飛爬機器人被動式彈性鉤爪建模分析

劉 愷 張澤源 劉亞飛 林 龍 鄭 捷

(南京航空航天大學,江蘇 南京210016)

1 概述

近年來,不論是野外的環(huán)境探測還是城市里的信息采集,所完成的任務從系統(tǒng)化的定點作業(yè)轉向非系統(tǒng)化的自主作業(yè)方面發(fā)展,由于其數(shù)據(jù)量的龐大,以及工作的危險性、困難性、復雜性,人類很難勝任此類工作。而又由于太空探索、反恐偵察、災難救援更需要特種智能實現(xiàn)這些人類無法完成的任務[1]。因此,兼具空中飛行和壁虎爬行兩大功能于一體的仿生機器人越來越多的出現(xiàn),利用固定翼飛行器模仿生物飛行狀態(tài),然后模仿壁虎機器人爬行運動,以達悄無聲息的效果。然而,這類機器人實現(xiàn)在豎直墻面或者大傾角表面的攀爬仍然是關鍵的難點之一。自然環(huán)境中,可供機器人爬附的表面大多是粗糙的,這就為鉤爪式機器人提供了發(fā)展的空間。鉤爪式機器人利用自身重力的分力使鉤爪末端和粗糙表面產(chǎn)生摩擦力,從而抓附在表面上。雖然能有效的抓附在表面上,但是抵抗外界干擾能力較差。本文通過研究機器人鉤爪和粗糙表面的作用機理,分析鉤爪受力情況,為提升機器人爬行穩(wěn)定性提供依據(jù)。

2 粗糙表面與鉤爪作用機理

粗糙表面的幾何形貌特征對于表面特性如摩擦、磨損、腐蝕疲勞、潤滑等具有重要影響,表面幾何形貌能否及時準確的被表征具有重要的工程意義[2]。模擬粗糙表面形貌展開了粗糙表面和鉤爪之間的作用機理研究。鉤爪抓附的附著方式能夠為爬行生物提供足夠的爬行力,附著過程中,鉤爪末端爪刺將與粗糙表面產(chǎn)生接觸,并在自身重力的作用下,沿著粗糙表面滑動,當鉤爪末端爪刺抓附到適合附著的凸起時,將產(chǎn)生穩(wěn)定的附著力[3]。

鉤爪附著模型分析:

由于真實粗糙表面形貌復雜,針對鉤爪再粗糙表面的抓附能力與鉤爪末端爪刺與粗糙表面顆粒的相對尺寸關系,南京航空航天大學的戴振東教授提出了鉤爪和表面的球體理想化接觸模型[4]。中國科學技術大學的劉彥偉博士也是基于該模型建立了豎直球面接觸模型,同時考慮了切向力和法向力對附著情況的影響[5]。本文中我們將實際的曲面簡化成具有一定曲率的曲線和具有一定夾角的直線。

由于實際接觸表面復雜且不規(guī)律,我們將鉤爪爪刺和接觸面凸起簡化為兩種情況,分別如圖1和圖2所示。為保證鉤爪能在豎直表面上穩(wěn)定抓附,需要產(chǎn)生沿著表面向上的切向力和垂直于表面向外的法向力。當鉤爪受力平衡時,可以得到受力平衡方程式為:

圖1 劣弧凸起受力簡圖

圖2 優(yōu)弧凸起受力簡圖

由Ff=μN可求得

圖3 μ=0.5 時載荷角與接觸角關系曲線

由式(2)可知,載荷角α與接觸表面的摩擦系數(shù)和接觸角θ有關。接觸角θ與載荷角α成負相關,當接觸角θ增大到一定程度時,載荷角α過小,無法滿足自鎖條件則無法穩(wěn)定抓附。為保證鉤爪對多種粗糙表面的適應能力,應對鉤爪末端爪刺進行合理設計。

3 基于ABAQUS的鉤爪分析

有限元法被廣泛應用于解決工程物理的數(shù)值分析問題,它的工作原理是根據(jù)近似分割和能量極值原理,把實際問題的求解域分割成多個離散的具有相同性質的有限個很小的單元,進而研究每一個小單元的性質,分析完成后再將這些離散的小單元組裝到一起,通過變分原理,把需要求解的定解問題轉化成線性代數(shù)方程組求解[6]。有限元分析主要由前處理模塊、加載求解和后處理模塊三部分組成。

3.1 鉤爪的分析設計

在粗糙表面附著時,同一鉤爪上各爪刺末端實際抓附情況各不相同,因而各爪刺末端所受載荷也各不相同,這就需要鉤爪能夠合理分配各爪刺末端的作用力。當某一爪刺抓附住粗糙表面的凸起,其他爪刺仍能繼續(xù)在粗糙表面上尋找可抓附凸起,可通過材料的彈性變形,使得鉤爪在可抓附區(qū)域內合理分布各個爪刺的位置。為了滿足上述條件,我們使用軟件建模仿真分析。

由于ABAQUS自帶的建模功能操作不方便,因而我們使用Solidworks軟件進行建模,將數(shù)據(jù)文件保存成ParaSolid格式,再將模型導入ABAQUS中[7]?？紤]到實際情況,我們對鉤爪模型進行了相應的簡化。簡化后的模型如圖4所示。

圖4 簡化鉤爪

由于鉤爪不是簡單模型,形狀不規(guī)則,而且鉤爪末端的爪刺更是我們受力分析的重點。因此在劃分網(wǎng)格的時候,除了要采用默認的網(wǎng)格劃分方式,還要在鉤爪末端細化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后如圖5所示,共計9982個節(jié)點,5684個單元。鉤爪末端使用常見的鋁合金,在滿足使用性能的同時以減輕鉤爪重量。材料的屬性如表1所示。

圖5 鉤爪網(wǎng)格模型

表1 鉤爪材料屬性

3.2 鉤爪的受力分析

當鉤爪在粗糙表面上尋找可抓附點時,鉤爪主體處于不受力狀態(tài),不產(chǎn)生彈性形變。當鉤爪在粗糙表面抓附到可抓附點時,鉤爪主體和鉤爪末端爪刺受力,產(chǎn)生彈性形變。機器人重量隨安裝傳感器不同,變化范圍在200g-800g之間,我們在ABAQUS中模擬這一過程時,首先對每個爪刺施加的力為2N,然后每次增加3N,直到8N為止。施加的力的方向為垂直于爪刺指向鉤爪外側,對鉤爪主體施加固定約束。

3.2.1 位移分析

如圖6所示,當模擬固定翼飛行器裝載傳感器數(shù)量較少時,施加在兩個鉤爪末端爪刺的力都是2N時,最大位移量發(fā)生在鉤爪末端位置,位移大小為0.1245 毫米；如圖7所示當兩個鉤爪末端受力為5N時,最大位移量發(fā)生在鉤爪末端位置,位移大小為0.3113 毫米；如圖8所示當兩個鉤爪末端受力為8N時,最大位移量發(fā)生在鉤爪末端位置,位移大小為0.4981 毫米。三種情況對比可知,固定翼飛行器在輕載、中載和重載時,鋁合金材質的鉤爪爪刺發(fā)生的位移變化較穩(wěn)定,都在百微米量級上,但鉤爪末端相對變形量過大,難以滿足基本使用需要,需要對鉤爪末端優(yōu)化。

圖6 受力2N的位移圖

圖7 受力5N的位移圖

圖8 受力8N的位移圖

圖9為一個鉤爪爪刺末端受8N的外載荷,而另一鉤爪爪刺不受力的位移云圖,模擬當一只鉤爪爪刺抓附住合適的凸起,而另一只鉤爪爪刺無合適的抓附物的情況。此時鉤爪的最大位移發(fā)生在受力爪刺末端,最大位移量為0.3844 mm；另一鉤爪的爪刺末端的位移量為0.0616 mm。與圖8中兩鉤爪同時受8N力對比可知,當兩個鉤爪爪刺進行抓附時,并不是彼此獨立的,會產(chǎn)生一定的相互影響。但這種影響較小,即使在只有一個鉤爪爪刺抓附成功時,另一個鉤爪爪刺末端的位移量也不影響其繼續(xù)向下滑動,尋找可抓附凸起。

圖9 分別受力0N和8N的位移圖

3.2.2 應力分析

對鉤爪末端優(yōu)化后,為了了解鉤爪的最大使用性能,我們再利用ABAQUS對優(yōu)化后的鉤爪進行應力分析,考慮到鉤爪位移量分析時的負載情況,決定加大施加在鉤爪爪刺末端的力進行仿真實驗。如圖10所示,當施加在鉤爪爪刺末端的力為20N時,鉤爪中出現(xiàn)最大應力的位置在鉤爪上表面,應力最大值為89.78 Mpa。根據(jù)表1可知,89.78 Mpa這一數(shù)值遠遠小于鉤爪材料鋁合金的屈服強度和拉伸強度,遠遠滿足使用要求。隨著不斷地加載,如圖11所示,當加載在鉤爪爪刺末端的力為55N時,首先接近鋁合金的拉伸強度和屈服強度約為250Mpa,這時候材料的可靠性不能滿足使用要求。此外,還應該考慮因為截面形狀突然變化而導致的應力集中,為了避免應力集中導致的鉤爪結構破壞,在實際加工過程中應該對鉤爪的尖銳角和突變截面進行過渡處理,加強鉤爪局部,對鉤爪主體進行光潔處理。

圖10 受力20N應力圖

圖11 受力55N應力圖

4 結論

本文在研究生物抓附機理的基礎上,提出了仿生彈性鉤爪爪刺機構,進行了鉤爪模塊的設計,結合鉤爪爪刺與粗糙表面的相互作用機理的研究對鉤爪爪刺進行了分析設計,并對該模型進行了分析驗證。使用ABAQUS對設計優(yōu)化的鉤爪結構進行位移分析和應力分析,驗證了鉤爪爪刺設計的可靠性和合理性。