楊海強，周燦豐，高 輝

（北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，北京 102617）

0 引言

水下爬壁機器人是一種能夠在水下高強度、高危險環(huán)境中進行作業(yè)的自動化裝置，它通過吸附裝置貼在水下壁面上，移動機構在一定的吸附力的情況下在壁面上移動，從而帶動執(zhí)行機構完成工作任務。水下爬壁機器人能夠應用于許多行業(yè)，像核工業(yè)、造船業(yè)、漁業(yè)、近海領域等[1～3]。

UG作為當今世界最為流行的CAD/CAM/CAE軟件之一，功能強大，可對產(chǎn)品建模、加工、分析設計、準確的獲得工業(yè)造型設計方案[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械系統(tǒng)運動學和動力學仿真軟件[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)化機械虛擬樣機，其求解器采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程法建立系統(tǒng)動力學方程，通過虛擬樣機來模擬復雜機械系統(tǒng)的整個運動過程，達到提高設計性能、節(jié)約成本、節(jié)省時間的目的。

ADAMS雖然是很好的運動學和動力學仿真軟件，但是它的建模功能相對較弱，對于一些形狀復雜的大型零件來說，一般是使用CAD軟件進行三維實體建模，再將模型導入ADAMS中，建立仿真模型，進行仿真分析，所以筆者設計的水下爬壁機器人是通過UG進行三維建模，然后在ADAMS軟件中進行動力學仿真，驗證并得到合適的吸附力。

1 UG三維模型的建立

1.1 機械本體的建立

機械本體主要是承載電源、驅動系統(tǒng)、傳動系統(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械本體的尺寸，經(jīng)過綜合考慮，最后機械本體的尺寸為500mm×540mm×65mm，考慮到水下爬壁機器人工作的水下深度和經(jīng)濟型要求，機械本體采用亞克力材料，這種材料強度高、透光性好、易加工，而且價格便宜。利用UG軟件建立機械本體的三維模型，如圖1所示。

圖1 機器本體

1.2 照明系統(tǒng)建立

水下爬壁機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。由于機器人的下潛深度要到達到20m左右，為防止燈具進水，應設計相應的防護罩，以保證照明裝置的正常工作，根據(jù)燈具的實際尺寸，然后設計防護罩的形狀和尺寸，利用UG軟件建立防護罩的三維模型，如圖3所示。

圖2 MBS-07水下燈具

圖3 水下燈具防護罩

1.3 內部結構的建立

機械本體內主要有電源、驅動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等，根據(jù)選用零件的實際尺寸，利用UG進行三維建模，并將這些零部件裝入機械本體內，建立水下爬壁機器人虛擬樣機，總的裝配圖如圖4所示。

圖4 水下爬壁機器人虛擬樣機

2 力學模型

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

圖5 機器人靜力學模型

在x，y軸方向上受力平衡，可表示為：

機器人在壁面作業(yè)時可能會出現(xiàn)兩種危險情況：一是機器人在壁面上的滑落，二是機器人在壁面上發(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非常關鍵的問題。

3 ADAMS動力學仿真

3.1 動力學仿真流程

首先在UG中建立的實體模型，進行一定程度的簡化，點擊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中點擊Import命令，選擇Parasolid（*.x_t）文件類型；導入模型以后，右擊每個零部件，在Modify Body對話框中改變其質量、材質和慣性矩等初始設置。然后對零部件添加約束，最后進行動力學仿真[6,7]。機器人仿真流程圖如圖6所示。

3.2 水下爬壁機器人ADAMS仿真

將UG建立的水下爬壁機器人三維模型導入ADAMS中，然后在左右輪旋轉副上添加驅動，其大小與爬壁機器人的行走速度和轉向半徑有關。將驅動的大小設為變量，在ADAMS軟件中添加約束與驅動并且建立壁面模型后，如圖7所示。

圖6 機器人仿真流程圖

圖7 水下爬壁機器人動力學模型

在爬壁機器人動力學模型中，左右兩個螺旋槳產(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。為了得到一個使水下爬壁機器人既不滑落又節(jié)能的吸附力，分別記錄吸附力為10N，20N，30N，40N時，與其相應的水下爬壁機器人的移動速度如圖8所示。

圖8 水下爬壁機器人ADAMS仿真結果

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

4 結論

1）利用UG建立了水下爬壁機器人的機械本體、照明裝置、內部結構的三維模型，并把這些三維模型組裝成一個整體，為動力學分析提供了。

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

3）通過在ADAMS軟件中建立動力學模型并進行仿真，分別得到了機器人在不同的螺旋槳推力的情況下的移動速度，最后得到了一個既不滑落又不浪費功耗的推力，為水下機器人的設計提供了理論依據(jù)。

[1]王園宇,武利生,李元宗.壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析[J].引進與咨詢.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 NX8.0三維機械設計[M].機械工業(yè)出版社, 2014.

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

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

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