楊海強(qiáng)，周燦豐，高 輝

（北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102617）

0 引言

水下爬壁機(jī)器人是一種能夠在水下高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)的自動(dòng)化裝置，它通過吸附裝置貼在水下壁面上，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在一定的吸附力的情況下在壁面上移動(dòng)，從而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工作任務(wù)。水下爬壁機(jī)器人能夠應(yīng)用于許多行業(yè)，像核工業(yè)、造船業(yè)、漁業(yè)、近海領(lǐng)域等[1～3]。

UG作為當(dāng)今世界最為流行的CAD/CAM/CAE軟件之一，功能強(qiáng)大，可對產(chǎn)品建模、加工、分析設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確的獲得工業(yè)造型設(shè)計(jì)方案[4]。特別是它的三維建模功能，能夠快速的完成零部件建模，另外還可以跟其他CAD/CAM/CAE軟件完成數(shù)據(jù)傳輸。

ADAMS是目前世界上使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件[5]。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫等創(chuàng)建參數(shù)化機(jī)械虛擬樣機(jī)，其求解器采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，通過虛擬樣機(jī)來模擬復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，達(dá)到提高設(shè)計(jì)性能、節(jié)約成本、節(jié)省時(shí)間的目的。

ADAMS雖然是很好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件，但是它的建模功能相對較弱，對于一些形狀復(fù)雜的大型零件來說，一般是使用CAD軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，再將模型導(dǎo)入ADAMS中，建立仿真模型，進(jìn)行仿真分析，所以筆者設(shè)計(jì)的水下爬壁機(jī)器人是通過UG進(jìn)行三維建模，然后在ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證并得到合適的吸附力。

1 UG三維模型的建立

1.1 機(jī)械本體的建立

機(jī)械本體主要是承載電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等，根據(jù)它們的位置和尺寸基本確定機(jī)械本體的尺寸，經(jīng)過綜合考慮，最后機(jī)械本體的尺寸為500mm×540mm×65mm，考慮到水下爬壁機(jī)器人工作的水下深度和經(jīng)濟(jì)型要求，機(jī)械本體采用亞克力材料，這種材料強(qiáng)度高、透光性好、易加工，而且價(jià)格便宜。利用UG軟件建立機(jī)械本體的三維模型，如圖1所示。

圖1 機(jī)器本體

1.2 照明系統(tǒng)建立

水下爬壁機(jī)器人的照明燈具選用的的MBS-07水下燈具，這種燈具采用不銹鋼管，24V直流電供電，如圖2所示。由于機(jī)器人的下潛深度要到達(dá)到20m左右，為防止燈具進(jìn)水，應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的防護(hù)罩，以保證照明裝置的正常工作，根據(jù)燈具的實(shí)際尺寸，然后設(shè)計(jì)防護(hù)罩的形狀和尺寸，利用UG軟件建立防護(hù)罩的三維模型，如圖3所示。

圖2 MBS-07水下燈具

圖3 水下燈具防護(hù)罩

1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建立

機(jī)械本體內(nèi)主要有電源、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等，根據(jù)選用零件的實(shí)際尺寸，利用UG進(jìn)行三維建模，并將這些零部件裝入機(jī)械本體內(nèi)，建立水下爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)，總的裝配圖如圖4所示。

圖4 水下爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)

2 力學(xué)模型

水下爬壁機(jī)器人的力學(xué)模型如圖5所示，F(xiàn)1，F(xiàn)2是左、右兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的推力，N1，N2，N3是壁面對機(jī)器人的支持力，G是水下機(jī)器人的重力，F(xiàn)浮是在水中的浮力，F(xiàn)阻是在水中運(yùn)動(dòng)的阻力，F(xiàn)f是在壁面對機(jī)器人的摩擦力。

圖5 機(jī)器人靜力學(xué)模型

在x，y軸方向上受力平衡，可表示為：

機(jī)器人在壁面作業(yè)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩種危險(xiǎn)情況：一是機(jī)器人在壁面上的滑落，二是機(jī)器人在壁面上發(fā)生傾覆，這兩種情況都需要螺旋槳提供足夠的吸附力，所以確定吸附力的大小是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。

3 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真流程

首先在UG中建立的實(shí)體模型，進(jìn)行一定程度的簡化，點(diǎn)擊Export命令，選擇建立的裝配圖模型，輸出Parasolid的文件格式，然后在ADAMS中點(diǎn)擊Import命令，選擇Parasolid（*.x_t）文件類型；導(dǎo)入模型以后，右擊每個(gè)零部件，在Modify Body對話框中改變其質(zhì)量、材質(zhì)和慣性矩等初始設(shè)置。然后對零部件添加約束，最后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[6,7]。機(jī)器人仿真流程圖如圖6所示。

3.2 水下爬壁機(jī)器人ADAMS仿真

將UG建立的水下爬壁機(jī)器人三維模型導(dǎo)入ADAMS中，然后在左右輪旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動(dòng)，其大小與爬壁機(jī)器人的行走速度和轉(zhuǎn)向半徑有關(guān)。將驅(qū)動(dòng)的大小設(shè)為變量，在ADAMS軟件中添加約束與驅(qū)動(dòng)并且建立壁面模型后，如圖7所示。

圖6 機(jī)器人仿真流程圖

圖7 水下爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型

在爬壁機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型中，左右兩個(gè)螺旋槳產(chǎn)生的推力方向垂直于壁面，-Y方向，重力方向平行于壁面向下，+Z方向，摩擦力和浮力方向平行于壁面向上，-Z方向。為了得到一個(gè)使水下爬壁機(jī)器人既不滑落又節(jié)能的吸附力，分別記錄吸附力為10N，20N，30N，40N時(shí)，與其相應(yīng)的水下爬壁機(jī)器人的移動(dòng)速度如圖8所示。

圖8 水下爬壁機(jī)器人ADAMS仿真結(jié)果

當(dāng)吸附力為10N時(shí)，水下爬壁機(jī)器人的移動(dòng)速趨于平穩(wěn)后，有一個(gè)比較大的浮動(dòng)，這表示水下爬壁機(jī)器人的吸附效果不是很牢靠；當(dāng)吸附力為20N，30N，40N時(shí)，水下爬壁機(jī)器人的移動(dòng)趨于平穩(wěn)后較小，而且移動(dòng)速度的值也很小，這時(shí)候水下爬壁機(jī)器人能夠可高的吸附在壁面上，所以吸附力為20N時(shí)能夠滿足要求。

4 結(jié)論

1）利用UG建立了水下爬壁機(jī)器人的機(jī)械本體、照明裝置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維模型，并把這些三維模型組裝成一個(gè)整體，為動(dòng)力學(xué)分析提供了。

2）提出了水下爬壁機(jī)器人的力學(xué)模型，分析了水下機(jī)器人發(fā)生滑落的兩種情況，為動(dòng)力學(xué)的分析提供了理論依據(jù)。

3）通過在ADAMS軟件中建立動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行仿真，分別得到了機(jī)器人在不同的螺旋槳推力的情況下的移動(dòng)速度，最后得到了一個(gè)既不滑落又不浪費(fèi)功耗的推力，為水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

[1]王園宇,武利生,李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析[J].引進(jìn)與咨詢.2002,(4):3-4.

[2]Kochan A.Robotics moves on wards and upwards.Industrial Robot, 2003, 30(3):225-230.

[3]Elkmann N,Felsch T,Sack M,et al.Modular climbing robot for service-sector application.Industrial Robot,1999,26(6):460-465.

[4]臧艷紅,管殿柱,UG NX8.0三維機(jī)械設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

[5]劉晉霞,胡仁喜,康士廷.ADAMS 2012虛擬樣機(jī)從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[6]賀金虎,廉自生.基于ADAMS的帶式輸送機(jī)輸送帶特性仿真分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2014,36(4):91-93.

[7]張衛(wèi)鋒,樊炳輝.基于UG和ADAMS的變形移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真分析[J].機(jī)床與液壓,2007,35(1):211-212,201.