壁面爬行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真

劉紀(jì)新，胡鳳菊，陳繼濤，邵瑞影（青島黃海學(xué)院，山東青島　266427）

壁面爬行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真

劉紀(jì)新，胡鳳菊，陳繼濤，邵瑞影
（青島黃海學(xué)院，山東青島266427）

基于ADAMS軟件，對(duì)壁面爬行機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的受力狀況進(jìn)行了分析與仿真，對(duì)于驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)配合及行走協(xié)調(diào)性能具有重要的指導(dǎo)意義。通過焊縫爬越過程的ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與可靠性。

壁面爬行機(jī)器人；ADAMS；動(dòng)力學(xué)仿真

0　引言

爬壁機(jī)器人在壁面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)常需要爬越凹凸不平表面以及具有一定弧度高度的焊縫。當(dāng)爬壁機(jī)器人翻越焊縫障礙時(shí)，前輔助萬向輪率先越過焊縫，接著兩個(gè)主動(dòng)永磁輪同時(shí)爬越焊縫，后輔助萬向輪最后越過焊縫。當(dāng)兩個(gè)主動(dòng)永磁輪同時(shí)爬越焊縫時(shí)，由于爬壁機(jī)器人的吸附力主要由主動(dòng)永磁輪提供，此時(shí)機(jī)器人本體最易產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象，而主動(dòng)輪與壁面之間的磁吸附力會(huì)發(fā)生變化，有可能導(dǎo)致無法克服重力的情況發(fā)生。文中依靠虛擬樣機(jī)技術(shù)，基于ADAMS的動(dòng)力學(xué)分析，直接用圖表和數(shù)據(jù)的形式輸出分析結(jié)果。

1　動(dòng)力學(xué)模型的建立

在建立動(dòng)力學(xué)模型之前，首先要對(duì)爬壁機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。為研究方便，假定以下條件：①壁面剛性；②不考慮機(jī)器人爬越焊縫過程零件摩擦；③輪子與壁面接觸無相對(duì)滑動(dòng)。

爬壁機(jī)器人爬越焊縫過程可以簡化為二維平面模型，受力分析如圖1所示。參數(shù)設(shè)置如下：m為機(jī)器人本體質(zhì)量；J為本體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；R表示主動(dòng)輪半徑；r表示焊縫弧所在圓半徑；L表示本體長度；l表示本體到主動(dòng)輪中心距離；l1、l2分別表示本體到前后輔助輪中心距離；θ0表示主動(dòng)輪與壁面初始夾角；θ表示爬越焊縫過程主動(dòng)輪與壁面夾角；H表示焊縫最高的高度；s已知主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)位移。以壁面爬行機(jī)器人本體為研究對(duì)象：

圖1　動(dòng)力學(xué)模型Fig.1 Dynamic model

xm，ym分別是與壁面平行和垂直方向上位移。求二次導(dǎo)數(shù)，得：

當(dāng)主動(dòng)輪爬越焊縫最高點(diǎn)后，模型可用與上述相同的方法建立。從以上模型可以明顯得出，與爬越焊縫特性相關(guān)的重要參數(shù)包括了初始夾角、重心位置以及磁吸附力等，這為進(jìn)一步研究機(jī)器人爬越焊縫特性提供了理論基礎(chǔ)。由于設(shè)計(jì)輔助萬向輪彈簧機(jī)構(gòu)時(shí)，彈簧所允許伸縮最大距離為D，根據(jù)爬壁機(jī)器人在越障前后位置變化可以得出最大θ角。計(jì)算公式如下：

2　動(dòng)力學(xué)仿真

2.1模型的建立

建立ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型有兩種方法。一種是直接在ADAMS環(huán)境中用ADAMS/View提供的建模工具直接在ADAMS/View中建立模型，但是由于ADAMS的建模功能比較簡單，要建立復(fù)雜的模型比較困難，我們還可以利用 ADAMS提供的模型數(shù)據(jù)接口來導(dǎo)入由CAD軟件建立的三維模型，專業(yè)的CAD軟件，如SolidWorks、Pro/E、UG，三維建模的功能要強(qiáng)大很多，可以很快地建立復(fù)雜的模型，并將其導(dǎo)入到 ADAMS/ View中得到相應(yīng)的模型。

ADAMS/View提供的模型數(shù)據(jù)接口有 Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等格式。本文是由SolidWorks建立壁面爬行機(jī)器人的三維模型，然后導(dǎo)出擴(kuò)展名為*.X_T的 Parasolid格式的CAD文件，再將其導(dǎo)入到ADAMS/View模塊中，然后再編輯構(gòu)件的屬性和構(gòu)成構(gòu)件元素的屬性，包括顏色、位置、名稱和材料屬性等信息，然后在構(gòu)件之間添加約束。

需要注意的是，在建模過程中，為使建立的模型更接近實(shí)際情況，經(jīng)常繪出復(fù)雜的零件外形及裝配關(guān)系。但這樣使得模型所包含的零件數(shù)目顯著增加，給仿真工作帶來了很大的困難，更重要的是會(huì)影響到仿真結(jié)果的正確性。因此，在將模型導(dǎo)入到ADAMS之前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行簡化。壁面爬行機(jī)器人虛擬樣機(jī)的建立過程如下：

（1）將Solidworks中建立的壁面爬行機(jī)器人的三維模型輸出為*.x_t格式文件。

（2）在ADAMS中導(dǎo)入上述的*.x_t文件。

（3）導(dǎo)入模型后，對(duì)每個(gè)零件的材料、顏色、慣性參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)等進(jìn)行修改。

（4）將不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件進(jìn)行布爾運(yùn)算，合并為一個(gè)構(gòu)件，這時(shí)，各部件之間不存在任何約束，僅受重力的作用。

2.2載荷施加

ADAMS中可以考慮4種類型的力：作用力，柔性連接力，特殊力（例如重力）和接觸力。在ADAMS中施加的作用力可以是單方向的作用力，也可以是3個(gè)方向的分量，也可以是6個(gè)方向的分量（3個(gè)力的分量，3個(gè)力矩的分量）。有兩種定義力方向的方法：沿坐標(biāo)標(biāo)記的坐標(biāo)軸定義力的方向，或者是沿兩點(diǎn)連線的方向定義力。在輸入作用力數(shù)值的時(shí)候，ADAMS提供了3種輸入力值的方法：

（1）直接輸入數(shù)值力，力矩值，剛度系數(shù)K和阻尼系數(shù)C等。

（2）輸入ADAMS提供的函數(shù)（位移，速度和加速度函數(shù)），用以建立力和各種運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系，力函數(shù)用于建立各種不同的力之間的關(guān)系。

（3）輸入子程序的傳遞參數(shù)，ADAMS允許用戶用FORTRAN、C或C++語言編寫子程序，描述力和力矩。有兩種定義力的方向：沿坐標(biāo)標(biāo)記的坐標(biāo)軸定義力的方向，或者是沿兩點(diǎn)連線的方向定義力。

在ADAMS中計(jì)算接觸力的方法有兩種，補(bǔ)償法和沖擊函數(shù)法。補(bǔ)償法需要確定懲罰系數(shù)和補(bǔ)償系數(shù)這兩個(gè)參數(shù)。懲罰系數(shù)決定兩構(gòu)件間重合體積的剛度，懲罰系數(shù)越大，接觸剛度就越大；補(bǔ)償系數(shù)決定兩構(gòu)件接觸時(shí)的能量損失。接觸力大小是懲罰系數(shù)與和兩構(gòu)件相互插入深度的乘積。沖擊函數(shù)法是通過Impact函數(shù)計(jì)算兩構(gòu)件間的接觸力，接觸力由兩個(gè)構(gòu)件之間的相互切入產(chǎn)生的彈性力和由相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力兩部分組成。在定義壁面爬行機(jī)器人模型的施加載荷中，主要有重力以及摩擦力。

2.3分析結(jié)果

根據(jù)機(jī)器人的系統(tǒng)模型，添加基本工況約束，ADAMS環(huán)境中的機(jī)器人虛擬樣機(jī)如圖2所示。建立好機(jī)器人在ADAMS環(huán)境下的完整仿真模型，然后進(jìn)行5秒、500步腳本仿真。

圖2　ADAMS中機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)體模型Fig.2 Entity model of the robot system in ADAMS

在后處理模塊中可以計(jì)算處理機(jī)器人系統(tǒng)力變化曲線，并得到機(jī)器人爬越焊縫過程中躍升階段磁吸附力和摩擦力變化曲線輸出。圖3和圖4分別為機(jī)器人躍升階段磁吸附力變化曲線和機(jī)器人躍升階段摩擦力變化曲線。

圖3　躍升階段吸附力變化曲線Fig.3 Changing curve of adsorption force during jump phase

圖4　躍升階段摩擦力變化曲線Fig.4 Changing curve of frictional force during jump phase

從圖3和圖4爬壁機(jī)器人躍升階段磁吸附力和摩擦力輸出曲線，可以看到磁吸附力和摩擦力的變化情況。從兩圖的斜率變化可以明顯看出，在剛開始的1s時(shí)間內(nèi)，磁吸附力變化幅度很小，這是因?yàn)闄C(jī)器人剛開始攀爬焊縫，其永磁輪與壁面還有很大的接觸；隨著時(shí)間的推移，磁吸附力和摩擦力的變化幅度逐漸增大，因?yàn)闄C(jī)器人躍升過程中，永磁輪與壁面接觸面積會(huì)減小，導(dǎo)致磁吸附力和摩擦力也隨之相應(yīng)減小?？傊谲S升階段，磁吸附力在不斷減小，摩擦力也隨之減小。當(dāng)躍升至最高點(diǎn)處，摩擦力達(dá)到最小為399N，大于整個(gè)機(jī)器人本體重力。這就說明即使在最易傾覆處，壁面產(chǎn)生的摩擦力完全能夠克服本體重力影響，不會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。而且，從圖3和圖4中可以發(fā)現(xiàn)，總體上力變化幅度不大相對(duì)比較平穩(wěn)，從而滿足能平穩(wěn)爬越焊縫的要求。

當(dāng)機(jī)器人爬越焊縫最高點(diǎn)之后，下降過程與躍升過程互逆，隨著時(shí)間的推移，磁吸附力在不斷增大，摩擦力也隨之增大。此后就不存在可能產(chǎn)生傾覆的問題。現(xiàn)場試驗(yàn)中，機(jī)器人成功攀越高度7mm的焊縫，也驗(yàn)證了上述的仿真分析。

3　結(jié)束語

文中建立了壁面爬行機(jī)器人爬越焊縫過程的動(dòng)力學(xué)模型，利用ADAMS軟件建立了壁面爬行機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。通過分析仿真輸出曲線，驗(yàn)證了該機(jī)器人行走吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及各個(gè)功能的有效性。

［1］王吉岱，孔輝，陳廣慶，等.新型罐壁檢測爬行機(jī)器人的行走吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，1.

［2］王吉岱，王靜，魏軍英.一種新型四臂巡檢機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)與越障仿真分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2015，6.

［3］杜志江，張博，孫立寧，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19.

［4］王新杰，黃濤，陳鹿民.四足步行機(jī)器人爬行步態(tài)的計(jì)算機(jī)仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2007，4.

［5］J.T.Chen，H.Y.Song，W.W.Ge，et al.Finite Element Analysis of Drill Tower Structure Based on ANSYS，Applied Mechanics and Materials Vols.385-386（2013）pp 125-128.

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Dynamics Analysis and Simulation of Wall Climbing Robot

LIU Ji-Xin，HU Feng-Ju，CHEN Ji-Tao，SHAO Rui-Ying
（Qingdao Huanghai College，Qingdao Shandong 266427，China）

Based on ADAMS software，analysis and simulation on the law of motion of wall climbing robot system and the stress status in the process of the movement are made，which is of important guiding significance to verify the robot structure matching the performance of the walking and coordination.By the dynamics simulation analysis of ADAMS through the process of the weld climb，the stability and reliability of the design structure are verified.

wall climbing robot；ADAMS；dynamics simulation

TH132

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.008

1002-6673（2015）05-019-03

2015-08-13

項(xiàng)目來源：本文系2013年山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目（壓力容器焊縫超聲波自動(dòng)探傷機(jī)器人的仿真研究-J13LB60）

劉紀(jì)新（1979－），男，山東招遠(yuǎn)人，副教授。研究方向：工程圖學(xué)與機(jī)械設(shè)計(jì)。