馬 鑫，丑武勝，方 斌，郭曉旗

（北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

ROV （Remotely Operated Vehicle）即遙控水下機(jī)器人，在水庫堤壩檢查、核電站檢查作業(yè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的ROV由于要適應(yīng)不同的使用要求，目前很難找到一個統(tǒng)一的設(shè)計方法。然而，ROV設(shè)計中總是存在一些共性的問題如浮力和重量的確定、穩(wěn)定性設(shè)計等，這些問題的常規(guī)做法往往需要進(jìn)行反復(fù)的計算試驗才能最終確定，其過程繁復(fù)，工作量很大［1］，而采用Pro／E與ADAMS結(jié)合來開發(fā)復(fù)雜機(jī)械，是當(dāng)前比較實用的仿真方案［2－4］。本文提出一種基于Pro／E與ADAMS的ROV設(shè)計方法，運用其對ROV設(shè)計中的一些需要反復(fù)計算試驗的問題（如平衡設(shè)計、穩(wěn)定性設(shè)計等）進(jìn)行簡化和優(yōu)化。

1 Pro／E與ADAMS聯(lián)合仿真機(jī)制

Pro／E與ADAMS的聯(lián)合仿真機(jī)制是通過兩個軟件之間的接口程序Mech／Pro實現(xiàn)的，其一般流程如圖1所示，主要經(jīng)過以下幾個步驟：①在Pro／E環(huán)境下進(jìn)行三維實體建模、模型裝配和運動學(xué)分析；②利用Mech／Pro將模型生成為剛體，建立參照和簡單約束與驅(qū)動力；③利用Mech／Pro將模型生成ADAMS可讀取的模型數(shù)據(jù)的文件（．cmd），并將此文件導(dǎo)入ADAMS／View中，準(zhǔn)備進(jìn)行仿真分析；④在ADAMS環(huán)境下添加復(fù)雜約束、復(fù)雜載荷、函數(shù)和子過程等；⑤設(shè)置仿真參數(shù)進(jìn)行仿真分析與結(jié)果處理。

2 聯(lián)合仿真在ROV設(shè)計中的應(yīng)用

2．1 ROV常規(guī)設(shè)計流程

ROV設(shè)計的一般程序是首先提出任務(wù)書，然后明確ROV的設(shè)計要求，并繪制草圖和擬定總布置圖，最后進(jìn)一步計算出ROV的重量、排水量、浮性、穩(wěn)定性、殼體強度及運動阻力，求出所需功率等；再根據(jù)草圖和計算結(jié)果，將所有性能和結(jié)構(gòu)逐步細(xì)化，最終完成工程圖和相關(guān)設(shè)計文件。

圖1 Pro／E與ADAMS聯(lián)合仿真流程圖

2．2 ROV水下平衡設(shè)計

在ROV設(shè)計過程中，計算重量、排水量、浮性、穩(wěn)定性等水下平衡設(shè)計內(nèi)容貫穿整個ROV設(shè)計過程，是工作量較大的一個過程。一般的設(shè)計步驟如下：

（1）根據(jù)功能要求確定零部件，并進(jìn)行合理的空間配置，盡量使ROV左右對稱，前后質(zhì)量和排水量均勻分布，盡量使重心和浮心靠近中線。

（2）整理零部件的重量、排水量表，設(shè)計浮力外形，使浮力略大于總體重量和負(fù)載量之和，且左右對稱，并使ROV前后排水量分布均勻。

（3）確定配重塊的重量，按照先調(diào)整左右平衡再調(diào)整前后平衡的順序，布置浮力塊使姿態(tài)角接近于零，再布置使俯仰角接近于零，盡量將配重塊布置在ROV的下方，使得整體能夠保持一定的穩(wěn)心高度h。配置要求可以用式（1）～式（4）表示：

其中：W 為 ROV 總重量；V 為總排水量；（Xg，Yg，Zg）為 ROV 重心坐標(biāo)值；（Xc，Yc，Zc）為 ROV 浮心坐標(biāo)值（三軸方向如圖2所示）；h為ROV整體的穩(wěn)心高度，即為重心和浮心的Z軸坐標(biāo)差。

（4）布置推進(jìn)器，使水平推力方向與ROV重心在同一水平面上，垂直推力方向與ROV重心在同一垂直面上。

2．3 聯(lián)合仿真在ROV水下平衡設(shè)計中的應(yīng)用

利用Pro／E與ADAMS的聯(lián)合仿真方法可以簡化ROV平衡設(shè)計中的反復(fù)計算，且使設(shè)計中的變動能夠直觀地在其性能上表現(xiàn)出來，使設(shè)計人員能夠判斷其是否滿足設(shè)計準(zhǔn)則，明確設(shè)計方向，具體步驟如下：

（1）在Pro／E環(huán)境下建立ROV三維實體模型（如圖2所示）。各零部件的重量及排水量如表1所示。

（2）利用Mech／Pro接口的懸掛式菜單操作完成實體和約束的創(chuàng)建以及載荷的添加，同時根據(jù)各零部件的排水量加載浮力。仿真模型中需添加的約束和載荷如表2所示。

表1 各部件的重量和排水量

表2 約束和載荷表

（3）將模型導(dǎo)入ADAMS中，如圖3所示，并利用參數(shù)化建模的方法將設(shè)計參數(shù)（如配重塊的重量和位置、推進(jìn)器的位置等）設(shè)為控制變量，進(jìn)行平衡分析以及推進(jìn)仿真。圖4為經(jīng)過配重塊的重量和位置、推進(jìn)器的位置調(diào)配后最終達(dá)到平衡的效果，可見ROV水下平衡姿態(tài)穩(wěn)定性很好。圖5為ROV經(jīng)過調(diào)配后，進(jìn)行推進(jìn)仿真的姿態(tài)穩(wěn)定性，可見推進(jìn)仿真中姿態(tài)穩(wěn)定性很好。

圖2 ROV的三維實體模型及其主要組成

圖3 ROV的ADAMS模型

圖4 ROV平衡仿真三軸姿態(tài)角顯示

圖5 ROV推進(jìn)仿真姿態(tài)角顯示

（4）根據(jù)上述模型分析得出相應(yīng)的調(diào)整方法，將ROV的配重塊、推進(jìn)器等做出調(diào)整，并用實驗驗證了ROV的平衡以及運動效果。圖6為上位機(jī)顯示的水下姿態(tài)傳感器測量的ROV的三軸姿態(tài)，圖7為ROV在水中的實際平衡效果。ROV入水后，滾轉(zhuǎn)角和俯仰角偏差都在±0．5°內(nèi)，證明其水平衡情況良好及該方法的有效性。

圖6 上位機(jī)航姿顯示

3 結(jié)論

本文將Pro／E和ADAMS的聯(lián)合仿真方法成功地應(yīng)用于ROV的平衡設(shè)計中，簡化了ROV設(shè)計過程中的反復(fù)計算，使設(shè)計中的變動能夠直觀地在水下平衡的性能上表現(xiàn)出來，經(jīng)過實驗驗證了該方法的有效性及其應(yīng)用前景。

圖7 ROV入水平衡效果

［1］ 蔣新松，封錫盛，王棣堂．水下機(jī)器人［M］．沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000．

［2］ 姚曉光，郭曉松，馮永保，等．基于Pro／E和ADAMS聯(lián)合仿真的夾鉗機(jī)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化［J］．機(jī)床與液壓，2006（6）：233－235．

［3］ 李曉娟．Pro／E和 ADAMS聯(lián)合建模方法研究［J］．裝備制造技術(shù)，2008（12）：31－33．

［4］ 杜芳，馮健翔，王建斌，等．基于Pro／E和ADAMS的喀嗎哆機(jī)器人的建模與運動仿真［J］．裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，19（1）：81－84．