基于Pro／E和ADAMS 的水下机器人设计方法研究❋

马 鑫，丑武胜，方 斌，郭晓旗

（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

ROV （Remotely Operated Vehicle）即遥控水下机器人，在水库堤坝检查、核电站检查作业等领域都得到了广泛的应用。现有的ROV由于要适应不同的使用要求，目前很难找到一个统一的设计方法。然而，ROV设计中总是存在一些共性的问题如浮力和重量的确定、稳定性设计等，这些问题的常规做法往往需要进行反复的计算试验才能最终确定，其过程繁复，工作量很大［1］，而采用Pro／E与ADAMS结合来开发复杂机械，是当前比较实用的仿真方案［2－4］。本文提出一种基于Pro／E与ADAMS的ROV设计方法，运用其对ROV设计中的一些需要反复计算试验的问题（如平衡设计、稳定性设计等）进行简化和优化。

1 Pro／E与ADAMS联合仿真机制

Pro／E与ADAMS的联合仿真机制是通过两个软件之间的接口程序Mech／Pro实现的，其一般流程如图1所示，主要经过以下几个步骤：①在Pro／E环境下进行三维实体建模、模型装配和运动学分析；②利用Mech／Pro将模型生成为刚体，建立参照和简单约束与驱动力；③利用Mech／Pro将模型生成ADAMS可读取的模型数据的文件（．cmd），并将此文件导入ADAMS／View中，准备进行仿真分析；④在ADAMS环境下添加复杂约束、复杂载荷、函数和子过程等；⑤设置仿真参数进行仿真分析与结果处理。

2 联合仿真在ROV设计中的应用

2．1 ROV常规设计流程

ROV设计的一般程序是首先提出任务书，然后明确ROV的设计要求，并绘制草图和拟定总布置图，最后进一步计算出ROV的重量、排水量、浮性、稳定性、壳体强度及运动阻力，求出所需功率等；再根据草图和计算结果，将所有性能和结构逐步细化，最终完成工程图和相关设计文件。

图1 Pro／E与ADAMS联合仿真流程图

2．2 ROV水下平衡设计

在ROV设计过程中，计算重量、排水量、浮性、稳定性等水下平衡设计内容贯穿整个ROV设计过程，是工作量较大的一个过程。一般的设计步骤如下：

（1）根据功能要求确定零部件，并进行合理的空间配置，尽量使ROV左右对称，前后质量和排水量均匀分布，尽量使重心和浮心靠近中线。

（2）整理零部件的重量、排水量表，设计浮力外形，使浮力略大于总体重量和负载量之和，且左右对称，并使ROV前后排水量分布均匀。

（3）确定配重块的重量，按照先调整左右平衡再调整前后平衡的顺序，布置浮力块使姿态角接近于零，再布置使俯仰角接近于零，尽量将配重块布置在ROV的下方，使得整体能够保持一定的稳心高度h。配置要求可以用式（1）～式（4）表示：

其中：W 为 ROV 总重量；V 为总排水量；（Xg，Yg，Zg）为 ROV 重心坐标值；（Xc，Yc，Zc）为 ROV 浮心坐标值（三轴方向如图2所示）；h为ROV整体的稳心高度，即为重心和浮心的Z轴坐标差。

（4）布置推进器，使水平推力方向与ROV重心在同一水平面上，垂直推力方向与ROV重心在同一垂直面上。

2．3 联合仿真在ROV水下平衡设计中的应用

利用Pro／E与ADAMS的联合仿真方法可以简化ROV平衡设计中的反复计算，且使设计中的变动能够直观地在其性能上表现出来，使设计人员能够判断其是否满足设计准则，明确设计方向，具体步骤如下：

（1）在Pro／E环境下建立ROV三维实体模型（如图2所示）。各零部件的重量及排水量如表1所示。

（2）利用Mech／Pro接口的悬挂式菜单操作完成实体和约束的创建以及载荷的添加，同时根据各零部件的排水量加载浮力。仿真模型中需添加的约束和载荷如表2所示。

表1 各部件的重量和排水量

表2 约束和载荷表

（3）将模型导入ADAMS中，如图3所示，并利用参数化建模的方法将设计参数（如配重块的重量和位置、推进器的位置等）设为控制变量，进行平衡分析以及推进仿真。图4为经过配重块的重量和位置、推进器的位置调配后最终达到平衡的效果，可见ROV水下平衡姿态稳定性很好。图5为ROV经过调配后，进行推进仿真的姿态稳定性，可见推进仿真中姿态稳定性很好。

图2 ROV的三维实体模型及其主要组成

图3 ROV的ADAMS模型

图4 ROV平衡仿真三轴姿态角显示

图5 ROV推进仿真姿态角显示

（4）根据上述模型分析得出相应的调整方法，将ROV的配重块、推进器等做出调整，并用实验验证了ROV的平衡以及运动效果。图6为上位机显示的水下姿态传感器测量的ROV的三轴姿态，图7为ROV在水中的实际平衡效果。ROV入水后，滚转角和俯仰角偏差都在±0．5°内，证明其水平衡情况良好及该方法的有效性。

图6 上位机航姿显示

3 结论

本文将Pro／E和ADAMS的联合仿真方法成功地应用于ROV的平衡设计中，简化了ROV设计过程中的反复计算，使设计中的变动能够直观地在水下平衡的性能上表现出来，经过实验验证了该方法的有效性及其应用前景。

图7 ROV入水平衡效果

［1］ 蒋新松，封锡盛，王棣堂．水下机器人［M］．沈阳：辽宁科学技术出版社，2000．

［2］ 姚晓光，郭晓松，冯永保，等．基于Pro／E和ADAMS联合仿真的夹钳机构设计与优化［J］．机床与液压，2006（6）：233－235．

［3］ 李晓娟．Pro／E和 ADAMS联合建模方法研究［J］．装备制造技术，2008（12）：31－33．

［4］ 杜芳，冯健翔，王建斌，等．基于Pro／E和ADAMS的喀吗哆机器人的建模与运动仿真［J］．装备指挥技术学院学报，2008，19（1）：81－84．