)劣，這為以后的實際選擇和加工提供了比較好的參考。 4 ROV相關(guān)結(jié)構(gòu)的校核與設(shè)計 4.1 推進器整體轉(zhuǎn)動負(fù)載計算 圖 41 圓柱繞流 根據(jù)流體力學(xué)，推進器在水中整體改變方向的這個運動可以通過繞流阻力這個模型來進行計算和估算，另外，運動過程中的啟動力矩也是不可缺少的一部分。 我們計算的推進器模型，最接近的就是圓柱繞流[17]這個模型。流體繞圓柱體流動式，在圓柱體后半部，尾流的形態(tài)圖形主要取決于流動雷諾數(shù) （1）當(dāng)時，稱為低雷諾數(shù)流動，或成為蠕動流。流體可以平順地繞過圓柱，幾乎無流動分離。如圖4-1中的（a） （2）當(dāng)時，此時要產(chǎn)生流動分離。當(dāng)時，圓柱后部出現(xiàn)一對駐渦，如圖4-1中的（b）；當(dāng)時，從圓柱后部交替釋放出渦旋且被帶向下游，這些渦旋排成兩列呈有規(guī)則的交錯組合，稱為卡門渦街，如圖4-1中的（c）?？ㄩT渦街會引起物體的振動，造成聲響。 （3）當(dāng)時，此時流體嚴(yán)重分離。當(dāng)時，邊界層甚至從圓柱的前端就開始分離，如圖4-1中的（d）。 （4）當(dāng)時，由于分離點前的層流邊界層變?yōu)橥牧鬟吔鐚樱沟梅蛛x點往后推移，從而分離區(qū)大大縮小，如圖4-1中的（e）。 繞流阻力的計算公式為： 其中，——物體受到的繞流阻力；——繞流阻力因數(shù)；——未受干擾時的來流速度；——流體的密度；——物體與來流垂直方向的影流投影面積。 軸 軸 圖 42推進器模型簡化 通過查表可知，海水的密度。 V海水A VA 圖 43推進器模型分析 對模型進行簡化：如圖4-2。 從右側(cè)的視角看，可以簡化為以下模型： （1）已知推進器的速度為：，可以計算出推進器頂端的最大線速度為。 （2）計算流動雷諾數(shù)，其中未受干擾時的來流速度，數(shù)值相加，其中，可知。其中直徑，查表取海水的運動粘度（在15℃時），得出，查表得繞流阻力因數(shù)。 （3）在OA端，取dl微元，根據(jù)公式： 可得。可知，，計算如下： ；同理，我們可以推出另一個扭矩的數(shù)值，如下： ， dx 圖 44 簡化圖 （4）在推進器方向轉(zhuǎn)軸啟動時，存在一個啟動力矩，考慮最大負(fù)載時，應(yīng)該進行考慮。設(shè)置轉(zhuǎn)軸在極短的時間內(nèi)加速到勻速狀態(tài)，即考慮其有一個較大的加速度。 取，加速度。計算圓柱的轉(zhuǎn)動慣量：取微圓盤，，計算轉(zhuǎn)動慣量： （5） 4.2 重力與浮力的計算 （一）浮力估算 整個浮力和框架整體看作一個長方體后，再去掉明顯的非浮力部分，根據(jù)公式 可以進行計算潛航器的浮力。 1、整體的體積 長方體 2、四角去掉的體積 四角 3、上下四邊的長方體 上下四邊 4、前后的長筒 前后 5、總體積 總體積 6、總浮力 浮力 （二）重力估算 利用solidworks進行材料的賦值，然后根據(jù)質(zhì)量屬性估算質(zhì)量?？傻蒙蠞摵狡鲉为氈兀亓?。潛航器和機械手等共重，重力為 4.3 耐壓殼體的仿真分析 通過Solidworks中的Simulation對耐壓殼進行仿真分析，以確定能否承受深度50m下的壓力環(huán)境。在Simulation首先賦予模型PPE工程塑料材料，并施加固定約束和表面上的分布力，分布力大小，得出應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，如下圖4-5。 圖 45 耐壓殼Simulation應(yīng)力分析 根據(jù)材料的屈服強度為500MPa，最大的屈服力約為214MPa，最小的安全系。 4.4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計校核 4.4.6 齒輪的設(shè)計校核 圓錐齒輪有一對，轉(zhuǎn)速40rpm，轉(zhuǎn)矩21.4914，傳動比1:2，該齒輪使用壽命5年，每年100個工作日。 1、 選定齒輪材料及齒數(shù) （1）齒輪材料：選用20CrMnTi，滲碳鋼，硬度60HRC。 （2）齒輪齒數(shù)： ，用錐齒輪的齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式計算齒輪的分度圓直徑和有關(guān)參數(shù)，然后校核齒輪的齒根彎曲疲勞強度。 2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 直齒錐齒輪齒面接觸強度設(shè)計公式為： 下面確定其中相關(guān)參數(shù)。 （1） 初選載荷系數(shù)： （2） 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩： （3） 齒寬系數(shù)： （4） 區(qū)域系數(shù)（α=20°） （5） 彈性影響系數(shù)： （6） 接觸疲勞壽命系數(shù)（長期工作）： （7） 安全系數(shù)（估算直齒錐齒輪接觸疲勞強度時，安全系數(shù)可以取1.0~1.4，當(dāng)齒輪精度高，計算載荷精確，設(shè)備不甚重要時，可以取較小值。）。 （8） 接觸疲勞強度極限： （9） 許用應(yīng)力： （10） 小齒輪分度圓直徑為 （11） 齒寬中點分度圓直徑為 （12） 齒寬中點圓周速度為 （13） 重新計算載荷系數(shù)K。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得 所以 （14） 校正直徑： （15） 小齒輪大端模數(shù)為 取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 2、 校核齒根彎曲疲勞強度 齒根彎曲疲勞強度校核公式為： 下面確定其中相關(guān)參數(shù)。 （1） 分錐角： （2） 當(dāng)量齒數(shù)： （3） 齒形系數(shù)： （4） 應(yīng)力校正系數(shù)： （4） 彎曲疲勞強度極限： （6） 彎曲疲勞應(yīng)力許用值： 安全系數(shù)?。ü浪銜r彎曲疲勞強度安全系數(shù)可取1.25~2，對模式較小、精度較高及計算載荷較準(zhǔn)確時，可以取較小值。這里要求ROV長期工作，所以其取值可以適當(dāng)偏大）。 （7） 校核齒根彎曲疲勞強度： 故齒根彎曲疲勞強度足夠。 4.4.7 軸的強度校核 （一）軸1的校核 圖 46 軸1示意圖 1、按照扭轉(zhuǎn)強度的計算 可得軸的直徑，其中查表，P為軸傳遞的功率，n為軸的轉(zhuǎn)速，取傳遞效率。 ，，查表15-3得（20CrMnTi，滲碳） 。 2、按照彎扭和成強度計算軸的直徑 （1） 相關(guān)已知數(shù)據(jù)： 小齒輪受到的圓周力：。 小齒輪受到的徑向力：，方向指向圓心。 小齒輪受到的徑向力：，方向指向大端。 距離：，，扭矩。 圖 47 軸1的結(jié)構(gòu)及空間受力 （2） 繪制軸1的結(jié)構(gòu)及空間受力圖 分別計算并且繪出軸的垂直面（V）和水平面（H）的彎矩圖 （3） 繪制軸1垂直面的彎矩圖 垂直面上會有下式成立： 得出: 圖 48 軸1在垂直面上的剪力圖 軸1垂直面上的剪力圖： 軸1垂直面上的彎矩圖： 圖 49 軸1在垂直面上的彎矩圖 （4） 繪制軸1水平面的彎矩圖 水平面上會有下式成立： 得出: 圖 410 軸1在水平面上的剪力圖 軸1水平面上的剪力圖： 圖 411 軸1在水平面上彎矩圖 軸1水平面上的彎矩圖： （5） 繪制軸1彎矩疊加圖 b2Ft12+b2Fr12 圖 412 軸1的彎矩疊加圖 按照公式進行水平和垂直方向上的彎矩疊加 圖 413 軸1的扭矩圖 （6） 繪制軸1的扭矩圖 （7） 繪制軸1的彎扭合成圖 根據(jù)公式，其中對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的軸，把扭剪應(yīng)力視為對稱循環(huán)應(yīng)力，取（因為在彎矩作用下，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力屬于對稱循環(huán)應(yīng)力） b2Ft12+b2Fr12+T12 圖 414 軸1的彎扭合成圖 所以，合成圖如下： 所以我們根據(jù)公式可以對軸進行最終校核 其中，根據(jù)材料20CrMnTi，。 所以，軸1的設(shè)計符合要求。 圖 415 軸2的示意圖 （二）軸2的校核 1、 按照扭轉(zhuǎn)強度的計算 可得軸的直徑，其中A0查表，P