韓海敏

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引言

食用植物油儲(chǔ)存與社會(huì)民生息息相關(guān)，是社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)家發(fā)展的基本條件。油脂的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性不僅與自身特性有關(guān)，還與倉儲(chǔ)環(huán)境有關(guān)[1]。目前，我國(guó)常用的糧油貯藏方式是采取儲(chǔ)油罐集中罐裝保存，這樣不僅能夠較好地保障食用油的品質(zhì)，而且對(duì)食用油延長(zhǎng)保質(zhì)期大有益處[2]。由于食用油不易燃、不易揮發(fā)，黏度大、質(zhì)量較輕，儲(chǔ)存這類油液一般采用大型立式圓筒形鋼制固定頂油罐[3]，食用油罐的材質(zhì)常用的是Q235。長(zhǎng)時(shí)間使用后油液容易粘附在油罐內(nèi)壁，影響油液存儲(chǔ)質(zhì)量的同時(shí)，容易造成油罐內(nèi)壁腐蝕受損，因此需要定期對(duì)油罐內(nèi)壁進(jìn)行清洗[4]。隨著傳統(tǒng)的人工清洗和機(jī)械清洗在儲(chǔ)油罐內(nèi)進(jìn)行作業(yè)時(shí)存在成本高、效率低、清洗容易留下死角等問題的暴露，目前逐步采用日趨成熟的爬壁機(jī)器人進(jìn)行罐內(nèi)清洗[5-6]。近幾年，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì)此做了很多相關(guān)研究。文獻(xiàn)[7]研制出一種用來檢測(cè)油罐容積的履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人，可替代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，并能進(jìn)行清洗、探傷及噴漆等工作。文獻(xiàn)[8]提出了一種用于油罐清洗壁虎式磁吸附機(jī)構(gòu)，通過“電-氣”傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，改變磁吸附力的變化，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)[6]提出了一種三輪式油罐清洗機(jī)器人，由一個(gè)萬向輪和兩個(gè)設(shè)置有仿生吸盤的驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成移動(dòng)機(jī)構(gòu)，清洗機(jī)構(gòu)由清洗盤刷、自激脈沖高壓水射流及刮鏟組成，并采用全液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人方便進(jìn)出油罐作業(yè)。文獻(xiàn)[9]提出了一種應(yīng)用于內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐的履帶式清洗機(jī)器人，采用了變軌距機(jī)構(gòu)和舉升機(jī)構(gòu)組成的變形機(jī)構(gòu)，可以使機(jī)器人順利通過儲(chǔ)油罐人孔。

根據(jù)油罐的清洗工藝流程，當(dāng)清水清洗完油罐后，需要進(jìn)行罐壁面的清刷。清刷完內(nèi)壁面的粘結(jié)結(jié)塊，完成整個(gè)油罐清洗工作[8]。基于此，設(shè)計(jì)了一種用于油脂類儲(chǔ)罐清刮作業(yè)的爬壁機(jī)器人，并對(duì)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，為進(jìn)一步分析該機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性及控制規(guī)律提供一定的參考價(jià)值。

1 爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)器人主要由行走裝置、吸附裝置、清刮裝置三部分組成，為方便機(jī)器人進(jìn)出人孔，其總體尺寸不超過500×400×250 mm3，三維模型如圖1所示。在以上裝置的有機(jī)結(jié)合下，完成油脂類罐體壁的清刮任務(wù)。

圖1 油脂類罐體清刮機(jī)器人三維模型圖

其中，行走裝置中，行走輪與行走電機(jī)連接，且行走輪與輔助萬向輪呈方形分布，如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)與磁吸附力大小之間的調(diào)節(jié)，并做到輕量化設(shè)計(jì)，承載板表面設(shè)置有升降組件，其升降端伸入承載板下方且連接有吸附裝置，升降組件帶動(dòng)吸附裝置，實(shí)現(xiàn)與油罐內(nèi)壁之間的距離調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)吸附力大小的調(diào)節(jié)。

圖2 爬壁機(jī)器人行走裝置結(jié)構(gòu)示意圖

使用時(shí)，通過變磁力吸附裝置將機(jī)器人吸附在油罐內(nèi)壁，通過調(diào)高組件帶動(dòng)承載柱下降，使刮板與油罐內(nèi)壁相接觸，利用彈性伸縮桿的彈力推動(dòng)刮板，使刮板始終與油罐內(nèi)壁充分接觸。進(jìn)行油罐內(nèi)壁清潔時(shí)，行走輪的軸線與油罐的軸線平行，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪旋轉(zhuǎn)，從而使裝置整體沿油罐內(nèi)壁做圓周移動(dòng)，刮板隨著裝置移動(dòng)對(duì)油罐內(nèi)壁進(jìn)行清刮，圓周刮清完成后需要改變行走路線，承載箱內(nèi)部的轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)門型架旋轉(zhuǎn)，使行走輪的軸線與油罐的軸線相垂直，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走輪旋轉(zhuǎn)，使裝置整體沿著油罐的軸向移動(dòng)，移動(dòng)完成后轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)門型架恢復(fù)原狀態(tài)，重復(fù)對(duì)油罐內(nèi)壁進(jìn)行圓周刮清，在清掃路線的調(diào)整過程中，裝置沿油罐軸線直線運(yùn)動(dòng)，不會(huì)造成清掃遺漏，使用效果好。

2 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖3 機(jī)器人工作俯視圖

食用油罐內(nèi)壁是一個(gè)曲面，機(jī)器人在儲(chǔ)罐內(nèi)壁進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其工作俯視圖如圖3所示。圖中圓弧為罐體內(nèi)壁面，水平線為機(jī)器人位置示意，R為油罐半徑。

以容積為5000 t的儲(chǔ)油罐為例，其直徑約為18 m，高度為22.5 m[10]。機(jī)器人寬度W=490 mm，則

β=arcsinW/2R=arcsin490/18000

≈1.59°

(1)

由此分析可知，β的值很小，可忽略不計(jì)，為方便研究，將罐壁面假設(shè)為平直面[11]。

通過查閱資料，輪式機(jī)器人在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模時(shí)，輪子與壁面之間是高副接觸，這里采用Sheth-Uicker方法[12]來建立滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的坐標(biāo)系，兩行走輪爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型如圖4。圖中XOY為平面參考坐標(biāo)系，X’O’Y’為固定在機(jī)器人上的坐標(biāo)系，其中，C點(diǎn)為機(jī)器人的質(zhì)心，其坐標(biāo)用(xc，yc)來表示；θ為機(jī)器人坐標(biāo)系中的X’軸相對(duì)于參考坐標(biāo)系X軸的角度，vc表示機(jī)器人質(zhì)心平移速度，規(guī)定逆時(shí)針方向?yàn)檎?/p>

模型需要以下約束條件：假設(shè)機(jī)器人本體以及車輪是剛性的并在運(yùn)動(dòng)過程中無滑移，假設(shè)機(jī)器人的質(zhì)心與型心重合并在兩行走輪軸心中心。

C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以用式(2)表達(dá)：

圖4 爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖

(2)

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要依靠左右兩行走輪來實(shí)現(xiàn)，所以通過推導(dǎo)，得出機(jī)器人的質(zhì)心速度與左右兩行走輪速度的關(guān)系：

(3)

式中，W為左右兩行走輪之間的距離；R1為左右兩行走輪輪子的半徑；vL、vR分別為左、右行走輪的速度；ωC為機(jī)器人機(jī)體的角速度；ωL為左邊行走輪的角速度；ωR為右邊行走輪的角速度。

將式(3)代入到式(2)中，得到

(4)

機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑為R0，則

(5)

當(dāng)左右兩行走輪的速度大小相等、方向相反時(shí)，由式(5)可知瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑R0=0，機(jī)器人做原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)左右兩行走輪的速度相等、方向相同時(shí)，此時(shí)機(jī)器人轉(zhuǎn)向半徑為無窮大，機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)。

速度Vc的沿x方向的分量vx，沿y方向的分量vy分別為：

(6)

得左右兩行走輪的速度向量S為：

(7)

機(jī)器人的位置可用矢量P=[x，y，θ]T來表示，如式(8)：

(8)

對(duì)式(8)求導(dǎo)得出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

(9)

經(jīng)以上公式推導(dǎo)可知，通過改變兩行走輪的速度或角速度，就能使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)為了提高仿真的運(yùn)算效率，需要將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，討論正常工況下，對(duì)機(jī)器人在ADAMS軟件中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。

將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中后，需要對(duì)各個(gè)零部件之間添加約束，用拓?fù)鋱D(圖5)來表示各個(gè)零部件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。機(jī)器人本體與壁面是滑移副連接，大地與壁面是固定副連接，升降組件與吸附裝置之間簡(jiǎn)化為滑移副連接，兩輔助萬向輪與壁面是點(diǎn)面副連接，兩行走輪與壁面是旋轉(zhuǎn)副連接，另外，為了使機(jī)器人可以移動(dòng)，分別在左右兩行走輪的旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動(dòng)。

在仿真中，接觸形式采用Solid-Solid，接觸力選擇庫侖法計(jì)算，其壁面與行走輪接觸參數(shù)設(shè)置如表1。

圖5 各零部件之間運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系拓?fù)鋱D

表1 機(jī)器人接觸力參數(shù)設(shè)置

添加完成約束和驅(qū)動(dòng)之后，設(shè)置仿真時(shí)間為4.0 s，仿真步數(shù)為1000步，然后進(jìn)行仿真，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)束語

根據(jù)油罐的清洗工藝流程，設(shè)計(jì)了一種用于油脂類儲(chǔ)罐清刮作業(yè)的爬壁機(jī)器人，介紹了機(jī)器人的工作原理，并對(duì)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型，得出了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

圖6 機(jī)器人左行走輪角速度(上)、右行走輪角速度(下)曲線圖

圖7 機(jī)器人質(zhì)心C點(diǎn)的位移、速度曲線圖

圖8 機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)左右行走輪及質(zhì)心速度曲線圖

對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，利用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明機(jī)器人在仿真中的運(yùn)動(dòng)變化情況與理論分析基本吻合，為后期進(jìn)一步設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。