共軸式雙旋翼推力吸附機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

薛朝軍,王海波*，

(1. 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031；2. 軌道交通運(yùn)維技術(shù)與裝備四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,基建項(xiàng)目的不斷增多,基建設(shè)施老化的現(xiàn)象日益普遍,對(duì)老化的基建設(shè)施進(jìn)行安全防控成為普遍的共識(shí)。橋梁安全事故頻發(fā),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2005～2018年全國(guó)至少垮塌了28座大中型橋梁。快速、高效、便捷的檢測(cè)平臺(tái)是能加快基建設(shè)施進(jìn)行安全防控工作,同時(shí)也是順利完成安全防控工作的保障?，F(xiàn)有的爬壁機(jī)器人吸附平臺(tái)主要有:真空吸附、負(fù)壓吸附、磁吸附、仿生吸附和推力吸附。真空吸附主要依靠吸盤作為吸附腔體,理想情況下的吸盤與壁面之間應(yīng)完全貼合不存在漏氣,真空吸附機(jī)器人平臺(tái)一般以多吸盤組交替吸附的形式實(shí)現(xiàn)在壁面上移動(dòng),但是對(duì)壁面的平整度要求高;負(fù)壓吸附一般采用單吸附腔結(jié)構(gòu),通過特殊的彈性裙邊和氣囊進(jìn)行密封,保證了負(fù)壓的形成,進(jìn)而保證了附著力,但只能在一個(gè)壁面上行走,不能實(shí)現(xiàn)從壁面到另一個(gè)壁面的跨越;磁吸附是依靠電磁體或者永磁體的磁力吸附于壁面,只適用于具有導(dǎo)磁性的壁面,不具普遍性;仿生吸附模仿生物的吸附機(jī)理或者肢體結(jié)構(gòu),對(duì)生物學(xué)、材料學(xué)、化工技術(shù)、微制造技術(shù)等學(xué)科的要求較高,很難應(yīng)用于實(shí)際并且其負(fù)載能力往往不高;推力吸附利用軸線與壁面成一定角度的螺旋槳或風(fēng)扇產(chǎn)生的高速氣流來實(shí)現(xiàn)吸附的。推力吸附機(jī)器人平臺(tái)有如下優(yōu)點(diǎn):1) 靈活的移動(dòng);2) 搭載一定的負(fù)載;3) 對(duì)壁面平整度無要求;4) 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單壁面跨越。而這些能力滿足橋梁檢測(cè)對(duì)平臺(tái)的要求。[1-5]

1990 年日本的Nishi與Miyagi[6]推出了推力型爬壁機(jī)器人平臺(tái),它利用直升機(jī)原理,由螺旋槳產(chǎn)生的高速氣流帶動(dòng)機(jī)器人高速移動(dòng),用柴油機(jī)提供動(dòng)力,整體結(jié)構(gòu)較大,不適用于小型檢測(cè)平臺(tái)。 2016年和2018年E-JUST的Alkalla等[7-8]分別提出了EJBot-Ⅰ和EJBot-Ⅱ爬壁機(jī)器人平臺(tái),都由同軸的、兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳提供推力;Ⅰ型是外接電源,輪式行走,能在豎直壁面和天花板上進(jìn)行攀爬;Ⅱ型是自帶電源,履帶式行走,能實(shí)現(xiàn)在壁面短暫的停留,通過舵機(jī)控制支撐臂與機(jī)器人平臺(tái)地盤的角度實(shí)現(xiàn)地面和垂直壁面的過渡;但是兩者都沒有對(duì)螺旋槳進(jìn)行選型分析,沒有對(duì)旋翼直徑與整機(jī)重量的關(guān)系進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析,把旋翼和機(jī)器人平臺(tái)孤立開來。2017年泰國(guó)的Sukvichai 等[9]提出的縱列式雙螺旋翼爬壁機(jī)器人平臺(tái),能實(shí)現(xiàn)地面與豎直壁面的過渡,但是機(jī)器人幾乎沒有負(fù)載能力。VertiGo是一款由蘇黎世迪斯尼研究中心和ETH合作開發(fā),2016年公開發(fā)表,能夠從地面過渡到墻壁的爬壁機(jī)器人平臺(tái),能夠在壁面上靈活移動(dòng),但是負(fù)載能力差[10]。國(guó)內(nèi),中南大學(xué)的徐聰和張羽等[11-12]分別在2013年和2019年提出了利用涵道風(fēng)扇的爬壁機(jī)器人平臺(tái)和球形螺旋槳的爬壁機(jī)器人平臺(tái),能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、懸停及任意角度平面內(nèi)行駛,但是存在壁面停留時(shí)間短和幾乎不具備負(fù)載能力等問題。

本文在EJBot-Ⅱ的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了推力吸附機(jī)器人平臺(tái),并通過Fluent進(jìn)行2維的外流場(chǎng)計(jì)算,以確定旋翼的安裝角;再確定旋翼直徑、旋翼需用功率與整機(jī)重量三者的關(guān)系,建立Simulink模型對(duì)旋翼直徑進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。使平臺(tái)更加輕量化和便捷化,為機(jī)器人平臺(tái)下一步的設(shè)計(jì)作鋪墊。

1 機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要有4部分構(gòu)成:旋翼機(jī)構(gòu)、機(jī)架、履帶行走機(jī)構(gòu)和翻越機(jī)構(gòu),如圖1所示。

圖1 機(jī)器人平臺(tái)

機(jī)器人平臺(tái)使用共軸式雙旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)提供正壓力,上、下兩旋翼通過正反轉(zhuǎn)來抵消旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩;機(jī)器人平臺(tái)通過履帶與壁面的接觸并擠壓產(chǎn)生摩擦力而停留在壁面上;通過無線傳感技術(shù)對(duì)旋翼系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和翻越系統(tǒng)進(jìn)行控制,使機(jī)器人平臺(tái)到達(dá)預(yù)設(shè)的位置。

旋翼系統(tǒng)為機(jī)器人平臺(tái)提供正壓力,是保證平臺(tái)停留在壁面上的關(guān)鍵。影響旋翼的推力主要因素有:旋翼的迎角、直徑與轉(zhuǎn)速。在一定范圍內(nèi),迎角、直徑與轉(zhuǎn)速分別和旋翼產(chǎn)生推力的大小成正相關(guān)。

機(jī)架是機(jī)器人平臺(tái)的主體,主要功能有:固定功能部件和傳遞旋翼產(chǎn)生的推力。整體重量隨著旋翼直徑的變化而變化。

機(jī)器人平臺(tái)的行走方式采用履帶式,具備與壁面接觸面積大、對(duì)壁面平整度要求低和牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。履帶使用橡膠材質(zhì),與混凝土面的摩擦系數(shù)為0.4。有如下優(yōu)點(diǎn):1) 靈活的移動(dòng);2) 對(duì)壁面平整度無要求;3) 穩(wěn)定性較好。主要部件為:履帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

通過無線傳感技術(shù)對(duì)翻越機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,調(diào)整翻越機(jī)構(gòu)與機(jī)器人平臺(tái)底盤的夾角,從而控制機(jī)器人平臺(tái)的姿態(tài),使機(jī)器人平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)從一種壁面到另一種壁面的簡(jiǎn)單跨越。

2 數(shù)值方法與模型

在確保能夠順利作業(yè)前提下,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)使機(jī)器人平臺(tái)的能耗最小、成本最低和自身重量最輕。而影響旋翼的推力主要因素有:旋翼的迎角、直徑與轉(zhuǎn)速。先對(duì)選定翼型進(jìn)行2維的外流場(chǎng)計(jì)算,求得“最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)”,確定迎角。在確定迎角后,拉力一定,轉(zhuǎn)速和直徑共同決定旋翼電機(jī)的功率,影響電池的重量;而直徑又與機(jī)架、履帶行走機(jī)構(gòu)、支撐翻越機(jī)構(gòu)和旋翼機(jī)構(gòu)的重量成正相關(guān)。由此,建立Simulink仿真模型,最后旋翼在某直徑處,求得最輕重量的機(jī)器人平臺(tái)。

2.1 安裝角的確定

本文采用NACA4412翼型,無扭轉(zhuǎn)角。對(duì)翼型進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算,以翼型弦長(zhǎng)C=0.03為參考長(zhǎng)度,計(jì)算域左、右邊界距離翼型尾緣分別為10C、14C,上、下邊界距翼型弦線都為10C,采用漸變網(wǎng)格,靠近翼型的網(wǎng)格加密,遠(yuǎn)離翼型后的網(wǎng)格間距逐漸增大,如圖2所示。求得在Re=8×104、 1.6×105、 2.7×105下,升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD隨迎角α從-6°增大到20°的變化,分別如圖3a)、圖3b)所示[13-14]。

圖2 計(jì)算模型

圖3 升、阻力特性曲線

如圖3所示,在-6°至10°的時(shí)候,升力系數(shù)與迎角呈線性相關(guān)。在Re=8×104、 1.6×105、 2.7×105下,對(duì)應(yīng)CL1、CL2、CL3與迎角α的關(guān)系：

CL1=0.064 37×α+0.376 2

(1)

CL2=0.066 02×α+0.397 9

(2)

CL3=0.066 9×α+0.408

(3)

圖4 翼型極線

用5次多項(xiàng)式分別對(duì)在Re=2.7×105、1.6×105、8×104下的CL和CD進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到CLⅠ、CLⅡ、CLⅢ,當(dāng)CL>0.4,擬合曲線滿足CL和CD的變化趨勢(shì),分別如圖5a)～圖5c)所示[15]。

圖5 CL與CD曲線擬合

旋翼轉(zhuǎn)速受到槳尖速度的限制,以避免葉尖出現(xiàn)過大的空氣壓縮效應(yīng),旋翼的葉尖速度不大于0.55 Ma。旋翼直徑范圍大概在200～700 mm, 對(duì)雷諾數(shù)的范圍進(jìn)行估算,則Re為8×104～2.7×105。

由于葉尖速度的限制,同時(shí)限制直徑與轉(zhuǎn)速,則要確保升力系數(shù)大于0.695。在當(dāng)雷諾數(shù)從8×104增大到2.7×105,對(duì)應(yīng)迎角為4.28°～4.953°。

在相同轉(zhuǎn)速、反扭矩平衡狀態(tài)時(shí),上、下旋翼氣動(dòng)相互干擾,上、下旋翼的總距相差1°左右[16]。同時(shí)考慮電動(dòng)馬達(dá)和槳翼材料,上旋翼安裝角取6°,下旋翼安裝角取5°。

2.2 功率與半徑、拉力

旋翼拉力[17]為：

(4)

(5)

式中：K⊥為垂直吹風(fēng)增重系數(shù);G為旋翼推力,kg;ρ為所在海拔大氣密度;Cy7為型阻升力系數(shù);σ為槳葉實(shí)度;KT0為拉力修正系數(shù);κ為葉端損失系數(shù)。

在懸停狀態(tài)下,旋翼的需用功率為：

(6)

(7)

當(dāng)槳葉數(shù)為6,則功率與半徑、推力的關(guān)系:

(8)

(9)

2.3 建立仿真模型

在扭矩平衡狀態(tài)下,上、下旋翼分別為提供45%、55%的推力[18]。履帶與混凝土壁面的摩擦系數(shù)為0.4,則上下旋翼推力和的0.4倍等于整機(jī)重量。

通過擬合電池電容量與重量的關(guān)系,聯(lián)合式(8)、式(9),把機(jī)器人平臺(tái)作業(yè)5 min所需的電容量轉(zhuǎn)換為電池重量,建立閉合關(guān)系,輸入旋翼的直徑,輸出整機(jī)的重量,如圖6所示。共軸雙旋翼的推力要大于機(jī)器人平臺(tái)所需的正壓力,則Dmin≥336 mm。

圖6 仿真模型

3 結(jié)果與分析

如圖7所示,橫坐標(biāo)為直徑的增量,縱坐標(biāo)為機(jī)器人平臺(tái)部件的重量。機(jī)器人平臺(tái)旋翼直徑D從336 mm開始逐漸增大到700 mm。機(jī)器人平臺(tái)的重量分為電池部分重量和非電池部分重量,電池部分重量G1隨著直徑的增大而減小,如圖7a)所示;非電池部分的重量G2隨著旋翼直徑的關(guān)系接近于線性相關(guān),如圖7b)所示;機(jī)器人平臺(tái)整體重量G隨著直徑的增大,先減小后增大,如圖7c)所示。在D=376.4 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn),使機(jī)器人平臺(tái)整機(jī)重量最輕=2.44 kg。

圖7 重量與旋翼直徑

如圖7所示,隨著旋翼直徑的增大,機(jī)器人平臺(tái)的重量也在增大,電池部分的重量反而減小。正如式(8)和式(9)所表達(dá)的關(guān)系,電池重量與旋翼直徑成反比,與整機(jī)重量的1.5次方成正比。當(dāng)旋翼直徑繼續(xù)增大,電池部分的重量先繼續(xù)減小,在取得最小值后,一直增大。

機(jī)器人平臺(tái)在優(yōu)化前后的性能指標(biāo)如表1所示。由于優(yōu)化目的是在保證基本設(shè)計(jì)性能不變的前提下,對(duì)整機(jī)重量進(jìn)行優(yōu)化,所以機(jī)器人平臺(tái)的行走速度、續(xù)航時(shí)間和負(fù)載能力未發(fā)生改變。當(dāng)取得最優(yōu)重量,整機(jī)重量較優(yōu)化前減小了4.8%。同時(shí),尺寸也發(fā)生了變化,長(zhǎng)寬高分別減小了22.5%、23.8%、20.6%。機(jī)器人平臺(tái)變得更加輕量、小巧和便捷,吻合優(yōu)化預(yù)想。

表1 機(jī)器人平臺(tái)性能指標(biāo)

4 結(jié)論

本文結(jié)合旋翼部分與機(jī)器人平臺(tái)的整體重量,把空氣動(dòng)力學(xué)考慮到機(jī)器人平臺(tái)對(duì)壁面正壓力的設(shè)計(jì)之中,主要結(jié)論為：

1) 旋翼安裝角的選擇。一般翼型的安裝角選擇都考慮了多種飛行狀態(tài)。由于機(jī)器人平臺(tái)中的共軸式雙旋翼只提供正壓力,機(jī)器人平臺(tái)就只有一個(gè)飛行狀態(tài)——垂直懸停。本文根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),求得“最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)點(diǎn)”后,確定安裝角,設(shè)計(jì)旋翼,降低了能耗,減輕了整機(jī)重量。

2) 旋翼直徑的確定。旋翼直徑影響整個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的重量,同時(shí),也影響共軸式雙旋翼系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人平臺(tái)的正壓力。本文推導(dǎo)了直徑、整機(jī)重量和正壓力三者的關(guān)系,搭建Simulink模型,在D=376.4 mm處求得最輕整機(jī)重量,為下一步的設(shè)計(jì)提供參考。

3) 本文對(duì)選定翼型進(jìn)行2維的外流場(chǎng)計(jì)算,沒有考慮機(jī)身和工況對(duì)旋翼誘導(dǎo)速度的影響,存在一定的誤差。接下來,會(huì)根據(jù)實(shí)際工況,對(duì)機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行三維流場(chǎng)仿真。