（机械电子工程专业论文）水下磁吸附式轮履焊接机器人原理样机研究.pdf

ab s l r 即宜 abs tract t h e w h e e l . t r a c kedweld ing ro b o t i s a new-s t y l e indu s t ri alro b o t . i n this p a pe d ynami c ana l y se s o n the v irt u a 】 p r 0 to t y p e o f s uch ki ndo f ro b otare c o n d u ct e d a n d the s pec i fieds e a 们 n 侧 t r a c k i n gperformanc e sare c a r r 1 e do utb ase do nthe c o l l abo rative s l mu l at i onte c hoo l o gy. amec h a n i c ald e s i gn s c h e 们 口 e fo r the u n d e rwa t e r r o bot i s p re s e nt e d b as edonthe s l n l u l ati o n s andt h e s e a 】 o f r o be1 s h a ft s ands 1 i d e r a r eals od i s c uss e d . in面s p a per，t h edi s t ri b ut i o no f m a g n e t icfi e l d s arou n dt h em a g n e t i cu ni t i s s t u d l e db yf e mm e 山 o dt h e m a g i1 e t i c a tt r a c t i o nfo rc e s b e t w e enthe m a g n et i c uni t 阴d the werkp ie c e s w h e n the ro b o t i s m o v ing are ana l y z e d in0 r d e r togi veu s e fu l desi gnguid elines fo r t h e vi rtualp rot。 钾 p e 厂 伪e m a g n ctic fi el dsarou n d the m a g n e l ic u n i t i nl h ea i r a n dwa l e r a 丁 eb o th c alc ulate da n dr n e a s l l r e d . t l l efi e l dd i s l ri b u t l o ns a r e c o mpared ， w h i c h初l l al so g i v eu s e fu l i n fo rmat i o no nt h ed e s i gn o f 1 n a gj 1 e t ic a tt r a c 石 n g u n d e r 胃 a t e r v e h i c l e s y stem s . t h e v in u a l p r o 1 0 1 y p e o f ro b o t i s bui lt up. f i r s t l y，the g cometric model i s b 位 it by a3 一 dmod e l i n gsoft w a r ep ro /e. t h e 残s o m es i m p 1 ec o n s t r a 1 ns bet w e e nt h eri gi d bod ie s o f p r o t o t y p e are defi neda n dth e model i s s h a r e d 诚tha d a m s by i n 记 ri 触 c e m o dulem e c h a n l s n 岁 p ro ，so m eso p hi st i c ate c o n s t r a i nts 翻ac c o 帅l i sh e d in a d ams mew ail ast， the p r ot o ty p e i s vall d at e d 勿a p p l y i n g c e rt a i n moti ononthe l e ft 阴d ri ght driv i ngwhe e l s . a ft e r t h at ， the m achi n e ryel ec t r o nc o n t r o 1 s i m l l 1 atio ns are peifon n e don the v i rt tla l p r o to l y pe. 丁 五 e di agrain desc ribi ngm ec h anic alb e h a v 1 ors c anbeexport e d from a d a m s tothe m a t 1 ab/si muh nk to ol box where the sys t e mcon t r o 1 flowch 别 rtofthe m bot i s b ul l t . t 七 e s t r a l g hta n d b i ass e am 打 a c k ing b y c o n t r o 1 l in g t h e t w 0 b ac k whe e l s 助dt h es l i d e rare re al i zedby ap i dc o n t r o l le r.t h e re fo r e ， t h ep r a c t l c alc o n t r o l ai gori l h mo f the r o b o t p ro to 加e c anbebuiit 即b as e d onthe ab ove m e n t i o n edd es i gn s c heme . s o r 口 ee x pen m e n t sare conduct e dtoana 1 yzet h eki n e t i cc h ar a c t e ri st ic so f a p h y s ic sro bot . f r o mthe c o m p ariso ns be1 w e en the e x peri m e ni a l re su lts a n dthe si m u lationre su l ts ， it iss h o wn t h a t the ai m u l atio nso n the v l rt u a l p r o t o t y pep r e s e n l e d in面s p a per are re li abl。 朋d i n s t ru c ti veaswell. k e y w o rd， : vi ri l la 】 p r o t o t 抓 ” ; w h e e l . t r a c k e d weld in g ro bet ; magne t i c 爪ld s a n a l vsi d y n ami c a n a l y s i s ; m即hi n e rye l e c tron c o n t r o l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明 所呈交的 学位论文是本 人在导 师指导下进行的研究工作 及取得的 研究成果。据我所知， 除了 文中 特别加以标注和致谢的 地方外， 论文中 不包含 其 他 人已 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 适达，生或 其 他 教 育 机构的学 位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同 志对本 研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 写 ): 喻线 签 字 日 期 :钟 年 “ 习 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解一鱼遏生遭一有 关 保 留 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有 权 保留 并向 国 家 有 关 部门 或 机构 送交 论 文 的 复印 件 和 磁 盘， 允 许 论 文 被 查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的 全部或 部分内容编入 有关 数据库 进行检索， 可以 采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): 喻残 签 字 日 期 : 呵 年 月 砧日 导 师 签 名 (手 写 :张 字 签 字 日 期 : “ 07年月 “ 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址: 电话: 邮编: 第一章 绪论 第一章 绪论 l l课题的背景及意义 机器人是现代高新科技发展的产物，综合了 计算机科学、控制论、机构学、 信息科学 和传感器 技术等多 个学科最新的 研究发展成果11 。 作为一 种代 替劳动者 完成繁重危险工作的自 动化设备，机器人被广泛地应用于汽车、 机械、电子和 建筑等行业。随着生产力水平和科学技术的日 益进步，机器人在工业生产中的 应用越来越广泛。 机器人正向着高速、高精度、 轻质、重载、高可靠性、高灵 活性等方向发展。 水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主 操作 方式、 使用机 械手或其他 工具代替或辅助人去完 成水 下作 业任务的 装置12 。 近年来，随着海洋结构物建设的增多，其水下有关设施的组装、维修，对 水下焊接技术提出了更高的要求。从目 前的实际应用情况来看，水下焊接工作 主要是由潜水焊工完成。虽然有些干法水下焊接压力舱装备了自 动焊接设备， 但是其有关设备的安装及在线实时监视、维护仍需要潜水员。这使得水下焊接 工作受到一定的限制。首先，水下焊接材料及潜水焊工技术水平高低直接影响 到水下焊接接头的质量;其次，对于深水焊接，潜水焊工不但要携带昂贵的氧 气，而且潜水焊工在深水实际工作时间受到生理条件限制;此外还存在 6 50 m 饱和潜水深度的极限。超过这个深度潜水焊工难以进行水下焊接工作。为保证 水下焊接质量、 减低生产成本、 提高生产效率以 及突破水下焊接的 水深限 制等， 很有必要开发水下焊接机器人13 。 机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机 器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一 项综合性的 有实用价值的 研究课题14 。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品 设计，在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试 验甚至是破坏性的，当通过试验发现缺陷时，需要回头修改设计并再用样机验 证。只有通过周而复始的设计一试验一设计过程，产品才能达到要求的性能， 第一章 绪论 这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈 对市场的灵活反应了;同时样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工 程师为了 保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不 足。在竞争的市场背景下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品质 量的 提高 、 成 本的 降 低 和 对 市 场的占 有 151 。 虚 拟 样 机 技 术 ( 巧 n 旧 l p r o t o t y p ing) 是当 前设 计 制 造领 域的 一门 新兴 技 术。 它 以并行工程思想为指导， 以c a x/d f x技术为基础， 以协同仿真技术为核心的先 进的数字化设计方法161 。 该技术在计算机上通过c a d / c a h f c a e等技术将产品 信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境，在产品设计开发过程中，将分散的 零部件设计和分析技术 ( 指在某一系统中零部件的c a d和f e a技术) 揉合在 一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种 工况进行仿真分析， 预测产品的整机性能， 进而改 进产品设计、 提高 产品 性能飞 在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。 机器人仿真是机器人研究中的重要环节，可应用于机器人运动学、动力学 分析、 轨迹和 路 径规划、 机 器人与工作 环境的 相 互 作用、 离线编 程等方 面181 。 随 着目 前虚拟制造及数字化制造等先进制造技术的发展， 机器人仿真也成为围绕 产品生命周期的整个数字化设计、验证及制造环境的重要组成部分。研究与开 发机器人虚拟样机系统， 可以 在虚拟环境中完成以 上方面的研究工作，为机器人 研究及先进制造技术的发展提供新的手段。因此，建立机器人虚拟样机系统具 有重要的意义。 在机器人的研制、设计和试验过程中，理想的仿真应满足:建模简单快速、 模型逼真、三维动画、参数的调整、能和控制系统相结合，使得机械系统和控 制系统一统仿真，实现虚拟样机。 目前，随着软件技术的发展，商业化的三维造型软件如 p r o /e、u g及 solidw b rks 等已 可以顺利在微机平台上正常运行而无需专业的图形工作站， 这些 软件都可以 建立高逼真度的机器虚拟样机几何模型， 同时 又具有 ige s 、s t e p 、 p arasoll d等多种几何数据转换格式来提供机器人虚拟样机设计与测试过程中需 要的 几 何数据 ， 成为 机器人虚 拟样机几何建模开 发的 有力 工 具。 a d a m s 、 e n v i si on 等是商业虚拟样机开发工具， 软件可建立简单的几何模型或从外部c a d软件导 入已建立完毕的机器人几何模型，系统提供运动学、 动力学等方面的仿真功能， 建立机器人虚拟样机设计与优化环境，并具有完善的仿真结果数据处理能力。 第一章 绪论 软件可 使设计者从繁 琐的 机器人动态建模过程中 解脱出 来， 将更多 精力用于样 机的虚拟设计与验证过程。 本课题研究的是水下磁吸附式轮履壁面爬行机器人。针对水下作业的特殊 环境， 进行水下机器人的原理样机的机构设计。 使用有限 元分析软件a n s y s 模 拟磁块单元周围的磁场分布，借助p ro /e作为机器人虚拟样机的几何建模工具， 采用a d a m s 作为机器人虚拟样机的系统仿真软件，建立机器人虚拟样机模型， 进行运动学和动力学仿真分析，并且在 matlab/s i m u l i nk 下实现虚拟样机模型的 机电联合控制仿真。 本课题是国 家自 然科学 基金“ 爬行式智能弧 焊机器 人的 研究， ( n 0 5 0 0 7 5 o 3 7) 的后续研究，同时也得到了江西省科技厅重点攻关项目 “ 水下焊接机器人系统研 究与开发” 的资助。 1 .2 国内外壁面爬行机器人发展概述 l 2. 1壁面爬行机器人技术 爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，它作为高空极限作业 的一 种自 动 机械装置， 越来 越受到人 们的 重视。 概括 起来，其主要用于 19-12: ( 1)核工业: 对核废液 储罐 进行视觉检查、 测厚及 焊缝探伤等; (2 ) 石化企业: 对圆 柱形大罐或球形罐的内 外壁面进行检查或喷砂除 锈、 喷 漆防腐; ( 3)建 筑行业: 喷 涂巨 型墙面、 安装瓷 砖、 壁面清 洗、 擦玻璃等: (4 ) 消防部门: 用于传递救援物资 ， 进行救援工作: (5 ) 造船业: 用于喷涂船体的内、 外壁等。 1 978年，日 本化工机械技术服务株氏会社研制开发了两种壁面移动机器人 一p c型核电站壁面除污机器人和p d型核电站壁面除污机器人，这两种机器人 均为单吸盘结构。由 于单吸盘结构对壁面的适应性比 较差， 所以在单吸盘的基 础上，多吸盘结构得到了发展。自80年代以来爬壁机器人的研究在国内外取得 了迅速突飞猛进的发展， 有的已进入实用阶段。 至92年底国外已 有n台不同类 型的爬壁机器人研制成功，其中以日本最为突出。真空吸附式的机器人有以下: 1988年， 日 本三菱化工研究所研制的真空吸附壁面行走机构 v a c s ; 1911年， 第一章 绪论 东京大学的广獭茂男等人研制的n i n j a 一1 ” 型四足壁面步行机器人，此后又进 一步开发出，ninj a 一n ” 型机器人。1922 年，日 本机械技术研究所的池田喜一 等人研制出 ( ms 一w)自 立型步行爬壁机器人。此外俄罗斯彼得堡国立技术大 学也成功研制出负压吸爬壁机器人;英国南岸大学于1 944 年研制出多足多吸盘 气 动 型 爬壁 机器 人。 近年 来， 英国 又 开 发了 ，rob ugm ” 型 爬 壁 机 器人。 真空吸 附 爬壁机器人具有不受壁面材料限制的优点，但当壁面凹凸适应性强，存在真空 吸附漏气的问题， 因 而当 壁面是导磁材料时优先选用磁吸附 爬壁机器人。 如1984 年日本日立制作所的内藤绅司、佐藤主税等人研制出脚式磁吸附爬壁机器人; 9 0 年代初， 英国的r t d公司推出了轮式磁吸附爬壁机器人 ( b ee t l e)。日前，日 本三菱重工业公司正在推选出一种磁式爬壁喷涂机器人，它也是一种轮式结构。 在国内 ， 哈尔滨工业大学机器人研究所特种机器人研究室从 1988 年开始在 国家“ 8 6 3 ， 高技术的支持下，率先从事爬壁机器人的研究。 此后上海交通大学、 清华大学机械系和北京航空航天大学等多家单位也相继开展了这一领域的研究 工作，目 前取得了阶段性成果。哈尔滨工业大学研究所已先后开发出以下两个 系列 5个品种的爬壁机器人，用于壁面清洗、遥控检查、金属罐防腐、水冷壁 清扫、除渣、测厚等;上海交通大学开发了测量油罐容积的履带式磁吸附爬壁 机器人;上海大学研制了高层建筑清洗玻璃壁面的爬壁机器人，采用框架式步 行移动机构，真空吸附;北京航空航天大学机器人研究所目前研制开发了一种 新型擦窗机器人。 l 2. 2爬壁机器人的分类及 特点113 一 151 爬壁机器人主要按吸附和移动机能来进行分类的。 1 . 按照吸附机能分类，爬壁机器人可以分为:真空吸附、磁吸附和推力吸 附三类。 真空吸附法通常是通过真空发生装置，使吸盘内腔产生负压，机器人利用 吸盘内外的压力差帖附在壁面上。真空吸附法由于不受壁面材质的限制，适用 范围广，但当壁面凹凸不平时吸盘容易漏气，从而吸附力下降，承载能力降低。 磁吸附法要求壁面必须是导磁材料，但他结构简单，吸附力大，对壁面的 凹凸适应性强，不存在真空吸附法的漏气问题，因此当壁面材料导磁时，使用 磁吸附式爬壁机器人有它突出的优点。磁吸附法分成永磁体和电磁体两种产生 第一章 绪论 磁力的方式。 推力吸附借鉴了航空技术，使用螺旋桨或涵道风扇产生合适的推力，使机 器人稳定、可靠的帖附在壁面上，并在壁面上移动。这种吸附方式具有壁面适 应性好，越障容易等优点，但控制系统复杂。这种吸附方式的典型代表是日本 西亮教授1 990 年推出的一种推进型壁面机器人。 三种吸附方式具体比较如表1 一 1 所示。 表1 一 1 爬壁机器人三种吸附方式的比 较 吸附方式优点缺点 真空吸附 单吸盘 结构简单， 允许有一定程度的 泄漏 吸盘无冗余性，一旦断电 本体将丧失 吸附能力 多吸盘 吸盘尺寸小， 密封性好， 断电 时有一定的冗余度 壁面如有凹凸或裂缝，则将会有真空 泄漏 磁力吸附 永磁式 维持吸附力不需要耗电能， 安 全可靠 步行时磁体与壁面离合需很大的力 电磁式磁体与壁面的离合容易 维持吸附能力需要耗电能，电 磁体本 身重量很重 推力吸附 无泄漏问 题， 对壁面形状、 材质适应性 强，越障容易 控制复杂、噪声大、体积大、效率低 2 . 按照移动方式分类，爬壁机器人可分为轮式、履带式、脚足式。 三种移动方式的具体比较如表 1 一所示。 表1 一爬壁机器人三种移动方式的比 较 .标 动 方 式!车 轮 式履 帝 天一 刁 一 一 一 不 面 反 配置多个车轮，每个 车轮由电机驱动，带 动机器人移动 由电机驱动两个无轨道 履带，推动机器人 由多个脚的反复吸附、 脱落 移动机器人 简单， 着地面积小， 维持一定的摩擦力较 困难， 越障能力差 着地面积大，承载能力 大， 移动速度快， 壁面适 应能力强，结构复杂， 转 弯困难，履带磨损大 移动是间歇的， 速度慢， 结 构复杂;壁面适应能力好， 越障能力强，承载能力大 要-点 概-特 1 .3虚拟样机技术 传统的工业皆 依据个人的经验累计而成， 同时以经验作出 初步的设计， 再由 此初步的设计去做出原始模型，再做出成品。成品完成以后，便进行试验以确 第一章 绪论 保产品的 可 靠性， 而此 种方 法基本上称为 试凑 法( 1 r y an d e rror ) ， 即 初级成品 经 测试不能满足工程或品质上的需求时，再回去修改原设计图，再做试品然后再 做测 试 116 ! 。 显然， 这 种方法费时 且 成 本相当的高。 l 3. 1产品设计数字化的发展历程161 产品设计， 特别是创新设计， 是影响企业竞争力的重要因素， 它更是目 前制 约我国制造业发展的关键点。为实现我国制造业的腾飞，必须大力推进产品设 计数字化。产品设计数字化的发展，大致可以分为以下3 个阶段: 第一阶段是 广泛使 用计 算机辅 助 工具， 如: c a d 、 c app 、 c a e 等， 简 称c a x 阶段。 第二阶段是在大量使用c a x 的基础上，推广应用d f x( 如:d f m 一面向制 造的设计、d f a 一面向装配的设计、d f c 一面向成本的设计等) ，并以p d m ( 产 品数据管理)为集成平台，将这些应用系统集成为一个整体，同时，对产品设 计过程及组织形式加以改进，以便在设计早期尽可能做出正确决策。这个阶段 也称为并行工作阶段。 第三阶段是在并行工程的基础上大量使用仿真手段， 包括构造产品的数字化 模型以代替物理样机，并对这些数字化模型进行各种试验，特别是协同仿真试 验，以便改进设计质量，缩短设计周期，减少开发成本。这就是所谓的虚拟样 机阶段。 l 1 2虚拟样机技术概述 1 . 3. 2 . 1虚拟样机 虚拟样机 ( 特别是复杂产品的虚拟样机) 是一个复杂的系统，主要表现在 组成关系复杂、与外界环境的交互关系复杂、开发过程复杂、涉及的仿真类型 和学科领域众多、应用范围广泛等。 虚拟样机的定义有很多，目 前还没有一个统一的定义。美国国防部 ( d o d ) 对虚拟原型的定义是:“ 对原型产品或系统具有一定真实功能并可与物理原型相 媲美的计算机仿真模型，o 八 卫 t o ni n o g o 刃 n e s 等人认为， 对于虚拟样机主要有两种理解: 从计算机图形学 的角度和从生产制造的角度。前者即虚拟样机 ( v p )，后者则指数字化模型 第一章 绪论 1 .4工业机器人与虚拟样机系统 l 4. 1机器人数字化虚拟样机系统 机器人虚拟样机系统将机器人研究与虚拟样机技术相结合，针对于机器人 设计和制造过程中的运动学、动力学分析、轨迹和路径规划、机器人与工作环 境的相互作用等技术内容进行研究与系统开发，在虚拟环境中完成机器人的设 计、分析及虚拟生产过程的实现。 l 4. 2机器人虚拟样机系统的功能特点 机器人虚拟样机系统的核心功能是提供用于在计算机上进行机器人设计与 开发的虚拟环境，具有以下功能特点: ( 1 ) 机器人虚拟样机系统可视化 建立可视化环境是虚拟样机系统的基础工作，而c a d 几何建模是核心。 ( 2) 机器人工作过程预先演示 根据机器人操作机本体构成，包括个部分的几何结构与参数、关节数量、 类型等因素，通过又 明 运 动方程的正向 和逆向求解，仿真实现机器人的运动分析。 同时在运动分析过程中还可以实现对机器人的运动空间分析、工作轨迹规划、 碰撞、千涉校验等进行仿真研究。 ( 3 ) 机器人虚拟样机动力学分析 通过在虚拟样机系统中加入物理信息，如操作机材料种类、质量、转动惯 量、关节摩擦等物理信息，进行动力学分析。在动力学分析过程中，可仿真机 器人操作机实际工作情况对虚拟样机预加载荷或者施加重力作用，从而分析样 机在各种工况下各部分的受力情况， 研究重点环节和优化系统结构。 ( 4 ) 机器人控制系统仿真 机器人虚拟样机可提供控制系统仿真环境，对控制系统进行测试，在这一 方面虚拟样机比物理样机具有明显优势，各种控制方法可直接作用于物理样机， 高效省时，无需担心错误的控制方法造成样机的损坏。 第一章 绪论 l 4. 3机器人虚拟样机系统实现的技术手段 1 .4 .3 1采用高水平的几何建模工具 ( 1 ) p r o len gl n e e r 1 985 年，p t c 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1 9 88 年，v i o 的p r o /e n g ineer 诞生了。经过1 0 余年的发展，p r o /en g ine e r 己经成 为三维建模软件的领头羊。它是一套由 设计至生产的机械自 动化软件，是新一 代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一 数据库功能 l 7j 。 其共 有六大 模块: 工业设计(ca id) 模块、 机械设计(c a d ) 模块、 功能 仿 真 (c a e) 模块、 制造(ca m ) 模 块、 数 据管理 ( pd叫模块、 数据交换 ( geo n l e t ry t r a n s l ator) 模块。 ( 2 )s o l l d wo r k s soli d w o r k s 具 有基于 特征、 参数化、 实体造型等特点 11 8 . 自 19 95年问 世以 来， 以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率。 soll d w o krs 可充分发挥用三维工具进行产品开发的威力，它提供从现有二维数 据建立三维模型的强大转换工具。并且能够直接读取d wg 格式的文件，在人工 干预下， 将 a u t 0 c a d的图形转换成s olid w o rks三维实体模型。 另一方面， s ol i d w o r k s软件对于熟悉windows 的用户特别易 懂易用， 它的开放性体现在符合 win d o w s 标准的应用软件，可以集成到s ol i d w o rks软件中，从而为用户提供一体 化的解决方案。s olid work s 软件的最新版本在设计创新、 使用方便性和提高整体 性能等方面都得到了显著的加强，包括增强了大装配处理能力、复杂曲面造型 能力，以及专门为中国市场的需要而进一步增强的中国国标 ( g b )内 容等。 1 .4. 3 .2机器人虚拟样机系统的开发工具 ( 1 )ad 别 m s 美国 m d i ( m ec h a n l c al d y n amic s lnc.) 公司开 发的 a d a m s (autom a t i c d y n amic a n a l y sisofm ec h a n i c als y stem ) 软件， 是 世界 上最具 权威性的， 使用范围 最广的 机械 系统 动力学分析软 件1191. 用户使用 a d a m s 软件， 可以自 动生成包括 机、电、液一体化在内的、 任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型， 能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、 试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达 到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于 第一章 绪论 ada m s 具 有 通 用、 精确的 仿 真 功能， 方 便、 友 好的 用 卢 界 面 和强 大的 图 形 动 画 显示能力，所以该软件己 在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 (2 ) d a d s d a d s ( d y n 田 m i c a n a ly s i s a n d d e s i gns ” 把 m ) 软 件是由c a d s l 公司推出 的 多体系统分析与设计软件， 它可以 对多体系统的 运动学、静力学、动力学、 逆 动力学等问 题进行建模和仿真。 d a d s的基本模块包括建模 ( m edel )、分析 ( a n a l ys is)、 动画 ( animat i on)、图 表 ( g 花 p h ) 等。 利用建模 模块可以 创建 刚体的 几 何模型，定义它的几何特性以及对刚体施加约束和力 ( 矩)等。分析模块将根 据建立的模型和给出的分析类型自 行建立模型的运动方程组，并进行求解。动 画模块提供了直观的仿真效果，分析结果均可在动画演示中查看。图表模块是 d a d s的仿真数据后处理模块。把仿真结果绘成图表可以 更深入的了 解系统的 整个运动行为 和特征2 0 。 1 .4. 3 .3a d a m s 与其它软件联合仿真实现虚拟样机技术 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学 分析时，还需要融合其它相关技术。为了能够充分发挥不同分析软件的特长， 有时可能 希望虚拟样机软件可以支持其它机械系统计算机辅助工程( m c s e) 软 件，或者反过来，虚拟样机的输人数据可以由其它的专用软件产生121 1 。图1 .3 给 出了虚拟样机技术的相关技术。 图1 3虚拟样机及其相关技术 a d a ms 软件包括很多模块， 其中a d a ms /sol v e r 是a d a ms 强大的数学分析 器， 可以自 动求解机械系统的运动方程; a d a ms iv i ew可以 完成几何建模、 模型 分析以及驱动元件的建模: a d a m s 用 l ex可以进行结构分析，a d a m s /c。 川 r o l s 可以 进行控制系统的设计;同时 a d a m s 还能进行最优化设计。 运用a d a m s 软 件可以非常方便的进行虚拟样机分析和设计. a d a ms 的功能虽然强大， 但是它 第一章 绪论 主要是进行机械系 统的 静力学、 运动学和动力学分析122 刃 1 ， 相对而言其它方面 功能较弱. 如在几何建模、结构分析和控制系统设计方面a d a ms 就不如那些专 门进行这些方面分析和设计的软件。如何提高虚拟样机设计的效率，如何得到 最精确的分析结果?a d a m s 跟其它软件联合仿真就能达到这种要求。目 前， a d a m s 与 s ul i d w ork、 a n s y s 、 m a t l a b 等软 件的 联合仿 真， 较好的 应用于机 器人运动学和动力学分析中。 1 .5本研究课题的主要内容 机械系统的种类繁多，虚拟样机分析软件在进行机械系统运动学和动力学 分析时， 还需要融合其它相关技术。 随着c a d /ca e / c f d /vp t / s c软件本身的不 断完善，它们还可以和其它的软件实现数据共享和集成，更好的解决综合性越 来越强的 科学研究和工程技术问 题。本课题引 进虚拟样机这一新的设计理念， 在机器人的研发过程中，建立起轮履式机器人的虚拟样机模型。采用不同的软 件协同工作，充分发挥各种软件的优点，对机器人虚拟样机模型进行动力学仿 真分析和联合控制仿真，实现了虚拟样机模型对特定的焊缝进行跟踪，具体研 究内容如下: 1 . 提出水下焊接机器人的机构设计方案，并进行原理样机的设计; 2 . 针对磁吸附式水下机器人本体的吸附问题，采用有 a n s y s软件对永磁 体磁块单元进行了 磁场模拟，理论和实验相结合，分析比较空气和水两种介质 中磁块单元周围的磁场分布和磁力特性; 3 . 建立轮履式机器人的三维几何模型，完成机器人的零部件数字化模型的 装配; 4 . 建立链传动系统的虚拟样机，完成轮履式机器人虚拟样机模型的构建， 实现样机的动力学仿真; 5 . 采用a d a m s 和m a t l a b软件对虚拟样机进行机电 联合控制仿真， 设 计控制算法，实现机器人对特定焊缝曲线的跟踪。 第二章 水下机器人的方案设计及密封技术 第二章 水下机器人的方案设计及密封技术 2. 1水下机器人的结构设计 设计的机器人是用于水下大型结构件焊接的工业机器人。机器人要能够在 壁面上自 由 移动并且进行作业，必须具备三种机能，即:吸附机能、移动机能 和作业机能12 4 。 在焊缝跟踪的执行机构中，灵活性和稳定性是首要考虑的问 题 125 1 。 根据需要 ， 焊 接机器 人机构包括: 机器人本体、 十字 滑块、 焊枪。 2. l i机器人本体机构的设计 2 . 1 . 1 . 1水下机器人的吸附机构选择 爬壁式机器人的吸附方式有三种:真空吸附，磁吸附和推力吸附。 真空吸附分为单吸附和多吸附两种。单吸附允许有一定程度的泄露面积， 允许壁面有凹凸，但是一旦泄露超过极限，本体将丧失吸附能力。多吸盘的优 点是吸盘尺寸小，易实现轻量化，缺点是当壁面有凹凸 或裂缝时， 将会有泄露。 在深水高压的环境下，吸盘产生的吸附力大但移动可能比较困难。 磁吸附中的永磁体吸附方式优点是维持吸附力不需要外加能量， 安全性好， 但对于步行机器人步行时磁体与壁面分离需要很大的力;而用电磁体的吸附方 式其好处是很容易实现磁体与壁面的分离，给机器人的快速移动提供了条件， 这种方式的缺点是维持吸附力需要电能，并且电 磁铁的本身重量也不轻。 由于诸如船体、大型石油管道等水下结构件的表面是导磁性材料，其上附 着海生物，表面凹凸不平。为了提高吸附力，选用磁吸附法。和永磁体吸附方 式相比，电磁铁实现吸附功能要受到电源通断电的限制，这将增加机器人结构 的复杂程度和密封的难度。目 前，国内外对永磁吸附式壁面爬行机器人的研究 取得许多成果， 水下磁吸附实验和软件仿真结果表明， 水介质中永磁吸附可靠。 综上考虑我们选用永磁铁吸附方式。 2 . 1 . 1 2水下机器人的移动机构的选择 目 前机器人可选的移动方式有三种。即车轮式，履带式，步行式。 第二章 水下机器人的 方案设计及密封技术 车轮式移动的原理是给机器人配置多个轮子由电机独立驱动每一个轮子。 其优点是移动速度快，转弯容易.但是由于其着地面积小，所以维持一定的吸 附力较困难. 履带式移动方式的原理是有电机驱动两个无轨道履带，使其前进或后退。 它的特点是着地面积大易产生较大的吸附力，对壁面的适应力强。其不足是体 积大不易实现转弯。 步行式移动是靠多个脚或框架的反复吸附与脱落进行移动，这种方式虽然 承重能力好但是其最大的不足就是移动困难行走速度慢。 经过分析和比较，我们选择了双履带式。其好处是与轮式相比，虽然结构 上比较复杂，但其接触面大、 重心低、稳定、可增加负重且便于携带作业工具。 将永磁体块镶在链条上形成磁性履带，通过合理的设计履带结构，可以使履带 负重的大小与其上所镶嵌的磁块数量近似成正比，这样可保证在增加吸附力的 同时，又可灵活地适应大型结构件的表面。 我们采用双驱动方式，它同单驱动方式相比具有控制灵活，转弯简单的优 点。 机器人不必配备转弯装置。 所以，水下爬壁机器人选用了永磁铁吸附的双履带驱动方式。 水下爬壁机器人结构图如图2 . 1 。 图2 . 1水下焊接机器人原理样机轴侧图 第二章 水下机器人的方案设计及密封技术 2. l 2机器人微调机构的选择 在焊接中，要求焊接机器人的焊炬必须精确地沿焊缝以恒定的焊接速度 焊接，而轮履式机器人本体难以实现实时、准确的运动轨迹控制。因而，在进 行机器人的结构设计时，一般不采用焊炬与机器人本体相固接的运动机构。为 此，必须设计合理的机器人运动机构，使得在机器人本体运动的基础上能够实 现焊炬位置的精确控制，我们采用了在移动机器人本体上加装快速反应十字滑 块， 焊炬与十字滑块固接的方法，让机器人本体在一定的误差范围内粗略跟踪 焊缝， 十 字滑块实时准确的 跟踪焊缝12 司 . 十字 滑快分为 上下方向 和左右方向 两 部分。 十字滑块是用来传递运动的， 在比 较各种传动方式的 基础上， 采用滚动丝杠 传动， 它具有以 下特点: 1) 传动效率高 滚珠丝杆副的传动效率高达 85% 一 95%，为传动滑动丝杆副的2 一 4倍，能以 小的扭矩得到大的推力，亦可由直线运动转换为旋转运动 ( 运动可逆) . 2 )运动平稳 滚珠丝杆副为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无 颤动、低速时无爬行，可精密地控制微量进给。 3 )高精度 滚珠丝杆副运动中升温较小， 并 可预紧消除轴向间隙和对丝杆进行 预拉伸以补偿热伸长， 因此可以获得 较高的定位精度和重复定位精度。 4 )高耐用性 钢 球 滚 动接 触 处均 经 硬 化 ( h rc58一 63)处理，并经精密磨削， 具有较高抗疲劳性，滚动摩擦耗极 微， 具有较高的使用寿命和精度保持 性。 5 )同步性好 由于运动平稳、反应灵敏、 无阻 图2. 2 十字滑块的设计 第二章 水下机器人的方案设计及密封技术 滞、 无滑移，用 几套 相同 的滚珠丝杆副同 时传动几个相同的 部件或装置， 可以 获得较好的同步运动。 6 )高可靠性 与其它传动机械、液压传动相比，滚珠丝杆副故障率较低，维修保养也极 其简单，只需进行一般的润滑和防尘，在特殊场合可在无润滑状态下进行。 电机与滑块工作面采用折叠设计，这样缩短了滑块的长度，它们之间的连 接采用了同步带连接。同步带传动是国际上发展较快的技术，它兼有带传动链 传动和齿轮传动三者的优点，与普通的带传动相比，它具有传动准确、无滑差、 可获得恒定速比的特点;与齿轮传动相比，它具有噪声小、结构紧凑、传动比 范围大、传动中心距范围大、不需要润滑等优点。可在相当广泛的范围内代替 带传动、链传动和齿 轮传动12 刀 。 2. 2水下机器人的密封设计 2. 2. 1水下机器人的密封技术 为了保证水下机器人能够正常工作，必须确保电机和轴承不被海水侵入。 因此，研究水下机器人的密封技术具有重要意义。能阻止泄露的方法被称为密 封，其原理是采用某种特制的机构以切断泄露通道的方法，以达到阻止泄露的 目的。密封技术分静密封和动密封。 静密封是指人们经常使用的密封材料，密封元件与相应的密封结构相结合， 在生产系统处于安装、检修、停产状态下建立起来的封闭体系。静密封是在静 止的条件下实现的。 静密封可以 分为:强制性密封 ( 如石棉橡胶板);非接触式密封 ( 如迷宫 密封);接触式密封 ( 如0形圈)。 动密封技术的 提出是由 于机器人在运动的状态下会产生摩擦、磨损等现象， 同时又有温度、海水的腐蚀性和水压力等一系列问题，机器人的密封除了满足 静止 状态条件外， 还要满足运动 状态条 件125。 理想的 动密封有以 下 几点 要求: ( 1) 能防止压力超过范围内的泄露; ( 2 ) 密封系统必须使用寿命长、维修少; (3) 在工作温度和压力下与液体相适应; 第二章 水下机器人的方案设 计及密封技术 ( 4 ) 密封可靠，易拆易装， 便于更换: ( 5 ) 价格便宜，经济效益高。 2. 2. 2水下机器人的密封设计 水下机器人研制的关键问题之一是轴的密封，即轴伸出壳体处的密封。研 究表明: 水下机器人由于密封问 题发生的故障比由 于电 子器件等问 题而发生的 故 障高 【29。 水下 机器人的 密封分为 静密 封和动密 封两 种， 静密封相对来说容易 解决，动密封的问题比较难解决，轴在旋转时，由于轴和机壳间存在间隙，就 会产生泄露， 而 且介质压力 越高、 轴的 转速 越高， 越容易 产生泄露 130。 机器人 的具体结构可以参照第四章图4 . 1 。 2. 2. 2 1 水下机器人的静密封 机器人本体有两处需要进行静密封:机器人本体上下盖之间的静密封，机 器人电缆等引出线口密封。 1 . 机器人本体上、下盖之间的密封 上下盖之间的密封采用天然橡胶密封垫片，天然橡胶密封能适应海水介质 下的密封，工作压力3 00m p a ， 工作温度一 60一 100o c， 满足要求。 2 . 机器人系统的电缆等缆线接头的密封 缆线接头的密封采用上海佐仁电 工器材有限公司生产的 h s k-ino x密封 件，该密封件和箱体的密封采用 0型圈， 和缆线管接头的密封采用丁睛塑料密 封; 使用温度在 礴0 一 1 o oo co 锁紧螺母 夹紧 件 。 型密封圈 接口 螺纹 图2 . 3绩线接头的密封原理示意图 第三章 磁块单元的磁场有限元分析和实验研究 第三章 磁块单元的磁场有限元分析和实验研究 3 . 1引言 目 前，随着海洋结构物建设的增多，其水下有关设施的组装、维修， 对水 下焊接技术提出了更高的要求。为保证水下焊接质量、减低生产成本、提高生 产效率以 及突破水下 焊接的水深限 制等， 很有必要开发水下焊接机器人 131 1 。 而 为水下机器人设计一种合适的结构是机器人设计过程一个关键的问题。磁吸附 式爬壁机器人是爬壁机器人的一种，具有结构简单、吸附力大、对壁面的凹凸 适应性强等特点，当壁面材料为导磁材料时，使用磁吸附式爬壁机器人有它突 出 的 优点 1321。 在 研 发 水 下 机器人时， 选择磁吸 附 式的 本体 结构 有重 要的 现实 意 义。在水和空气两种不同的工作介质中，磁吸附式爬壁机器人的磁块单元周围 的磁场变化会呈现出何种规律，是研发水下机器人吸附机构的一个难题。磁吸 附式水下机器人磁吸附系统的设计是水下机器人实现工作表面吸附功能的关 键。因此， 研究磁体在不同介质中的磁场分布，对研发磁吸附式水下机器人有 着重要的现实意义。 1 2磁场基本理论 电磁场理论由一套麦克斯韦方程组描述，由安培环路定律、法拉第电磁感 应定律、高斯电 通定律 ( 高斯定律) 和高斯磁通定律 ( 磁通连续性定律)四大 定律组成。 分析与研究恒定磁场时， 有三个基本的物理量: 磁感应强度b 、 磁化 强度向量m 和磁场强度向量h 。 恒定磁场基本方程的积分形式和微分形式可以分 别 表 述 如 下 : 如 . = “v.， 一 “ ; 介. dl 一 vxh = 。 在 各 向 同 性 的 线 性 的 介 质 中 : b = 衅。 ， 31 永磁材料的主要技术性能指标是剩磁b r