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爬壁机器人变密度拓扑优化吸附结构研究

赖欣 师靖远 彭天宇 张晨蕾

赖欣, 师靖远, 彭天宇, 张晨蕾. 爬壁机器人变密度拓扑优化吸附结构研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 821-827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200336
引用本文: 赖欣, 师靖远, 彭天宇, 张晨蕾. 爬壁机器人变密度拓扑优化吸附结构研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(6): 821-827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200336
LAI Xin, SHI Jingyuan, PENG Tianyu, ZHANG Chenlei. Research on Adsorption Structure of Wall Climbing Robot with Variable Density Topology Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 821-827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200336
Citation: LAI Xin, SHI Jingyuan, PENG Tianyu, ZHANG Chenlei. Research on Adsorption Structure of Wall Climbing Robot with Variable Density Topology Optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(6): 821-827. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200336

爬壁机器人变密度拓扑优化吸附结构研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200336
基金项目: 

四川省科技厅应用基础研究面上项目 2019YJ0311

国家安监局2018安全生产重大事故防治关键技术项目 sichuan-0006-2018AQ

油气藏地质及开发工程国家重点实验室项目 PLN2020-10

国家级大学生创新创业训练项目 S202010615024

西南石油大学"大学生开放性实验重点项目" KSZ119330

详细信息
    作者简介:

    赖欣(1981-), 副教授, 硕士生导师, 研究方向为机器人导航与控制, sweatstar@126.com

  • 中图分类号: TH12

Research on Adsorption Structure of Wall Climbing Robot with Variable Density Topology Optimization

  • 摘要: 针对目前爬壁机器人自身重量过重、机身结构过于复杂的问题, 提出一种爬壁机器人吸附结构变密度拓扑优化法。通过对爬壁机器人吸附于壁面时影响较大的主要结构部件进行三维建模, 引入变密度拓扑优化法对所选用的部件在Ansys Workbench软件中进行结构优化。根据机器人工作实际情况设置边界条件和载荷, 合理去除爬壁机器人主体部件中对结构强度影响不大的区域。根据优化结果重建模型并和原始结构模型进行应力分析对比, 从而实现对爬壁机器人主体结构的拓扑优化。将优化后的吸附面结构与优化前的吸附面结构在ANSYS中对比, 在保证爬壁机器人底板强度一致的基础上达到轻量化的目的, 有助于提高爬壁机器人的灵活性和运动控制能力。
  • 图  1  爬壁机器人主体结构部件示意图

    图  2  拓扑优化流程图

    图  3  负载底板原部件

    图  4  负载底板拓扑优化云图

    图  5  负载底板优化后重构模型

    图  6  优化前后负载底板应力云图

    图  7  优化前后负载底板位移响应云图

    图  8  顶层支撑板原部件

    图  9  顶层支撑板拓扑优化云图

    图  10  顶层支撑板优化后重构模型

    图  11  优化前后顶层支撑板应力云图

    图  12  优化前后顶层支撑板位移响应云图

    图  13  侧面支撑板原部件

    图  14  侧面支撑板拓扑优化云图

    图  15  侧面支撑板优化后重建模型

    图  16  优化前后侧面支撑板应力云图

    图  17  优化前后侧面支撑板位移响应云图

    图  18  优化前后机器人主体结构图

    表  1  优化前后负载底板变化

    参数 优化前 优化后 优化率/%
    质量/kg 0.95 0.49 51.8
    体积/m3 1.2×10-4 6.2×10-5 51.8
    应力/MPa 26.7 29.6 -
    最大形变量/mm 0.083 0.087 -
    下载: 导出CSV

    表  2  优化前后顶层支撑板变化表

    参数 优化前 优化后
    质量/kg 0.12 0.047
    最大应力/MPa 21.4 22.3
    最大形变量/mm 0.21 0.22
    下载: 导出CSV

    表  3  优化前后侧面支撑板

    参数 优化前 优化后
    质量/kg 0.037 0.019
    最大应力/MPa 1.27 1.39
    最大形变量/mm 0.007 0.01
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2020-07-16
  • 刊出日期:  2021-06-01

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