船體彎翹曲面行走系統靜力學建模與實驗分析

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 機械工程與自動化學院，武漢 430073）

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船體彎翹曲面行走系統靜力學建模與實驗分析

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 機械工程與自動化學院，武漢 430073）

摘 要：選用履帶磁吸附方式作為在船體壁面運動的載體，通過分析履帶上的吸附單元在彎翹壁面上的貼合狀態，結合曲線擬合的方法，在該載體上加裝兩組被動彈性阻尼自適應機構，建立和驗證該載體在船體彎翹曲面上的靜力學吸附模型，分析吸附力與運動傾覆之間的關系，同時根據上述理論按一定比例設計制造出該行走系統進行帶負載、船體壁面爬壁等實驗，通過分析行走系統實際吸附狀態與效率，船體壁面爬壁狀態，驗證理論分析的正確性。經實驗，表明行走系統吸附力穩定，吸附單元的吸附效率較高，不僅能夠在船體復雜曲面上運動，還能在船體彎翹曲面上運動，同時在船體壁面上運動時，自適應機構能有效地控制鏈條的吸附模塊緊貼在壁面上運動，說明自適應機構有一定的曲面自適應能力，整個行走系統的設計是合理可靠的。

關鍵詞：彎翹曲面；自適應機構；建模與分析；爬壁

0 引言

隨著海洋經濟的發展，現代船舶的船體外形具有流體動力學特性的曲面形貌，同時船舶在使用過程中，由于海水的強腐蝕性和海洋生物的強附著力，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，船舶必須定期進塢進行檢修，但現在大多數噴漆、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量[2]。所以，研究、開發大型曲面高效自動化技術與設備，不僅具有明顯的經濟和社會效益，而且也是國防建設的需要。所以，基于嶄新的技術思想開發既滿足工程需求又符合經濟需求的行走系統，以更新加工技術與裝備、適應船體壁面表面處理的需求成為切實的要求[3]。

1 船體彎翹曲面行走系統建模

根據船體壁面面積大，各處曲率半徑不一，造成船體壁面曲面形貌復雜，不利于在上面開展自動化作業。本節利用分段平面擬合曲面[4]，將行走系統的懸掛機構做合理的改進，設計了一個被動彈性阻尼自適應機構，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性問題[5]，本行走系統主要有三部分組成：驅動系統、吸附系統和自適應機構，如圖1所示。

圖1　基于Inventor建立的小型機器人行走系統虛擬樣機

自適應機構的基本原理是在履帶形成的封閉區間內加上一定數量的彈簧阻尼器，在阻尼器下方加上滾輪，因此就有別于傳統的行走系統中的滾輪，滾輪會隨著彈簧阻尼器的作用，使其一直貼在履帶上，這樣滾輪在履帶內壁滾動的同時還能在垂直于運動方向上進行運動，所以就能保證履帶能夠一直貼在壁面行走，提高了行走系統的安全性能。

當彈簧阻尼器的個數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，但在實際情況下，彈簧阻尼器的個數不可能為無窮多個，但是行走系統上建立一定數量的彈簧阻尼器，有助于履帶貼附在壁面上[6]。本文的行走系統以兩組彈簧阻尼器，每組3個對稱安裝在履帶封閉的區間內，建立行走系統的自適應模型。

2 行走系統靜力學分析

行走系統是在船體壁面上行走，其運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在壁面上的靜穩態分析可以為選取磁吸附尺寸，驅動力矩大小提供理論參考。上節中提到自適應機構主要是適應彎翹的曲面，如圖2中結構示意簡圖所示，當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，因為這樣并不影響對行走系統的靜穩態分析，同時還能簡化吸附壁面的模型。

圖2　行走系統適應彎翹曲面示意圖

根據上述提到的方法，現將模型簡化為如圖3所示，建立如圖3所示的坐標系，對行走系統進行靜滑動分析，獲得相應的受力分析方程。

要是其不能從船體壁面墜落，所以Gcosθ

圖3　行走系統壁面適應模型

聯立式(1)～式(4)有：

G表示機器人重量；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表示壁面正壓力大小；μ表示在壁面上的摩擦系數；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：

但是在實際運動過程中，靠近主、從動輪兩端的永磁吸附單元所能提供的吸附力遠遠不足實際計算的吸附力，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數值都很小，單個吸附單元的吸附力主要取決與行走系統車身重量G，因此降低車身自重有助于小型機器人運動性能的提升，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，當彈簧阻尼器伸長的長度越長時，其所受的拉力相對越小，當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

3.1 永磁吸附爬壁機器人參數

根據本文中理論設計制造出船體彎翹曲面行走系統樣機一臺，如圖4所示，該行走系統后輪兩驅驅動，設計運動速度為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的上下位機分布控制，具體行走系統參數如表1所示，依據制造的行走系統分別對其進行了帶負載實驗以及彎翹曲面行走吸附實驗。

圖4　小型機器人行走系統樣機

表1　小型機器人行走系統參數

3.2 負載實驗

帶負載能力是行走系統的重要特征，也是技術性能的要求。在保證行走系統安全性的前提下，提高行走系統的帶負載能力，有利于為后期在行走系統上設計安裝作業工具提供足夠的空間，因此驗證此行走系統的帶負載能力是十分必要的。

當行走系統在實驗平臺上斷電靜止時，依次在行走系統尾部均勻增加懸掛物，直到其脫離處于臨界脫離實驗平臺狀態，測量懸掛物的重量，選取不同姿態狀態重復測量，如圖6所示；當行走系統在實驗平臺上通電行走時，在其尾部懸掛一定的重量，在實驗壁面上行走，依次實現前進、后退、加速、減速等狀態，逐步增加懸掛物的重量，觀察行走系統的運動狀態，重復多次測量相關狀態，測試結果如表2所示。

圖5　行走系統帶負載實驗

表2　行走系統帶負載能力測試結果

3.3 船體彎翹壁面行走吸附實驗

為了更好地模擬行走系統在船體彎翹曲面的運動情況，現將行走系統放在真實的船體彎翹壁面上進行運動試驗，主要試驗包括吸附實驗、在彎翹曲面上行走以及爬越焊縫等，如圖6所示。在實驗過程中針對不同的曲率曲面分別進行行走狀態分析，分析其吸附效果，同時通過調節行走系統的運動速度，來驗證其吸附效率，同時通過爬越焊縫來驗證自適應機構的合理性。

圖6　行走系統船體彎翹壁面運動實驗

4 結束語

本實驗器材和場地得到武漢紡織大學工業自動化安全裝備技術研究中心的支持。根據理論分析與試驗顯示，行走系統吸附力穩定，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動，還能在船體復雜的彎翹曲面上運動，同時在運動過程中，輕松爬越船

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作者簡介：陳偉（1987 -），男，湖北黃岡人，助理實驗師，碩士，研究方向為機械設計與特種機器人。

基金項目：湖北省教育廳重點項目（D20141601）

收稿日期：2015-08-27

中圖分類號：TH16；TH122；TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0046-03