船體彎翹曲面行走系統(tǒng)靜力學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)分析

Statics modeling and experimental analysis of walking system for the curved hull

陳　偉，李　飛，趙西振，李紅軍

CHEN Wei, LI Fei, ZHAO Xi-zhen, LI Hong-jun

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430073）

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船體彎翹曲面行走系統(tǒng)靜力學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)分析

Statics modeling and experimental analysis of walking system for the curved hull

陳偉，李飛，趙西振，李紅軍

CHEN Wei, LI Fei, ZHAO Xi-zhen, LI Hong-jun

（武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430073）

摘 要：選用履帶磁吸附方式作為在船體壁面運(yùn)動(dòng)的載體，通過分析履帶上的吸附單元在彎翹壁面上的貼合狀態(tài)，結(jié)合曲線擬合的方法，在該載體上加裝兩組被動(dòng)彈性阻尼自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，建立和驗(yàn)證該載體在船體彎翹曲面上的靜力學(xué)吸附模型，分析吸附力與運(yùn)動(dòng)傾覆之間的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)上述理論按一定比例設(shè)計(jì)制造出該行走系統(tǒng)進(jìn)行帶負(fù)載、船體壁面爬壁等實(shí)驗(yàn)，通過分析行走系統(tǒng)實(shí)際吸附狀態(tài)與效率，船體壁面爬壁狀態(tài)，驗(yàn)證理論分析的正確性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，表明行走系統(tǒng)吸附力穩(wěn)定，吸附單元的吸附效率較高，不僅能夠在船體復(fù)雜曲面上運(yùn)動(dòng)，還能在船體彎翹曲面上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在船體壁面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)能有效地控制鏈條的吸附模塊緊貼在壁面上運(yùn)動(dòng)，說明自適應(yīng)機(jī)構(gòu)有一定的曲面自適應(yīng)能力，整個(gè)行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理可靠的。

關(guān)鍵詞：彎翹曲面；自適應(yīng)機(jī)構(gòu)；建模與分析；爬壁

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代船舶的船體外形具有流體動(dòng)力學(xué)特性的曲面形貌，同時(shí)船舶在使用過程中，由于海水的強(qiáng)腐蝕性和海洋生物的強(qiáng)附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類、銹斑[1]，因此為了延長(zhǎng)船舶的使用壽命及減少由于阻力增大造成的油耗損失，船舶必須定期進(jìn)塢進(jìn)行檢修，但現(xiàn)在大多數(shù)噴漆、維修或者清理都是人工手持工具操作，不僅效率低下，而且成本昂貴且不易保證加工質(zhì)量[2]。所以，研究、開發(fā)大型曲面高效自動(dòng)化技術(shù)與設(shè)備，不僅具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，而且也是國(guó)防建設(shè)的需要。所以，基于嶄新的技術(shù)思想開發(fā)既滿足工程需求又符合經(jīng)濟(jì)需求的行走系統(tǒng)，以更新加工技術(shù)與裝備、適應(yīng)船體壁面表面處理的需求成為切實(shí)的要求[3]。

1 船體彎翹曲面行走系統(tǒng)建模

根據(jù)船體壁面面積大，各處曲率半徑不一，造成船體壁面曲面形貌復(fù)雜，不利于在上面開展自動(dòng)化作業(yè)。本節(jié)利用分段平面擬合曲面[4]，將行走系統(tǒng)的懸掛機(jī)構(gòu)做合理的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)被動(dòng)彈性阻尼自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，讓履帶能夠盡可能的貼在船體壁面上，提高磁性材料的吸附效率，從而可以解決了載體在壁面上的適應(yīng)性問題[5]，本行走系統(tǒng)主要有三部分組成：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吸附系統(tǒng)和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　基于Inventor建立的小型機(jī)器人行走系統(tǒng)虛擬樣機(jī)

自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的基本原理是在履帶形成的封閉區(qū)間內(nèi)加上一定數(shù)量的彈簧阻尼器，在阻尼器下方加上滾輪，因此就有別于傳統(tǒng)的行走系統(tǒng)中的滾輪，滾輪會(huì)隨著彈簧阻尼器的作用，使其一直貼在履帶上，這樣滾輪在履帶內(nèi)壁滾動(dòng)的同時(shí)還能在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所以就能保證履帶能夠一直貼在壁面行走，提高了行走系統(tǒng)的安全性能。

當(dāng)彈簧阻尼器的個(gè)數(shù)n趨向于無窮大時(shí)，履帶與凹壁面的的截面間隙面積為0，說明其完全貼附在凹壁面上，但在實(shí)際情況下，彈簧阻尼器的個(gè)數(shù)不可能為無窮多個(gè)，但是行走系統(tǒng)上建立一定數(shù)量的彈簧阻尼器，有助于履帶貼附在壁面上[6]。本文的行走系統(tǒng)以兩組彈簧阻尼器，每組3個(gè)對(duì)稱安裝在履帶封閉的區(qū)間內(nèi)，建立行走系統(tǒng)的自適應(yīng)模型。

2 行走系統(tǒng)靜力學(xué)分析

行走系統(tǒng)是在船體壁面上行走，其運(yùn)動(dòng)安全性和吸附可靠性是主要考慮的問題[7]。因此建立對(duì)行走系統(tǒng)在壁面上的靜穩(wěn)態(tài)分析可以為選取磁吸附尺寸，驅(qū)動(dòng)力矩大小提供理論參考。上節(jié)中提到自適應(yīng)機(jī)構(gòu)主要是適應(yīng)彎翹的曲面，如圖2中結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖所示，當(dāng)吸附單元完全吸附在船體壁面上時(shí)，可將壁面上的曲線簡(jiǎn)化為直線擬合吸附，因?yàn)檫@樣并不影響對(duì)行走系統(tǒng)的靜穩(wěn)態(tài)分析，同時(shí)還能簡(jiǎn)化吸附壁面的模型。

圖2　行走系統(tǒng)適應(yīng)彎翹曲面示意圖

根據(jù)上述提到的方法，現(xiàn)將模型簡(jiǎn)化為如圖3所示，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，對(duì)行走系統(tǒng)進(jìn)行靜滑動(dòng)分析，獲得相應(yīng)的受力分析方程。

要是其不能從船體壁面墜落，所以Gcosθ

圖3　行走系統(tǒng)壁面適應(yīng)模型

聯(lián)立式(1)～式(4)有：

G表示機(jī)器人重量；f表示在壁面上滑動(dòng)摩擦力；FM表示吸附單元總的吸附力；N表示壁面正壓力大??；μ表示在壁面上的摩擦系數(shù)；Fi表示第i個(gè)吸附單元的吸附力；表示單個(gè)吸附單元所需的平均吸附力；θ表示壁面與水平線之間的夾角。

若單個(gè)永磁體提供的吸附力是穩(wěn)定且相等的情況時(shí)，單個(gè)永磁體所需的最小吸附力為：

但是在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，靠近主、從動(dòng)輪兩端的永磁吸附單元所能提供的吸附力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足實(shí)際計(jì)算的吸附力，因此其保持絕對(duì)安全，單個(gè)吸附單元所需提供的吸附力為：

將式(6)通過和差化積計(jì)算得：

從式(8)可以看出，θ、μ數(shù)值都很小，單個(gè)吸附單元的吸附力主要取決與行走系統(tǒng)車身重量G，因此降低車身自重有助于小型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的提升，還能提高其安全性。另外，單個(gè)吸附單元施加的吸附力越大，其履帶所受的拉力越大，當(dāng)彈簧阻尼器伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，其所受的拉力相對(duì)越小，當(dāng)然的變化對(duì)履帶拉力的影響相對(duì)于單個(gè)單元吸附力對(duì)履帶的作用來說是相對(duì)較少的。

3 船體彎翹曲面行走系統(tǒng)

3.1 永磁吸附爬壁機(jī)器人參數(shù)

根據(jù)本文中理論設(shè)計(jì)制造出船體彎翹曲面行走系統(tǒng)樣機(jī)一臺(tái)，如圖4所示，該行走系統(tǒng)后輪兩驅(qū)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)速度為4～8mm/min，由于采用鋁制材料，車身自重大約為12.5kg，建立基于VC++平臺(tái)的MFC的上下位機(jī)分布控制，具體行走系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，依據(jù)制造的行走系統(tǒng)分別對(duì)其進(jìn)行了帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)以及彎翹曲面行走吸附實(shí)驗(yàn)。

圖4　小型機(jī)器人行走系統(tǒng)樣機(jī)

表1　小型機(jī)器人行走系統(tǒng)參數(shù)

3.2 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

帶負(fù)載能力是行走系統(tǒng)的重要特征，也是技術(shù)性能的要求。在保證行走系統(tǒng)安全性的前提下，提高行走系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，有利于為后期在行走系統(tǒng)上設(shè)計(jì)安裝作業(yè)工具提供足夠的空間，因此驗(yàn)證此行走系統(tǒng)的帶負(fù)載能力是十分必要的。

當(dāng)行走系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上斷電靜止時(shí)，依次在行走系統(tǒng)尾部均勻增加懸掛物，直到其脫離處于臨界脫離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)狀態(tài)，測(cè)量懸掛物的重量，選取不同姿態(tài)狀態(tài)重復(fù)測(cè)量，如圖6所示；當(dāng)行走系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上通電行走時(shí)，在其尾部懸掛一定的重量，在實(shí)驗(yàn)壁面上行走，依次實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加速、減速等狀態(tài)，逐步增加懸掛物的重量，觀察行走系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，重復(fù)多次測(cè)量相關(guān)狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖5　行走系統(tǒng)帶負(fù)載實(shí)驗(yàn)

表2　行走系統(tǒng)帶負(fù)載能力測(cè)試結(jié)果

3.3 船體彎翹壁面行走吸附實(shí)驗(yàn)

為了更好地模擬行走系統(tǒng)在船體彎翹曲面的運(yùn)動(dòng)情況，現(xiàn)將行走系統(tǒng)放在真實(shí)的船體彎翹壁面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，主要試驗(yàn)包括吸附實(shí)驗(yàn)、在彎翹曲面上行走以及爬越焊縫等，如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)不同的曲率曲面分別進(jìn)行行走狀態(tài)分析，分析其吸附效果，同時(shí)通過調(diào)節(jié)行走系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度，來驗(yàn)證其吸附效率，同時(shí)通過爬越焊縫來驗(yàn)證自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的合理性。

圖6　行走系統(tǒng)船體彎翹壁面運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)器材和場(chǎng)地得到武漢紡織大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化安全裝備技術(shù)研究中心的支持。根據(jù)理論分析與試驗(yàn)顯示，行走系統(tǒng)吸附力穩(wěn)定，吸附單元的吸附效率較高，不僅能夠在船體曲率較大的壁面上運(yùn)動(dòng)，還能在船體復(fù)雜的彎翹曲面上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)過程中，輕松爬越船

【下轉(zhuǎn)第52頁】

作者簡(jiǎn)介：陳偉（1987 -），男，湖北黃岡人，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與特種機(jī)器人。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（D20141601）

收稿日期：2015-08-27

中圖分類號(hào)：TH16；TH122；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0046-03