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)動傾覆之間的關(guān)系，同時根據(jù)上述理論按一定比例設(shè)計制造出該行走系統(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，還能在船體彎翹曲面上運(yùn)動，同時在船體壁面上運(yùn)動時，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，說明自適應(yīng)機(jī)構(gòu)有一定的曲面自適應(yīng)能力，整個行走系統(tǒng)的設(shè)計是合理可靠的。

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力學(xué)特性的曲面形貌，同時船舶在使用過程中，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)大型曲面高效自動化技術(shù)與設(shè)備，不僅具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，而且也是國防建設(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)計了一個被動彈性阻尼自適應(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)壁滾動的同時還能在垂直于運(yùn)動方向上進(jìn)行運(yùn)動，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)彈簧阻尼器的個數(shù)n趨向于無窮大時，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，彈簧阻尼器的個數(shù)不可能為無窮多個，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個對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)動安全性和吸附可靠性是主要考慮的問題[7]。因此建立對行走系統(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)示意簡圖所示，當(dāng)吸附單元完全吸附在船體壁面上時，可將壁面上的曲線簡化為直線擬合吸附，因?yàn)檫@樣并不影響對行走系統(tǒng)的靜穩(wěn)態(tài)分析，同時還能簡化吸附壁面的模型。

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)將模型簡化為如圖3所示，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，對行走系統(tǒng)進(jìn)行靜滑動分析，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表示在壁面上滑動摩擦力；FM表示吸附單元總的吸附力；N表示壁面正壓力大?。沪瘫硎驹诒诿嫔系哪Σ料禂?shù)；Fi表示第i個吸附單元的吸附力；表示單個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。

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

但是在實(shí)際運(yùn)動過程中，靠近主、從動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)際計算的吸附力，因此其保持絕對安全，單個吸附單元所需提供的吸附力為：

將式(6)通過和差化積計算得：

從式(8)可以看出，θ、μ數(shù)值都很小，單個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)動性能的提升，還能提高其安全性。另外，單個吸附單元施加的吸附力越大，其履帶所受的拉力越大，當(dāng)彈簧阻尼器伸長的長度越長時，其所受的拉力相對越小，當(dāng)然的變化對履帶拉力的影響相對于單個單元吸附力對履帶的作用來說是相對較少的。

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)計制造出船體彎翹曲面行走系統(tǒng)樣機(jī)一臺，如圖4所示，該行走系統(tǒng)后輪兩驅(qū)驅(qū)動，設(shè)計運(yùn)動速度為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)平臺上斷電靜止時，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)平臺狀態(tài)，測量懸掛物的重量，選取不同姿態(tài)狀態(tài)重復(fù)測量，如圖6所示；當(dāng)行走系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)平臺上通電行走時，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)動狀態(tài)，重復(fù)多次測量相關(guān)狀態(tài)，測試結(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，同時通過調(diào)節(jié)行走系統(tǒng)的運(yùn)動速度，來驗(yàn)證其吸附效率，同時通過爬越焊縫來驗(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)動實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)器材和場地得到武漢紡織大學(xué)工業(yè)自動化安全裝備技術(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，還能在船體復(fù)雜的彎翹曲面上運(yùn)動，同時在運(yùn)動過程中，輕松爬越船

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作者簡介：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)計與特種機(jī)器人。

基金項目：湖北省教育廳重點(diǎn)項目（D20141601）

收稿日期：2015-08-27

中圖分類號：TH16；TH122；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0046-03