壁面爬行机器人的动力学分析与仿真

刘纪新，胡凤菊，陈继涛，邵瑞影（青岛黄海学院，山东青岛　266427）

壁面爬行机器人的动力学分析与仿真

刘纪新，胡凤菊，陈继涛，邵瑞影
（青岛黄海学院，山东青岛266427）

基于ADAMS软件，对壁面爬行机器人系统的运动规律以及运动过程中任意时刻的受力状况进行了分析与仿真，对于验证机器人结构配合及行走协调性能具有重要的指导意义。通过焊缝爬越过程的ADAMS动力学仿真分析，验证出设计结构的稳定性与可靠性。

壁面爬行机器人；ADAMS；动力学仿真

0　引言

爬壁机器人在壁面上运动时，经常需要爬越凹凸不平表面以及具有一定弧度高度的焊缝。当爬壁机器人翻越焊缝障碍时，前辅助万向轮率先越过焊缝，接着两个主动永磁轮同时爬越焊缝，后辅助万向轮最后越过焊缝。当两个主动永磁轮同时爬越焊缝时，由于爬壁机器人的吸附力主要由主动永磁轮提供，此时机器人本体最易产生倾覆现象，而主动轮与壁面之间的磁吸附力会发生变化，有可能导致无法克服重力的情况发生。文中依靠虚拟样机技术，基于ADAMS的动力学分析，直接用图表和数据的形式输出分析结果。

1　动力学模型的建立

在建立动力学模型之前，首先要对爬壁机器人系统进行动力学分析。为研究方便，假定以下条件：①壁面刚性；②不考虑机器人爬越焊缝过程零件摩擦；③轮子与壁面接触无相对滑动。

爬壁机器人爬越焊缝过程可以简化为二维平面模型，受力分析如图1所示。参数设置如下：m为机器人本体质量；J为本体转动惯量；R表示主动轮半径；r表示焊缝弧所在圆半径；L表示本体长度；l表示本体到主动轮中心距离；l1、l2分别表示本体到前后辅助轮中心距离；θ0表示主动轮与壁面初始夹角；θ表示爬越焊缝过程主动轮与壁面夹角；H表示焊缝最高的高度；s已知主动轮运动位移。以壁面爬行机器人本体为研究对象：

图1　动力学模型Fig.1 Dynamic model

xm，ym分别是与壁面平行和垂直方向上位移。求二次导数，得：

当主动轮爬越焊缝最高点后，模型可用与上述相同的方法建立。从以上模型可以明显得出，与爬越焊缝特性相关的重要参数包括了初始夹角、重心位置以及磁吸附力等，这为进一步研究机器人爬越焊缝特性提供了理论基础。由于设计辅助万向轮弹簧机构时，弹簧所允许伸缩最大距离为D，根据爬壁机器人在越障前后位置变化可以得出最大θ角。计算公式如下：

2　动力学仿真

2.1模型的建立

建立ADAMS中的虚拟样机模型有两种方法。一种是直接在ADAMS环境中用ADAMS/View提供的建模工具直接在ADAMS/View中建立模型，但是由于ADAMS的建模功能比较简单，要建立复杂的模型比较困难，我们还可以利用 ADAMS提供的模型数据接口来导入由CAD软件建立的三维模型，专业的CAD软件，如SolidWorks、Pro/E、UG，三维建模的功能要强大很多，可以很快地建立复杂的模型，并将其导入到 ADAMS/ View中得到相应的模型。

ADAMS/View提供的模型数据接口有 Parasolid、STEP、IGES、SAT、DXF和DWG等格式。本文是由SolidWorks建立壁面爬行机器人的三维模型，然后导出扩展名为*.X_T的 Parasolid格式的CAD文件，再将其导入到ADAMS/View模块中，然后再编辑构件的属性和构成构件元素的属性，包括颜色、位置、名称和材料属性等信息，然后在构件之间添加约束。

需要注意的是，在建模过程中，为使建立的模型更接近实际情况，经常绘出复杂的零件外形及装配关系。但这样使得模型所包含的零件数目显著增加，给仿真工作带来了很大的困难，更重要的是会影响到仿真结果的正确性。因此，在将模型导入到ADAMS之前应对其进行简化。壁面爬行机器人虚拟样机的建立过程如下：

（1）将Solidworks中建立的壁面爬行机器人的三维模型输出为*.x_t格式文件。

（2）在ADAMS中导入上述的*.x_t文件。

（3）导入模型后，对每个零件的材料、颜色、惯性参数、质量参数等进行修改。

（4）将不发生相对运动的构件进行布尔运算，合并为一个构件，这时，各部件之间不存在任何约束，仅受重力的作用。

2.2载荷施加

ADAMS中可以考虑4种类型的力：作用力，柔性连接力，特殊力（例如重力）和接触力。在ADAMS中施加的作用力可以是单方向的作用力，也可以是3个方向的分量，也可以是6个方向的分量（3个力的分量，3个力矩的分量）。有两种定义力方向的方法：沿坐标标记的坐标轴定义力的方向，或者是沿两点连线的方向定义力。在输入作用力数值的时候，ADAMS提供了3种输入力值的方法：

（1）直接输入数值力，力矩值，刚度系数K和阻尼系数C等。

（2）输入ADAMS提供的函数（位移，速度和加速度函数），用以建立力和各种运动之间的函数关系，力函数用于建立各种不同的力之间的关系。

（3）输入子程序的传递参数，ADAMS允许用户用FORTRAN、C或C++语言编写子程序，描述力和力矩。有两种定义力的方向：沿坐标标记的坐标轴定义力的方向，或者是沿两点连线的方向定义力。

在ADAMS中计算接触力的方法有两种，补偿法和冲击函数法。补偿法需要确定惩罚系数和补偿系数这两个参数。惩罚系数决定两构件间重合体积的刚度，惩罚系数越大，接触刚度就越大；补偿系数决定两构件接触时的能量损失。接触力大小是惩罚系数与和两构件相互插入深度的乘积。冲击函数法是通过Impact函数计算两构件间的接触力，接触力由两个构件之间的相互切入产生的弹性力和由相对速度产生的阻尼力两部分组成。在定义壁面爬行机器人模型的施加载荷中，主要有重力以及摩擦力。

2.3分析结果

根据机器人的系统模型，添加基本工况约束，ADAMS环境中的机器人虚拟样机如图2所示。建立好机器人在ADAMS环境下的完整仿真模型，然后进行5秒、500步脚本仿真。

图2　ADAMS中机器人系统的实体模型Fig.2 Entity model of the robot system in ADAMS

在后处理模块中可以计算处理机器人系统力变化曲线，并得到机器人爬越焊缝过程中跃升阶段磁吸附力和摩擦力变化曲线输出。图3和图4分别为机器人跃升阶段磁吸附力变化曲线和机器人跃升阶段摩擦力变化曲线。

图3　跃升阶段吸附力变化曲线Fig.3 Changing curve of adsorption force during jump phase

图4　跃升阶段摩擦力变化曲线Fig.4 Changing curve of frictional force during jump phase

从图3和图4爬壁机器人跃升阶段磁吸附力和摩擦力输出曲线，可以看到磁吸附力和摩擦力的变化情况。从两图的斜率变化可以明显看出，在刚开始的1s时间内，磁吸附力变化幅度很小，这是因为机器人刚开始攀爬焊缝，其永磁轮与壁面还有很大的接触；随着时间的推移，磁吸附力和摩擦力的变化幅度逐渐增大，因为机器人跃升过程中，永磁轮与壁面接触面积会减小，导致磁吸附力和摩擦力也随之相应减小。总之，在跃升阶段，磁吸附力在不断减小，摩擦力也随之减小。当跃升至最高点处，摩擦力达到最小为399N，大于整个机器人本体重力。这就说明即使在最易倾覆处，壁面产生的摩擦力完全能够克服本体重力影响，不会产生打滑现象。而且，从图3和图4中可以发现，总体上力变化幅度不大相对比较平稳，从而满足能平稳爬越焊缝的要求。

当机器人爬越焊缝最高点之后，下降过程与跃升过程互逆，随着时间的推移，磁吸附力在不断增大，摩擦力也随之增大。此后就不存在可能产生倾覆的问题。现场试验中，机器人成功攀越高度7mm的焊缝，也验证了上述的仿真分析。

3　结束语

文中建立了壁面爬行机器人爬越焊缝过程的动力学模型，利用ADAMS软件建立了壁面爬行机器人的虚拟样机，并对其进行了运动学仿真分析。通过分析仿真输出曲线，验证了该机器人行走吸附机构设计的合理性以及各个功能的有效性。

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Dynamics Analysis and Simulation of Wall Climbing Robot

LIU Ji-Xin，HU Feng-Ju，CHEN Ji-Tao，SHAO Rui-Ying
（Qingdao Huanghai College，Qingdao Shandong 266427，China）

Based on ADAMS software，analysis and simulation on the law of motion of wall climbing robot system and the stress status in the process of the movement are made，which is of important guiding significance to verify the robot structure matching the performance of the walking and coordination.By the dynamics simulation analysis of ADAMS through the process of the weld climb，the stability and reliability of the design structure are verified.

wall climbing robot；ADAMS；dynamics simulation

TH132

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.008

1002-6673（2015）05-019-03

2015-08-13

项目来源：本文系2013年山东省高等学校科技计划项目（压力容器焊缝超声波自动探伤机器人的仿真研究-J13LB60）

刘纪新（1979－），男，山东招远人，副教授。研究方向：工程图学与机械设计。