多姿态水下机械臂涡激振动特性研究

《Marine Structures》：Study on the vortex-induced vibration characteristic of multi-attitude underwater manipulator

　　

• 通过双向流固耦合方法研究了机械手的涡激振动。
• 分析了五种典型姿态的水动力系数。
• 建立了三维计算域进行模拟。
• 对具有五种姿态的机械手进行了三维流场分析。
• 研究了不同雷诺数下机械手的振动幅度。

引言
水下机器人系统是海洋探索和海底作业不可或缺的核心设备。作为主要的执行机构，水下机械手承担着关键任务。典型应用包括资源勘探、海底结构维护、海洋环境数据采集以及水下收获作业 [1]。明确指出，水下机械手涡激振动研究的主要工程关注点并非屈服或断裂等结构失效，因为振动幅度通常在毫米级别。真正的核心问题在于操作精度和控制稳定性。以往研究中，大多数水下机械手的水动力模型和控制策略集中在顺流扰动上。顺流方向的力可以通过沿运动方向的关节扭矩或推进器推力得到部分补偿。相比之下，由交替涡旋脱落引起的横流振动垂直于主运动平面。这种振动无法通过以顺流补偿为中心的传统控制方法有效抑制。现代水下机械手越来越多地应用于高价值和高精度的工作场景，包括海底电缆切割、海底沉积物采样以及阀门操作。此类任务要求末端执行器的定位精度达到 0.1–1 毫米量级。即使轻微的微小振幅振动也会引起一系列不利问题。例如，它们会引起闭环控制系统中的稳态跟踪误差，并延长机械手保持固定位置时的调节时间。在长期循环载荷下，这些振动会导致关节连接处产生微动磨损和疲劳积累。当机械手在涡旋脱落模式发生根本性变化的姿态下工作时，它们还会引入控制不稳定的风险。因此，在建立水下机械手的水动力模型时，研究人员不仅考虑了机械手的自重和外加载荷，还考虑了机械手与周围流体相对运动产生的动态载荷。这种动态载荷随姿态变化显著变化 [2,3]。

水下机械手及类似的海洋结构通常被简化为组合圆柱连杆模型 [4]。在操作过程中，多连杆机械手姿态的变化会改变涡旋脱落特性和流体力 [5]。McLain 等人 [6] 识别了由水下机械手动力学引起的控制挑战，并量化了附加质量、升力系数和阻力系数等关键水动力参数。他们证实将流体力纳入控制系统可以提高运动精度。McLain 和 Rock [7] 通过实验进一步验证，这些系数随机械手的位置、速度和加速度动态变化。Kolodziejczyk [[8], [9], [10]] 进行了瞬态数值模拟和实验研究，量化了单自由度机械手的水动力矩和时变系数，并建立了水动力系数与机械重心位置及运动状态之间的函数关系。Zhang 等人 [11] 通过数值模拟验证，由姿态变化引起的水动力系数变化直接降低了机械手控制系统的定位精度。Wang 等人 [12] 研究了立管组，发现斯特劳哈尔数在入流角为 60°时达到峰值。然而，大多数现有研究集中在系数变化的定量测量上，但未系统揭示其潜在的流动机制。特别是，缺乏对涡激振动效应和三维尾流耦合的深入分析。姿态变化、近壁流场演化、涡旋脱落模式变化和不稳态水动力载荷之间的固有相关机制仍解释不足。

在水下机械手运动过程中，与周围流体的相对运动引发了涡激振动。未知的水动力载荷不仅影响机械手的定位精度，还影响机器人载体的姿态稳定性，降低工作效率并增加系统能耗。因此，为了减少水下机械手振动和流体载荷对定位精度的影响，众多学者设计了各种控制算法来补偿机械手的振动响应。Luo 等人 [13] 解决了水下机械手操作过程中包括未知环境、水动力扰动和动力跟踪在内的挑战，提出了一种自适应变阻抗控制（AVIC）框架。该框架采用滑模控制器对末端执行器进行位置控制，并辅以非线性扰动观测器实时补偿系统不确定性和水下干扰，从而在不确定环境中实现高精度控制。Huang 等人 [14] 提出了一种集成约束优化和导向力反馈的共享控制框架。在远端开发了一种自适应鲁棒控制器，以确保水下电动机械手的准确轨迹跟踪；同时，设计了一种在线约束规划器来处理物理约束。导向力反馈被配置为为操作员提供触觉反馈并防止不安全命令。针对缆驱柔性关节水下载具 - 机械手系统（CDFJ-UVMS），Wang 等人 [15] 采用径向基函数神经网络逼近未知非线性，构建了神经网络性能观测器和神经网络扰动观测器以估计总扰动，并提出了基于 NDO、神经网络补偿器和神经网络性能观测器的自适应神经网络控制方法。通过李雅普诺夫方法分析了闭环系统的稳定性。针对水下载具 - 机械手系统的精确轨迹控制问题，Wu 等人 [16] 提出了一种结合先进滑模控制技术和状态估计的控制方法。考虑到动态不确定性和严重的外部干扰，利用非线性扰动观测器实时估计和补偿不确定性，实现了 UVMS 的高精度轨迹跟踪控制。Tabatabaee-Nasab 等人 [17] 提出了一种自适应多阻抗控制协议，该协议同时对操作对象和末端执行器施加阻抗力，以确保所有受控组件具有均匀的阻抗行为。通过引入自适应律，实现了对动态模型不确定性和环境扰动的补偿。在欠驱动水下载具控制中获得了令人满意的控制性能，该方法适用于单机械手或双机械手协同作业场景。

基于上述研究现状的分析，发现作用于水下机械手的流体扰动力对其定位精度产生了显著影响。当在线预测外部扰动力并将相关信息反馈给控制器时，当控制器输出补偿命令时，机械手的定位精度可以得到提高。然而，现有控制系统存在预测误差大、计算收敛慢和控制效率低等缺点。因此，明确流体 - 结构耦合下水下机械手的振动特性和水动力性能，建立准确的水下机械手动力学模型，根据运动轨迹预测流体扰动力，并为机器人载体控制器构建前馈信号，使载体控制器能够输出控制命令来补偿外部扰动。这种方法大大提高了水下机械手的定位精度和工作效率。

在工业应用和初步控制系统设计中常用的简化水动力模型中，通常统一采用 St=0.2 和 CL=0.2 的固定常数值作为所有工作条件。定量评估表明，这种简化假设存在严重局限性。在本研究中，上臂在垂直姿态下的实际升力系数达到 0.758，采用 CL=0.2 引起的相对误差高达 279%。更重要的是，在 α=-60°和 α=-120°的姿态下，斯特劳哈尔数接近零，周期性涡旋脱落被抑制。St=0.2 的固定设置完全无法表征这一物理现象。如果毫无差别地应用这种简化参数，控制系统会错误地预测在无涡激振荡力工况下的周期性扰动，或者严重低估垂直姿态下的水动力载荷。这些简化的建模假设降低了机械手的定位精度，导致了执行器选择不合理，并恶化了关键水下操作期间的控制稳定性。因此，定量研究水动力系数和涡激振动特性随姿态的变化不仅仅是一项理论研究任务。它是实际变姿态工况下水下机械手合理结构设计和控制系统设计的必要前提。

本研究建立了一个三维双连杆水下机械手模型。采用双向流固耦合数值方法系统研究了五种典型工作姿态下的水动力系数、三维近壁流场演化规律和振动响应特性。具体的研究目标是定量获取不同姿态下水动力系数的变化规律，评估其与工程常用常值的偏差，揭示与不同姿态相关的受力特性及其固有流动机制，并探索振动响应及其随雷诺数的演化规律。本研究为构建高精度水动力模型提供了理论支持，并有效提高了水下机械手的精确定位能力。研究成果也延伸到了受涡激振动影响的海上工程设备，如海上钻井平台和海洋立管，从而为水下工程系统的安全运行提供了理论依据。

本文结构如下：第 2 节介绍模型的实现。第 3 节比较和分析不同姿态下水下机械手水动力性能和流场特性的变化。最后，第 4 节得出结论。

章节片段
物理模型
图 1 展示了水下机械手姿态变化的示意图。本研究利用相似准则设计了一个双连杆水下机械手模型。机械手由上连杆和下连杆组成。研究保持上连杆垂直固定，同时绕 y 轴旋转下连杆以实现不同姿态。当下连杆垂直时定义为初始姿态，对应旋转角 α=0°。当下

水下机械手的水动力系数
当水下机械手进行水下作业时，面临着不同姿态下抓取的问题，因为姿态变化会影响水动力系数。图 6 展示了当下臂旋转角 α=0°时，水下机械手的升力系数和阻力系数的时程曲线以及不同测试位置截面的压力系数。其中，CL1 和 CD1 分别代表上臂的升力系数和阻力系数，

结论
在本研究中，建立了不同姿态下水下机械手的三维计算域。通过双向流固耦合数值计算，研究了典型姿态下机械手的涡激振动响应特性，揭示了均匀流场中机械手姿态变化对涡激振动的影响以及不同雷诺数下机械手的振动特性。结论如下，
(1) 随着姿态的

CRediT 作者贡献声明
孙延昌：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论。钟玲秀：方法论，调查研究。戴森良：写作 – 初稿，验证，软件，方法论。王雨贤：方法论，调查研究。赵东坚：方法论，调查研究。段德荣：写作 – 审阅与编辑，资源，方法论，概念化。张辉：资源，概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报道的工作。

致谢
本研究受国家自然科学基金 [No. 51905211]、济南市“新校 20 条”资金计划项目 [No.202228116]、山东省自然科学基金 [No. ZR2020ME137] 以及山东省科技型中小企业创新能力提升项目 [No. 2025TSGCCZZB0485] 支持。

孙延昌 | 钟玲秀 | 戴森良 | 王雨贤 | 赵东坚 | 段德荣 | 张辉