基于ADAMS的清洗閘門鋼絲繩攀爬機(jī)器人的可行性分析

張港，陸曉丹

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231；2.浙江理工大學(xué)理學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

在我國(guó)水利工程行業(yè)使用的大中型水閘中, 采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的約占一半以上。在卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)中鋼絲繩是最重要的連接件之一，該部件與電動(dòng)機(jī)和閘門直接關(guān)聯(lián)。根據(jù)國(guó)家水利部對(duì)啟閉機(jī)的養(yǎng)護(hù)要求，鋼絲繩應(yīng)定期清洗養(yǎng)護(hù)，目前我國(guó)對(duì)水閘鋼絲繩養(yǎng)護(hù)的要求為一般情況下每年定期清洗2次[1]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)水閘鋼絲繩的清洗大多采用傳統(tǒng)的人工清洗方式，由麻繩懸吊操作人員采用原始的銅絲刷或鋼絲刷、膩?zhàn)隅P、抹布等簡(jiǎn)單工具，輔助以清洗劑（柴油或汽油）進(jìn)行清洗[2]。因此設(shè)計(jì)一種能夠在鋼絲繩上攜帶清洗裝置的機(jī)器人是急需解決的問(wèn)題。Hae-BumYun等[3]設(shè)計(jì)了一款爬桿機(jī)器人，該機(jī)器人的車輪由附在彈簧上的車輪和側(cè)架組成，可適應(yīng)各種可變直徑的桿件，聚氨酯輪用于斜拉索上的快速移動(dòng)，在移動(dòng)時(shí)可以有效提高摩擦力并減少拉索表面損傷；Kanza Zafar[4]設(shè)計(jì)了一款需借助3根鋼絲繩攀爬的爬繩機(jī)器人，該機(jī)器人可適用于水平和垂直2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)時(shí)只采用1對(duì)滾輪推進(jìn)，在進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)采用2對(duì)滾輪推進(jìn)。但上述兩款機(jī)器人均采用輪式結(jié)構(gòu)，承載能力較弱，無(wú)法滿足攜帶清洗裝置的需求。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼絲繩攀爬機(jī)器人的研究較少，對(duì)具有清洗裝置的攀爬機(jī)器人的研究更是匱乏。2003年，三河閘管理處等[1]研發(fā)出新型水閘鋼絲繩自動(dòng)清洗養(yǎng)護(hù)機(jī)，在閘門運(yùn)行啟閉時(shí)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行洗刷，同時(shí)還可自動(dòng)涂抹黃油防護(hù)；2013年，武漢佑[5]研制了WX060鋼絲繩清潔養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較高的安全性，清潔效率高于人工5倍以上，清潔效果較好且在使用上方便快捷，但此設(shè)備在使用除渣器進(jìn)行除渣工作時(shí)，不利于環(huán)境的保護(hù)。以上兩個(gè)裝置在對(duì)鋼絲繩的清洗時(shí)，須依靠鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)，使用范圍較為局限。

本文采用仿生原理設(shè)計(jì)攀爬機(jī)器人，該機(jī)器人采用一端抱緊一端移動(dòng)的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)器人在鋼絲繩上的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)清洗，其穩(wěn)定可靠、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且承載能力強(qiáng)，可以攜帶清洗裝置以實(shí)現(xiàn)攀爬機(jī)器人的清洗功能。

1 攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理

閘門鋼絲繩攀爬機(jī)器人組成包括內(nèi)部攀爬裝置和外部攀爬裝置兩個(gè)部分，通過(guò)仿尺蠖運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該裝置交替攀爬[6]。當(dāng)內(nèi)部攀爬裝置夾緊模塊夾緊后，外部攀爬裝置的夾緊模塊松開(kāi)，隨后再通過(guò)內(nèi)部攀爬裝置中的驅(qū)動(dòng)模塊，帶動(dòng)外部攀爬裝置運(yùn)動(dòng)，同理內(nèi)部攀爬裝置的向下運(yùn)動(dòng)也是如此，由此可完成此裝置沿閘門鋼絲繩上下攀爬的任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閘門鋼絲繩攀爬機(jī)器人

在初始狀態(tài)下，自動(dòng)攀爬機(jī)器人中的兩夾緊模塊都處于夾緊狀態(tài)，如圖2（a）所示。開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，內(nèi)部攀爬裝置中的夾緊模塊松開(kāi)，如圖2（b）所示。電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳到齒條上，完成內(nèi)部攀爬裝置的向上攀爬，如圖2（c）所示。當(dāng)內(nèi)部攀爬裝置爬到接近外部攀爬裝置上板時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)內(nèi)部攀爬裝置中的夾緊模塊開(kāi)始夾緊，外部攀爬裝置中的夾緊模塊松開(kāi),如圖2（d）所示。電動(dòng)機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪副轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將運(yùn)動(dòng)傳到齒條上，從而帶動(dòng)整個(gè)外部攀爬裝置向上移動(dòng)，如圖2（e）所示。當(dāng)外部攀爬裝置隔層板爬到接近內(nèi)部攀爬裝置下板時(shí)，停止運(yùn)動(dòng)，然后外部攀爬裝置中的夾緊模塊夾緊，如圖2（f）所示。至此一套完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程完成。下降過(guò)程可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，其動(dòng)作控制過(guò)程正好相反。

圖2 攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖

2 攀爬機(jī)器人ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 模型導(dǎo)入與仿真分析

ADAMS為一種分析機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的軟件，其原理是將整體看作一個(gè)多模塊固態(tài)的整體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，利用Lagrange力學(xué)對(duì)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析[7]。

在SolidWorks軟件中建立閘門鋼絲繩自動(dòng)攀爬機(jī)器人模型，將SolidWorks中建立好的模型文件保存為.xmttxt格式，啟動(dòng)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)軟件，將模型導(dǎo)入，進(jìn)行分析。此次分析分為2個(gè)階段：第一個(gè)階段為內(nèi)部攀爬裝置固定，外部攀爬裝置向下攀爬階段。在該階段給動(dòng)力源施加一個(gè)STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)式（1），分析圖如圖3（a）所示。第二個(gè)階段為外部攀爬裝置固定，內(nèi)部攀爬裝置向下攀爬階段。此時(shí)，給動(dòng)力源施加一個(gè)STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)式（2），分析圖如圖3（b）所示。

圖3 自動(dòng)攀爬機(jī)器人整體ADAMS動(dòng)力學(xué)分析圖

2.2 輸出結(jié)果

將求解時(shí)間設(shè)置為190 s，步數(shù)設(shè)置為50步，開(kāi)始進(jìn)行ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，得到外部攀爬裝置在190 s時(shí)間內(nèi)的位移、速度、加速度的時(shí)間函數(shù)圖像，如圖4（a）所示。圖中粉線為外部攀爬裝置的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看出在前60 s的時(shí)間內(nèi)，外部攀爬裝置運(yùn)動(dòng)了200 mm的距離，在60～130 s之間外部攀爬裝置是靜止不動(dòng)的，在130～190 s之間外部攀爬裝置與前60 s的運(yùn)動(dòng)一致向下運(yùn)動(dòng)了200 mm。圖中紅線表示的是外部攀爬裝置的速度隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看出外部攀爬裝置在前60 s的時(shí)間內(nèi)，速度與時(shí)間的變化關(guān)系呈拋物線的形式，在60～130 s之間外部攀爬裝置速度為零，在130～190 s外部攀爬裝置與前60 s的運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間之間的關(guān)系呈拋物線的關(guān)系。與圖中位移時(shí)間關(guān)系圖像相對(duì)應(yīng)，圖中藍(lán)線表示的是外部攀爬裝置的加速度與時(shí)間變化的關(guān)系。從分析的運(yùn)動(dòng)圖中可以看出外部攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，并未出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

圖4 兩裝置速度、位移函數(shù)曲線

第二階段，將求解時(shí)間設(shè)置為190 s，步數(shù)設(shè)置為50步，得到內(nèi)部攀爬裝置在190 s的時(shí)間內(nèi)的位移、速度、加速度的時(shí)間函數(shù)圖像，如圖4（b）所示。圖中粉線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的位移隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看出在前65 s的時(shí)間內(nèi)，內(nèi)部攀爬裝置是靜止不動(dòng)的，在65～125 s之間內(nèi)部攀爬裝置運(yùn)動(dòng)了200 mm的距離，在125～190 s之間內(nèi)部攀爬裝置與前65 s運(yùn)動(dòng)一致，靜止不動(dòng)。圖中紅線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的速度隨時(shí)間變化的關(guān)系，可以看出內(nèi)部攀爬裝置在前65 s的時(shí)間內(nèi)，靜止不動(dòng)，在65～125 s之間內(nèi)部攀爬裝置的速度與時(shí)間的關(guān)系呈拋物線的形式，在125～190 s內(nèi)部攀爬裝置與前65 s的速度一樣靜止不動(dòng)。與圖中位移時(shí)間關(guān)系圖像相對(duì)應(yīng)，圖中藍(lán)線表示的是內(nèi)部攀爬裝置的加速度隨時(shí)間變化的關(guān)系。從分析的運(yùn)動(dòng)圖中可以看出內(nèi)部攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)與外部攀爬裝置的運(yùn)動(dòng)是一一對(duì)應(yīng)的。該結(jié)論說(shuō)明整個(gè)本體攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的，同時(shí)說(shuō)明該攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)是合理可行的。

3 攀爬機(jī)器人清洗裝置的有效性分析

為提高閘門鋼絲繩的清洗效率，結(jié)合本閘門鋼絲繩自動(dòng)攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種適用于本體攀爬機(jī)器人的清洗裝置，如圖5所示。考慮到鋼絲繩的材質(zhì)和環(huán)保等因素，清洗裝置使用激光清洗[8]。清洗裝置作為本體攀爬機(jī)器人的載體，需要滿足在本體攀爬機(jī)器人上自由安裝和拆卸，同時(shí)考慮到本體攀爬機(jī)器人的向上運(yùn)動(dòng)對(duì)清洗裝置環(huán)狀清洗的影響。因此在設(shè)計(jì)清洗裝置時(shí)為該裝置增加一個(gè)向上的滾珠絲杠傳動(dòng)，該傳動(dòng)可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式，從而保證清洗裝置能實(shí)現(xiàn)全面清洗鋼絲繩，在理論上提高清洗效果。

圖5 適應(yīng)本體攀爬機(jī)器人的清洗裝置

3.1 加入滾珠絲杠前攀爬機(jī)器人的ADAMS運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)本體攀爬機(jī)器人僅攜帶激光清洗頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗時(shí)，激光清洗頭只是以螺旋的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)清洗，此時(shí)激光清洗頭在鋼絲繩每段處出現(xiàn)的次數(shù)僅為1次。將只有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的清洗裝置加入到本體攀爬機(jī)器人上，通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[9]，分析過(guò)程如圖6所示。

圖6 本體攀爬機(jī)器人只攜帶激光清洗頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)清洗的ADAMS分析圖

3.2 加入滾珠絲杠后攀爬機(jī)器人的ADMAS分析

將清洗裝置增加一個(gè)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)后，此時(shí)本體攀爬機(jī)器人攜帶激光清洗頭向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也為激光清洗頭增加了第二個(gè)來(lái)回的上下運(yùn)動(dòng)，這便增加了鋼絲繩被激光清洗頭清洗的機(jī)會(huì)。將攜帶滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)的清洗裝置加入到本體攀爬機(jī)器人上，通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[10]，分析過(guò)程如圖7所示。

圖7 在清洗裝置中加入滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)后的ADAMS分析圖

3.3 分析結(jié)果對(duì)比

通過(guò)觀察激光清洗頭Z軸方向的位移時(shí)間函數(shù)圖像可以看到，如圖8所示的曲線C表示本體攀爬機(jī)器人只攜帶激光清洗頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的位移時(shí)間圖，激光清洗頭以加速度為1 mm/s2向上進(jìn)行移動(dòng)，激光清洗頭在鋼絲繩的每個(gè)高度處僅出現(xiàn)1次。而在清洗裝置中加入一個(gè)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)后，激光清洗頭位移時(shí)間關(guān)系如圖8曲線B所示，此時(shí)激光清洗頭在鋼絲繩每個(gè)高度處出現(xiàn)的次數(shù)至少為1次，且在大部分位置上則出現(xiàn)2次以上。

圖8 激光清洗頭在有無(wú)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)Z軸方向位移時(shí)間圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（如圖9），激光清洗裝置在清洗某個(gè)位置達(dá)到2 次以上時(shí)能獲得較好的清潔效果。通過(guò)上述分析得知，自動(dòng)攀爬機(jī)器人的激光清洗裝置在加入滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)后，鋼絲繩被清洗的機(jī)會(huì)增加，因此清洗效果也將得到大幅提升。

圖9 激光清洗機(jī)清洗鋼絲繩實(shí)驗(yàn)圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)目前還在使用人工懸吊的方式清洗鋼絲繩存在較大安全隱患的問(wèn)題，根據(jù)閘門鋼絲繩的工作需求，設(shè)計(jì)了一款能攜帶清洗裝置的閘門鋼絲繩自動(dòng)攀爬機(jī)器人。以自動(dòng)攀爬機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過(guò)ADAMS仿真分析，驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)的鋼絲繩自動(dòng)攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定，說(shuō)明了機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)加入滾珠絲杠的清洗裝置攀爬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)加入滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)后的激光清洗頭在每段鋼絲繩處，清洗頭出現(xiàn)的次數(shù)明顯增多，增加了鋼絲繩被清洗的機(jī)會(huì)，從而提升了鋼絲繩清洗效果。

基于理想實(shí)驗(yàn)下，本文對(duì)攀爬機(jī)器人進(jìn)行分析，閘門鋼絲繩處于受拉狀態(tài)，鋼絲繩也并未出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象。但在實(shí)際工況中，由于閘門鋼絲繩經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用、風(fēng)化，以及海水電解的影響會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩彎曲變形現(xiàn)象，因此需要對(duì)機(jī)器人在實(shí)際工況的閘門鋼絲繩上進(jìn)行攀爬實(shí)驗(yàn)分析，觀察分析機(jī)器人在實(shí)際工況的閘門鋼絲繩上的攀爬能力與效果。同時(shí)，該機(jī)器人質(zhì)量較大，靈活性不足，存在電動(dòng)機(jī)不同步造成齒輪卡齒的問(wèn)題。因此后續(xù)將對(duì)該機(jī)器人進(jìn)一步優(yōu)化，使得該機(jī)器人具有較高的靈活性，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性和操作控制的精確性。