自變位履帶式管道機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及仿真研究

趙 棟

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十九研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

管道是天然氣重要輸送工具之一，近幾十年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步和能源消耗的增加，管道運(yùn)輸技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[1]。由于天然氣管道一般深埋在地下、海底或者建筑物中，難以檢測(cè)、清掃和維修，一旦管道污染、腐蝕或破損就會(huì)引起運(yùn)送物質(zhì)的污染，甚至管道系統(tǒng)的崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失或危害人類健康安全[2]。由于管道所處環(huán)境復(fù)雜，工作人員不宜甚至不能進(jìn)入其中進(jìn)行作業(yè)，而管道機(jī)器人能進(jìn)入人所不及、復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化管道環(huán)境中，通過攜帶的無(wú)損檢測(cè)裝置和作業(yè)裝置，完成管道的檢測(cè)、清掃和維護(hù)等任務(wù)[3]。因此，對(duì)管道機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析及仿真具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在管道機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真方面，唐鵬等人以管道檢測(cè)機(jī)器人在管道中力和力矩動(dòng)態(tài)平衡理論為基礎(chǔ)，提出了一種求解四驅(qū)管道機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)理論算法，此動(dòng)力學(xué)理論方法可以很好地解決管道檢測(cè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的力平衡計(jì)算問題[4]。白麗平從機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，利用動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS建立了120點(diǎn)焊機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真模型,并提出了無(wú)路徑的搜索方法，在全部的機(jī)器人工作空間內(nèi)進(jìn)行仿真搜索，最終求取機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的極限值[5]。趙玉俠等人在ADAMS環(huán)境下建立了小口徑六輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，創(chuàng)建了相應(yīng)的仿真環(huán)境，并進(jìn)行了三維實(shí)體運(yùn)動(dòng)仿真,通過對(duì)質(zhì)心處的位移、速度、加速度曲線以及對(duì)彈簧的力和驅(qū)動(dòng)力矩曲線的分析，證明該六輪機(jī)器人在直管道內(nèi)的移動(dòng)具有基本的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和可行性[6-7]。本文利用ADAMS軟件對(duì)自動(dòng)變位履帶式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人在豎直彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。

1 管道機(jī)器人建模和仿真

1.1 虛擬樣機(jī)建模

本文的研究對(duì)象是帶擺腿機(jī)構(gòu)的自動(dòng)變位履帶式管道機(jī)器人，該結(jié)構(gòu)便于管道機(jī)器人在變直徑圓形管道內(nèi)順利通行，同時(shí)具備大力矩輸出，使其具有較高的越障能力；通過調(diào)節(jié)支撐頂部履帶足的兩個(gè)支撐臂的張開角度，來(lái)調(diào)節(jié)管道機(jī)器人的高度，使其具有適應(yīng)不同管道直徑與垂直管道行走能力；利用傳感器系統(tǒng)感知自身重心的變化，自適應(yīng)調(diào)整履帶速度，可以實(shí)現(xiàn)由水平布置向垂直方向管道的平穩(wěn)過渡；同時(shí)為了使管道機(jī)器人具有防爆功能，機(jī)器人主體采用隔爆外殼并攜帶本安型傳感器；此外，為了提高管道機(jī)器人的防側(cè)傾能力，在機(jī)器人兩側(cè)裝有桿式防側(cè)傾裝置。

本文的管道機(jī)器人模型在UG中繪制而成，然后進(jìn)行裝配，如圖1所示。

圖1 管道機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

1.2 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真

本文首先對(duì)底盤機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；然后將其整機(jī)置于豎直彎管中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，以分析其在不同的管道環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)特性。

1.2.1 底盤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

由于底盤機(jī)構(gòu)零件較多，添加運(yùn)動(dòng)副較困難，因此先將無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行布爾求和，將其簡(jiǎn)化為9部分：履帶輪1、履帶輪2、履帶輪3、履帶輪4、前擺腿、后擺腿、電機(jī)、惰輪和上板，如圖2所示。

添加運(yùn)動(dòng)副(5個(gè)固定副、4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、3個(gè)齒輪副)后，給電機(jī)添加10°/s的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，只在重力作用下，設(shè)置時(shí)間為4 s，步數(shù)為100步，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可得到履帶輪1質(zhì)心處的Z向位移、速度和加速度曲線，如圖3所示。

圖2 簡(jiǎn)化后的底盤機(jī)構(gòu)

圖3 履帶輪1質(zhì)心處的Z向位移、速度和加速度曲線

1.2.2 支撐機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

支撐機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為8部分：底板、電機(jī)、絲杠、左滑塊、右滑塊、左支撐臂、右支撐臂和履帶輪5，如圖4所示。

圖4 支撐機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

添加運(yùn)動(dòng)副(1個(gè)固定副、6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2個(gè)移動(dòng)副、2個(gè)螺旋副、1個(gè)齒輪副)后，給電機(jī)添加30°/s的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，只在重力作用下，設(shè)置時(shí)間為1 100 s，步數(shù)為1 000步，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可得到履帶輪5質(zhì)心處的Z向位移、速度和加速度曲線，如圖5所示。

1.2.3 豎直彎管中運(yùn)動(dòng)仿真

彎管的尺寸如圖6所示，其內(nèi)徑為346 mm，外徑為366 mm，將機(jī)器人置于其中，如圖7所示。

圖5 履帶輪5質(zhì)心處的Z向位移、速度和加速度曲線

圖6 彎管尺寸 圖7 機(jī)器人在彎管內(nèi)的姿態(tài)

將管道機(jī)器人簡(jiǎn)化為6部分：機(jī)體、履帶輪1、履帶輪2、履帶輪3、履帶輪4、履帶輪5。給其添加運(yùn)動(dòng)副(1個(gè)固定副、5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副)，給履帶輪分別添加驅(qū)動(dòng)力矩(5 Nmm)，將履帶輪柔性化，添加接觸力(Flex Body to Solid)，添加X向單向力3.4 N。為了使履帶輪和管道間更好地接觸，在機(jī)體和履帶輪5之間添加拉壓彈簧阻尼器，如圖8所示。

在重力作用下，設(shè)置時(shí)間為190 s，步長(zhǎng)為0.5，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真(如圖9所示)，可得到管道機(jī)器人質(zhì)心處的X、Y、Z向位移、速度和加速度曲線，如圖10～圖12所示。

圖8 添加約束和力后的管道機(jī)器人 圖9 管道機(jī)器人在彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真

圖10 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)的X、Y、Z向位移曲線 圖11 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)的X、Y、Z向速度曲線 圖12 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)的X、Y、Z向加速度曲線

管道機(jī)器人在彎管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)的接觸力、扭矩和驅(qū)動(dòng)力曲線如圖13～圖17所示。

圖13 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶輪1X、Y、Z向接觸力曲線 圖14 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶輪5的X、Y、Z向接觸力曲線 圖15 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶輪1的 X、Y、Z向扭矩曲線

2 仿真結(jié)果驗(yàn)證

由于轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)器人的內(nèi)外側(cè)履帶輪的速度不同，因此可以將機(jī)器人簡(jiǎn)化為如圖18所示[8]。圖18中，O為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，v1、v2分別為兩邊履帶的速度矢量，vG為機(jī)器人重心的速度矢量，R為機(jī)器人所在管道的彎曲半徑，h為機(jī)器人高度，d為機(jī)器人中心與頂部的距離，由相似三角形理論[9]可得：

(1)

(2)

將上、下履帶輪及機(jī)器人質(zhì)心的速度放在一起對(duì)比，如圖19所示。

圖16 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)履帶輪5的X、Y、Z向扭矩曲線

圖17 管道機(jī)器人在彎管中運(yùn)動(dòng)時(shí)的X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)力曲線

圖18 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎示意圖

由式(1)、式(2)計(jì)算出v1、v2的值，將運(yùn)動(dòng)仿真值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，仿真結(jié)果與計(jì)算值相近，從而證明了仿真過程的正確性。

3 仿真結(jié)果分析

通過對(duì)底盤機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，可得出該自動(dòng)變位履帶式管道內(nèi)檢測(cè)機(jī)器人在自適應(yīng)管徑的調(diào)整過程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求。

圖19 轉(zhuǎn)彎時(shí)上、下組輪及質(zhì)心的速度

通過對(duì)管道機(jī)器人在豎直彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，可知其質(zhì)心處的位移、速度、加速度以及驅(qū)動(dòng)力矩曲線變化平穩(wěn)，符合設(shè)計(jì)要求；轉(zhuǎn)彎時(shí)上、下履帶輪的速度與理論計(jì)算結(jié)果一致，證明了運(yùn)動(dòng)仿真的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了管道檢測(cè)機(jī)器人在豎直彎管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真，分析了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性，驗(yàn)證了理論分析的合理性，為原理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，大大縮短了管道檢測(cè)機(jī)器人的開發(fā)時(shí)間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

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