管外爬行機器人結(jié)構(gòu)設計分析研究

譚新杰

（黑龍江科技大學 機械工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

當今時代，隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，各種功能的機器人相繼問世，正在慢慢地改變?nèi)祟惖纳睿?］。而管外爬行機器人作為整個機器人產(chǎn)業(yè)的一部分，在石化、電氣、管道維修等方面被廣泛應用，尤其是它在高空作業(yè)中所發(fā)揮的巨大優(yōu)勢，近些年來備受人們的關(guān)注。迄今為止，絕大部分管道的巡檢與維修工作還是由工人來承擔，這些管道所在環(huán)境大多十分惡劣，不僅工人的工作效率低下，而且有些管道內(nèi)存在有毒有害物質(zhì)或在高空中，極易對工人生命安全造成威脅［2］。所以對管外爬行機器人進行相關(guān)設計研究，讓機器人代替工人在管道外進行一些重復性和危險的工作，不僅可以使工人擺脫危險的工作環(huán)境，也可以使節(jié)省相關(guān)成本，提升工作效率［3］。本文旨在設計一種新穎、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟適用的管外爬行機器人，為保證機構(gòu)運行效果良好，首先對機器人相關(guān)主要結(jié)構(gòu)進行設計分析，接著對其主要受力和運動結(jié)構(gòu)進行靜力學分析和模態(tài)分析。

1 爬管機器人結(jié)構(gòu)設計分析

管外爬行機器人想要在管外進行行走，不僅自身結(jié)構(gòu)需要形成一個封閉的力學空間，而且在結(jié)構(gòu)中需要有驅(qū)動機構(gòu)［4］。本文所探究的管外爬行機器人，運動部分整體采用剪刀型驅(qū)動輪式機構(gòu)設計。管外爬行機器人運動部分三維圖如圖1所示。上下兩個夾緊桿與內(nèi)側(cè)電機驅(qū)動的V型輪相互配合，利用機器人自身重力完成對管壁地抱緊，電機帶動V型輪轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機器人的往復運動。

圖1 管外爬行機器人運動部分三維

2 夾緊桿有限元分析

針對上面的設計方案，由于受夾緊力和自身重力的影響夾緊桿是最主要的受力部件，易產(chǎn)生疲勞變形，對工作影響較大，所以對其進行有限元靜力學分析。根據(jù)機器人的工作性質(zhì)，整個抱緊機構(gòu)相關(guān)元件均采用30Cr合金鋼，其屈服強度為685 MPa。

采用ANSYS中Static Structural模塊對夾緊桿進行靜力學分析。根據(jù)夾緊桿相關(guān)受力分析可知，夾緊桿整體受到水平向左的壓力和沿夾緊桿向下彈簧的彈力兩個力的綜合作用［5］。對于夾緊桿所受的正壓力，是管道和夾緊輪相互接觸而產(chǎn)生的，以點載荷的形式作用在夾緊輪上，方向水平向左。對于彈簧預緊力，是用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小而產(chǎn)生的，隨管道粗細變化而變化，方向沿夾緊桿向下。整個夾緊桿固定在外殼底座上，機器人工作過程穩(wěn)定，夾緊桿與底座相對位置不發(fā)生改變，所以將轉(zhuǎn)軸螺栓孔進行固定。為了保證機構(gòu)整體的穩(wěn)定性，在ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行分析過程中，將以最大的受力狀態(tài)對夾緊桿進行分析［6］，首先將結(jié)構(gòu)中四個螺栓孔進行固定約束，在夾緊輪靠近管道的側(cè)面施加水平向左的點載荷，大小300 N，在夾緊桿底端沿夾緊桿方向施加彈簧的預緊力，大小為50 N。對夾緊桿的有限元靜力學分析結(jié)果如圖2所示。在圖2中由(a）到(c）分別是夾緊桿機構(gòu)有限元分析的載荷

圖2 抱緊臂有限元分析

與約束圖、總變形云圖、等效應力云圖。

從圖2(a）可以清楚地看到分析過程施加的載荷與約束，在夾緊輪內(nèi)側(cè)以點載荷形式施加壓力，順著夾緊桿方向施加彈簧預緊力，固定四個螺栓孔；從圖2(b）中可以看出夾緊桿的總變形從0 mm到3.7 mm不等，最小變形位于螺栓固定處，最大變形位于夾緊桿對側(cè)夾緊輪外側(cè)邊緣處；從圖2(c）可以看出等效應力從0.01 MPa到563.56 MPa不等，最大應力位于夾緊桿與夾緊輪相互接觸的位置，機構(gòu)采用30Cr合金鋼，其屈服強度遠大于563.56 MPa；綜上所述，夾緊桿的設計產(chǎn)生形變量較小，在運動中不會影響整體性能；屈服強度遠小于所用材料極限強度滿足相關(guān)設計要求。整個夾緊桿機構(gòu)設計合理，很好地達到了相關(guān)設計要求。

3 驅(qū)動機構(gòu)模態(tài)分析

在管道爬行機器人沿管壁進行運動的過程中，振動現(xiàn)象無可避免且一直存在，所以需要在ANSYS中對爬管機器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，來研究振動對其影響［7］。振動分為低階和高階兩方面，而在機器人整個運動過程中，低階振動對整個爬管機器人結(jié)構(gòu)影響較大，所以將對驅(qū)動機構(gòu)進行前四階低階模態(tài)的分析，以確定振動對爬管機器人相關(guān)機構(gòu)的影響［8］。將在ANSYS中的Modal模塊對機器人的驅(qū)動輪機構(gòu)進行前四階模態(tài)分析，整個驅(qū)動輪材料采用30Cr合金鋼，在分析過程中，將驅(qū)動輪支撐部件底部的螺栓孔進行固定。圖3分別為驅(qū)動機構(gòu)一階至四階的模態(tài)分析。

圖3 驅(qū)動機構(gòu)前四階模態(tài)分析

根據(jù)圖3前四階模態(tài)分析可以看到驅(qū)動機構(gòu)中最大變形均發(fā)生在驅(qū)動輪兩端靠近輪子外圓邊緣處，所以在安裝時應當注意將管道盡量靠近V型輪內(nèi)部，以減少抱緊力的分量，從而減小驅(qū)動輪變形。由圖中數(shù)據(jù)可以看到，驅(qū)動機構(gòu)在低階振動影響下最小的頻率是1 660.2 Hz，所以為了減小在運動過程中振動對驅(qū)動機構(gòu)的影響，避免發(fā)生共振影響機器人整體性能，所用驅(qū)動電機的工作激勵頻率要在1 660.2 Hz以下。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實際，不僅對管外爬行機器人運動部分進行了結(jié)構(gòu)設計，而且利用ANSYS軟件對夾緊桿進行了靜力學分析，對驅(qū)動機構(gòu)進行了模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)表明管外爬行機器人整體剪刀型利用自重進行鎖緊的結(jié)構(gòu)設計，穩(wěn)定可靠，能夠基本滿足機器人管外運動需求。根據(jù)對主要受力部件夾緊桿的靜力學分析，表明夾緊桿最大形變處為夾緊輪外側(cè)邊緣，且形變量較小；最大應力位于夾緊桿與夾緊輪接觸處，且小于其材料屈服強度；整個設計安全可靠。根據(jù)對機器人驅(qū)動輪機構(gòu)的模態(tài)分析，表明驅(qū)動機構(gòu)中最大變形多發(fā)生在驅(qū)動輪兩端邊緣處，所以在安裝時盡量使管道靠近V型輪內(nèi)部，以減少驅(qū)動輪兩端的變形，且機器人所使用驅(qū)動電機的工作頻率應在1 660.2 Hz以下，以避免發(fā)生共振影響整體性能。