APP下载

蠕动式软体管道机器人设计及测试

2020-08-06赵文川陆登宇

食品与机械 2020年7期
关键词:棱柱软体驱动器

张 禹 王 宁 赵文川 陆登宇

(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁 沈阳 110870)

管道机器人是一种可以搭载传感器和相关作业工具,并自行在管道内部或外部移动以完成不同操作的机器人[1-2]。近年来,随着仿生学和软体技术的快速发展,利用硅胶材料的超弹性特征,采用软体驱动器设计了以气体驱动的蠕动式软体管道机器人,根据其运动模式,该机器人主要可分为径向膨胀型机器人和弯曲型机器人。Connolly等[3]采用纤维增强软体执行器设计出一种分段蠕虫状软体管道爬行机器人;Calderón等[4]以收缩驱动器和伸长驱动器制作了软体管道机器人;Yamazaki等[5]研发了一种名为earthworm-type 25A的管道检测机器人;隋立明等[6]设计了一种可在管道中运行的软体爬行机器人;费燕琼等[7]利用弯曲驱动器和摩擦片设计了一种气压驱动多气囊软体机器人。这些蠕动式软体管道机器人大多存在对运行管道、管径尺寸要求严格,运动模式单一等不足。

试验拟采用六棱柱型驱动器和圆柱型驱动器设计一种具备两种运动模式的蠕动式软体管道机器人,利用有限元分析技术验证其变形是否满足机器人运动需求,并通过试验测试软体管道机器人在不同运动模式下的运动参数,旨在为后续软体管道机器人的研究提供理论依据。

1 硅胶力学理论模型分析

软体驱动器是以硅橡胶为材料,其力学性能通常用应变能密度函数表示和分析,用应力—应变关系表达超弹性材料的应变势能[8-9]。其中常用到应变势能模型有Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型和Ogden模型。由于硅橡胶是一种具有超弹性、能大变形、体积几乎不发生变化(即不可压缩)的非线性材料,具有大变形特点及非线性力学性质。因此,采用Yeoh模型对软体管道爬行机器人进行非线性力学分析[10]。

基于Yeoh模型,采用典型的二参数形式能量方程:

(1)

式中:

C1、C2——系数,C1=0.11,C2=0.02。

可得应力与弹性变形能的关系为:

(2)

化简得应力与主伸长比的关系式为:

(3)

2 蠕动式软体管道机器人设计

2.1 设计依据

借鉴蠕虫的运动方式,结合径向膨胀型软体管道机器人和轴向弯曲型软体管道机器人的运动特点,设计以六棱柱型驱动器和圆柱型驱动器为结构单元的蠕动式软体管道机器人。通过对六棱柱型驱动器6个基础矩形型腔分别通气,使六棱柱型驱动器产生径向膨胀变形或轴向弯曲变形,继而改变六棱柱型驱动器与管道间的摩擦力。再对圆柱型驱动器通放气使其产生母线方向的伸缩变形,并牵引与之前后端相连接的六棱柱型驱动器移动,对各驱动器周期性的充放气可实现机器人在管道中的蠕动运动。针对不同管径的管道,改变通气方式,使六棱柱型驱动器发生不同的形变,机器人可具备两种不同的管道运行方式。并且六棱柱型驱动器的各基础型腔对称分布,使机器人整体结构稳定,有助于加强机器人在管道中运动的稳定性。

2.2 结构设计

蠕动式软体管道机器人结构模型见图1,其结构由两个六棱柱型驱动器和一个圆柱型驱动器串联而成。

图1 管道机器人三维模型图

六棱柱型驱动器是由6个形状、尺寸相同的矩形型腔和1个空心正六棱形硅胶柱组成,采用硅胶粘接技术将各部分粘连起来。矩形型腔是由若干个气腔相连组成的褶皱形结构。圆柱型驱动器是采用两个相同的半圆形型腔粘连而成的类波纹管型结构。六棱柱型驱动器的硅胶柱采用空心结构,既可减轻机器人本体质量,节约成本,减少前进过程中阻力,又可增强驱动器弯曲能力,加快机器人在管道中的运行速度。蠕动式软体管道机器人的结构参数如表1所示。

表1 结构参数表

2.3 运动模式分析

基于六棱柱型驱动器通气后产生的两种形变状态,软体管道机器人在管道中可具备两种不同的运动模式,即径向膨胀式运动和轴向弯曲式运动。管道中采用径向膨胀式运动模式爬行的一个周期,机器人运行步态示意图如图2所示。通过中间圆柱型驱动器的充气伸长推动前端前进,然后通过圆柱型驱动器的放气收缩拖动后端前移。前后端六棱柱型驱动器对其6个基础型腔充气,使驱动器整体径向膨胀挤压管壁,改变其与管道间的摩擦力,使机器人前后产生摩擦力差,在管道中蠕动前行。采用此运动模式在管道中爬行时,机器人主要通过前后端驱动器膨胀挤压管壁产生足够的摩擦力以保持一端的固定。因此,管道的内径尺寸不能大于六棱柱型驱动器的径向膨胀尺寸。

当管道的管径大于六棱柱型驱动器的径向膨胀尺寸时,机器人可采用轴向弯曲式运动模式,机器人一个周期爬行的步骤示意图如图3所示。此运动模式下,机器人爬行推动力仍靠中间圆柱型驱动器的伸缩提供,再分别对前后端六棱柱型驱动器顶部两个相邻基础型腔充气,使驱动器整体产生轴向弯曲变形,减小驱动器底部与管道的接触面积,减小摩擦,实现机器人在管道中的蠕动运动。采用此运动模式在管道中爬行时,机器人前后端驱动器主要通过与管壁所接触的部分产生摩擦力保持固定。因此,在管道爬行过程中,需保证前后端驱动器至少有一个不通气。

机器人运动方向向右

3 仿真分析

3.1 六棱柱型驱动器

应用ANSYS Workbench仿真软件对各气动软体驱动器进行结构稳态分析,通过改变输入气压,使各气动软体驱动器获得相应的形变云图。其中,接触类型是根据实际情况,对各驱动装置接触面采用绑定接触,对各型腔膨胀壁采用摩擦接触,摩擦系数为0.4。网格划分是将数模分割成若干个规则的几何体,再基于非线性六面体单元,通过扫掠而生成网格。位移约束是根据各驱动器在蠕动式软体管道机器人中的实际运动需求进行设定的,在六棱柱型驱动器两端的端面设定为全约束,在圆柱型驱动器其中一端的端面设定为全约束。

由于软体管道爬行机器人具备两种运动模式,则六棱柱型驱动器能产生两种不同的变形状态,故需对这两种情况分别进行仿真分析。对机器人轴向弯曲式运动模式下的六棱柱型驱动器进行有限元分析时,使其两相邻矩形型腔充入相同压力的气体,驱动器产生轴向弯曲形变,如图4所示。

机器人运动方向向右

由图4可知,当驱动压力为50 kPa时,驱动器与管壁接触面积最小,六棱柱型驱动器的弯曲变形满足机器人弯曲式运动模式的需求。仿真过程发现,随着驱动压力的增加,驱动器弯曲变形程度继续增大,但其与管壁接触面积基本不变,故将50 kPa定为机器人采用轴向弯曲式运动模式时六棱柱型驱动器的驱动气压。

图4 六棱柱型驱动器弯曲变形仿真图

机器人径向膨胀式运动模式下的六棱柱型驱动器进行有限元分析时,对其驱动器6个矩形型腔同时充入相同压力的气体,其膨胀变形如图5所示。由图5可知,六棱柱型驱动器的径向膨胀变形能满足机器人径向膨胀式运动模式的需求。当驱动压力为0~100 kPa时,每间隔10 kPa对六棱柱型驱动器施加一个压力,得驱动压力与变形尺寸的关系图如图6所示。由图6可知,六棱柱型驱动器的径向膨胀变形随驱动气压的增加而增大。

图5 六棱柱型驱动器膨胀变形仿真图

图6 驱动压力与尺寸变形关系图

3.2 圆柱型驱动器

圆柱型驱动器进行有限元分析时,对其型腔内充入不同大小压力的气体,其形变如图7所示。随着通气压力的增大,圆柱型驱动器轴向形变增加,可以满足蠕动式软体管道机器人的伸缩运动要求。当驱动压力为0~20 kPa 时,每间隔2 kPa对圆柱型驱动器施加一个压力,得变形尺寸与驱动压力关系图如图8所示。由图8可知,圆柱型驱动器通气变形可分为3个阶段,坐标轴前段变化缓慢,中段开始极速提升,进入后段又开始减缓。

图7 圆柱型驱动器轴向变形仿真图

图8 驱动压力与伸长量关系图

4 试验与测试

4.1 控制系统

由图9可知,该控制系统包括气泵、减压阀、电磁换向阀、PLC可编程控制器和HMI人机交换界面。整个系统中,气泵提供驱动压力,调压阀调节整个回路中的压力,HMI对PLC发送指令,PLC控制各电磁换向阀的通断顺序,从而实现蠕动式软体管道机器人采用不同的运动模式在管道中运行。

4.2 软体管道机器人运动试验

根据六棱柱型驱动器和圆柱型驱动器的有限元分析及多次试验结果,机器人在管道中采用径向膨胀式运动时所运行管道内径范围为82~88 mm,试验选用内径为84 mm的透明管道作为试验管道,根据管道内径尺寸可将六棱柱型驱动器的驱动气压定为40 kPa,由于蠕动式管道机器人单次蠕动距离的大小是机器人的一个重要性能指标,故将圆柱型驱动器的驱动气压定为20 kPa,此时轴向形变达最大长度80 mm。图10~13给出了软件机器人运动试验数据。

由图10可知,机器人运行单周期时间为12 s。此运动模式下,软体管道爬行机器人一个周期的运动过程如图11所示,此时的移动距离为80 mm,平均运行速度为400 mm/min。

1. 气泵 2. 油雾分离器 3. 过滤器 4、6~8. 减压阀 5. 节流阀 9~13. 二位三通电磁换向阀 14. 蠕动式软体管道机器人样机 15. PLC 16. HMI 实线为气路 虚线为电路

图10 径向膨胀式运动各驱动器充放气时序图

图11 径向膨胀式运动

机器人在管道中采用轴向弯曲式运动时,选用内径为115 mm的透明管道,根据仿真结果将六棱柱型驱动器的驱动气压定为50 kPa,为了防止机器人在此模式运动时出现摩擦力不足,前后端驱动器反向移动的情况,经试验测试将圆柱型驱动器的驱动气压定为14 kPa。

由图12可知,机器人运行单周期时间为10 s。此运动模式下,机器人一个周期运动过程如图13所示,此时的移动距离为60 mm,平均运行速度为360 mm/min。

图12 轴向弯曲式运动各驱动器充放气时序图

图13 轴向弯曲式运动

5 结论

设计制作了一种蠕动式气动软体管道机器人,并对其进行了运动模式分析,表明该机器人具有结构简单,运动形式多样的特点。仿真分析表明六棱柱型驱动器和圆柱型驱动器的变形满足所设计管道机器人的运动需求;测试结果表明蠕动式软体管道机器人能采用不同运动模式在不同管径的管道中进行有效运动,并得出该软体管道机器人不同运动模式下的运行速度。后续可从以下几个方面进行改进:优化组成蠕动式软体管道机器人的软体驱动器,增强各气动软体驱动器的变形能力,加快机器人的运行速度;还可增强蠕动式软体管道机器人的智能性,深入研究机器人的智能控制系统。

猜你喜欢

棱柱软体驱动器
气动软体夹持器的结构设计及其制备工艺
气动网络多腔室弯曲软体驱动器结构优化
晶格型模块化软体机器人自重构序列
会捉苍蝇的高速软体机器人问世
The Evolution of Stone Tools
藏起驱动器号确保数据安全
理解棱柱概念,提高推理能力
软体机器人也有“七十二变”
空间大载荷石蜡驱动器研制
空间垂直关系错解剖析