張捷，袁祖強(qiáng)，吳航

(1.南通理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇南通226002;2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京211816)

0 前言

爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的一種，能夠在垂直壁面、球面等場(chǎng)合攀爬行走，并搭載相應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)壁面的清洗、探傷、管道敷設(shè)、油漆等多種功能。近年來(lái)在石化工業(yè)對(duì)圓柱形或球形壓力容器的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查、噴漆防腐等方面應(yīng)用逐漸增多。

國(guó)外爬壁機(jī)器人發(fā)展較早，早在20世紀(jì)60年代，日本就研究出了世界上首臺(tái)爬壁機(jī)器人樣機(jī)［1］。隨后德國(guó)、以色列等國(guó)家也相繼開始爬壁機(jī)器人的研究工作，至今已研制出各種形式的爬壁機(jī)器人樣機(jī)，包括飛行機(jī)器人、多足機(jī)器人、多吸盤機(jī)器人和“腿輪”機(jī)器人等。直到1988年，在國(guó)家“863”高技術(shù)計(jì)劃的支持下，國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)并研制的第一臺(tái)壁面爬行式遙控檢查機(jī)器人(BH-1)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所誕生，它是為我國(guó)的核電站而研制的，隨后又研制成功了磁吸附和真空吸附兩個(gè)系列的5 種型號(hào)壁面爬行機(jī)器人。90年代之后上海大學(xué)、北航和上海交大也相繼開始研究，并取得相應(yīng)成果。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，爬壁機(jī)器人主要具有壁面吸附和壁面移動(dòng)兩大功能，根據(jù)這兩大功能可對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行分類，按照吸附方式爬壁機(jī)器人可分為:

(1)真空吸附爬壁機(jī)器人［2］。此類機(jī)器人一般帶有一個(gè)或幾個(gè)負(fù)壓吸盤，在吸盤內(nèi)部產(chǎn)生一定的真空度從而能夠吸附于壁面上，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，允許吸盤氣體少量泄露，但無(wú)斷電延續(xù)性，斷電后易失去吸力，且避免適應(yīng)性差，只能用于表面相對(duì)光滑的壁面，多用于玻璃墻面。

(2)磁吸附爬壁機(jī)器人［3－4］。又可細(xì)分為永磁吸附和電磁吸附，此類機(jī)器人靠永磁體或電磁體吸附在導(dǎo)磁材料表面，優(yōu)點(diǎn)是吸附力大，但僅適用于鐵磁性材料壁面。

(3)推力吸附爬壁機(jī)器人。此類機(jī)器人靠螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力貼附在壁面上，它移動(dòng)速度快，對(duì)壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性高，但其控制復(fù)雜，體積大，噪聲大。

(4)仿生機(jī)構(gòu)吸附爬壁機(jī)器人［5－6］，此類機(jī)器人模仿昆蟲的腳掌利用尖爪、軟墊和剛毛等方式提供吸附力，特點(diǎn)是外形小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)壁面形狀、材質(zhì)適應(yīng)性高，負(fù)載小，但其研究尚不成熟。

按照移動(dòng)方式爬壁機(jī)器人可分為:

(1)車輪式爬壁機(jī)器人［7］。車輪式移動(dòng)速度快、控制靈活，尤其轉(zhuǎn)向比較容易實(shí)現(xiàn)，但車輪與壁面接觸面積小，因而維持一定的吸附力較困難。

(2)履帶式爬壁機(jī)器人［8］。履帶式對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng)，接觸面積大，吸附力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度較快，但不易轉(zhuǎn)向和壁面過(guò)渡。

(3)腳足式爬壁機(jī)器人。多足步行式吸附力較強(qiáng)，易于跨越障礙，可靈活實(shí)現(xiàn)壁面過(guò)渡和轉(zhuǎn)向等功能，但移動(dòng)速度慢，各足的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性要求較高，控制難度高。

(4)復(fù)合式爬壁機(jī)器人［9］。兼有以上幾種形式爬壁機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。

大型壓力容器壁面多為圓柱面和球面，需要考慮吸附表面的弧度。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人很容易出現(xiàn)接觸不良和懸空狀況，文中提出一種新型爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)，適用于石化行業(yè)的圓柱形或球形壓力容器壁面爬行。

1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 吸附方式選擇

設(shè)計(jì)所針對(duì)的材質(zhì)基本上是鐵磁性材料，所以吸附方式可以選擇電磁吸附或永磁吸附。電磁吸附和永磁吸附在鐵磁性材料壁面上都可以提供較大的吸附力，但是電磁吸附設(shè)備尺寸大，并需要攜帶電線提供較大的電力，為了使爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)盡量緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，該設(shè)計(jì)采用稀土永磁吸附。

稀土永磁材料是稀土金屬和過(guò)渡族金屬的合金制成的永磁材料，第三代永磁材料釹鐵硼(NdFeB)磁體磁能積高，被稱作當(dāng)代“永磁之王”。釹鐵硼系列中的Nd15Fe77B8具有較高的內(nèi)稟矯頑力和較好的抗老化退磁性能，可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，非常適合爬壁機(jī)器人的工作環(huán)境，其性能見表1。

表1 釹鐵硼磁體Nd15Fe77B8 的性能參數(shù)

1.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型壓力容器壁面多為圓柱面和球面，需要考慮吸附表面的弧度。目前現(xiàn)有的輪式爬壁機(jī)器人都是四輪結(jié)構(gòu)，比如張立國(guó)等［10］設(shè)計(jì)的一款立式金屬罐容積檢定爬壁機(jī)器人，如圖1所示，四方形支承板和4個(gè)輪子組成的車身。此類型爬壁機(jī)器人在弧面上爬行時(shí)很容易造成三輪接觸、一輪懸空的狀態(tài)，從而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。履帶式爬壁機(jī)器人一般都是兩條履帶結(jié)構(gòu)，比如唐浩設(shè)計(jì)的船舶壁面除銹爬壁機(jī)器人［11］，如圖2所示，是以兩條長(zhǎng)履帶作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)，同樣會(huì)造成接觸不穩(wěn)定狀況。

圖1 輪式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 履帶式爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)，可有效應(yīng)對(duì)圓柱面或球面，如圖3所示，采用三角式車身，2 個(gè)三角履帶前輪和一個(gè)萬(wàn)向后輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，由三點(diǎn)確定一個(gè)平面定理可知，此爬壁機(jī)器人能穩(wěn)定地貼附在圓弧表面。磁鐵做成小塊鑲嵌在履帶上，同時(shí)后輪采用釹鐵硼材料做成磁輪，磁體直接與壁面接觸，與磁隙式結(jié)構(gòu)相比吸附更加可靠。此外，三角履帶輪結(jié)構(gòu)首次被應(yīng)用在爬壁機(jī)器人上，它兼有履帶式爬壁機(jī)器人和輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，并消除了他們的缺點(diǎn)，解決了接觸可靠和轉(zhuǎn)向靈活之間的矛盾。可概括為三角履帶輪式爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)性強(qiáng)、接觸面積大、吸附力強(qiáng)和移動(dòng)速度快、控制靈活、轉(zhuǎn)向比較容易等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 三角履帶輪式爬壁機(jī)器人

1.3 機(jī)器人Pro/E 三維建模

利用Pro/Engineer 中的【拉伸】、【旋轉(zhuǎn)】、【掃描】、【鏡像】等操作完成各零件的建模，再通過(guò)組裝得到爬壁機(jī)器人的實(shí)體造型。如圖4所示，從放大圖可以看出，三角履帶輪與車身的連接采用了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副，從而三角履帶輪有兩個(gè)擺動(dòng)自由度，有利于爬壁機(jī)器人適應(yīng)不同弧度的壁面。

圖4 爬壁機(jī)器人三維模型

2 機(jī)器人吸附時(shí)靜力分析

由于爬壁機(jī)器人是在高空進(jìn)行工作，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮安全性能。爬壁機(jī)器人在工作時(shí)可能有兩種危險(xiǎn)情況:一是機(jī)器人從壁面滑落;二是機(jī)器人在壁面上傾覆。對(duì)機(jī)器人吸附在壁面上時(shí)的靜力分析是為了計(jì)算可靠性吸附的條件。圖5 是爬壁機(jī)器人靜止吸附在壁面上的受力分析圖。

2.1 滑落情況計(jì)算

爬壁機(jī)器人靜止在壁面上時(shí)，兩個(gè)三角履帶輪被制動(dòng)，萬(wàn)向輪仍是不受約束，所以摩擦力是由兩前輪提供。兩前輪永磁體吸附力分別為P1，P2，后輪吸附力為P3。

x 方向:N1=P1，N2=P2，N3=P3

y 方向:G0+G1+G2－F1－F2=0

F1≤f靜N1，F(xiàn)2≤f靜N2

可見是否滑落，與吸附力和摩擦因數(shù)有直接關(guān)系。當(dāng)然，在增大吸附力和摩擦因數(shù)的同時(shí)也得考慮采用合適材料減輕車體質(zhì)量。

式中:N1、N2、N3分別為壁面對(duì)3 個(gè)輪子的彈力;

G0為車身后輪和負(fù)載總重，G1、G2為兩前輪質(zhì)量;

F1、F2、F3為車輪與壁面間的摩擦力;

f靜為車輪與壁面的靜摩擦因數(shù)。

2.2 傾覆情況計(jì)算

由于爬壁機(jī)器人后輪萬(wàn)向輪始終不受約束，所以在機(jī)器人往上運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)傾覆。最容易傾覆應(yīng)該是發(fā)生在機(jī)器人往下運(yùn)動(dòng)時(shí)，車身會(huì)繞三角履帶輪與車身連接處傾覆，不發(fā)生傾覆的條件是對(duì)連接點(diǎn)的吸附力矩大于重力力矩。

即:N3(L1+L2)≥G(d2－d1)

可見加長(zhǎng)車身長(zhǎng)度和減小車身和負(fù)載重心到壁面距離有利于防止機(jī)器人傾覆，也就是要使得機(jī)器人在運(yùn)行中盡量貼緊壁面。

式中:d1、d2分別為連接鉸鏈和車身與負(fù)載的重心到壁面的水平距離;

L1、L2分別為車身與負(fù)載的重心到連接鉸鏈和后輪中心的豎直距離。

3 動(dòng)力學(xué)仿真研究

3.1 仿真模型建立

將Pro/E 建好的爬壁機(jī)器人三維實(shí)體模型通過(guò)Parasolid 的數(shù)據(jù)格導(dǎo)入到Adams/View 環(huán)境下，如圖6所示。設(shè)置Adams/View 中單位、工作網(wǎng)格和重力等工作環(huán)境，重新編輯各組件的名稱、顏色、材料屬性等信息，并根據(jù)實(shí)際情況定義各組件間的約束，包括固定副和旋轉(zhuǎn)副等。此外，建立一個(gè)傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人模型，以便用來(lái)做仿真對(duì)比。

圖6 爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

3.2 圓柱面運(yùn)動(dòng)仿真

將傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人和文中所述的新型爬壁機(jī)器人同時(shí)置于半徑為2 m 的圓柱面上，設(shè)置好運(yùn)動(dòng)約束和接觸，以6 m/min 的速度斜向上運(yùn)動(dòng)，仿真時(shí)間為1 s。為了得出兩種機(jī)器人與壁面貼合情況，測(cè)量出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各輪與壁面間的距離大小。圖7 為四輪式爬壁機(jī)器人的4 個(gè)車輪與壁面的距離測(cè)量曲線，可見，有兩個(gè)車輪(輪1 和輪3)與壁面接觸良好，另外兩輪(輪2 和輪4)則呈相反狀態(tài)，即輪2 接觸時(shí)輪4 懸空、輪4 接觸時(shí)輪2 懸空。這與事實(shí)相符，在曲面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，四輪式爬壁機(jī)器人必然有一個(gè)輪子懸空。圖8 為文中爬壁機(jī)器人的3 個(gè)車輪與壁面的距離測(cè)量曲線，3 個(gè)輪子與壁面接觸良好，不存在車輪懸空現(xiàn)象，且比圖7 中曲線平緩許多，說(shuō)明文中爬壁機(jī)器人爬行穩(wěn)定，與壁面貼合可靠。

圖7 四輪式爬壁機(jī)器人的4 個(gè)車輪與壁面的距離測(cè)量曲線

圖8 三角履帶式爬壁機(jī)器人的3 個(gè)車輪與壁面的距離測(cè)量曲線

3.3 爬越焊縫仿真

壓力容器設(shè)備的焊縫對(duì)爬壁機(jī)器人來(lái)說(shuō)是常見的障礙，能否安全穩(wěn)定地越過(guò)焊縫尤為重要。在平面上建立余高為5 mm 的焊縫，傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人和文中新型爬壁機(jī)器人以6 m/min 的速度越過(guò)焊縫。

圖9、10 分別是兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身沿垂直于壁面方向的加速度變化對(duì)比曲線和車身與車輪連接鉸鏈處沖擊力對(duì)比曲線，從圖中可以看出，傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人的圓柱車輪在越過(guò)焊縫時(shí)的車身最大加速度580 mm/s2，是文中所述新型爬壁機(jī)器人的2 ～3 倍;另外在前輪越過(guò)焊縫后，新型爬壁機(jī)器人車身可以很快恢復(fù)平穩(wěn)，而傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人車身卻不停振動(dòng)?？梢娢闹兴鰴C(jī)器人越障時(shí)沖擊小，且抗振性能優(yōu)越。

圖9 兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身的加速度變化對(duì)比曲線

圖10 兩種爬壁機(jī)器人爬越焊縫時(shí)車身與車輪連接鉸鏈處沖擊力對(duì)比曲線

4 結(jié)論

鑒于化工設(shè)備圓柱壁面和球面的無(wú)損檢測(cè)，提出了一種新型爬壁機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜力分析和圓柱面爬行與跨越焊縫仿真，并與傳統(tǒng)四輪式爬壁機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明:機(jī)器人能夠在圓柱壁面和球面平穩(wěn)地完成預(yù)期動(dòng)作，并具有壁面適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活、具備一定越障能力及無(wú)需外接電線等特點(diǎn)。

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