[發(fā)明專利]一種評(píng)估履帶機(jī)器人海床行走能力的力學(xué)觸探儀及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110544879.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113338253B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 廖晨聰;黃偉健;張璐璐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): E02D1/02
• 分類號(hào): E02D1/02;E02D1/00
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀;趙楠

本發(fā)明提供一種評(píng)估履帶機(jī)器人海床行走能力的力學(xué)觸探儀及方法，包括：動(dòng)態(tài)加載裝置用于向履齒環(huán)觸探裝置施加豎直方向的作用力和扭矩；控制器用于控制動(dòng)態(tài)加載裝置，驅(qū)動(dòng)履齒環(huán)觸探裝置以設(shè)定速度貫入軟弱土中，或驅(qū)動(dòng)履齒環(huán)觸探裝置以設(shè)定扭轉(zhuǎn)速度扭轉(zhuǎn)剪切軟弱土；履齒環(huán)觸探裝置用于模擬履帶與軟弱土相互作用的觸探過(guò)程，感應(yīng)受到的阻力信號(hào)及扭轉(zhuǎn)剪切力信號(hào)并經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置反饋至終端，終端實(shí)時(shí)繪制出軟弱土的沉陷曲線及剪切曲線。本發(fā)明能模擬深海軟弱土中履帶在海床上的行走過(guò)程，通過(guò)壓入、剪切海床軟弱土獲得履帶行走的壓強(qiáng)?沉陷曲線和剪應(yīng)力?剪位移曲線，對(duì)履帶行走時(shí)的關(guān)鍵行走性能指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)估。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土木水利領(lǐng)域，具體地，涉及一種評(píng)估履帶機(jī)器人海床行走能力的力學(xué)觸探儀及方法。

背景技術(shù)

履帶機(jī)器人所具有的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、牽引力大、接地比壓小、行走避障性能佳等優(yōu)點(diǎn)使之在農(nóng)業(yè)、軍事、工程以及一些工況比較惡劣的環(huán)境中使用廣泛。特別地，對(duì)于履帶機(jī)器人在軟弱土中行走的特殊工況，如在發(fā)生大面積泥石流區(qū)域的救援、海底軟弱沉積物上鋪設(shè)管道以及深海軟弱海床上采礦等作業(yè)時(shí)，容易出現(xiàn)陷入、打滑、空轉(zhuǎn)等影響行走效率的問(wèn)題，這主要是因?yàn)閷?duì)特殊工況中的軟弱土關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)了解有限，以及對(duì)履帶-軟弱土相互作用機(jī)理的研究不足。目前評(píng)估軟弱土力學(xué)性能的手段比較有限，常用的手段如采用十字板剪切、靜力觸探CPT、全流觸探儀等對(duì)研究具體結(jié)構(gòu)物(如履帶)與軟弱土相互作用局限性較大，因此有必要針對(duì)這種情況采用更加準(zhǔn)確、新穎的研究?jī)x器和方法來(lái)促進(jìn)問(wèn)題的解決。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201521074810.8的中國(guó)專利，公開(kāi)了一種實(shí)用新型便攜式全自動(dòng)T型觸探儀，這種便攜式全自動(dòng)T型觸探儀基于T型觸探試驗(yàn)原理開(kāi)發(fā)，可配以圓柱形或橢圓柱形兩種探頭。探頭水平投影面積是靜力觸探探頭的數(shù)倍，對(duì)于軟黏土地層的變化更敏感，能得到沿深度的連續(xù)不排水抗剪強(qiáng)度值，測(cè)試精度大大提高。該觸探儀設(shè)備輕巧，可以自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)，并且可以單人操作，大大簡(jiǎn)化設(shè)備達(dá)到便攜目的。但是此類觸探儀采用的探頭形狀不能模擬實(shí)際工況下結(jié)構(gòu)物-軟弱土相互作用，采集的數(shù)據(jù)類型比較單一，且讀出的數(shù)據(jù)比較原始，不能直接有效地運(yùn)用于實(shí)際工程已經(jīng)成熟運(yùn)用的理論中(如在車輛地面力學(xué)理論中，該觸探儀缺乏形狀因子等重要參數(shù))，所以此類觸探儀的局限性在具體的實(shí)際工程應(yīng)用中還是比較顯著的。

2017年彭鵬在《巖土工程學(xué)報(bào)》(2017，Supp.1，pp.151-155)發(fā)表的“T型全流觸探儀機(jī)理分析及海洋工程應(yīng)用綜述”一文中，回顧了海洋靜力觸探技術(shù)的發(fā)展歷程，介紹了一種適用于海相軟土的全流觸探儀。總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全流觸探儀的理論及試驗(yàn)研究，包括貫入阻力與軟土不排水抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系、循環(huán)貫入實(shí)驗(yàn)對(duì)重塑土特性的評(píng)價(jià)以及通過(guò)數(shù)值模擬得出T型全流觸探儀的阻力系數(shù)等。

2019年張亞國(guó)在《結(jié)構(gòu)工程師》(2019，No.2，pp.215-219)發(fā)表的“基于球形全流動(dòng)觸探儀的軟土地基不排水強(qiáng)度確定”一文中，對(duì)球形探頭貫入阻力及確定軟弱土不排水剪切強(qiáng)度的方法進(jìn)行介紹，并討論了貫入阻力系數(shù)取值范圍。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展離心模型試驗(yàn)，分析比較球形全流動(dòng)觸探和傳統(tǒng)錐形靜力觸探的貫入阻力，以及確定的軟土不排水剪切強(qiáng)度。

以上兩篇關(guān)于全流觸探儀的技術(shù)文獻(xiàn)，介紹了運(yùn)用全流觸探儀在海床軟弱土中的原位測(cè)試，能獲得貫入阻力與軟弱土不排水剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及一系列對(duì)貫入阻力系數(shù)的修正取值，提高數(shù)據(jù)的精度。但這些全流觸探儀對(duì)軟弱土的原位測(cè)試局限于對(duì)原狀土的不排水剪切強(qiáng)度、靈敏度、土的壓縮模量等力學(xué)參數(shù)的原始測(cè)量估算，對(duì)于實(shí)際工程中具體結(jié)構(gòu)物-軟弱土相互作用過(guò)程的模擬極為有限，且獲得的數(shù)據(jù)直接運(yùn)用于成熟的相關(guān)力學(xué)理論仍有較大差距，特別對(duì)于履帶機(jī)器人在深海軟弱土中行走的機(jī)理研究只能提供一些簡(jiǎn)單直觀的參考，不能結(jié)合車輛地面力學(xué)理論直接運(yùn)用。

綜上所述，提出一種用于評(píng)估履帶機(jī)器人海床行走能力的力學(xué)觸探儀及方法具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種評(píng)估履帶機(jī)器人海床行走能力的力學(xué)觸探儀及方法。