[发明专利]一种评估履带机器人海床行走能力的力学触探仪及方法

说明书

本发明提供一种评估履带机器人海床行走能力的力学触探仪及方法，包括：动态加载装置用于向履齿环触探装置施加竖直方向的作用力和扭矩；控制器用于控制动态加载装置，驱动履齿环触探装置以设定速度贯入软弱土中，或驱动履齿环触探装置以设定扭转速度扭转剪切软弱土；履齿环触探装置用于模拟履带与软弱土相互作用的触探过程，感应受到的阻力信号及扭转剪切力信号并经数据采集装置反馈至终端，终端实时绘制出软弱土的沉陷曲线及剪切曲线。本发明能模拟深海软弱土中履带在海床上的行走过程，通过压入、剪切海床软弱土获得履带行走的压强‑沉陷曲线和剪应力‑剪位移曲线，对履带行走时的关键行走性能指标进行分析评估。

技术领域

本发明涉及土木水利领域，具体地，涉及一种评估履带机器人海床行走能力的力学触探仪及方法。

背景技术

履带机器人所具有的机动性强、牵引力大、接地比压小、行走避障性能佳等优点使之在农业、军事、工程以及一些工况比较恶劣的环境中使用广泛。特别地，对于履带机器人在软弱土中行走的特殊工况，如在发生大面积泥石流区域的救援、海底软弱沉积物上铺设管道以及深海软弱海床上采矿等作业时，容易出现陷入、打滑、空转等影响行走效率的问题，这主要是因为对特殊工况中的软弱土关键力学参数了解有限，以及对履带-软弱土相互作用机理的研究不足。目前评估软弱土力学性能的手段比较有限，常用的手段如采用十字板剪切、静力触探CPT、全流触探仪等对研究具体结构物(如履带)与软弱土相互作用局限性较大，因此有必要针对这种情况采用更加准确、新颖的研究仪器和方法来促进问题的解决。

经对现有技术文献的检索发现，申请号为CN201521074810.8的中国专利，公开了一种实用新型便携式全自动T型触探仪，这种便携式全自动T型触探仪基于T型触探试验原理开发，可配以圆柱形或椭圆柱形两种探头。探头水平投影面积是静力触探探头的数倍，对于软黏土地层的变化更敏感，能得到沿深度的连续不排水抗剪强度值，测试精度大大提高。该触探仪设备轻巧，可以自动采集、存储、显示数据，并且可以单人操作，大大简化设备达到便携目的。但是此类触探仪采用的探头形状不能模拟实际工况下结构物-软弱土相互作用，采集的数据类型比较单一，且读出的数据比较原始，不能直接有效地运用于实际工程已经成熟运用的理论中(如在车辆地面力学理论中，该触探仪缺乏形状因子等重要参数)，所以此类触探仪的局限性在具体的实际工程应用中还是比较显著的。

2017年彭鹏在《岩土工程学报》(2017，Supp.1，pp.151-155)发表的“T型全流触探仪机理分析及海洋工程应用综述”一文中，回顾了海洋静力触探技术的发展历程，介绍了一种适用于海相软土的全流触探仪。总结了国内外学者对全流触探仪的理论及试验研究，包括贯入阻力与软土不排水抗剪强度之间的关系、循环贯入实验对重塑土特性的评价以及通过数值模拟得出T型全流触探仪的阻力系数等。

2019年张亚国在《结构工程师》(2019，No.2，pp.215-219)发表的“基于球形全流动触探仪的软土地基不排水强度确定”一文中，对球形探头贯入阻力及确定软弱土不排水剪切强度的方法进行介绍，并讨论了贯入阻力系数取值范围。在此基础上，通过开展离心模型试验，分析比较球形全流动触探和传统锥形静力触探的贯入阻力，以及确定的软土不排水剪切强度。

以上两篇关于全流触探仪的技术文献，介绍了运用全流触探仪在海床软弱土中的原位测试，能获得贯入阻力与软弱土不排水剪切强度之间的关系，以及一系列对贯入阻力系数的修正取值，提高数据的精度。但这些全流触探仪对软弱土的原位测试局限于对原状土的不排水剪切强度、灵敏度、土的压缩模量等力学参数的原始测量估算，对于实际工程中具体结构物-软弱土相互作用过程的模拟极为有限，且获得的数据直接运用于成熟的相关力学理论仍有较大差距，特别对于履带机器人在深海软弱土中行走的机理研究只能提供一些简单直观的参考，不能结合车辆地面力学理论直接运用。

综上所述，提出一种用于评估履带机器人海床行走能力的力学触探仪及方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种评估履带机器人海床行走能力的力学触探仪及方法。