[发明专利]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

权利要求书

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：使用CFD复现水槽试验，并验证CFD计算准确度；

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SST K-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3：使用CFD对机械手运动过程进行数值模拟，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、肘关节转动；

步骤3.4：选取SST K-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+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

拟合公式为：

通过拟合获得水下机械手的平均粘性阻力系数和平均惯性阻力系数

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方程为：

其中ρ为流体密度，和分别为平均速度和压力向量，v_g为参考速度，I是特征张量，T是粘压张量，选取SST k-ω湍流模型对雷诺应力张量进行模拟，f_b为流场中物体合力。

3.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。