一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法技术方案

本发明专利技术属于水下机器人领域，具体涉及一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法。包括UVMS系统循环水槽试验和CFD数值模拟。UVMS循环水槽试验包括：使用平面运动机构测量UVMS系统保持不同机械手姿态在流场中的受力；使用CFD方法复现水槽试验，验证CFD方法的准确性。本发明专利技术应用CFD软件对UVMS机械手水下运动过程进行数值模拟，并拟合获取水下机械手的水动力系数。能够在UVMS系统设计初期代替部分复杂、高昂的水池试验，针对所设计机械手对UVMS系统受力、力矩的扰动作用进行定性、定量分析，获取机械手基于切片理论的水动力系数，进而建立较为准确的水下机械手水动力模型，为UVMS系统的进一步优化设计和运动仿真提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法
：本专利技术属于水下机器人领域，具体涉及一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法。
技术介绍
：目前，水下机器人在水下探测和作业等方面得到了越来越广泛的研究和应用。虽然水下机器人的遥控作业已经广泛用于水下搜救、科学考察、水下工程的支持等多个方面。但遥控作业不仅需要专业的母船支持，而且工作范围受到了脐带缆的限制，尤其是机器人载体加上机械手的十几个自由度的同时遥控作业使得遥控作业异常复杂。而对于UVMS自主作业，必须掌握其在机械手抓取作业过程中的水动力响应，分析水动力过程，才能够实现机器人在运动中抓取。对水下机器人的水动力分析主要包含平面运动机构试验分析和CFD数值模拟两种方法，由于试验条件限制难以使用传感器对手艇耦合运动过程中艇体和机械手的受力、力矩进行测量。虽然国内外应用软件进行潜水器水动力计算的研究很多，但原理和方法各有不同：深海作业型ROV水动力试验及运动控制研究(上海交通大学博士学位论文)，ModelingofaComplex-ShapedUnderwaterVehicleforRobustControlScheme(JournalofIntelligentandRoboticSystems)(复杂外形潜水器鲁棒控制方案(智能与机器人系统期刊))，CFX数值模拟低速双尾船阻力计算的应用和研究(中国水运-理论版)、基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟(武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2004年2月),基于CFD的船舶阻力性能综合研究(上海交通大学博士学位论文)，影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨(哈尔滨工程大学博士学位论文)，三维数值水池及船舶操纵性水动力数值计算(大连海事大学博士学位论文),基于CFD软件的数字船模平面运动机构实验方法(CN200810064057.2)等。深海作业型ROV水动力试验及运动控制研究(上海交通大学博士学位论文)所讨论的主要是开架式ROV使用平面运动机构水动力试验方法，不涉及CFD数值模拟方法，研究对象限于不带机械手的ROV。ModelingofaComplex-ShapedUnderwaterVehicleforRobustControlScheme(JournalofIntelligentandRoboticSystems)(复杂外形潜水器鲁棒控制方案(智能与机器人系统期刊))着重讨论外形复杂的开架式ROV使用CFD软件FLUENT模拟平面运动机构水动力试验方法，使用了动网格技术，但研究对象限于不带机械手的ROV。CFX数值模拟低速双尾船阻力计算的应用和研究(中国水运-理论版)讨论了使用CFX软件数值模拟低速双尾船阻力，研究对象为双尾水面船舶，且不涉及动网格、重叠网格技术，仅对阻力进行了研究。基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟(武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2004年2月)，基于CFD的船舶阻力性能综合研究(上海交通大学博士学位论文)，影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨(哈尔滨工程大学博士学位论文)，三维数值水池及船舶操纵性水动力数值计算(大连海事大学博士学位论文)讨论了使用FLUENT软件对单体、三体船进行阻力预报，研究对象和方法均与本专利技术不同。基于CFD软件的数字船模平面运动机构实验方法(CN200810064057.2)讨论了使用FLUENT软件对潜水器进行平面运动机构试验数值模拟，使用了动网格技术并提出了使用MATLAB软件的数据处理方法以获取若干水动力系数。本专利技术研究对象为UVMS系统，使用重叠网格技术令机械手自由运动，使用CFD软件STAR-CCM+模拟UVMS系统水下抓取运动过程，并通过拟合的方法获取机械手的水动力系数。与上述论文、专利中使用CFD软件预报潜水器阻力、水动力系数的研究均不相同。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法。一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，该方法包括以下步骤：步骤1：UVMS静态循环水槽试验；步骤2：使用CFD软件复现水槽试验，并验证CFD计算准确度；步骤3：在CFD仿真中使用重叠网格和刚体运动方法令机械手绕基座关节往复旋转运动，获得周期运动过程中的水动力和力矩；步骤4：使用水下机械手水动力模型对CFD模拟的机械手受力数据进行拟合，获得水动力系数和步骤1所述的UVMS静态循环水槽试验，包括以下步骤：步骤1.1：将UVMS实体固定到平面运动机构上，调整机械手姿态；步骤1.2：设定循环水槽的流速，进行试验；步骤1.3：获取六自由度受力传感器数据；步骤2所述的使用CFD软件复现水槽试验，包括以下步骤：步骤2.1：建立UVMS模型，建立循环水槽1：1计算域、设定边界条件并生成体网格；步骤2.2：在模型表面基于湍流边界层理论设置多层棱柱层网格；步骤2.3：选取SSTK-ω湍流模型，设定湍流求解器,初始化流场边界值；步骤2.4：UVMS系统保持机械手为某一固定姿态，直到一次数值模拟结束；步骤2.5：获取数值模拟结束后UVMS系统的受力、力矩报告以及相关流场特性，并将CFD结果与试验结果比较。步骤2.3所述设定湍流求解器，求解流场的雷诺平均纳威-斯托克斯RANS方程如下：其中ρ为流体密度，和分别为平均速度和压力向量，vg为参考速度，I是特征张量，T是粘压张量，选取SSTk-ω湍流模型对雷诺应力张量进行模拟。fb为流场中物体合力，例如重力和离心力。使用CFD软件对机械手运动过程进行数值模拟：步骤3.1：建立UVMS模型，应用STAR-CCM+建立计算域、设定边界条件并生成体网格；步骤3.2：在模型表面基于湍流边界层理论设置多层棱柱层网格，以捕捉近壁面处大雷诺数绕流流动，使用重叠网格技术在机械手子区域附近建立重叠网格；步骤3.3：引入刚体运动方法，建立旋转运动，实现机械手在流场中按一定规律绕肩、肘等关节转动；步骤3.4：选取SSTK-ω湍流模型，设定湍流求解器,初始化流场边界值；步骤3.5：通过STAR-CCM+软件获得UVMS系统在机械手运动过程中的受力、力矩报告以及相关流场特性。步骤3.3所述的刚体运动方法，包括以下步骤：步骤3.3.1：建立肩/肘关节局部坐标系，建立旋转运动；步骤3.3.2：建立肩/肘关节旋转运动角速度函数；步骤3.3.3：为旋转运动模块设置“旋转坐标系”属性为肩/肘关节局部坐标系，“角速度”属性为肩/肘关节旋转运动角速度场函数；设定机械手子区域“运动规范”属性为旋转运动。本专利技术的有益效果在于：通过CFD软件就可以完成UVMS抓取运动过程CFD数值模拟。UVMS由于在水下悬停抓取作业，通常无法直接坐底作业，因此良好的稳定性是成功抓取的前提，而水下环境复杂，既有海流扰动，也有机械手运动引起的扰动，这无疑对UVMS水下抓取作业造成了困难。如果使用CFD数值模拟对机械手进行选型，能在设计阶段就选出对艇体扰动小的机械手类型以及机械手总布置位置，就能大大减少机械手运动对艇体的扰动。本专利技术的实质是提出了一种利用CFD软件对UVMS抓取运动过程进行数值模拟的方法，而以往的相关研究侧重于开架式或者流线型的无机械手本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：UVMS静态循环水槽试验；步骤2：使用CFD复现水槽试验，并验证CFD计算准确度；步骤3：使用CFD对机械手运动过程进行数值模拟，获得周期运动过程中的水动力和力矩；步骤4：使用水下机械手水动力模型对CFD模拟的机械手受力数据进行拟合，获得水动力系数

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：UVMS静态循环水槽试验；步骤2：使用CFD复现水槽试验，并验证CFD计算准确度；步骤3：使用CFD对机械手运动过程进行数值模拟，获得周期运动过程中的水动力和力矩；步骤4：使用水下机械手水动力模型对CFD模拟的机械手受力数据进行拟合，获得水动力系数和2.根据权利要求1所述的一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，其特征在于，步骤1所述的UVMS静态循环水槽试验，包括以下步骤：步骤1.1：将UVMS实体固定到平面运动机构上，调整机械手姿态；步骤1.2：设定循环水槽的流速，进行试验；步骤1.3：获取六自由度受力传感器数据。3.根据权利要求2所述的一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，其特征在于，步骤2所述的使用CFD复现水槽试验，包括以下步骤：步骤2.1：建立UVMS模型，建立循环水槽1：1计算域、设定边界条件并生成体网格；步骤2.2：在模型表面基于湍流边界层理论设置多层棱柱层网格；步骤2.3：选取SSTK-ω湍流模型，设定湍流求解器,初始化流场边界值；步骤2.4：UVMS系统保持机械手为某一固定姿态，直到一次数值模拟结束；步骤2.5：获取数值模拟结束后UVMS系统的受力、力矩报告以及相关流场特性，并将CFD结果与试验结果比较。4.根据权利要求3所述的一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法，其特征在于，步骤2.3所述设定湍流求解器，求解流场的雷诺平...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄海，周则兴，李宏伟，李冀永，姜涛，秦洪德，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23