基于Pro/E與RecurDyn的履帶式管道清洗機(jī)器人的聯(lián)合仿真

蔡長(zhǎng)亮

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051）

0 引言

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中，管道應(yīng)用范圍十分廣泛。在管道的使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生管道堵塞與故障和損傷，需要定期進(jìn)行維護(hù)、檢修，但管道所在的環(huán)境往往是人們不易達(dá)到和不允許進(jìn)入的，檢測(cè)及清洗難度大，并且人為的清洗檢修往往效率較低，因此最有效的方法之一就是利用管道清洗機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)管道的在線檢測(cè)與清洗，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種履帶式管道清洗機(jī)器人，用于管道的檢測(cè)與維護(hù)。近年來(lái)，管道清洗機(jī)器人的研究也越來(lái)越受到人們的重視。

RecurDyn是新一代的多體動(dòng)力學(xué)分析軟件，采用全新的運(yùn)動(dòng)方程理論和完全遞歸算法，非常適合求解大規(guī)模復(fù)雜多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。RecurDyn在行業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)中提供了專業(yè)化的低機(jī)動(dòng)履帶包—RecurDyn/Track(LM)，文中以履帶式管道清洗機(jī)器人為研究對(duì)象，利用低機(jī)動(dòng)性履帶包中的相應(yīng)部件，通過(guò)在RecurDyn/Track(LM)環(huán)境下，仿真履帶式管道清洗機(jī)器人在硬質(zhì)路面上的行駛情況，獲取機(jī)器人重心在豎直方向上的振動(dòng)加速度、平均行駛速度、左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩曲線，評(píng)價(jià)履帶清洗機(jī)器人行駛時(shí)的平順性，工作穩(wěn)定性及工作可靠性。與此同時(shí)，驗(yàn)證了RecurDyn軟件在多履帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真方面的突出性能表現(xiàn)。

1 實(shí)體建模

1.1 整機(jī)主體模型建立

清洗機(jī)器人整機(jī)主體模型主要包括機(jī)身殼體、云臺(tái)、掃描儀、機(jī)械臂、連桿、工作裝置（清洗刷）等剛體模型，由于RecurDyn需要采用參考點(diǎn)法建模，因此這些組件模型主要采用專業(yè)化三維造型軟件Pro/E進(jìn)行建模，所建主體模型如圖1所示。

圖1 主體模型

1.2 低速履帶系統(tǒng)模型建立

履帶系統(tǒng)主要由履帶板、驅(qū)動(dòng)輪、惰輪、支重輪、張緊器五部分組成，為了便于模型的建立及仿真，本文履帶系統(tǒng)省略了支重輪模型的建立。在RecurDyn子系統(tǒng)環(huán)境下，利用參數(shù)化建模方法先后建立驅(qū)動(dòng)輪（1個(gè)）、惰輪（1個(gè)）、張緊器（1個(gè)）三維實(shí)體模型。

利用參數(shù)化法完成各個(gè)組件模型的創(chuàng)建以后，應(yīng)用RecurDyn軟件的低速履帶裝配模塊-SubSystem Toolkit中的 Track（LM）功能，完成整個(gè)履帶系統(tǒng)模型的建立，該履帶由34個(gè)履帶板組成，每個(gè)履帶可以獨(dú)立設(shè)置自己的路面參數(shù)。由于左右履帶系統(tǒng)是完全對(duì)稱的，所以通過(guò)復(fù)制、粘貼、移動(dòng)就可完成整個(gè)履帶系統(tǒng)模型的建立，單個(gè)履帶系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 單個(gè)履帶系統(tǒng)模型

1.3 整機(jī)裝配

仿真模型是將Pro/E中建立的主體模型（不含履帶系統(tǒng)）保存為三維軟件通用格式x_ t文件，然后將其導(dǎo)入RecurDyn中，利用其提供的多級(jí)子系統(tǒng)建模和空間多接觸面定義模塊，完成整個(gè)管道清洗機(jī)器人機(jī)體模型的裝配，整機(jī)裝配如圖3所示。

圖3 整機(jī)裝配模型

2 建立動(dòng)力學(xué)模型

2.1 添加運(yùn)動(dòng)副

在驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、機(jī)體等各個(gè)組件添加相應(yīng)的約束，如表1所示。

2.2 定義驅(qū)動(dòng)

左右兩側(cè)履帶分別由2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，這樣可以方便的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。在驅(qū)動(dòng)輪與殼體上的旋轉(zhuǎn)副上施加motion驅(qū)動(dòng)，利用Step（TIME，t0，y0，t1，y1）驅(qū)動(dòng)函數(shù)定義驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，該函數(shù)的含義為時(shí)間從t0增加到t1，履帶的旋轉(zhuǎn)角速度由y0增加到y(tǒng)1。在EI中虛擬樣機(jī)仿真輸入具體函數(shù)值為：STEP（TIME，0，0，1，0）+STEP（TIME，1，0，3，-200D），驅(qū)動(dòng)定義完成。

表1 組件間的約束副

2.3 創(chuàng)建路面參數(shù)

一般管道壁可以類似看成硬質(zhì)路面，因此為了仿真數(shù)據(jù)的真實(shí)性，本文優(yōu)先選擇硬質(zhì)路面作為履帶爬行的媒介，設(shè)置路面與實(shí)際路面參數(shù)相似，其中內(nèi)聚土壤變形模量為5.1737Pa，內(nèi)摩擦土壤變形模量為0.63386Pa，土壤變形指數(shù)為0.13，土壤內(nèi)聚力為6.895×10-2N，剪切阻力角度為34o，剪切變形模數(shù)為25Pa，下沉比率為5×10-2，完成路面參數(shù)設(shè)定，完整的仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

3 行駛系統(tǒng)的計(jì)算與仿真分析

1）履帶機(jī)器人在硬質(zhì)路面上行駛時(shí)，平均車速V為：

式中：v為實(shí)際行駛速度km/h；

nq為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r/min)；

rq為驅(qū)動(dòng)輪節(jié)圓半徑(mm)；

σ為車輛滑轉(zhuǎn)率，一般履帶車輛取σ=0.05。

2）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算

履帶機(jī)器人在硬質(zhì)路面行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪需要電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩為：

式中：mg為機(jī)身總質(zhì)量；

f為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，硬質(zhì)路面取f=0.07。

因此，電機(jī)提供給驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為：

式中：i=總傳動(dòng)效率，取i=0.681；

3）行駛系統(tǒng)速度仿真分析

進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)仿真步數(shù)（step）與步長(zhǎng)成反比，且步長(zhǎng)越大，仿真效果越逼真明顯，但仿真的計(jì)算時(shí)間相應(yīng)的也越長(zhǎng)。該驅(qū)動(dòng)函數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)輪上的角速度。仿真完成后得到的速度時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 硬質(zhì)路面行駛速度曲線

本次仿真設(shè)置的仿真時(shí)間為18s，仿真步長(zhǎng)為250。由仿真速度曲線可以得出：清洗機(jī)器人在0～2.8s階段屬于履帶加速階段，履帶從靜止?fàn)顟B(tài)加速到971mm/s，加速度可近似看成勻速加速度。此后，從2.8～18s這一階段，清洗機(jī)器人以987mm/s恒定速度運(yùn)行。清洗機(jī)器人穩(wěn)定時(shí)運(yùn)行的速度約為3.55km/h，與理論計(jì)算值3.42km/h比較，誤差為3.9%，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖可以看出，清洗機(jī)器人在穩(wěn)定運(yùn)行階段（清洗階段），速度在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，但波動(dòng)范圍較小，并且呈現(xiàn)一定周期性，周期約為5.7s，進(jìn)一步證明清洗機(jī)器人在硬質(zhì)路面上運(yùn)行較平穩(wěn)、穩(wěn)定，工作可靠。

4）驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩仿真分析

左、右履帶是分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的，左、右履帶系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩如圖6、圖7所示。

分析左右驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖可以得出：清洗機(jī)器人在硬質(zhì)路面上行駛時(shí)的最大驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生于右側(cè)履帶，為495.4N·M，發(fā)生在電機(jī)啟動(dòng)后4.7s，此時(shí)從仿真動(dòng)畫中可以看出，履帶開始加速，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)增大。穩(wěn)定運(yùn)行后，右側(cè)履帶平均驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為121.6N·M，左側(cè)履帶平均驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為120.7N·M，在理論計(jì)算值范圍之內(nèi)。

圖6 左側(cè)履帶系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖7 右側(cè)履帶系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩

5）整機(jī)重心在豎直方向上的振動(dòng)加速度仿真分析

履帶系統(tǒng)在水平硬質(zhì)路面從靜止啟動(dòng)到加速到3.42km/h開始穩(wěn)定運(yùn)行。為了更好的分析管道清洗機(jī)器人在工作時(shí)行駛的平順性，利用RecurDyn仿真得到了整機(jī)重心在豎直方向上的振動(dòng)加速度與時(shí)間曲線，如圖8所示。

圖8 整機(jī)重心在豎直方向上的振動(dòng)加速度

由整機(jī)重心的振動(dòng)加速度曲線可以得出：清洗機(jī)器人從啟動(dòng)運(yùn)行到穩(wěn)定行駛，機(jī)體重心振動(dòng)加速度變化的范圍是2.56m/s2～34.48m/s2在整個(gè)過(guò)程中，振動(dòng)加速度的均值為16.52m/s2，由圖可知，在剛開始啟動(dòng)時(shí)，加速度波動(dòng)范圍比較大，這是由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)扭矩較大造成的。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用三維繪圖軟件Pro/E與多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Recurdyn，共同建立了履帶式管道清洗機(jī)器人的仿真模型。對(duì)行駛系統(tǒng)的速度與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算，并且對(duì)其在硬質(zhì)路面上行駛過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，獲得了機(jī)器人在硬質(zhì)路面上行駛的速度、驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、履帶機(jī)器人整機(jī)重心在豎直方向上的振動(dòng)加速度曲線。仿真結(jié)果一方面體現(xiàn)了Recurdyn在柔性仿真方面的優(yōu)點(diǎn)，另一方面驗(yàn)證了履帶式管道清洗機(jī)器人在工作時(shí)行駛較平穩(wěn)、可靠，但在工作過(guò)程中，履帶振動(dòng)加速度較大，這說(shuō)明機(jī)體結(jié)構(gòu)及機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制有待進(jìn)一步改進(jìn)。此結(jié)論為今后管道清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及更精確的控制具有重要的指導(dǎo)意義。

[1]袁浩.UG機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例教程.[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]韓寶坤,張宇,李曉雷.履帶模型與仿真.[J].計(jì)算機(jī)仿真,2003(5)：7-9.

[3]郝建濱,馬振書,孫華剛.基于UG和RecurDyn的排爆機(jī)器人的精確建模及動(dòng)態(tài)分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(9)：62-64.

[4]吳大林,馬吉?jiǎng)?王興貴.履帶車輛地面力學(xué)仿真研究.[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004(12)：42-44.

[5]焦曉娟,張湝渭,彭斌彬.RecurDyn多體系統(tǒng)優(yōu)化仿真技術(shù).[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.