爬壁机器人吸附模块优化设计及仿真.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()爬壁机器人吸附模块优化设计及仿真杨慧轩,刘荣,何建东,白伟伟,安海明(内蒙古工业大学 航空学院,内蒙古呼和浩特 ;北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 )摘要:针对爬壁机器人广泛应用场景及吸附模块的关键作用设计了一款负压爬壁机器人吸附模块结构,利用C F D技术对吸附模块性能进行了仿真.分析了腔体内负压急剧下降的原因并进行了吸附模块结构优化设计及对比仿真分析.结果表明:优化设计后的负压吸附模块在内部最大负压下降不超过 的情况下,平均负压提升至少 倍.此结构优化设计方案显著提升了吸附模块负载能力,对于机器人稳定吸附、有效运动、鲁棒作业具有重要意义.关键词:爬壁机器人;吸附模块;仿真;优化设计中图分类号:T P 文献标识码:A内蒙古自治区高等学校科学研究项目(N J Z Y )收稿日期:;修订日期:作者简介:杨慧轩(),男,内蒙古呼和浩特人,讲师,硕士,主要研究方向:爬壁机器人.引言爬壁机器人因能代替人类完成高空、极限等环境下的工作而被广泛研究与应用,主要应用场景包括航空、安防、电 力、建 筑、船 舶 等 多 个 领 域.吸 附 模块,是爬壁机器人的重要组成部分,提供附着于被吸附表面的吸附力,以方便其开展后续工作.目前针对负压爬壁机器人吸附方式、运动能力等方面的研究很多,但从吸附模块吸附能力提升角度优化爬壁机器人整体性能的研究却较少,因此针对吸附模块开展结构设计及仿真研究很有必要.爬壁机器人吸附模块吸附模块作为爬壁机器人的关键部件,影响机器人的稳定吸附、有效运动及稳定作业能力.本文设计了一款爬壁机器人吸附模块提供稳定吸附能力,吸附模块结构如图所示,主要包括离心叶轮、驱动电机、安装架、负压腔及密封件.当驱动电机带动离心叶轮高速旋转时,叶轮带动空气旋转实现动、静压转换,外部气流通过密封件黏性摩擦耗散作用后进入机器人密封腔体内部,实现密封腔体空气静压下降,达到负压吸附效果.图吸附模块结构爬壁机器人吸附模块C F D仿真分析针对设计的爬壁机器人吸附模块结构,借助C F D仿真技术对吸附模块内部流场进行分析,为优化设计提供仿真理论支撑.计算域模型建立离心叶轮结构如图所示.考虑仿真计算量对吸附模块结构进行一定的简化,吸附模块计算域模型如图所示.为保证出、入口气体充分发展及计算收敛性,在吸附模块气流出、入口处对模型进行一定长度延伸.图离心叶轮结构图吸附模块计算域模型 计算域模型前处理鉴于吸附模块的结构特点,对计算域进行非结构网格划分.为提升网格划分质量及仿真计算结果的准确性,对流体入口处及密封件正下方耗散区域,即密封件与壁面之间的薄层进行局部网格加密处理.根据密封件间隙与壁面接触时的实际工况,将其等效为多孔介质区域模型,如式()所示:SvCv()其中:S为动量方程源项;为流体黏度;为介质渗透率;C为惯性阻力系数;为流体密度;v为流体速度.采用E r g u n经验公式计算黏性阻力系数/及惯性阻力系数C,如式()、式()所示:(a)Dpa()C(a)Dpa()其中:Dp为当量直径;a为孔隙率.此处按文献 设置黏性阻力系数及惯性阻力系数分别为 ,C .生成网格后利用AN S Y SF l u e n t进行仿真数值计算.由于在循环过程中气流速度小于 M a,近似认为流体不可压缩.采用压力基隐式求解并忽略重力影响,采用k湍流模型,压力速度耦合选择S i m p l e方法,动量方程、湍流动能方程、比耗散率方程空间离散均选择S e c o n dO r d e rU p w i n d.压力场分析设置负压腔进气口边界条件为p r e s s u r e i n l e t,高速离心叶轮对应出口处为p r e s s u r eo u t l e t.流场仿真混合初始化后进行 次迭代运算,观察残差图中数据收敛情况,判断负压腔内部流体仿真结果有效.经吸附模块中心轴线创建等值面,其静压分布如图所示.由于高速离心叶轮及负压腔的对称性,静压云图也具有对称性.空气从入口进入机器人负压腔,到高速离心叶轮入口前负压逐渐增加,至高速离心叶轮入口处增至最大值,离心叶轮转速为 r/m i n时,最大负压为 P a;离心叶轮转速为 r/m i n时,最大负压为 P a.图吸附模块中心轴线静压分布观察中心轴线静压分布图,发现负压腔内负压分布特性为:离心叶轮正对位置至壁面间存在近似圆柱体的高负压区域,从该圆柱体出发沿壁面向外侧负压急剧下降.利用AN S Y S监测仿真时中心轴线等值面等效平均负压,发现负压腔内等效平均负压远小于最大负压.离心叶轮不同转速下负压腔负压仿真数据见表.表离心叶轮不同转速下负压腔负压仿真数据叶轮转速(r/m i n)最大负压(P a)平均负压(P a)造成负压腔内负压急剧下降的原因是出口处有气流沿高速离心叶轮外表面返回负压腔,因此对吸附模块结构进行优化设计.优化设计及C F D仿真结果对比 吸附模块结构优化设计针对仿真时出现的腔体内负压急剧下降问题,设计了安装于高速离心叶轮外表面的整流罩.整流罩及优化设计后的吸附模块如图所示.图整流罩及优化设计后的吸附模块 C F D仿真结果对比对优化后结构进行C F D仿真分析,负压吸附模块流场中心轴线等值面静压分布如图所示.优化设计后离心叶轮不同转速下负压腔负压仿真数据见表.图优化设计后吸附模块中心轴线静压分布表优化设计后离心叶轮不同转速下负压腔负压仿真数据转速(r/m i n)最大负压(P a)平均负压(P a)从图和表可看出:优化设计后吸附模块压力流场静压分布仍具对称性,结构优化设计后,离心叶轮转速为 r/m i n时最大负压为 P a,转速为 r/m i n时最大负压为 P a.优化前后吸附模块流场负压值对比如图所示.优化后最大负压下降不超过,但优化后平均负压较优化前提升至少 倍,可见吸附模块结构优化设计提升了吸附模块整体密封性能,增大了机器人吸附模块对壁面的吸附力.结论本文设计了一款负压爬壁机器人吸附模块,通过C F D方法对吸附模块内部流场进行了仿真分析,针对负压腔内负压急速下降问题进行了结构优化设计.仿真结果表明:优化后吸附模块在内部最大负压下降不超过 的情况下,平均负压提升至少 倍.此结(下转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期免了材料浪费.本文研究对后续吊挂座的设计以及实际生产有一定的指导意义.表吊挂优化后的前阶固有频率阶数频率(H z)表吊挂优化前、后结果对比类型最大应力(MP a)最大变形(mm)第阶自振频率(H z)重量(k g)限定值 原结构 新结构 参考文献:何雨松,李玉峰基于AN S Y S W o r k b e n c h的某定位平台基座的拓扑优化设计J兵工自动化,():高东强,毛志云,张功学,等基于AN S Y S W o r k b e n c h的D V G 工作台拓扑优化J机械设计与制造,():中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所,中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所,中车青岛四方车辆研究所有限公司,等 T B/T 机车车辆强度设计及试验 鉴定规范 总则S北京:中国铁道出版社,:史天翔,郭建烨,史江,等基于AN S Y S W o r k b e n c h的吊装工装静力分析及拓扑优化设计J锻压装备与制造技术,():S t a t i cA n a l y s i sa n dT o p o l o g i c a lO p t i m i z a t i o no fH e a v yR a i lM o t o rC a rP o w e r t r a i nH a n g i n gWE IP e i h a o,Z H A N GL i y u a n,WA N G W a n,S UX i a o h e,R E NX i a n g w u,L I UP e n g(C R R CY o n g j iE l e c t r i cC o,L t d,Y o n g j i ,C h i n a;T r a i n i n gC e n t r e,C h a n g q i n gO i l f i e l dC o m p a n y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r t a k e s t h ep o w e r t r a i nh a n g i n go f h e a v y r a i lm o t o r c a r a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,u s e sAN S Y S t oc a r r yo u t s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nd e s i g n,a n dc o m p a r e st h es t r e n g t ha n dm o d eo ft h eo p t i m i z e ds c h e m ew i t ht h eo r i g i n a ls c h e m et od e t e r m i n et h ef e a s i b i l i t yo f t h e t o p o l o g ys c h e m e T h eo p t i m i z e dh a n g i n gd e s i g nr e d u c e st h ew e i g h to f t h eh a n g i n gi t s e l f,i m p r o v e st h eu t i l i z a t i o nr a t eo fm a t e r i a l s,a n dr e d u c e s t h ec o s to fm a t e r i a l s K e y w o r d s:h e a v yr a i lm o t o ra a r;p o w e r t r a i nh a n g i n g;s t a t i c sa n a l y s i s;t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n(上接第 页)构优化设计方案对于提升吸附模块负载能力具有重要意义.图优化前后吸附模块流场负压值对比参考文献:吴善强低噪声负压吸附爬壁机器人系统的研究D哈尔滨:哈尔滨工业大学,:彭晋民,李济泽,邵洁,等负压爬壁机器人吸附系统研究J中国机械工程,():,任志奇负压吸附式爬壁机器人的设计与研究D保定:华北电力大学,:白联强,宋仲康多级吸尘器风机流场仿真分析J机械设计与制造,():A n s y s A n s y sF l u e n tU s e r sG u i d eM C a n o n s b u r g:A n s y s I n c ,孙志龙大型立面爬壁除锈机器人回收系统研究及机器人本体设计D天津:河北工业大学,:高健,郑云鹏,卜研多翼离心风机的结构优化研究J机械设计与制造,():O p t i m i z a t i o nD e s i g na n dS i m u l a t i o no fA d s o r p t i o nM o d u l eo fW a l l C l i m b i n gR o b o tY A N GH u i x u a n,L I UR o n g,H EJ i a n d o n g,B A IW e i w e i,A NH a i m i n g(S c h o o l o fA e r o n a u t i c s,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H o h h o t ,C h i n a;S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g&A u t o m a t i o n,B e i h a n gU n i v e r s i t y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ew i d ea p p l i c a t i o ns c e n eo fw a l l c l i m b i n gr o b o ta n dt h ek e yr o l eo fa d s o r p t i o nm o d u l e,an e g a t i v ep r e s s u r ew a l l c l i m b i n gr o b o t a d s o r p t i o nm o d u l es t r u c t u r ei sd e s i g n e d,a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d s o r p t i o nm o d u l ei ss i m u l a t e db yu s i n gC F Dt e c h n o l o g y T h er e a s o nf o rt h es h a r pd e c r e a s eo fn e g a t i v ep r e s s u r ei nt h ec a v i t yi sa n a l y z e d,a n dt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dc o m p a r a t i v es i m u l a t i o na n a l y s i so f t h ea d s o r p t i o nm o d u l ea r ec a r r i e do u t T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo p t i m i z e dn e g a t i v ep r e s s u r ea d s o r p t i o nm o d u l ei n c r e a s e st h ea v e r a g en e g a t i v ep r e s s u r eb ya tl e a s t t i m e sw h e nt h ei n t e r n a lm a x i m u m n e g a t i v ep r e s s u r e i sr e d u c e db yl e s st h a n T h i ss t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g ns c h e m es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h el o a dc a p a c i t yo ft h ea d s o r p t i o nm o d u l e,a n d i so fg r e a t s i g n i f i c a n c e f o rs t a b l ea d s o r p t i o n,e f f e c t i v em o v e m e n t a n dr o b u s to p e r a t i o no f t h er o b o t K e y w o r d s:w a l l c l i m b i n gr o b o t;a d s o r p t i o nm o d u l e;s i m u l a t i o n;o p t i m i z a t i o nd e s i g n机 械 工 程 与 自 动 化 年第期