一种油脂类罐体壁清刮机器人的运动学分析*

韩海敏

(河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042)

0 引言

食用植物油储存与社会民生息息相关，是社会稳定和国家发展的基本条件。油脂的储藏稳定性不仅与自身特性有关，还与仓储环境有关[1]。目前，我国常用的粮油贮藏方式是采取储油罐集中罐装保存，这样不仅能够较好地保障食用油的品质，而且对食用油延长保质期大有益处[2]。由于食用油不易燃、不易挥发，黏度大、质量较轻，储存这类油液一般采用大型立式圆筒形钢制固定顶油罐[3]，食用油罐的材质常用的是Q235。长时间使用后油液容易粘附在油罐内壁，影响油液存储质量的同时，容易造成油罐内壁腐蚀受损，因此需要定期对油罐内壁进行清洗[4]。随着传统的人工清洗和机械清洗在储油罐内进行作业时存在成本高、效率低、清洗容易留下死角等问题的暴露，目前逐步采用日趋成熟的爬壁机器人进行罐内清洗[5-6]。近几年，国内很多学者也对此做了很多相关研究。文献[7]研制出一种用来检测油罐容积的履带式磁吸附爬壁机器人，可替代传统的人工检测，并能进行清洗、探伤及喷漆等工作。文献[8]提出了一种用于油罐清洗壁虎式磁吸附机构，通过“电-气”传动机构，改变磁吸附力的变化，实现爬壁机构的整体运动。文献[6]提出了一种三轮式油罐清洗机器人，由一个万向轮和两个设置有仿生吸盘的驱动轮构成移动机构，清洗机构由清洗盘刷、自激脉冲高压水射流及刮铲组成，并采用全液压驱动系统，能实现机器人方便进出油罐作业。文献[9]提出了一种应用于内浮顶储油罐的履带式清洗机器人，采用了变轨距机构和举升机构组成的变形机构，可以使机器人顺利通过储油罐人孔。

根据油罐的清洗工艺流程，当清水清洗完油罐后，需要进行罐壁面的清刷。清刷完内壁面的粘结结块，完成整个油罐清洗工作[8]。基于此，设计了一种用于油脂类储罐清刮作业的爬壁机器人，并对该机器人的运动学进行分析，为进一步分析该机器人的动力学特性及控制规律提供一定的参考价值。

1 爬壁机器人的结构及工作原理

该机器人主要由行走装置、吸附装置、清刮装置三部分组成，为方便机器人进出人孔，其总体尺寸不超过500×400×250 mm3，三维模型如图1所示。在以上装置的有机结合下，完成油脂类罐体壁的清刮任务。

图1 油脂类罐体清刮机器人三维模型图

其中，行走装置中，行走轮与行走电机连接，且行走轮与辅助万向轮呈方形分布，如图2所示。为实现灵活移动与磁吸附力大小之间的调节，并做到轻量化设计，承载板表面设置有升降组件，其升降端伸入承载板下方且连接有吸附装置，升降组件带动吸附装置，实现与油罐内壁之间的距离调节，从而实现吸附力大小的调节。

图2 爬壁机器人行走装置结构示意图

使用时，通过变磁力吸附装置将机器人吸附在油罐内壁，通过调高组件带动承载柱下降，使刮板与油罐内壁相接触，利用弹性伸缩杆的弹力推动刮板，使刮板始终与油罐内壁充分接触。进行油罐内壁清洁时，行走轮的轴线与油罐的轴线平行，行走电机驱动行走轮旋转，从而使装置整体沿油罐内壁做圆周移动，刮板随着装置移动对油罐内壁进行清刮，圆周刮清完成后需要改变行走路线，承载箱内部的转向电机带动门型架旋转，使行走轮的轴线与油罐的轴线相垂直，行走电机驱动行走轮旋转，使装置整体沿着油罐的轴向移动，移动完成后转向电机带动门型架恢复原状态，重复对油罐内壁进行圆周刮清，在清扫路线的调整过程中，装置沿油罐轴线直线运动，不会造成清扫遗漏，使用效果好。

2 爬壁机器人运动学分析

图3 机器人工作俯视图

食用油罐内壁是一个曲面，机器人在储罐内壁进行作业时，其工作俯视图如图3所示。图中圆弧为罐体内壁面，水平线为机器人位置示意，R为油罐半径。

以容积为5000 t的储油罐为例，其直径约为18 m，高度为22.5 m[10]。机器人宽度W=490 mm，则

β=arcsinW/2R=arcsin490/18000

≈1.59°

(1)

由此分析可知，β的值很小，可忽略不计，为方便研究，将罐壁面假设为平直面[11]。

通过查阅资料，轮式机器人在进行运动学建模时，轮子与壁面之间是高副接触，这里采用Sheth-Uicker方法[12]来建立滚动运动系统的坐标系，两行走轮爬壁机器人运动模型如图4。图中XOY为平面参考坐标系，X’O’Y’为固定在机器人上的坐标系，其中，C点为机器人的质心，其坐标用(xc，yc)来表示；θ为机器人坐标系中的X’轴相对于参考坐标系X轴的角度，vc表示机器人质心平移速度，规定逆时针方向为正。

模型需要以下约束条件：假设机器人本体以及车轮是刚性的并在运动过程中无滑移，假设机器人的质心与型心重合并在两行走轮轴心中心。

C点的运动学模型可以用式(2)表达：

图4 爬壁机器人运动学简图

(2)

机器人的运动控制主要依靠左右两行走轮来实现，所以通过推导，得出机器人的质心速度与左右两行走轮速度的关系：

(3)

式中，W为左右两行走轮之间的距离；R1为左右两行走轮轮子的半径；vL、vR分别为左、右行走轮的速度；ωC为机器人机体的角速度；ωL为左边行走轮的角速度；ωR为右边行走轮的角速度。

将式(3)代入到式(2)中，得到

(4)

机器人在转向时，瞬时转弯半径为R0，则

(5)

当左右两行走轮的速度大小相等、方向相反时，由式(5)可知瞬时转弯半径R0=0，机器人做原地转向运动。当左右两行走轮的速度相等、方向相同时，此时机器人转向半径为无穷大，机器人作直线运动。

速度Vc的沿x方向的分量vx，沿y方向的分量vy分别为：

(6)

得左右两行走轮的速度向量S为：

(7)

机器人的位置可用矢量P=[x，y，θ]T来表示，如式(8)：

(8)

对式(8)求导得出机器人的运动学方程为：

(9)

经以上公式推导可知，通过改变两行走轮的速度或角速度，就能使机器人的运动状态发生改变。

3 仿真分析

为了验证机器人运动学研究结果的准确性，同时为了提高仿真的运算效率，需要将模型进行简化，讨论正常工况下，对机器人在ADAMS软件中的运动状态进行仿真分析。

将三维模型导入到ADAMS中后，需要对各个零部件之间添加约束，用拓扑图(图5)来表示各个零部件之间的运动学关系。机器人本体与壁面是滑移副连接，大地与壁面是固定副连接，升降组件与吸附装置之间简化为滑移副连接，两辅助万向轮与壁面是点面副连接，两行走轮与壁面是旋转副连接，另外，为了使机器人可以移动，分别在左右两行走轮的旋转副上添加驱动。

在仿真中，接触形式采用Solid-Solid，接触力选择库仑法计算，其壁面与行走轮接触参数设置如表1。

图5 各零部件之间运动学关系拓扑图

表1 机器人接触力参数设置

添加完成约束和驱动之后，设置仿真时间为4.0 s，仿真步数为1000步，然后进行仿真，机器人运动参数设置如表2所示。

表2 机器人运动学仿真参数设置

4 结束语

根据油罐的清洗工艺流程，设计了一种用于油脂类储罐清刮作业的爬壁机器人，介绍了机器人的工作原理，并对该机器人的运动学进行了分析，建立了机器人的运动模型，得出了机器人运动学方程。

图6 机器人左行走轮角速度(上)、右行走轮角速度(下)曲线图

图7 机器人质心C点的位移、速度曲线图

图8 机器人转弯时左右行走轮及质心速度曲线图

对模型进行简化，利用ADAMS软件对机器人运动状态进行仿真分析，结果表明机器人在仿真中的运动变化情况与理论分析基本吻合，为后期进一步设计提供一定的参考依据。