一種油脂類罐體壁清刮機器人的運動學分析*

2022-07-11 12:46:20韓海敏

現(xiàn)代機械 2022年3期

韓海敏

(河南應用技術職業(yè)學院，河南鄭州 450042)

0 引言

食用植物油儲存與社會民生息息相關，是社會穩(wěn)定和國家發(fā)展的基本條件。油脂的儲藏穩(wěn)定性不僅與自身特性有關，還與倉儲環(huán)境有關[1]。目前，我國常用的糧油貯藏方式是采取儲油罐集中罐裝保存，這樣不僅能夠較好地保障食用油的品質，而且對食用油延長保質期大有益處[2]。由于食用油不易燃、不易揮發(fā)，黏度大、質量較輕，儲存這類油液一般采用大型立式圓筒形鋼制固定頂油罐[3]，食用油罐的材質常用的是Q235。長時間使用后油液容易粘附在油罐內壁，影響油液存儲質量的同時，容易造成油罐內壁腐蝕受損，因此需要定期對油罐內壁進行清洗[4]。隨著傳統(tǒng)的人工清洗和機械清洗在儲油罐內進行作業(yè)時存在成本高、效率低、清洗容易留下死角等問題的暴露，目前逐步采用日趨成熟的爬壁機器人進行罐內清洗[5-6]。近幾年，國內很多學者也對此做了很多相關研究。文獻[7]研制出一種用來檢測油罐容積的履帶式磁吸附爬壁機器人，可替代傳統(tǒng)的人工檢測，并能進行清洗、探傷及噴漆等工作。文獻[8]提出了一種用于油罐清洗壁虎式磁吸附機構，通過“電-氣”傳動機構，改變磁吸附力的變化，實現(xiàn)爬壁機構的整體運動。文獻[6]提出了一種三輪式油罐清洗機器人，由一個萬向輪和兩個設置有仿生吸盤的驅動輪構成移動機構，清洗機構由清洗盤刷、自激脈沖高壓水射流及刮鏟組成，并采用全液壓驅動系統(tǒng)，能實現(xiàn)機器人方便進出油罐作業(yè)。文獻[9]提出了一種應用于內浮頂儲油罐的履帶式清洗機器人，采用了變軌距機構和舉升機構組成的變形機構，可以使機器人順利通過儲油罐人孔。

根據(jù)油罐的清洗工藝流程，當清水清洗完油罐后，需要進行罐壁面的清刷。清刷完內壁面的粘結結塊，完成整個油罐清洗工作[8]?；诖?，設計了一種用于油脂類儲罐清刮作業(yè)的爬壁機器人，并對該機器人的運動學進行分析，為進一步分析該機器人的動力學特性及控制規(guī)律提供一定的參考價值。

1 爬壁機器人的結構及工作原理

該機器人主要由行走裝置、吸附裝置、清刮裝置三部分組成，為方便機器人進出人孔，其總體尺寸不超過500×400×250 mm3，三維模型如圖1所示。在以上裝置的有機結合下，完成油脂類罐體壁的清刮任務。

圖1 油脂類罐體清刮機器人三維模型圖

其中，行走裝置中，行走輪與行走電機連接，且行走輪與輔助萬向輪呈方形分布，如圖2所示。為實現(xiàn)靈活移動與磁吸附力大小之間的調節(jié)，并做到輕量化設計，承載板表面設置有升降組件，其升降端伸入承載板下方且連接有吸附裝置，升降組件帶動吸附裝置，實現(xiàn)與油罐內壁之間的距離調節(jié)，從而實現(xiàn)吸附力大小的調節(jié)。

圖2 爬壁機器人行走裝置結構示意圖

使用時，通過變磁力吸附裝置將機器人吸附在油罐內壁，通過調高組件帶動承載柱下降，使刮板與油罐內壁相接觸，利用彈性伸縮桿的彈力推動刮板，使刮板始終與油罐內壁充分接觸。進行油罐內壁清潔時，行走輪的軸線與油罐的軸線平行，行走電機驅動行走輪旋轉，從而使裝置整體沿油罐內壁做圓周移動，刮板隨著裝置移動對油罐內壁進行清刮，圓周刮清完成后需要改變行走路線，承載箱內部的轉向電機帶動門型架旋轉，使行走輪的軸線與油罐的軸線相垂直，行走電機驅動行走輪旋轉，使裝置整體沿著油罐的軸向移動，移動完成后轉向電機帶動門型架恢復原狀態(tài)，重復對油罐內壁進行圓周刮清，在清掃路線的調整過程中，裝置沿油罐軸線直線運動，不會造成清掃遺漏，使用效果好。

2 爬壁機器人運動學分析

圖3 機器人工作俯視圖

食用油罐內壁是一個曲面，機器人在儲罐內壁進行作業(yè)時，其工作俯視圖如圖3所示。圖中圓弧為罐體內壁面，水平線為機器人位置示意，R為油罐半徑。

以容積為5000 t的儲油罐為例，其直徑約為18 m，高度為22.5 m[10]。機器人寬度W=490 mm，則

β=arcsinW/2R=arcsin490/18000

≈1.59°

(1)

由此分析可知，β的值很小，可忽略不計，為方便研究，將罐壁面假設為平直面[11]。

通過查閱資料，輪式機器人在進行運動學建模時，輪子與壁面之間是高副接觸，這里采用Sheth-Uicker方法[12]來建立滾動運動系統(tǒng)的坐標系，兩行走輪爬壁機器人運動模型如圖4。圖中XOY為平面參考坐標系，X’O’Y’為固定在機器人上的坐標系，其中，C點為機器人的質心，其坐標用(xc，yc)來表示；θ為機器人坐標系中的X’軸相對于參考坐標系X軸的角度，vc表示機器人質心平移速度，規(guī)定逆時針方向為正。

模型需要以下約束條件：假設機器人本體以及車輪是剛性的并在運動過程中無滑移，假設機器人的質心與型心重合并在兩行走輪軸心中心。

C點的運動學模型可以用式(2)表達：

圖4 爬壁機器人運動學簡圖

(2)

機器人的運動控制主要依靠左右兩行走輪來實現(xiàn)，所以通過推導，得出機器人的質心速度與左右兩行走輪速度的關系：

(3)

式中，W為左右兩行走輪之間的距離；R1為左右兩行走輪輪子的半徑；vL、vR分別為左、右行走輪的速度；ωC為機器人機體的角速度；ωL為左邊行走輪的角速度；ωR為右邊行走輪的角速度。

將式(3)代入到式(2)中，得到

(4)

機器人在轉向時，瞬時轉彎半徑為R0，則

(5)

當左右兩行走輪的速度大小相等、方向相反時，由式(5)可知瞬時轉彎半徑R0=0，機器人做原地轉向運動。當左右兩行走輪的速度相等、方向相同時，此時機器人轉向半徑為無窮大，機器人作直線運動。

速度Vc的沿x方向的分量vx，沿y方向的分量vy分別為：

(6)

得左右兩行走輪的速度向量S為：

(7)

機器人的位置可用矢量P=[x，y，θ]T來表示，如式(8)：

(8)

對式(8)求導得出機器人的運動學方程為：

(9)

經(jīng)以上公式推導可知，通過改變兩行走輪的速度或角速度，就能使機器人的運動狀態(tài)發(fā)生改變。

3 仿真分析

為了驗證機器人運動學研究結果的準確性，同時為了提高仿真的運算效率，需要將模型進行簡化，討論正常工況下，對機器人在ADAMS軟件中的運動狀態(tài)進行仿真分析。

將三維模型導入到ADAMS中后，需要對各個零部件之間添加約束，用拓撲圖(圖5)來表示各個零部件之間的運動學關系。機器人本體與壁面是滑移副連接，大地與壁面是固定副連接，升降組件與吸附裝置之間簡化為滑移副連接，兩輔助萬向輪與壁面是點面副連接，兩行走輪與壁面是旋轉副連接，另外，為了使機器人可以移動，分別在左右兩行走輪的旋轉副上添加驅動。

在仿真中，接觸形式采用Solid-Solid，接觸力選擇庫侖法計算，其壁面與行走輪接觸參數(shù)設置如表1。