基于UG和ADAMS的水下爬壁機器人的設計和動力學分析

楊海強，周燦豐，高 輝

（北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市高等學校工程研究中心，北京 102617）

0 引言

水下爬壁機器人是一種能夠在水下高強度、高危險環境中進行作業的自動化裝置，它通過吸附裝置貼在水下壁面上，移動機構在一定的吸附力的情況下在壁面上移動，從而帶動執行機構完成工作任務。水下爬壁機器人能夠應用于許多行業，像核工業、造船業、漁業、近海領域等[1～3]。

UG作為當今世界最為流行的CAD/CAM/CAE軟件之一，功能強大，可對產品建模、加工、分析設計、準確的獲得工業造型設計方案[4]。特別是它的三維建模功能，能夠快速的完成零部件建模，另外還可以跟其他CAD/CAM/CAE軟件完成數據傳輸。

ADAMS是目前世界上使用范圍最廣的機械系統運動學和動力學仿真軟件[5]。它使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫等創建參數化機械虛擬樣機，其求解器采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程法建立系統動力學方程，通過虛擬樣機來模擬復雜機械系統的整個運動過程，達到提高設計性能、節約成本、節省時間的目的。

ADAMS雖然是很好的運動學和動力學仿真軟件，但是它的建模功能相對較弱，對于一些形狀復雜的大型零件來說，一般是使用CAD軟件進行三維實體建模，再將模型導入ADAMS中，建立仿真模型，進行仿真分析，所以筆者設計的水下爬壁機器人是通過UG進行三維建模，然后在ADAMS軟件中進行動力學仿真，驗證并得到合適的吸附力。

1 UG三維模型的建立

1.1 機械本體的建立

機械本體主要是承載電源、驅動系統、傳動系統、電子控制系統等，根據它們的位置和尺寸基本確定機械本體的尺寸，經過綜合考慮，最后機械本體的尺寸為500mm×540mm×65mm，考慮到水下爬壁機器人工作的水下深度和經濟型要求，機械本體采用亞克力材料，這種材料強度高、透光性好、易加工，而且價格便宜。利用UG軟件建立機械本體的三維模型，如圖1所示。

圖1 機器本體

1.2 照明系統建立

水下爬壁機器人的照明燈具選用的的MBS-07水下燈具，這種燈具采用不銹鋼管，24V直流電供電，如圖2所示。由于機器人的下潛深度要到達到20m左右，為防止燈具進水，應設計相應的防護罩，以保證照明裝置的正常工作，根據燈具的實際尺寸，然后設計防護罩的形狀和尺寸，利用UG軟件建立防護罩的三維模型，如圖3所示。

圖2 MBS-07水下燈具

圖3 水下燈具防護罩

1.3 內部結構的建立

機械本體內主要有電源、驅動系統，傳動系統、電子控制系統等，根據選用零件的實際尺寸，利用UG進行三維建模，并將這些零部件裝入機械本體內，建立水下爬壁機器人虛擬樣機，總的裝配圖如圖4所示。

圖4 水下爬壁機器人虛擬樣機

2 力學模型

水下爬壁機器人的力學模型如圖5所示，F1，F2是左、右兩個螺旋槳產生的推力，N1，N2，N3是壁面對機器人的支持力，G是水下機器人的重力，F浮是在水中的浮力，F阻是在水中運動的阻力，Ff是在壁面對機器人的摩擦力。

圖5 機器人靜力學模型

在x，y軸方向上受力平衡，可表示為：

機器人在壁面作業時可能會出現兩種危險情況：一是機器人在壁面上的滑落，二是機器人在壁面上發生傾覆，這兩種情況都需要螺旋槳提供足夠的吸附力，所以確定吸附力的大小是一個非常關鍵的問題。

3 ADAMS動力學仿真

3.1 動力學仿真流程

首先在UG中建立的實體模型，進行一定程度的簡化，點擊Export命令，選擇建立的裝配圖模型，輸出Parasolid的文件格式，然后在ADAMS中點擊Import命令，選擇Parasolid（*.x_t）文件類型；導入模型以后，右擊每個零部件，在Modify Body對話框中改變其質量、材質和慣性矩等初始設置。然后對零部件添加約束，最后進行動力學仿真[6,7]。機器人仿真流程圖如圖6所示。

3.2 水下爬壁機器人ADAMS仿真

將UG建立的水下爬壁機器人三維模型導入ADAMS中，然后在左右輪旋轉副上添加驅動，其大小與爬壁機器人的行走速度和轉向半徑有關。將驅動的大小設為變量，在ADAMS軟件中添加約束與驅動并且建立壁面模型后，如圖7所示。

圖6 機器人仿真流程圖

圖7 水下爬壁機器人動力學模型

在爬壁機器人動力學模型中，左右兩個螺旋槳產生的推力方向垂直于壁面，-Y方向，重力方向平行于壁面向下，+Z方向，摩擦力和浮力方向平行于壁面向上，-Z方向。為了得到一個使水下爬壁機器人既不滑落又節能的吸附力，分別記錄吸附力為10N，20N，30N，40N時，與其相應的水下爬壁機器人的移動速度如圖8所示。

圖8 水下爬壁機器人ADAMS仿真結果

當吸附力為10N時，水下爬壁機器人的移動速趨于平穩后，有一個比較大的浮動，這表示水下爬壁機器人的吸附效果不是很牢靠；當吸附力為20N，30N，40N時，水下爬壁機器人的移動趨于平穩后較小，而且移動速度的值也很小，這時候水下爬壁機器人能夠可高的吸附在壁面上，所以吸附力為20N時能夠滿足要求。

4 結論

1）利用UG建立了水下爬壁機器人的機械本體、照明裝置、內部結構的三維模型，并把這些三維模型組裝成一個整體，為動力學分析提供了。

2）提出了水下爬壁機器人的力學模型，分析了水下機器人發生滑落的兩種情況，為動力學的分析提供了理論依據。

3）通過在ADAMS軟件中建立動力學模型并進行仿真，分別得到了機器人在不同的螺旋槳推力的情況下的移動速度，最后得到了一個既不滑落又不浪費功耗的推力，為水下機器人的設計提供了理論依據。

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[5]劉晉霞,胡仁喜,康士廷.ADAMS 2012虛擬樣機從入門到精通[M].機械工業出版社,2013.

[6]賀金虎,廉自生.基于ADAMS的帶式輸送機輸送帶特性仿真分析[J].制造業自動化.2014,36(4):91-93.

[7]張衛鋒,樊炳輝.基于UG和ADAMS的變形移動機器人的動力學仿真分析[J].機床與液壓,2007,35(1):211-212,201.