基于变胞原理的海底钻探取样机器人机构创新设计方法研究

Seafloor drilling and sampling robot is an extremely significant equipment in acquiring seabed soil and rock samples. Its core task executing component is the drilling and sampling mechanism (DSM). The DSM needs to complete the complicated locking-unlocking, grabbing-translation, and connecting-disconnecting movements of tens to even hundreds of drill pipes. What’s more, it also needs to face the extreme seafloor environment caused by the buoyancy, pressure, adhesion, and flow of sea water and the instability of seafloor. Therefore, the DSM is difficult to design due to its high functional density requirements, the multi-physical field coupling effect, and the complex and changeable constraints. Based on the engineering application background, this project aims to develop an innovative mechanism designing method of the DSM. By taking a deep insight into the requirement of seafloor sampling tasks, the function decomposition of the DSM and the coordination principle of each realization mechanism will be proposed. To dissect the operational performance caused by multiple physical fields, the mechanical mechanism of sample drilling in the seabed environment with a higher water pressure will be revealed. Based the above research, a novel method of mechanism configuration and dimension synthesis will be proposed on the theory of metamorphic. Finally, a scaling prototype will be developed to verify the proposed design method. The achievement of this project can provide a theoretical guide for the development of seafloor sample drilling technology, and is of great significance in application.

海底钻探取样机器人是获取海底岩土样品的关键装备，而钻探取样机构是其核心任务执行部件，需要完成几十乃至上百根钻管的锁解、抓取、接卸等一系列复杂的动作，还面临由于海水浮力、压力、粘附力、流动力及海床岩土不稳定性造成的复杂海底环境。因此，其设计需要综合考虑高功能密度需求、多物理场耦合作用和复杂多变的约束条件，具有很大的难度。本项目拟紧密结合工程应用背景，开展钻探取样机构创新设计方法研究。首先，根据海底取样任务需求，深入分析钻探取样机器人功能分解和各实现机构协调工作机理；进而剖析多物理场耦合作用对钻探取样机构运动力载的影响机理；以此为基础，建立功能需求和实现机构基本运动型式间映射关系，研究基于变胞原理的钻探取样机构构型创新设计与尺度综合方法；最后研制缩比的海底钻探取样机构原理样机，对所提出的设计方法进行试验验证。项目成果可为我国海底钻探取样装备的机构创新设计提供指导，具有重要的科学价值与实际意义。

海底钻探取样机器人是开展地质调查、环境科学研究、海洋资源和矿产资源勘察的重大海洋技术装备，其核心任务是通过钻探取样机构钻取深海沉积层样品。然而，海水浮力、压力、粘附力、流动力及海床岩土不稳定性等复杂海底环境对钻探采样机构的可靠性和创新性设计提出了极高的要求。当前的研究缺少对机器人的机构力载影响机理和机构构型设计方法进行系统和深入的分析，对涉及的关键科学和技术问题缺乏系统性的归纳与凝练，未能深入研究功能需求与实现机构构型间映射关系，也缺少系统性地研究多物理场耦合作用下的钻探取样力载机理。本项目面向海底钻探取样机器人技术的发展需求，系统性地研究了钻探取样机构设计当中的科学问题和关键技术。从多功能钻探取样机构功能分解及各实现机构协同工作机理入手，融合多参变量分析和机构构型设计理论，研究海底钻探取样力载的影响机理及机构构型创新设计，从方法层面上解决了传统设计中过于依赖工程经验的问题。结合不同取样工艺参数要求，从机构学角度研究了钻管运动功能分解及实现机构协调动作序列需求，揭示了各实现机构的协调工作机理，得到了不同功能实现机构或结构件的几何、运动和力等拓扑约束关系。针对深海高压水环境下作业的特点，分析了钻探取样过程中机构与海底沉积物作用过程中的力学特性，建立了融合机构构型/物理/运动/控制参数及深水环境物理力学参数的多参变量耦合分析模型，揭示了钻探取样机构和复杂海底沉积层作用的力载和能耗规律。重点研究了各功能需求和实现机构基本运动型式间映射关系模型的建立方法，通过求解各功能实现机构的构型综合方案，得到了机构整体构型方案集并进行优选，形成钻探取样机构构型整体设计方案，研制出一套缩比的海底钻探取样机构原理样机。本项目对于推动我国海底钻探取样技术装备机构设计技术的发展和丰富机构学理论方法具有重要意义。